李 超

(中原顯示技術(shù)有限公司，河南 鄭州 450001)

0 引言

早在20世紀(jì)70年代，日本NHK就在世界上率先開始了HDTV的研究，世界上第一個(gè)模擬HDTV制式為日本MUSE制［1］，而此制式隨著美國全數(shù)字HDTV制式ATSC制的發(fā)布逐漸退出歷史舞臺(tái)［2-12］。緊接著，NHK不甘心失敗，隨即開始了超高清晰度電視(UHDTV)的研究［13-16］。同時(shí)，各國對(duì)于三維電視的研究也有一定的進(jìn)展。

就分辨力而言，顯示器的最高境界到底怎樣，人類視覺的極限到底怎樣，一直存在爭(zhēng)論［17］。三維和二維的關(guān)系怎樣，將來的電視系統(tǒng)在清晰度方面又怎樣?在高清晰度顯示以及電視廣播成為現(xiàn)實(shí)后，人們把目光瞄準(zhǔn)了超高清晰度電視、三維電視和三維顯示技術(shù)，更有業(yè)內(nèi)專家認(rèn)為，超高清加三維就是人類視覺的極限，這對(duì)不對(duì)呢?

1 超高清晰度電視的發(fā)展

1.1 超高清的提出

NHK將超高清系統(tǒng)稱為 Super Hi-Vision(SHV)［14］。在2006年通過的ITU1769號(hào)建議書中對(duì)于超高清的使用名稱是“LSDI(Large Screen Digital Imagery)［13］”，并且從建議書中可以看到全文沒有強(qiáng)調(diào)是“電視”，強(qiáng)調(diào)的是在需要比HDTV清晰度更高的各種特殊場(chǎng)合的顯示，也就是說，當(dāng)時(shí)還不明確這種超高清的技術(shù)是不是可以應(yīng)用于廣播電視。在后來通過的SMPTE 2036(2007)標(biāo)準(zhǔn)［16］中，明確了以上3種說法都是指超高清晰度電視(Ultra High Definition Television，UHDTV)。ITU1769 建議書［8］則列出了超高清晰度電視的基本規(guī)范。

圖1～圖5示出了UHDTV的基本概念。有人認(rèn)為，UHDTV只是在清晰度上比起HDTV提高了，這種說法未必完整，因?yàn)榧幢闶窃谇逦壬希瑑烧叩牟顒e比起HDTV和標(biāo)清電視SDTV的差別要大得多。而UHDTV的音頻系統(tǒng)更是有很大的提高。在超高清晰度系統(tǒng)中，采用了以SMPTE標(biāo)準(zhǔn)為基礎(chǔ)22.2高標(biāo)準(zhǔn)現(xiàn)代化立體音響系統(tǒng)(見圖6)，使之得以和高標(biāo)準(zhǔn)的視覺系統(tǒng)相配合。另外，由圖7也可以直接看出就分辨力而言，UHDTV和HDTV之間的差別遠(yuǎn)比HDTV較傳統(tǒng)SDTV的差別更大。

圖1 日本JVC 8192 ×4320 像素(SHV:7680 ×4320 )超高清投影機(jī)

ITU1769建議書［13］中還明確了UHDTV和HDTV的水平視角關(guān)系如表1所示。

具體操作中，有些文獻(xiàn)將表1中的31°略為30°，58°略為 60°，96°略為 100°。

1.2 超高清發(fā)展的意義、現(xiàn)狀及問題

表1 UHDTV和HDTV的水平視角關(guān)系

對(duì)于UHDTV的研究和開發(fā)，由日本放送協(xié)會(huì)(NHK)、英國廣播公司(BBC)及意大利廣播電視公司(RAI)等機(jī)構(gòu)所倡議推動(dòng)，其主要目的確實(shí)是為下一代電視技術(shù)的發(fā)展。事實(shí)上，至今為止，真正卷入或者實(shí)施UHDTV研究的僅有NHK。2006年底，NHK借由IP網(wǎng)絡(luò)將紅白歌合戰(zhàn)(紅白歌合戦)UHDTV畫面從東京傳送到500 km遠(yuǎn)的大阪;2010年9月，NHK與BBC合作，由倫敦向日本傳輸節(jié)目。NHK認(rèn)為，UHDTV的最終目標(biāo)是能普及入每一家庭，并預(yù)計(jì)于2016年至2020年間實(shí)現(xiàn)［14-15］，但是也有許多人對(duì)此表示懷疑，畢竟事實(shí)上HDTV的進(jìn)展速度比起早期的預(yù)期慢了很多。現(xiàn)在已經(jīng)進(jìn)入2011年，就目前情況而言，筆者認(rèn)為NHK普及UHDTV的目標(biāo)很難實(shí)現(xiàn)。

