唐駿飛

（北京廣播電視臺(tái)，北京 100089）

1 4K 超高清電視應(yīng)用現(xiàn)狀

當(dāng)前，4K 超高清電視技術(shù)的概念已經(jīng)得到落地，以大屏幕、遠(yuǎn)距離投像、寬色域等為主要特點(diǎn)的4K 超高清電視顯像技術(shù)，已經(jīng)進(jìn)入消費(fèi)者家中。與此同時(shí)，政府也不斷出臺(tái)各項(xiàng)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，為超高清電視技術(shù)的發(fā)展保駕護(hù)航。超高清電視技術(shù)憑借著高清晰度、高穩(wěn)定性的電視成像技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了性能的大幅優(yōu)化、技術(shù)的全面突破，電視分辨率提升至3 840×2 160，頻率已經(jīng)高達(dá)120 Hz。4K 超高清電視技術(shù)為觀眾帶來(lái)了前所未有的超高像素、超大空間體驗(yàn)和視距感受，所以4K 超高清電視越來(lái)越受到歡迎。

2 4K 超高清電視關(guān)鍵技術(shù)架構(gòu)組成

總體來(lái)看，4K 超高清電視的關(guān)鍵技術(shù)共分為四大類：一是4K 超高清視頻像素處理技術(shù)，二是4K 超高清音頻信號(hào)處理技術(shù)，三是4K 超高清電視傳輸技術(shù)，四是4K 超高清電視顯像技術(shù)。這四大類技術(shù)是組成4K 超高清電視的核心技術(shù)，組成了實(shí)現(xiàn)4K 超高清電視功能作用的核心架構(gòu)[1]。

2.1 超高清視頻處理技術(shù)

4K 超高清視頻信號(hào)處理技術(shù)，作為4K 超高清電視的核心技術(shù)，承擔(dān)著超高清電視視頻生成和信號(hào)傳輸?shù)闹匾饔肹2]。在大容量的高清視頻信號(hào)傳輸過(guò)程，4K 超高清電視經(jīng)常應(yīng)用高級(jí)壓縮編碼技術(shù)來(lái)壓縮視頻信號(hào)。國(guó)際電信聯(lián)盟在2010 年發(fā)起了超高清視頻信號(hào)編碼技術(shù)準(zhǔn)則，對(duì)4K 超高清視頻信號(hào)規(guī)定了高效視頻編碼——HEVC 編碼技術(shù)。使用該編碼技術(shù)，4K 超高清電視得以將源碼進(jìn)行大幅度的信號(hào)容量壓縮，使得源碼編碼容量壓縮率下降了50%。這種HEVC 編碼方式大大優(yōu)化了超高清視頻信號(hào)的傳輸信號(hào)容量，使原來(lái)大容量的超高清視頻信號(hào)實(shí)現(xiàn)小型化傳輸。后來(lái)，國(guó)際電信聯(lián)盟進(jìn)一步研究發(fā)布了第二代超高清電視視頻編碼標(biāo)準(zhǔn)即H-264 編碼準(zhǔn)則。這一編碼準(zhǔn)則相對(duì)于傳統(tǒng)的標(biāo)清、高清視頻編碼而言，其對(duì)編碼視頻信號(hào)的壓縮率進(jìn)一步大幅下降75%，使得4K 超高清電視視頻信號(hào)經(jīng)過(guò)壓縮之后，最高可以達(dá)到每秒30 幀到50 幀的超高信號(hào)傳輸速度。H-264 編碼標(biāo)準(zhǔn)將HEVC 編碼壓縮標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了大幅的優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)了最高40～60 MB·s-1的視頻壓縮信號(hào)傳輸速度。通過(guò)超高清視頻信號(hào)壓縮處理，4K 超高清視頻得以在光纖網(wǎng)絡(luò)傳輸系統(tǒng)中高速運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)了信號(hào)的極速傳導(dǎo)和清晰畫(huà)質(zhì)的保留[3]。

