李尹

摘 要：本文首先詳細描述了UHDTV電視的研制工作以及在UHDTV技術(shù)中運用到視頻采集、編解碼、壓縮、傳輸和存儲等主要及相關(guān)方面的前沿技術(shù)，然后通過UHDTV在現(xiàn)實生活中的運用實例來探討這樣一個新技術(shù)在未來的發(fā)展前景以及剛剛迎來高清革命的電視行業(yè)在未來UHDTV時代的發(fā)展方向。

關(guān)鍵詞：UHDTV；超高清電視；信道容量；編碼壓縮；分辨率

中央電視臺高清影視頻道是國內(nèi)第一個現(xiàn)實意義上的高清頻道，它始于2005年9月1日。如果以此時間點為中國高清頻道的起點，那么高清頻道在中國發(fā)展至今已經(jīng)有近九年了。這九年是高清電視在中國迅速普迅速發(fā)展的九年，截至2012年底，國內(nèi)已有高清頻道28路（不包括港澳地區(qū)），其運營者主要是中央電視臺及各省級電視臺，另外當時武漢電視臺是唯一擁有高清頻道的地方電視臺。然而就在我們剛開始享受高清電視技術(shù)給我們帶來的不同體驗時，UHDTV已經(jīng)慢慢進入了我們的生活。

1 UHDTV技術(shù)概況

UHDTV（Ultra High Definition Television），即超高清電視，是HDTV的下一代技術(shù)，它由國際電信聯(lián)盟（ITU）擬定，包括4K（3840×2160）和8K（7680×4320）兩種標準，比起現(xiàn)有的HDTV標準，它主要在像素數(shù)上提出了更高的要求。

說到UHDTV，就不得不提NHK（日本放送協(xié)會），它在SHV（其8K標準UHDTV被命名為SHV）上的發(fā)展經(jīng)歷基本可以代表UHDTV的發(fā)展歷史。不能不說NHK在UHDTV發(fā)展方面的眼光是極具前瞻性的，早在2004年，NHK就開始利用3840×2160的視頻采集設(shè)備來嘗試處理7680×4320的素材，但是受限于當時的技術(shù)條件，NHK并未取得實質(zhì)性的進展。2006年，NHK正式立項開發(fā)7680×4320視頻采集設(shè)備，并在兩年后取得突破性進展，制造出了第一種可實用的7680×4320攝像機雛形。在隨后的2009年，NHK利用KIZUNA寬帶互聯(lián)網(wǎng)衛(wèi)星完成了對多頻道SHV實況轉(zhuǎn)播的測試。SHV攝像機以及由NHK開發(fā)的22.2聲道音頻采集陣列被安裝在札幌電視臺觀景臺上，在札幌90米的空中。SHV視音頻信號在札幌播送站被壓縮，編碼為一個100Mps碼率的信號并通過IP網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到鹿島空間研究中心的鏈接站。在這個鏈接站，一路實況轉(zhuǎn)播信號和兩路預壓縮編碼的100Mps SHV節(jié)目被嵌合成一路300Mps的信道，復用信號通過札幌衛(wèi)星發(fā)送到NHK STRL。在那里，實驗人員在一個小型劇院里完成了節(jié)目的回放。整個傳輸過程沒有出現(xiàn)明顯的問題，而且驗證了SHV信號長時間自由傳輸是可行的。這是第一次通過衛(wèi)星實現(xiàn)SHV實況轉(zhuǎn)播，也驗證了地面IP網(wǎng)絡(luò)通過衛(wèi)星中繼是可行的。

2 UHDTV的技術(shù)發(fā)展

NHK無疑是UHDTV標準制定、設(shè)備研發(fā)上的先鋒軍，其不懈努力的結(jié)果就是今天我們已經(jīng)可以在市面上看到實用化的UHDTV產(chǎn)品，雖然它們價格高昂，但隨著生產(chǎn)技術(shù)愈發(fā)成熟，UHDTV成為主流技術(shù)需要的只是時間。

