吳蔚華，孫 三，陳 宇

（北京泰瑞特檢測(cè)技術(shù)服務(wù)有限責(zé)任公司，北京 100015）

0 引 言

當(dāng)前，超高清晰度電視（Ultra High Definition Television，UHDTV）已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用，尤其是在廣播電視領(lǐng)域。UHDTV可以提供更高分辨率、更大可視角以及更廣色域的圖像顯示，包括4K超高清和8K超高清，可以為用戶帶來更具臨場(chǎng)感和逼近真實(shí)場(chǎng)景的感官體驗(yàn)。

我國依托電子信息整機(jī)制造和應(yīng)用優(yōu)勢(shì)，已基本具備超高清系統(tǒng)發(fā)展的產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)和市場(chǎng)條件，迎來發(fā)展的戰(zhàn)略機(jī)遇期。隨著電子技術(shù)的發(fā)展，超高清顯示終端環(huán)節(jié)已具備全球領(lǐng)先優(yōu)勢(shì)，目前的顯示設(shè)備無論在顯示屏的固有分辨力，還是在產(chǎn)品數(shù)據(jù)接收和處理的數(shù)據(jù)量方面，已經(jīng)邁入U(xiǎn)HDTV 8K時(shí)代。

8K超高清顯示系統(tǒng)與4K系統(tǒng)相比，從信號(hào)的采集、制作、處理、傳輸?shù)浇邮蘸惋@示，均屬于全新的系統(tǒng)領(lǐng)域。對(duì)于8K超高清顯示設(shè)備而言，面板分辨率需達(dá)到7 680×4 320，具備HDMI2.1版本接口，具備8K超高清視頻解碼和處理能力。

1 8K超高清顯示系統(tǒng)技術(shù)現(xiàn)狀

8K超高清圖像的有效像素?cái)?shù)為7 680×4 320，幀率為120 Hz、100 Hz或50 Hz，掃描模式為逐行掃描；圖像信號(hào)的取樣結(jié)構(gòu)包括4∶4∶4、4∶2∶2或4∶2∶0，編碼格式為10 bit或12 bit，顯示設(shè)備需采用HDMI2.1版本的輸入接口。與4K超高清圖像相比，8K超高清圖像的分辨率是4K圖像的4倍，數(shù)據(jù)率達(dá)到48 Gb·s-1，顯示設(shè)備接收接口從HDMI2.0升級(jí)為HDMI2.1。

8K超高清電視需要具備7 680×4 320的固有分辨力，具備HDMI2.1接口，可以接收、處理并顯示BT.2020色度空間的7 680×4 320P、場(chǎng)頻為120 Hz、100 Hz或50 Hz圖像格式的視頻信號(hào)。8K超高清電視較4K超高清電視而言，圖像清晰度顯著增加，給消費(fèi)者帶來身臨其境的感官享受。

目前，國內(nèi)外缺乏針對(duì)UHDTV（8K）超高清電視重顯率、清晰度、色度視角及色度體積等關(guān)鍵評(píng)價(jià)指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試信號(hào)和測(cè)評(píng)方法。北京泰瑞特檢測(cè)技術(shù)服務(wù)有限責(zé)任公司根據(jù)UHDTV（8K）的特點(diǎn)與性能指標(biāo)要求，設(shè)計(jì)并生成了UHDTV（8K）復(fù)合測(cè)試圖，研究面向8K超高清顯示設(shè)備顯示性能的測(cè)量方法。

2 8K超高清晰度復(fù)合測(cè)試圖設(shè)計(jì)

根據(jù)GY/T 307—2017《超高清晰度電視系統(tǒng)節(jié)目制作和交換參數(shù)值》規(guī)定的有效像素?cái)?shù)7 680×4 320的圖像空間特性和時(shí)間特性要求[1]，在復(fù)合測(cè)試圖中設(shè)計(jì)了用于重顯率、靜態(tài)清晰度、色度可視角以及色度體積等多種標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試信號(hào)元素。8K超高清晰度復(fù)合測(cè)試圖如圖1所示。

圖1 8K超高清晰度復(fù)合測(cè)試圖

8K超高清復(fù)合測(cè)試圖單幀圖像的平均圖像電平（Average Picture Level，APL）為50%，背景以格子信號(hào)為主，水平方向有36個(gè)白格，垂直方向有20個(gè)白格（幅型比為16∶9）。復(fù)合測(cè)試圖的信號(hào)設(shè)計(jì)主要包括5個(gè)方面的內(nèi)容。

（1）重顯率。測(cè)試圖的上部、下部、左部及右部區(qū)域設(shè)計(jì)了黑白相間的邊框。重顯率測(cè)量刻度在90%～100%，有刻度標(biāo)記，步進(jìn)為1%。