NHK最近的研究發(fā)布了在以下方面的新進(jìn)展。

1)色度［11，13，18］

在保持標(biāo)準(zhǔn)白不變的前提下，NHK發(fā)布了具有更大還色范圍的三基色坐標(biāo)(見表2)［18］，根據(jù)這些新坐標(biāo)得到CIE1931色度圖如圖8所示，實(shí)際上，由于NHK提出的新三基色都坐落在CIE 1931色度圖的邊緣上，所以僅可以用激光器產(chǎn)生，這些新的坐標(biāo)無疑將產(chǎn)生大得多的還色范圍。但是，NHK的新研究也引起了許多同業(yè)人士的疑問，這些問題包括但是不限于如下方面:

(1)NHK剛剛?cè)νㄟ^了ITU1769號(hào)建議書和SMPET 2036(2007)標(biāo)準(zhǔn)，確認(rèn)了所有色度標(biāo)準(zhǔn)和白坐標(biāo)完全按照和709號(hào)建議書［2］相同的1361號(hào)建議書標(biāo)準(zhǔn)［11］，也就是說，UHDTV除了分辨力的主要指標(biāo)外，其他的主要參數(shù)和HDTV相同，現(xiàn)在又提出新的說法意義何在?

(2)這些高飽和度的更大的還色范圍無疑必須使用激光器得到，那么一般的家用平板電視不能采用激光技術(shù)，將如何解決這一矛盾?

(3)這兩種標(biāo)準(zhǔn)中的色度還原范圍相差甚大，新提出的高飽和度三基色僅僅在可發(fā)出單一波長的自發(fā)光體才會(huì)出現(xiàn)，而這種情況占據(jù)攝像機(jī)可能的景物范圍的比例微乎其微，而標(biāo)準(zhǔn)的交叉顯示必然帶來很大的色彩失真，有沒有必要必須考慮?如果有必要，是不是必須使用兩種標(biāo)準(zhǔn)的攝像機(jī)來應(yīng)對(duì)兩種標(biāo)準(zhǔn)?

(4)如果用兩種標(biāo)準(zhǔn)的攝像機(jī)，是不是在將來所有的家用平板電視機(jī)上增設(shè)轉(zhuǎn)換呢?

對(duì)于以上疑問，目前尚無定論。

表2 NHK新近提出的專用于UHDTV的色度標(biāo)準(zhǔn)

圖8 NHK新近提出的UHDTV新色域［18］及其和709號(hào)建議書［2］、SMPTE 431-2號(hào)、Adobe三基色標(biāo)準(zhǔn)的比較

2)臨界非閃爍頻率(CFF)［18］

這是在UHDTV得到發(fā)展后發(fā)現(xiàn)的新問題，由于分辨力大大提高，視場(chǎng)角由原來對(duì)于HDTV的30°變?yōu)閷?duì)于UHDTV的100°，在60 Hz下原本不閃爍的圖像發(fā)現(xiàn)又有閃爍感了，NHK發(fā)布的顯示占空比和臨界非閃爍頻率的關(guān)系以及視場(chǎng)角和臨界非閃爍頻率的關(guān)系分別如圖9和圖10所示。

NHK發(fā)布的這兩個(gè)圖表明，顯示占空比越小，所需臨界非閃爍頻率越高;屏面亮度越高，所需臨界非閃爍頻率也越高。視場(chǎng)角越大，所需臨界非閃爍頻率越高;相同視場(chǎng)角下，亮度越高，所需臨界非閃爍頻率也越高。由于圖像顯示占空比是一個(gè)變數(shù)，屏面亮度也是一個(gè)變數(shù)，對(duì)于UHDTV究竟需要多高的頻率，NHK沒有定論結(jié)果，但是已提出這個(gè)頻率應(yīng)該在80 Hz以上。

