李玉忠
摘 要:本文研究了超高清電視技術發(fā)展現(xiàn)狀,對超高清電視系統(tǒng)的圖像關鍵參數(shù)進行了分析和解讀。
關鍵詞:分辨率;色域;動態(tài)范圍;轉換曲線
放眼全球,聚焦國內(nèi),現(xiàn)代電視的發(fā)展已快步進入4K超高清時代。超高清電視可以給觀看者帶來更好的視覺體驗,能夠展現(xiàn)更多的視頻信息,具有更強的真實感。相對于現(xiàn)行的高清電視,4K超高清電視不僅僅是分辨率的提升。4K電視比高清電視的優(yōu)勢有哪些呢?我們有必要了解4K超高清電視的關鍵技術。電視呈獻給觀眾的是活動的圖像,與活動圖像質(zhì)量密切相關的有以下幾個因素,如圖一所示:包括分辨率(空間分辨率)、色域(彩色分辨率)、量化(灰度分辨率)、幀速率(時間分辨率)、動態(tài)范圍(寬容度分辨率)。高清電視的分辨率是2K,到超高清有4K和8K,隨著分辨率的增加,呈現(xiàn)的圖像越細膩和清晰。色域影響的是圖像的色彩,色域越大,色彩就會越鮮艷。量化比特關系到圖像的灰度層次,對色彩的還原也有影響。幀率的高低對快速運動的圖像,呈現(xiàn)不同的效果。動態(tài)范圍影響的是圖像同時呈現(xiàn)暗圖像和高亮圖像的能力。4K超高清在這幾個方面都有了相當大的提高。
分辨率:按ITU-R BT.2020,定義4K超高清電視分辨率為3840x2160,畫面寬高比是16:9,相對于比4K電影少了7%的像素。標清是720x576,寬高比是4:3,高清是1920x1080,寬高比是16:9,從圖二可以看出,4K超高清比高清提供了更多的像素,是高清的4倍,在同樣大小的畫面中,像素越多,必然清晰度越高。
色域:如圖三所示,按ITU-R BT2020建議書給出了一個參考白D65由紅綠藍三個點構成的三角形,就是超高清電視的色域。高清和標清的色域非常相近,4K比高清的色域大了很多,色域的增大能顯現(xiàn)更多的顏色,主要是綠色這一塊,并且色彩的飽和度比高清大了許多,色域增大給觀眾帶來更逼真的色彩效果。
量化比特數(shù):按ITU-R BT2020建議書推薦的量化信號是R、G、B 或者Y、CB、CR,10比特或者12比特量化,當前技術階段,大多采用10比特量化,對于相同的亮度范圍,量化比特殊的增加可以使亮度的層次更加清晰,可以使色彩更加豐富。
幀率:ITU-R BT2020支持多種幀率,考慮到我國電視制式和應用需求,保留了50、100、120三個幀頻,逐行掃描,幀率高,畫面流暢。若幀率不高,高速運動畫面呈現(xiàn)卡頓、閃爍現(xiàn)象。
動態(tài)范圍:回顧電視技術發(fā)展史,在傳送模擬電視、標清和高清電視時,攝像機內(nèi)部都有γ校正信號處理過程。圖像采集器件,它的光電轉換特性是線性的,如圖四所示:
隨著入射光線的增強,圖像采集設備的輸出電平也是線性增加,入射光線隨著景物亮度成正比關系。我們希望圖像采集器件的線性關系,它輸出的信號經(jīng)過一系列的處理和傳輸,到達終端時,也能同樣成線性關系,呈現(xiàn)原來的亮度。但是在過去的年代,顯示終端是顯像管,然而顯像管它的電光轉換特性是非線性的,顯像管隨著輸入電平的增加,呈現(xiàn)的亮度是一個非線性的增長,因此需要在攝像機內(nèi)部預先做一個反方向的校正,叫做伽馬校正。顯像管的電光轉換特性是一個冪函數(shù),γ等于2.2,攝像機預校正OETF(轉換特性)約等于0.45,這樣下來系統(tǒng)特性OOTF就是2.2乘以0.45約等于1,信號經(jīng)過總的鏈路傳輸?shù)竭_終端后,呈現(xiàn)的是一個線性關系。傳統(tǒng)的伽馬要匹配顯像管的特性,顯像管的峰值亮度只有100尼特左右。所以攝像機的伽馬也要迎合顯像管的這種特性。對于超過100尼特的亮度,攝像機的處理是滿切割。對于景物超過100尼特的亮度部分,失去了亮度的細節(jié),在圖像中呈現(xiàn)的是一片白,這是過去的情況。