（2）清晰度。8K復(fù)合測(cè)試圖中心區(qū)域有一個(gè)大圓，半徑為1 664個(gè)像素。圓內(nèi)包含4組楔形電視線。測(cè)試圖可面向8K超高清顯示設(shè)備測(cè)量靜態(tài)清晰度，包括水平清晰度和垂直清晰度，測(cè)量范圍從1 080電視線到4 320電視線，同時(shí)有多個(gè)清晰度電視線刻度標(biāo)記。

水平清晰度測(cè)試區(qū)域?yàn)榇髨A內(nèi)垂直方向2組楔形電視線簇。下方楔形電視線簇的清晰度從1 080電視線到2 160電視線連續(xù)變化，上方楔形電視線簇的清晰度從2 160電視線到4 320電視線連續(xù)變化。

垂直清晰度測(cè)試區(qū)域?yàn)榇髨A內(nèi)水平方向2組楔形電視線簇。右側(cè)楔形電視線簇的清晰度從1 080電視線到2 160電視線連續(xù)變化，左側(cè)楔形電視線簇的清晰度從2 160電視線到4 320電視線連續(xù)變化。

同時(shí)，測(cè)試圖還具備單獨(dú)的清晰度典型值測(cè)試區(qū)域，分布在中心大圓外部區(qū)域的左上部、右上部、左下部及右下部4個(gè)小區(qū)域。每個(gè)小區(qū)域有5個(gè)方格，共20個(gè)方格。左上小區(qū)域的5個(gè)方格內(nèi)分別為水平清晰度4 320和2 880電視線刻度，垂直清晰度4 320和2 880電視線刻度以及45°斜向清晰度6 110電視線刻度；右上小區(qū)域的5個(gè)方格內(nèi)分別為水平清晰度1 730和4 320電視線刻度，垂直清晰度1 730和4 320電視線刻度以及135°斜向清晰度3 055電視線刻度；左下小區(qū)域的5個(gè)方格內(nèi)分別為水平清晰度4 320和1 440電視線刻度，垂直清晰度4 320和1 440電視線刻度以及135°斜向清晰度2 445電視線刻度；右下小區(qū)域的5個(gè)方格內(nèi)分別為水平清晰度2 160和4 320電視線刻度、垂直清晰度2 160和4 320電視線刻度以及45°斜向清晰度4 075電視線刻度。

（3）灰度等級(jí)。8K復(fù)合測(cè)試圖的正下方水平分布21個(gè)方格，方格中的平均圖像電平APL從0%～100%變化，步進(jìn)為5%。

（4）色度體積。色度體積用于測(cè)量8K超高清顯示設(shè)備顯示的亮度和色度坐標(biāo)形成的立體圖形體積占據(jù)在CIELab色度空間內(nèi)的體積大小。8K復(fù)合測(cè)試圖大圓的左右兩側(cè)區(qū)域設(shè)計(jì)了4組色度塊，基于自然界不同色彩和不同明暗度的考慮，色度塊有不同的色調(diào)和飽和度。每組色度塊包含9個(gè)方格塊，按照從左到右，從上到下的順序依次編號(hào)為1～9，4組區(qū)域色度塊的RGB值如表1～表4所示。

表1 紅色區(qū)域RGB值

表2 紅綠區(qū)域RGB值

表4 藍(lán)色區(qū)域RGB值

表3 藍(lán)綠區(qū)域RGB值

（5）背景格子。背景格子信號(hào)可用來檢查8K超高清顯示設(shè)備顯示圖像的幾何失真、非線性失真、會(huì)聚誤差及色純等指標(biāo)。

3 8K超高清顯示設(shè)備測(cè)評(píng)方法研究

為了對(duì)8K超高清顯示設(shè)備的畫質(zhì)進(jìn)行客觀評(píng)價(jià)，北京泰瑞特檢測(cè)技術(shù)服務(wù)有限責(zé)任公司針對(duì)8K超高清顯示設(shè)備性能的測(cè)試系統(tǒng)、測(cè)試信號(hào)、關(guān)鍵指標(biāo)及測(cè)量步驟進(jìn)行了測(cè)評(píng)研究。

3.1 測(cè)試系統(tǒng)

8K超高清顯示設(shè)備性能的測(cè)試系統(tǒng)主要由標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試信號(hào)發(fā)生設(shè)備、信號(hào)傳輸及終端顯示設(shè)備以及性能測(cè)試儀器組成。標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試信號(hào)發(fā)生設(shè)備需具備8K超高清信號(hào)發(fā)生功能，支持HDMI2.1接口，支持外接測(cè)試信號(hào)的輸入。