由以上可見，UHDTV尚有很多的問題需要討論。筆者認(rèn)為，盡管如此，發(fā)展是肯定的。

2 三維電視和三維顯示

在高清晰度電視和超高清晰度電視技術(shù)得到高速發(fā)展的同時(shí)，各種3D顯示和3D電視也得到了高速發(fā)展。以下重點(diǎn)討論目前較主流的左右雙圖像型3D廣播電視。

2.1 各種可能的三維圖像編碼方式

2.1.1 雙路編碼順序傳輸

如圖11所示，3D順序傳輸結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是:3D水平像素?cái)?shù)和與2D相同;3D垂直像素?cái)?shù)是相應(yīng)2D像素?cái)?shù)的2倍;因此3D的時(shí)鐘頻率也為相應(yīng)2D的2倍，這樣一定要采用雙路編碼。在前面論述中已經(jīng)提到，ITU709［2］和1120號(hào)建議書［3］都同時(shí)規(guī)定了雙路編碼的參數(shù)，這就給采用雙路編碼完全不丟失信息的逐行HDTV奠定了技術(shù)基礎(chǔ)，SMPTE也規(guī)定了雙路編碼HDTV的參數(shù)(如SMPTE 372M標(biāo)準(zhǔn))［19］。因此，采用雙路編碼是完全可能的，但是和普通的2D雙路編碼不同的是，在2D傳輸中，解決的是1080 p問題，而在3D傳輸中，解決的則是雙1080 i，即左右眼圖像問題。

圖11 3D順序傳輸結(jié)構(gòu)

2.1.2 雙路編碼相間傳輸

如圖12所示，雙路編碼相間傳輸特點(diǎn)是:3D水平像素?cái)?shù)和相應(yīng)2D相同;3D垂直像素?cái)?shù)是相應(yīng)2D的2倍;因此3D的時(shí)鐘頻率也為相應(yīng)2D的2倍;和以上不同的是，3D在每幀有一個(gè)垂直同步，而2D則在每場(chǎng)都有垂直同步。和以上比起來，可以明顯看出其幀結(jié)構(gòu)在每幀內(nèi)部又做了分割，相當(dāng)于每幀內(nèi)部有奇偶場(chǎng)，而每場(chǎng)又分為左右眼信息數(shù)據(jù)。

圖12 3D相間傳輸結(jié)構(gòu)

2.1.3 左右分

如圖13所示，其特點(diǎn)是:3D的水平、垂直像素?cái)?shù)均和相應(yīng)2D相同，因此3D和相應(yīng)2D的時(shí)鐘也完全相同。使用單路編碼，3D圖像的像素?cái)?shù)在水平方向上丟掉了一半。最簡單的解碼器解碼時(shí)僅僅需若干行FIFO即可，實(shí)用的解碼器仍采用場(chǎng)存儲(chǔ)器。據(jù)悉，此種格式已經(jīng)在國內(nèi)南方某些城市進(jìn)行廣播電視開播實(shí)驗(yàn)。

圖13 3D傳輸左右分結(jié)構(gòu)

2.1.4 上下分

如圖14所示，其特點(diǎn)是:3D的水平、垂直像素?cái)?shù)均和相應(yīng)2D相同，因此3D和相應(yīng)2D的時(shí)鐘也相同。使用單路編碼，3D圖像的分辨力在垂直方向上丟掉了一半。解碼時(shí)需要場(chǎng)存儲(chǔ)器進(jìn)行差補(bǔ)還原。

圖14 3D傳輸上下分結(jié)構(gòu)

2.1.5 逐場(chǎng)輪換

如圖15所示，這種格式實(shí)際上是延續(xù)下來的格式，當(dāng)使用單路編碼傳輸時(shí)犧牲的是時(shí)間軸，結(jié)構(gòu)簡單，易于操作，適合于早期的電子快門眼鏡，使用單數(shù)場(chǎng)傳輸左眼圖像信息數(shù)據(jù)，使用偶數(shù)場(chǎng)傳輸右眼圖像信息數(shù)據(jù)。與前述第1種不同的是，對(duì)于傳統(tǒng)的標(biāo)清CRT彩電而言，此種可以實(shí)現(xiàn)最簡單的解碼，對(duì)于HDTV而言，可以實(shí)現(xiàn)最大分辨力，但是要同時(shí)得到t軸的動(dòng)態(tài)平滑顯示，需要多幀插補(bǔ)，并不能夠節(jié)省存儲(chǔ)器。