UHDTV體系包括與之對應的高清采集、編解碼、壓縮、傳輸、存儲和應用終端幾個子項，下面筆者將就已有的資料來窺探一下UHDTV技術(shù)。

ITU早在2006年就在ITU-R BT.1769建議書中對UHDTV的圖像格式進行了標準化。需要注意的是ITU將UHDTV表述為LSDI（Large Screen Digital Imagery），而NHK的UHDTV被稱作SHV（Super Hi-Vision），在07年通過的SMPTE2036號標準中，最終明確了UHDTV為超高清晰度電視的標準名稱，為了表述方便，下文中筆者也統(tǒng)一使用UHDTV這一技術(shù)名稱。

UHDTV作為一種圖像技術(shù)，圖像采集無疑是重中之重，現(xiàn)代圖像采集技術(shù)歸根結(jié)底就是光電轉(zhuǎn)換技術(shù)，從這個角度出發(fā)，UHDTV圖像采集與現(xiàn)有的HDTV圖像采集有什么不同呢？對比HDTV與UHDTV在ITU建議中的相關(guān)文件，我們發(fā)現(xiàn)二者在幀頻、取樣格式、取樣順序、取樣結(jié)構(gòu)、圖像結(jié)構(gòu)、色度標準等參數(shù)上基本是一致的，而二者區(qū)別主要體現(xiàn)在分辨率、像素寬高比（標清和高清為15：16，而超高清為1：1）。由這兩個區(qū)別可以看出UHDTV圖像采集相比HDTV圖像采集需要解決的關(guān)鍵問題是提高圖像采集分辨率。更高的分辨率意味著我們需要更精致的光電轉(zhuǎn)換陣列，解決這一問題依賴的是材料科學和制造技術(shù)。

實際對比HDTV與UHDTV標準參數(shù)，二者的每像素比特位數(shù)也是不同的，前者為每像素8位或10位，而后者為每像素10位或12位。之所以沒有重點提及這一問題是因為UHDTV的量化編碼過程與HDTV同樣為PCM（脈碼調(diào)制），以現(xiàn)有的技術(shù)條件二者在軟硬件過渡方面并不存在難點。

