超高清晰度显示技术

摘 要:文章介绍了世界超高清晰度显示技术的发展,以ITU-R BT. 1769号建议书为基本规范,介绍了以日本HNK为代表的超高清晰度电视标准的发展。

关键词:ITU超高清晰度电视;SHV摄像机;SMPTE

中图分类号:TN27文献标识码:B

Super High-Vision Development in the World

LI Chao, SHI Da-xin

(Central China Display Laboratories, Ltd., Zhengzhou He'nan 450001, China)

Abstract: In taking ITU-R BT. 1769 as the basic standard, Super High-Vision format developed by HNK, Japan is described here.

Keywords: ITU; UHDTV; SHV camera; SMPTE

引 言

就分辨率而言,显示器的最高境界到底是怎样的?人类视觉的极限到底是怎样的?将来的电视系统在清晰度方面是怎样的?在世界上高清晰度显示以及电视广播成为现实后,人们又把目光瞄准了超高清晰度电视。国际电信联盟ITU-R在HDTV的规范制定时就预计到这方面的问题,及时了BT.1201-1号建议书对将来发展的可能性予以明确。由日本NHK STRL(科学与技术研究实验室)提出的面向未来的Super Hi-Vision(SHV)正是这样一种显示超高清晰度图像及理想型立体多通道伴音的超高清晰度显示系统。

1目前的发展状况

日本广播公司NHK在行将MUSE高清系统(High-Vision)作为世界高清标准的努力遭遇惨败,而被ATSC等全数字高清制式后来者居上之后[9],将Super Hi-Vision(SHV)或Ultra-High Definition Television (UHDTV),即达到8K×4K(7,680×4,320像素)超高分辨率的数字广播,看作是下一代消费类电视的显示标准。NHK成功地在2006年积极促成ITU-RBT.1769建议书“ITU-R Recom- mendation BT.1769 Parameter values for an expanded hierarchy of LSDI image formats for production and international programme exchange”,对SHV系统的图像格式进行了标准化,同时,NHK也向SMPTE提交了用于节目制作的超高清晰度电视(UHDTV)的图像参数值草案《Ultra-high definition television-Image parameter values for program production》,进而SMPTE 通过了2036 (2007)标准。目前,由于标准制定组织的不同,对于超高清产生了SHV、LSDI与UHDTV的名称,在这里三者描述的都是一回事。

此后,世界上发达国家的许多公司,如BBC等,也相继对于超高清晰度显示开始了深入探讨和研究。在时间上,一般认为首先是超高清晰度显示,而后是超高清晰度广播电视的发展,从理论上讲,超高清晰度显示比起实际意义上的超高清晰度电视广播要容易,但是实际上日本NHK并没有将显示和电视进行区别或分类,只是如何成为广播电视还有不少工作要做。

从技术的角度看,电视系统的发展已经历经了黑白电视、彩色电视和数字电视三个历史阶段,第四代电视技术――高清晰度电视正在全球范围内蓬勃发展。因此也可以认为正在研发的超高清电视可以称为第五代电视技术。

ITU-R 709号建议书首次提出了通用图像格式COMMON IMAGE FORMAT(CIF)的概念,既然是超高清,显然其图像格式要高于现有高清的质量。UHDTV的图像格式分为3,840×2,160与7,680×4,320两个级别,支持50Hz、60Hz及(60/1.001)Hz帧频,系统采用逐行扫描。由于采用正交取样,因此UHDTV图像的像素宽高比为1:1,图像宽高比为16:9。为了保持与现有HDTV系统的兼容性,除上述两种图像格式的像素数量分别为CIF的4倍与16倍之外,UHDTV系统的基色坐标、标准白、光电转换函数、亮度/色差分量方程等色度学指标都与ITU-R BT.709、SMPTE RP177等现有标准兼容。UHDTV图像的数字表示形式与相关取样结构为R’G’B’(4:4:4)或Y’CB’CR’(4:4:4/4:2:2/4:2:0),每个分量的量化深度皆为10或12 bit。

2009年,日本JVC和NHK共同开发的8,192 ×4,320像素(SHV: 7,680×4,320)超高清投影机已经试生产,如图1所示。2010年1月,由美国消费电子协会(CEA)发起并主办的世界最大规模的消费技术行业展览会暨2010年国际消费电子展在拉斯维加斯市举行,其中松下电器在美国CES上展示了最新的152英寸超高清晰度(4,096×2,160像素)三维超高清等离子显示屏,如图2所示。此款152英寸产品,采用最新开发的超高速驱动技术实现显示由好莱坞提供的立体超高分辨率节目。新的152英寸面板相当于9台50英寸显示器的大小,而且高速刷新和切换新技术大大减小了当左右图像切换时产生的双图像效应,特别是首先完成了超高清(第一级)和立体这两项技术为一体的成功范例。

占用带宽太大以及占用存储空间太大是超高清发展速度快不起来的主要原因之一,一段长度为1分钟的UHDTV2格式的图像需占用194GB的存储空间,为了将UHDTV的16倍于HD CIF的原始信息量压缩至可接受的水平,NHK采用多个编解码器并行工作的方法,早先的展示曾采用MPEG-2,后来NHK展示了与富士通实验室联合研制的基于MPEG-4 AVC/H.264压缩技术的实时编解码器样机,可将UHDTV高达24Gbit/s的原始速率压缩至180~600Mbit/s,以及将音频由28Mbit/s压缩至7~28Mbit/s。这样使得存储容量大为减小,如果不这样压缩的话,一段一小时的广播就需要12TB的容量。