2.2 超高清電視音頻處理

高清音頻技術(shù)是4K 超高清電視核心技術(shù)的重要組成。一般標(biāo)清或高清電視音頻的處理是以11聲道為最多的聲道傳輸，而4K 超高清電視音頻處理最高能夠達(dá)到22 個(gè)聲道處理空間[4]，能夠在電視屏幕周圍及正前方形成環(huán)繞的3D 立體式聲音感知，從而實(shí)現(xiàn)22.2 全空間環(huán)繞聲系統(tǒng)，使觀眾對(duì)聲音的捕捉更加全面，收聽(tīng)到的聲音信號(hào)更加真實(shí)，體驗(yàn)感更加強(qiáng)烈，能夠得到極致的感官享受。

4K 超高清電視音頻處理系統(tǒng)對(duì)于22 聲道分配的音頻傳輸速率也進(jìn)一步得到大幅度提升。每一個(gè)單聲道傳播的音頻速率能夠增強(qiáng)至48～60 kB·s-1。而更高級(jí)的24 聲道音頻分布系統(tǒng)，可以達(dá)到最高30 MB·s-1的音頻傳輸速率。這些大容量的音頻傳輸速率在普通的信道傳輸過(guò)程中必然會(huì)面臨著信號(hào)承載量過(guò)多、信號(hào)傳輸擁擠等問(wèn)題[5]。然而現(xiàn)代光纖技術(shù)的引進(jìn)，使得4K 超高清電視信號(hào)經(jīng)過(guò)信號(hào)源的源碼壓縮之后，可以在高清電視傳輸系統(tǒng)中成型，進(jìn)行高速的信道流通。最大的音頻信號(hào)傳輸速率在被壓縮之后，最低也能夠達(dá)到3 MB·s-1以上的速率[6]。

當(dāng)前，韓國(guó)三星、日本索尼等公司都在積極開(kāi)發(fā)高容量、多聲道的立體環(huán)繞高清電視聲道控制系統(tǒng)。而國(guó)際電信聯(lián)盟也針對(duì)超高清電視信號(hào)系統(tǒng)的設(shè)置提出了一系列技術(shù)指導(dǎo)。例如，在國(guó)際電信聯(lián)盟的幫助下，當(dāng)前4K 超高清電視聲道規(guī)制形成了環(huán)繞聲空間分配標(biāo)準(zhǔn)，統(tǒng)一了聲音信號(hào)的兼容接口，增強(qiáng)了立體環(huán)繞聲音的單通道和多通道之間的接口標(biāo)準(zhǔn)，可以及時(shí)地使高速率傳輸?shù)囊纛l信號(hào)進(jìn)行信號(hào)轉(zhuǎn)碼和源碼壓縮，這樣就會(huì)將原來(lái)高存儲(chǔ)量的信號(hào)進(jìn)行加壓壓縮，減小了各類信號(hào)在高清電視信號(hào)傳輸系統(tǒng)中的空間占用，提高了高清電視信號(hào)傳輸?shù)乃俣群托?。在這種情況下，音頻信號(hào)只需要增加少部分的空間，就可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離、大容量的音頻信號(hào)高速穩(wěn)健傳播。4K 超高清電視音頻信號(hào)系統(tǒng)的構(gòu)建，使得4K 超高清電視的聲音信號(hào)得以完全、保真、快速傳播[7]。

2.3 超高清電視傳輸技術(shù)

4K 超高清電視技術(shù)中的傳輸指的是信號(hào)源的發(fā)射與信號(hào)傳輸、信號(hào)解碼、編碼、信號(hào)成型等一系列信號(hào)轉(zhuǎn)化過(guò)程。4K 超高清電視中，傳輸系統(tǒng)主要由信源編碼、信道解碼、信號(hào)傳輸、信號(hào)轉(zhuǎn)制及碼元成型等一系列過(guò)程構(gòu)成。它是實(shí)現(xiàn)4K 超高清電視實(shí)時(shí)信號(hào)傳輸?shù)妮d體。而光纖傳輸系統(tǒng)、微波多路傳輸系統(tǒng)（Microwave Multipoint Distribution Systems，MMDS）是超高清電視傳輸技術(shù)較常使用的傳輸信道通路。