在這里我們不妨做一個簡單的數(shù)學題：

7680×4320×12bit×25=9953280000bit≈1187MB

這就是傳輸一秒8K標準UHDTV無損信號所需要的帶寬，這一數(shù)據(jù)，即使以2009年NHK使用的百兆信道標準來看也是不可承受的。

那么我們?nèi)绾卫糜邢薜男诺蕾Y源實現(xiàn)UHDTV信號傳輸呢？方案有兩種，一是擴展信道容量，二是進行編碼壓縮。

方案一，擴展信道容量。利用窄帶信道傳輸寬帶信號最簡單直接的解決方案就是物理堆疊，這里筆者提出一個基于IP網(wǎng)絡(luò)的相對簡單的模型，從網(wǎng)絡(luò)接口層來看，HDTV與UHDTV在量化編碼后的數(shù)據(jù)形式都是二進制編碼，因此其傳輸媒介無需做出調(diào)整。當然問題并沒有就此解決，物理堆疊原理上是一種并行傳輸模式，既然是并行傳輸模式，實現(xiàn)這個模型就必須解決數(shù)據(jù)拆分、數(shù)據(jù)重組和數(shù)據(jù)同步的問題。網(wǎng)絡(luò)接口層是不具備拆分數(shù)據(jù)的功能的，即使在其之上的網(wǎng)絡(luò)層和傳輸層也只能保證數(shù)據(jù)傳輸過程的穩(wěn)定。因此這個數(shù)據(jù)切分的任務必須在應用層來實現(xiàn)，必須有這么一個軟件模型，其分為發(fā)送與接收兩個模塊，在發(fā)送模塊，UHDTV數(shù)據(jù)被拆分為可以在已有傳輸媒介上傳輸?shù)臄?shù)據(jù)塊，每個數(shù)據(jù)塊會在拆分的同時加上同步標記，之后數(shù)據(jù)塊被分別送到堆疊的媒介端口傳輸。在數(shù)據(jù)抵達接收方的堆疊端口后，數(shù)據(jù)塊在接受模塊被重組成完整的UHDTV數(shù)據(jù)。前面筆者提到了數(shù)據(jù)塊上必須添加同步標記，這是因為如大家所知，網(wǎng)絡(luò)傳輸并不是完全可靠的，任何傳輸過程中的錯誤都會導致延遲，而屬于同一數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)塊如果不能在同一時間抵達接收方，那么必然導致屬于不同數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)塊的沖突，因此我們引入同步標記，這樣就可以在應用層通過校驗同步標記來保證數(shù)據(jù)塊組合的正確性。另外，為實現(xiàn)這種同步，傳輸質(zhì)量策略也必須被引入，每個數(shù)據(jù)有自己的傳輸時間，通常稱之為窗口，如果相應數(shù)據(jù)不能在自己的窗口時間內(nèi)抵達目的端口，傳輸質(zhì)量策略會在必要時強制丟棄超時的數(shù)據(jù)，避免前后數(shù)據(jù)間的干涉現(xiàn)象發(fā)生，而對于未超過窗口時間的數(shù)據(jù)傳輸錯誤，可以要求數(shù)據(jù)重傳。

方案二是建立在視頻壓縮和音頻壓縮技術(shù)基礎(chǔ)上的，換言之，也就是從軟件算法層面來降低UHDTV的碼率。因為視頻數(shù)據(jù)和音頻數(shù)據(jù)編碼后都是硬件無關(guān)的，所以即使使用目前的主流壓縮算法（如H.264 MPEG），壓縮UHDTV數(shù)據(jù)也是沒有問題的。當然，通過優(yōu)化算法實現(xiàn)更低的帶寬占用和更小的失真是必要的。MPEG標準和H.265無疑都會是UHDTV壓縮技術(shù)的優(yōu)先選擇，需要注意的是MPEG標準還涉及音頻編碼，而H.265僅僅涉及視頻編碼。

最后筆者還是得提到，即使是方案一，數(shù)據(jù)傳輸前的預壓縮也是必須的，可以預見如果單純利用物理堆疊傳輸來非壓縮數(shù)據(jù)帶來的成本增加必然會遠遠高于直接購買UHDTV傳輸設(shè)備的花費。

由于數(shù)字信息的硬件無關(guān)性，UHDTV在數(shù)據(jù)存儲層面與普通的數(shù)據(jù)存儲并無差別，當今主流的數(shù)據(jù)存儲技術(shù)已足以達到UHDTV數(shù)據(jù)的存儲要求。當然，我們需為之建立更大的存儲器規(guī)模以及更高速的數(shù)據(jù)總線。另外，目前尚沒有專為UHDTV開發(fā)的移動存儲設(shè)備，光存儲設(shè)備已不能達到其存儲要求，在未來基于網(wǎng)絡(luò)的云存儲和基于固態(tài)存儲器的移動存儲設(shè)備可能會是UHDTV移動存儲的優(yōu)先選擇方案。