为了产生UHDTV所需的超高清晰度图像,NHK采用4通道分光棱镜和800万像素传感器,其中两片感应绿光并进行斜向像素偏移,另外两片分别感应红光与蓝光,与池上通信机株式会社合作设计出UHDTV摄像机。NHK还展示了2.5英寸、3,300万像素CMOS影像传感器的样品,在综合考虑镜头解析度与尺寸、传感器灵敏度与动态范围后,实际像素尺寸控制为3.8μm,采用低电压差动电路,以满足UHDTV摄像机对高速传输与低功耗的需求。如图3、4所示。

NHK的SHV系统已在2005年日本爱知世博会、NAB 2006、IBC 2006、CEATEC 2006、NAB 2007,以及由NNK STRL举办的一年一度的Open House等场合多次进行公开演示,并力争尽快实现商用。如图5、6所示。

2UHDTV Audio

在超高清晰度系统中,采用了以SMPTE标准为基础的22.2高标准现代化立体音响系统,使之得以和高标准的视觉系统相配合。如图7、8所示。

3 超高清晰度显示的意义

作为日本唯一的公共广播公司,NHK在过去几年里分别在不同场合展示了Super Hi-Vision,其技术指标令人振奋,7,680×4,320像素的分辨率是目前HDTV (1,920×1,080)的16倍。NHK认为,目前的HDTV对高达65英寸的显示器来说都是够用的。但是如果是用于更大的显示器,那么迟早都需要更高的分辨率。NHK的负责人表示,根据其以往开发HDTV的经验,一种广播系统从开发到被接受大概需要30年的时间。NHK于1969年开始研发HDTV;1989年首家开始提供模拟HDTV广播;直到2000年,NHK开始在日本进行卫星数字HDTV广播,整个过程历经31年;在2003年,NHK开展了地面数字电视广播;到2006年12月,地面数字HDTV服务才覆盖到日本的每个角落。根据上述30年周期理论,既然NHK于1995年开始Super Hi-Vision的研究,那么该技术大约会在2025年就绪。NHK相信,对于2D广播系统,Super Hi-Vision将是终极的,但这并非他们的最终目标,下一个到来的可能是3D电视广播。由于传输等尚存很大问题,就目前而言,看来仅仅是开始,但是如前所述,已经有一些企业,如日本Victor和松下公司,已经拿出了相关样机并开始试生产。分析家们称,此超高清晰电视应该在2017~2022年投放市场,但NHK则在日本政府的鼓励下,积极准备在2015年打开局面。其他国家也在跟进。当实现Super Hi-Vision广播后,NHK还希望能够实现自然、眼睛很容易适应的3D电视广播。

4若干问题

说到这里,笔者认为有两点需要指出,如表1所示。

4.1极限分辨率

早期,SECAM制的发明者亨利-法兰西曾经“经过认真研究”,”严肃认真”地进行论证,819行是人眼的分辨极限,并将此概念应用于E制和F制广播电视。但是如今大量事实证明,819行根本不是人眼分辨极限,应用819行的E制和F制由于各种原因率先无情遭到淘汰,那么1,125行或1,080行是否人眼的分辨极限呢?一些文章声明认为1,080行HDTV达到了35mm胶片的效果,但是也有另外一些文章认为,HDTV仅仅是达到了16mm胶片的效果,而与35mm相差甚大,与65mm或是70mm胶片更是无法比拟,多数人仍然是认为1,080行HDTV达到了35mm胶片的效果。那么现在的超高清晰度显示是否达到了人类眼睛的极限需要了呢?目前一致认为,这确实是人类眼睛的极限分辨率,因而没有必要再进一步发展“超超高清”了。可观察的分辨率的图像高度和视距的比值是一定的,一个前提是观看要在一个固定的位置上,且人们基本上不需要不断地大幅度摆动头部来观看,当然由于观看距离和图像高度的比值小,实际观看这样的超高清系统肯定要经常摆动头部,理论上讲,实现“身临其境”感觉的前提之一就是应经常摆动头部去看某些具体细节,如果你不用摆动就可以看到全部了,那么你将仍然是看一幅画的感觉,而不会有身临其境的感觉。

4.2 宽高比

早期的电视宽高比确定为4:3,是基于这样一个事实,即人类眼睛用以感光的黄斑的宽高比大约为4:3。在制定这个标准时,除了有当时的局限外,一个被人为忽略的因素就是人们有两只眼睛,而这两只眼睛是左右长的,这样就拓宽了人眼的水平分解力,另外就是,人们头部左右摆动和眼睛左右转动的灵活度要明显大于上下摆动或晃动的灵活度。因此,在HDTV宽高比标准的制定上,一致同意采用16:9的宽高比。一种理论认为,宽荧幕影院里8:3的宽高比更为理想,这牵涉到一系列的其它问题,本文不予赘述。

5 结 论

UHDTV(SHV)已经得到了初步发展,并且有了相应标准,如何根据这些规范进行适当的适应和跟踪,使之应用于大屏幕显示,是我们应当研究的课题,超高清晰度LED大屏幕技术参数应该符合这些规范要求。

参考文献

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作者简介:李 超(1951-),男,籍贯山东,教授级高工,中国广播电视协会技术工作分会会员,国家有突出贡献专家,1985年加入中国电子学会广播电视技术分会,1991年荣获《中国电子学会广播电视技术分会》颁发的《第一届广播电视科学技术大奖提名奖》。E-mail:.cn。