一般4K 超高清電視傳輸系統(tǒng)的傳輸流程大致如下：聲音和圖像等信號(hào)編碼，通過(guò)信號(hào)編碼壓縮形成源碼；源碼進(jìn)入數(shù)字有線電視傳輸系統(tǒng)，經(jīng)由節(jié)目流與傳輸流分別進(jìn)行信號(hào)傳輸，由信道編碼對(duì)內(nèi)部的圖像編碼與聲音編碼進(jìn)行解制，解制之后形成全新的信號(hào)，在信道系統(tǒng)中進(jìn)行快速傳播；當(dāng)達(dá)到4K 超高清電視接收終端時(shí)，聲音圖像信號(hào)會(huì)經(jīng)由信道解碼系統(tǒng)及時(shí)進(jìn)行信號(hào)源的解調(diào)，實(shí)現(xiàn)音頻視頻的解碼；4K 超高清電視終端直接接收解碼后的信號(hào)源，從而呈現(xiàn)出清晰的電視聲音圖像信號(hào)。從整個(gè)流程可以看到，由計(jì)算機(jī)控制的自動(dòng)化數(shù)字傳輸系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)地將聲音、圖像等編碼進(jìn)行壓縮和解碼，從而使整個(gè)信號(hào)能夠在傳輸系統(tǒng)中高速穩(wěn)定地運(yùn)行。這是4K 超高清電視傳輸系統(tǒng)形成穩(wěn)定信號(hào)源的關(guān)鍵。

2.3.1 光纖傳輸系統(tǒng)

光纖電纜是顯著區(qū)別于同軸電纜傳輸特性的新的傳輸系統(tǒng)。在光纖傳輸技術(shù)中，由于所采用的光纖具有高敏感性、高容量性和信號(hào)穩(wěn)定性，所以其傳輸功率較大，傳輸設(shè)備能夠適應(yīng)的環(huán)境條件較廣泛。當(dāng)前許多4K 超高清電視信號(hào)傳輸過(guò)程中，進(jìn)入設(shè)備終端時(shí)，都會(huì)采用入戶光纖的形式進(jìn)行信號(hào)接入。一般房屋施工時(shí)，工程建設(shè)都會(huì)配套家庭光纖通信裝置預(yù)埋，如建筑體內(nèi)入戶光纖采用固定式的線路走位，通過(guò)細(xì)化光纖直徑，加密光纖芯數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)大容量信號(hào)的傳輸。因?yàn)楣饫w傳輸過(guò)程中信號(hào)具有完全的反射能量，所以光纖信號(hào)傳輸過(guò)程中能量損耗較少，能量傳輸速度較快，是當(dāng)前應(yīng)用于4K 超高清電視傳輸系統(tǒng)的主流傳輸架構(gòu)之一。

2.3.2 微波多路MMDS 傳輸系統(tǒng)