3 應用前景

任何技術(shù)理論只有投入到生產(chǎn)生活應用中才具有實際價值，那么UHDTV會在何時以什么樣的方式成為我們生活中的實用技術(shù)呢？在2012年的倫敦奧運會上，我們已經(jīng)看到了日本NHK展示了使用這一超高清標準對比賽進行轉(zhuǎn)播而得到的效果，其每秒60幀的畫面，讓觀眾如同身臨其境，就像透過窗戶看風景一樣過癮。當然這個發(fā)展多年的技術(shù)趨勢并沒有到全力沖刺的階段，但這樣的新興技術(shù)將為我們帶來的超高分辨率視頻，也就是擁有比目前現(xiàn)行的1080p HDTV高四倍的像素的視頻，已經(jīng)在2013年國際消費性電子展上（CES）成為了被炒作的話題。2013年的國際消費性電子展（CES）呈現(xiàn)出了三個迎合超高分辨率電視（UHDTV）的電視技術(shù)趨勢：一是迎合超高分辨率影像的更高品質(zhì)音頻；二是改善智能電視功能導航的語音與視覺技術(shù)演進；三是可望實現(xiàn)Gigabit等級家庭網(wǎng)絡(luò)的802.11ac無線網(wǎng)絡(luò)標準。在展會上，Chips&Media宣布推出業(yè)界首款支持超高清分辨率的硬件HEVC（高效的視頻編碼）解碼器IP核。該解碼器主要是針對各種從智能手機到UHDTV/UHD機頂盒等高端設(shè)備的4K視頻播放，并預計能為8K UHDTV提供更高分辨率的視頻內(nèi)容。同時三星也在展會上展出一款全新的支持超高清分辨率的85英寸屏幕，這款電視也為三星贏得了2013年國際消費電子展創(chuàng)新獎。

各大廠商的支持，周邊技術(shù)的發(fā)展無疑讓我們看到了UHDTV在未來的美好前景。當然美好的前景只是一部分，我們還應該看到現(xiàn)階段國內(nèi)電視行業(yè)的現(xiàn)狀。

從電視服務提供商角度看，國內(nèi)各大省級電視臺也只是剛剛完成了其主要頻道（如各省衛(wèi)視）從標清電視向高清電視的過渡。而多數(shù)地方電視臺還沒有自己的高清頻道。也就是說，在今后一段時間內(nèi)，HDTV在國內(nèi)都將處于普及發(fā)展的階段，各電視臺的主要發(fā)展目標依然是提高高清播出率，完成已有標清頻道向高清頻道的過渡，此時再次升級設(shè)備明顯增大了投資風險，后期帶來的使用維護費用也會更高，而其帶來的效益短時間內(nèi)會相當有限。因此各臺在短期內(nèi)不大可能選擇更新設(shè)備向UHDTV過渡。

從服務對象來看，一方面，受制于產(chǎn)能和市場定位，UHDTV終端設(shè)備價格居高不下，例如LG電子在2012年10月發(fā)售第一款84寸的大屏幕LED背光4K液晶電視，售價就高達19999美元。相比較而言，HDTV終端的價格更為親民一些，也是目前市場的主流。另一方面，國內(nèi)暫時沒有對公眾開放的UHDTV頻道，即使購買了UHDTV終端設(shè)備的用戶也只能通過其它有限的渠道獲得UHDTV體驗，這決定了其只會是部分UHDTV發(fā)燒者的奢侈玩具。

那么是不是現(xiàn)在的市場環(huán)境就完全沒有UHDTV生存的空間呢？顯然答案是否定的。只要找準UHDTV的定位，它在現(xiàn)今的國內(nèi)市場也是可以有其一片細分市場的。

我們必須認識到雖然UHDTV設(shè)備價格高昂，但是性能卓越，將UHDTV應用于家庭娛樂可說是大材小用，廣告、大型秀場、大型體育賽事等領(lǐng)域因需要更高的清晰度而使其有著廣闊的市場空間。

結(jié)合上面的事實以及分析，我們不難看出，UHDTV是未來電視發(fā)展的一個趨勢。在技術(shù)飛速發(fā)展，人們對生活質(zhì)量的要求日益提高的今天，更為先進的UHDTV無疑會對未來電視產(chǎn)業(yè)產(chǎn)生巨大的影響，同時在高清電視技術(shù)逐漸普及的之后，UHDTV也會離我們的生活越來越近。