圖15 單路編碼逐場(chǎng)輪換

2.1.6 隔行排列

如圖16所示，除了隔行結(jié)構(gòu)外，還可以有隔列排列，只是編碼、解碼更加復(fù)雜，分別是在水平方向上或者垂直方向上舍去了一半內(nèi)容信息數(shù)據(jù)。隔行顯示和隔點(diǎn)顯示在顯示終端都是可能的，但是，如果作為傳輸結(jié)構(gòu)，就不得不著重考慮數(shù)量巨大的家用接收機(jī)的解碼器，而且在傳輸端對(duì)于數(shù)據(jù)進(jìn)行深度壓縮時(shí)，在左右圖像數(shù)據(jù)可能發(fā)生的串?dāng)_是個(gè)嚴(yán)肅的問題。

圖16 隔行傳輸結(jié)構(gòu)

2.1.7 奇偶陣式

圖17所示的奇偶陣結(jié)構(gòu)是和早先的MUSE模擬HDTV有類似之處，由于每行、每列都有信息傳送，而未傳輸?shù)南袼貏t可以通過查補(bǔ)運(yùn)算來恢復(fù)，起碼可以實(shí)現(xiàn)部分恢復(fù)，當(dāng)顯示相對(duì)靜止的圖像時(shí)，可以用最少的碼率來傳送最大的圖像信息量。這樣的編碼傳輸方法的復(fù)雜性對(duì)于發(fā)送端帶來的問題并不大，但是對(duì)于接收端，毫無疑問會(huì)帶來每一臺(tái)解碼器的復(fù)雜性，這一點(diǎn)正是歷代工程技術(shù)人員所避忌的，而且在傳輸端進(jìn)行深度壓縮時(shí)，在左右圖像上可能發(fā)生的串?dāng)_也是個(gè)重要的問題。

圖17 奇偶陣結(jié)構(gòu)

實(shí)際上，圖16和圖17分別示出的隔行傳輸和奇偶陣結(jié)構(gòu)，廣播電視節(jié)目在存儲(chǔ)時(shí)，為了節(jié)約資源，一般都采用壓縮深度很大的MPEG-2/4，對(duì)于圖像而言就是H.261/4。在表 3中，示出了 ISO/IEC頒布的全部MPEG標(biāo)準(zhǔn)，其中在各國HDTV中，僅有ATSC音頻標(biāo)準(zhǔn)使用了AC3，其他3種HDTV的音頻均使用了MPEG-2，而全部4種HDTV標(biāo)準(zhǔn)的視頻壓縮標(biāo)準(zhǔn)均為MPEG-2。在UHDTV中，由于信息量太大，采用H.264來進(jìn)行壓縮。那么，如果3D的傳輸采用圖16和圖17所示結(jié)構(gòu)，深度壓縮下，在解碼端是不是能夠正確還原就成了問題。

表3 各種可能的3D圖像傳輸格式［3，19］

2.2 對(duì)于各種可能編碼方式的考慮

對(duì)于廣播電視而言，雙路編碼和單路編碼傳輸解決的是不同的問題，雙路編碼2D傳輸和雙路編碼3D傳輸解決的也是不同的問題，那么是不是需要同時(shí)考慮雙路編碼和單路編碼傳輸3D圖像也是個(gè)問題。