MMDS 傳輸系統(tǒng)指的是微波多路傳輸系統(tǒng)。微波多路傳輸系統(tǒng)是與光纖傳輸系統(tǒng)、同軸電纜傳輸系統(tǒng)明顯不同的一種傳輸系統(tǒng)。這一傳輸系統(tǒng)主要采用微波點(diǎn)對(duì)點(diǎn)發(fā)射的形式進(jìn)行信號(hào)的傳播。微波多路MMDS 傳輸系統(tǒng)必須以衛(wèi)星中繼站作為信號(hào)傳輸?shù)闹欣^系統(tǒng)，以衛(wèi)星中繼站為載體進(jìn)行廣播電視信號(hào)發(fā)射。經(jīng)過(guò)信號(hào)發(fā)射，將聲音圖像信號(hào)全面壓縮、碼元加碼，傳輸給衛(wèi)星中繼站；衛(wèi)星中繼站依靠MMDS 系統(tǒng)進(jìn)行信號(hào)接收。這些信號(hào)在空間傳輸?shù)念l率在2 500～2 800 MHz。微波多路系統(tǒng)接收到聲音、圖像等壓縮信號(hào)之后，會(huì)以高能量信號(hào)射頻向地面空間的4K 超高清電視接收終端進(jìn)行信號(hào)的發(fā)送?？傮w來(lái)看，微波多路MMDS 傳輸系統(tǒng)具有速度快、無(wú)物理線路、施工相對(duì)容易等優(yōu)點(diǎn)，中繼衛(wèi)星的應(yīng)用容量也相對(duì)較大。

2.4 超高清電視顯示

在4K 超高清電視的關(guān)鍵技術(shù)中，顯示技術(shù)是至關(guān)重要的技術(shù)。這是因?yàn)?，超高清電視顯示決定著畫(huà)面的清晰度，要想得到極致的高清觀感體驗(yàn)，必須由超高清電視顯示系統(tǒng)加以呈現(xiàn)。

在4K 超高清電視顯示系統(tǒng)技術(shù)中，液晶面板是至關(guān)重要的技術(shù)環(huán)節(jié)。當(dāng)前，為進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)4K超高清的目標(biāo)，液晶面板的分辨率已經(jīng)逐步達(dá)到3 840×2 160。在產(chǎn)業(yè)發(fā)展上，三星、海力士、LG以及京東方等企業(yè)都沿著各自的產(chǎn)業(yè)路徑實(shí)現(xiàn)了超高清液晶面板的生產(chǎn)[8]。

總體上，不同的生產(chǎn)企業(yè)將4K 超高清液晶面板劃分為兩大類不同的應(yīng)用模式，一種是VA 屏，一種是IPS 屏。超高清電視液晶顯示屏幕具有高度的屏幕分辨率敏感性，其尺寸面板在39～85 英寸。在這些尺寸中間進(jìn)行各種型號(hào)的4K 超高清電視顯示屏應(yīng)用，都可以有效地構(gòu)成4K 超高清電視液晶顯示屏。此外，4K 超高清電視顯示屏還有接線驅(qū)動(dòng)接口，接線驅(qū)動(dòng)接口的信號(hào)傳輸速率和信號(hào)刷新速率，決定著4K 超高清電視顯示屏的屏幕圖像顯示效果[9]。

當(dāng)前，不同的企業(yè)在4K 超高清電視顯示屏的驅(qū)動(dòng)接口上設(shè)置了LVDS 接口和V-by-One 接口。這兩種不同的驅(qū)動(dòng)接口的傳輸速率各有不同，其中，LVDS 驅(qū)動(dòng)接口的傳輸速率為1.05 GB·s-1，V-by-One驅(qū)動(dòng)接口對(duì)高清電視信號(hào)的傳輸密度較大、容量較高，最高傳輸速率可以達(dá)到3.75～4.75 GB·s-1。二者在刷新頻率方面最高的頻率跳閃為240 Hz，處理的色彩度可以達(dá)到12 bit。總體來(lái)看，V-by-One驅(qū)動(dòng)接口的傳輸速率較高。

超高清電視中芯片的應(yīng)用，也是4K 超清電視顯示技術(shù)的核心。當(dāng)前的4K 超高清電視芯片都是以雙芯形式存在。4K 超高清電視的芯片內(nèi)部共兩個(gè)芯片，其中一個(gè)芯片專門用來(lái)完成圖像信號(hào)的接收、轉(zhuǎn)制、成像及輸出，另一個(gè)芯片則專門用來(lái)對(duì)4K 超高清電視顯示屏幕中的圖像進(jìn)行補(bǔ)充性信號(hào)處理與聲音信號(hào)的處理。