在超高清電視中也有這個轉換曲線,
在ITU-R BT.2020-2中
α=1.099, β=0.018(10位系統(tǒng));α=1.0993, β=0.0181(12位系統(tǒng))
在ITU-R BT.709-6中
上邊這個式子在ITU-R BT.2020-2中,是超高清非線性轉換的公式,下邊這個在ITU-R BT.709-6中的轉換公式,對比著兩組公式,當?shù)碗娖綍r,對應圖像暗部的時候,有一個4.5的線性關系,對于其它高亮部分,是一個指數(shù)關系,它的冪是0.45,其實ITU-R BT.2020-2建議書中的非線性轉換曲線和ITU-R BT.709-6中的高清是一樣的。按照ITU-R BT.2020-2建議書得到的這個動態(tài)范圍叫作標準動態(tài)范圍簡稱SDR(Standdard Dynamic Range)。
斗轉星移,科技日益進步,顯示終端多樣化,亮度有了較大幅度的提高,能顯示到1000尼特,我們有必要把動態(tài)范圍擴大,以達到更佳的顯示效果。在2016年7月,國際電信聯(lián)盟發(fā)布了BT.2100建議書,定義了高動態(tài)范圍制作圖像,簡稱HDR(High Dynamic Range)。在該建議書中,規(guī)定了兩種實現(xiàn)高動態(tài)范圍的技術方案。一種叫做PQ,利用人類視覺特性來感知量化編碼,另一種叫作混合對數(shù)伽馬HLG,柔和了傳統(tǒng)伽馬和對數(shù)轉換曲線,HLG實現(xiàn)了傳統(tǒng)顯示技術和現(xiàn)代顯示技術的一種兼容,該建議書介紹了HLG和PQ兩種曲線之間的轉換方法。
圖五畫出了幾種轉換曲線的對比,1是傳統(tǒng)的伽馬,是ITU-R BT.709-6所規(guī)范的一種伽馬曲線,2是HLG,定義的是動態(tài)范圍擴展到1200尼特,4是PQ轉換曲線,支持的動態(tài)范圍高達10000尼特顯示,由圖可見這三者之間動態(tài)范圍存在天壤之別。還有一些廠家推出了自己的轉換曲線,3這條曲線就是索尼公司的,介于PQ和HLG中間,作為一種中間形式。
高動態(tài)范圍會帶來什么視覺效果呢?在自然光中,亮度的范圍很寬,從10-6~109尼特,對比度高達1015比1,拍攝這么大動態(tài)范圍的圖像會遇到什么問題呢?首先是光圈調(diào)整,以圖像的高亮區(qū)域為基準,圖像的暗部因為曝光不足,圖像的細節(jié)看不清了。如果把光圈放大使暗部合適的時候,圖像的高亮部分作了切割,失去了圖像的細節(jié),在圖像呈現(xiàn)的是一片白,沒有了層次感。
如果采用HDR高動態(tài)技術,采用了新的轉換曲線,把較大亮度范圍的圖像都得以呈現(xiàn),高亮部分和暗部圖像都能較好的呈現(xiàn)出來,這就是HDR制作的優(yōu)異之處。
下表為標清、高清與超高清的參數(shù)比較:
通過參數(shù)比較,4K超高清比高清圖像質(zhì)量有較大幅度的飛躍,在此基礎上再加上HDR技術,采用4K技術能呈獻給觀眾更加逼真的圖像質(zhì)量。我國也在積極開展超高清電視的研究和試驗工作。隨著未來超高清電視相關技術和標準的進一步完善,超高清電視將為人們帶來嶄新的視覺體驗。