結(jié)合8K超高清顯示設(shè)備的分辨率和顯示尺寸，考慮人眼可觀看的最小視覺分辨率，研究確定，測(cè)試系統(tǒng)中光學(xué)測(cè)試設(shè)備與被測(cè)顯示設(shè)備之間的距離應(yīng)為顯示設(shè)備屏幕高度的0.75倍。

3.2 測(cè)試信號(hào)

結(jié)合8K超高清顯示技術(shù)的特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)，重點(diǎn)研究8K超高清顯示設(shè)備性能中清晰度、重顯率、色域覆蓋率、色度視角以及色度體積的測(cè)評(píng)方法。

圖2 8K超高清顯示設(shè)備測(cè)試系統(tǒng)

3.2.1 清晰度和重顯率

清晰度和重顯率的測(cè)量采用研制的8K超高清復(fù)合測(cè)試圖進(jìn)行。

3.2.2 色域覆蓋率

色域覆蓋率的測(cè)量應(yīng)采用位數(shù)為10 bit，格式為7 680×4 320的靜態(tài)測(cè)試信號(hào)：全紅（1023，0，0）/全綠（0，1023，0）/全藍(lán)（0，0，1023）。

3.2.3 色度視角

色度視角的測(cè)量采用8K超高清復(fù)合測(cè)試圖中的9種顏色信號(hào)，色彩包括紅、綠、藍(lán)、黃、品紅、青、深膚色、淺膚色以及灰色。

3.2.4 色度體積

色度體積的測(cè)量采用8K超高清復(fù)合測(cè)試圖中的色度體積顏色信號(hào)。

3.3 測(cè)量步驟

根據(jù)如下步驟進(jìn)行測(cè)量。

（1）將被測(cè)8K超高清顯示設(shè)備的圖像設(shè)置恢復(fù)到出廠位置。

（2）8K標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試信號(hào)設(shè)備輸出8K超高清復(fù)合測(cè)試圖。

（3）觀察復(fù)合測(cè)試圖四周與被測(cè)顯示設(shè)備的顯示區(qū)域邊界的重合位置，直接讀取水平重顯率和垂直重顯率；調(diào)整待測(cè)顯示設(shè)備的重顯率，在重顯率達(dá)到100%時(shí)，觀察清晰度典型值區(qū)域，判斷是否能清晰分辨一黑一白兩個(gè)相鄰像素；觀測(cè)中心區(qū)域的楔形線簇，判斷能否清晰分辨一黑一白兩個(gè)相鄰像素的半徑位置，對(duì)應(yīng)各半徑位置的電視線數(shù)，讀取水平清晰度和垂直清晰度的最大值；如果重顯率無法達(dá)到100%，應(yīng)記錄此時(shí)的重顯率，再測(cè)試清晰度。

（4）8K標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試信號(hào)設(shè)備分別輸出色域覆蓋率、色度視角和色度體積測(cè)試信號(hào)。

（5）用亮色度計(jì)測(cè)量屏幕中心區(qū)域的色度坐標(biāo)，之后計(jì)算三色色域面積S及色域覆蓋率GP：

（6）用亮色度計(jì)觀測(cè)色度視角測(cè)試信號(hào)，記錄色度坐標(biāo)，保持亮色度計(jì)與被測(cè)顯示設(shè)備的距離不變，水平旋轉(zhuǎn)亮色度計(jì)，以5°為步長，測(cè)試每個(gè)角度下的色度坐標(biāo)；之后測(cè)量其他8個(gè)色塊的色度坐標(biāo)以及偏移角度后的每個(gè)角度下的色度坐標(biāo)，繪制每種顏色的角度與色差的關(guān)系曲線，體現(xiàn)待測(cè)8K超高清顯示設(shè)備的可視角度與色度的變化關(guān)系，考核產(chǎn)品的色度視角能力。

（7）測(cè)量時(shí)色度體積時(shí)，用色度計(jì)分別測(cè)量色度體積區(qū)域各色塊的亮色參數(shù)X、Y、Z，利用公式計(jì)算在三維均勻色空間中形成的四面體的體積。

式中：、a*、b*為 CIELAB三維色空間L*、a*、b*值；XP、YP、ZP為各元色Q的三刺激值。XD50、YD50、ZD50為參考白點(diǎn)的三刺激值。

4 結(jié) 語

原有復(fù)合測(cè)試圖不能測(cè)評(píng)8K超高清顯示設(shè)備的顯示性能，該技術(shù)方案可以滿足8K超高清顯示設(shè)備顯示性能的清晰度測(cè)量的需求，準(zhǔn)確獲取8K超高清顯示條件下的重顯率和清晰度值，同時(shí)采用主觀評(píng)價(jià)的方法，可以評(píng)價(jià)8K超高清顯示設(shè)備的性能，提供標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試條件和方法。