3 4K 超高清電視關(guān)鍵技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)分析

當(dāng)前，隨著新一代信息科技的全面加速創(chuàng)新，圍繞著4K 超高清電視形成的新技術(shù)也正在持續(xù)迭代發(fā)展。

在超高清視頻處理方面，越來(lái)越多的超高清視頻壓縮、容量存儲(chǔ)技術(shù)正在快速發(fā)展，以邊緣計(jì)算和云存儲(chǔ)為核心的大容量存儲(chǔ)技術(shù)、高速視頻信號(hào)傳輸技術(shù)、壓縮信號(hào)傳輸技術(shù)等，都推動(dòng)著4K 超高清電視視頻信號(hào)的處理向大規(guī)模、集成式、高速率方向發(fā)展。

在4K 超高清電視音頻處理方面，隨著音頻解碼技術(shù)的持續(xù)創(chuàng)新，音頻載荷量持續(xù)增大，音頻傳播速度也持續(xù)提高。在聲音傳輸系統(tǒng)中，基于高分辨率的立體環(huán)繞聲道正在持續(xù)擴(kuò)容。據(jù)媒體報(bào)道，已經(jīng)有28 聲道的MPG 環(huán)繞聲道實(shí)驗(yàn)成功，所以在未來(lái)，4K 超高清電視音頻技術(shù)必然會(huì)向著更加立體化、真實(shí)體驗(yàn)感和高速傳播的方向持續(xù)演化。

在4K 超高清電視傳輸系統(tǒng)的技術(shù)研發(fā)和推廣方面，越來(lái)越多的光纖傳輸系統(tǒng)、互聯(lián)網(wǎng)超高清傳輸系統(tǒng)、5G 信號(hào)傳輸系統(tǒng)和中繼衛(wèi)星傳輸系統(tǒng)也都持續(xù)構(gòu)建著更高傳輸速度、更穩(wěn)定的傳輸通道，驅(qū)動(dòng)4K 超高清電視傳輸能力進(jìn)一步增強(qiáng)。此外，信號(hào)傳輸源碼更加便于壓縮處理，對(duì)聲音圖像的傳輸編碼混合壓縮與碼流復(fù)接都形成了更加創(chuàng)新的技術(shù)。

在4K 超高清電視顯示技術(shù)方面，更大存儲(chǔ)容量、更快運(yùn)行速度的超高清電視顯示芯片正在持續(xù)研發(fā)。液晶顯示屏的生產(chǎn)制造也逐步向大規(guī)模、集成式生產(chǎn)方向前進(jìn)，其規(guī)模效應(yīng)逐步凸顯，這會(huì)進(jìn)一步壓低液晶顯示屏的市場(chǎng)價(jià)格，有利于超高清4K電視的市場(chǎng)推廣。而在4K 超高清電視顯示屏的接口技術(shù)開(kāi)發(fā)方面，以V-by-One 接口為核心的驅(qū)動(dòng)式接口也逐步擴(kuò)大了應(yīng)用覆蓋率，更多的企業(yè)在開(kāi)發(fā)4K 超高清電視屏幕驅(qū)動(dòng)接口時(shí)，越來(lái)越多地選擇使用這一接口模式進(jìn)行信息接口應(yīng)用。

4 結(jié)語(yǔ)

本文詳細(xì)介紹了4K 超高清電視的關(guān)鍵技術(shù)環(huán)節(jié)，并對(duì)其未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)、技術(shù)演進(jìn)方向、系統(tǒng)集合創(chuàng)新方向進(jìn)行總體的歸納分析判斷，能夠有效提高其發(fā)展的可持續(xù)性。4K 超高清電視的關(guān)鍵技術(shù)在各個(gè)方面都在進(jìn)一步加大創(chuàng)新力度，加大對(duì)市場(chǎng)的推廣力度，其在未來(lái)的發(fā)展中也越來(lái)越多地向著大容量、快速性、穩(wěn)健性的方向發(fā)展。