再考慮到解碼端的簡單易行以及深度壓縮時(shí)可能會(huì)引起左右眼圖像數(shù)據(jù)串?dāng)_的問題，表3中第6～7項(xiàng)也就不是優(yōu)選項(xiàng)了。筆者提出，如要成為我國3D廣播電視編碼傳輸標(biāo)準(zhǔn)，應(yīng)該在第3～5項(xiàng)中考慮。在這3項(xiàng)中:第3項(xiàng)和第5項(xiàng)是在國內(nèi)曾經(jīng)試播過或正在試播的方式，但是如果分析優(yōu)缺點(diǎn)，第4項(xiàng)也是一個(gè)值得考慮的方式，這是因?yàn)槿搜鄣膶捀弑葹?∶3，水平方向上較大，加之人的兩只眼睛在水平方向上生長，這就決定了人眼的水平分辨力要大于垂直分辨力。對(duì)于可能的水平方向上像素點(diǎn)數(shù)少一半(第1項(xiàng))以及垂直方向上顯示行數(shù)少一半(第2項(xiàng))這兩種情況，理論上傳輸?shù)膱D像總像素?cái)?shù)都是少了一半，但是在視覺上的直觀感覺可能并不相同。觀察認(rèn)為，如果對(duì)于前者確實(shí)感到少了一半，而對(duì)于后者則可能是感覺少了約25% ～30%。以圖17為例，也是丟掉了一半像素，但是在顯示端如果采用此型，無疑會(huì)得到較高的“感覺分辨力”，因?yàn)檫@也是另一種類型的“共享像素”，這是由于在每一行、每一列對(duì)于左右眼圖像都有取樣。但是上述第7項(xiàng)如果需要用于終端大屏幕顯示是很好的，如果用于傳輸則會(huì)很麻煩，而且壓縮和解壓的麻煩可能會(huì)很大。這樣，就第3和第4項(xiàng)而言，第3項(xiàng)應(yīng)該是首先排除考慮的，因?yàn)槠鋵?duì)于資源的浪費(fèi)最大。但是比較起來，以上第5項(xiàng)和第4項(xiàng)畢竟是先丟掉了一半像素，第5項(xiàng)雖然可能在時(shí)間軸上需要處理，但是當(dāng)代電子技術(shù)是可以解決的，因此，以上第5項(xiàng)逐場(chǎng)輪換制如果壓縮和解壓問題可以得到很好的處理，則是有希望作為國內(nèi)首選的3D廣播制式。

筆者還要特別提出，比較起來，可以在上述第1項(xiàng)的“雙路編碼順序傳輸”上優(yōu)先考慮，由于每一場(chǎng)都可以有左右眼圖像，這樣可以單數(shù)場(chǎng)傳輸左右眼的奇數(shù)行，而偶數(shù)場(chǎng)又可以傳輸左右眼的偶數(shù)行，分辨力也就不再是問題了，這樣左右眼圖像可以分別壓縮、解壓和插補(bǔ)，國際間節(jié)目交換(比如50 Hz，60 Hz的轉(zhuǎn)換)也變得很容易了，使用相對(duì)比較簡單的辦法可以實(shí)現(xiàn)較為復(fù)雜的問題。但是，此方法在下面的問題上需要注意:

1)雙路編碼需要2.97 Gbit/s碼率，對(duì)于芯片的要求較高，這是需要事先縝密思考的。

2)由于信息量比單路編碼大了一倍，采用何種壓縮標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行壓縮和解壓應(yīng)該首先得到確認(rèn)。

3)節(jié)目錄制和存儲(chǔ)有額外的復(fù)雜性。

就發(fā)展的眼光看，將這個(gè)雙路編碼方案作為首選方案可能會(huì)事半功倍。

我國在天津三維顯示技術(shù)公司主持下，曾經(jīng)在電視臺(tái)多次試播過模擬標(biāo)清的逐行輪換制三維廣播電視;在HDTV開播后，深圳電視臺(tái)又試播了左右分制三維電視;2010年5月，由廣州市科技和信息化局宣布在廣州亞運(yùn)會(huì)上，專門研發(fā)的三維電視播放系統(tǒng)將同期與廣州市民見面，系統(tǒng)采用AVS壓縮技術(shù)。中國三維科技產(chǎn)業(yè)園已經(jīng)落戶揚(yáng)州，不久的將來，產(chǎn)業(yè)園將決定更先進(jìn)的三維廣播電視播出技術(shù)。

3 小結(jié)

論述了高清晰度、超高清晰度電視技術(shù)的發(fā)展，其中對(duì)于超高清晰度電視技術(shù)，國內(nèi)尚沒有應(yīng)對(duì)措施，而這可能是下一步的發(fā)展項(xiàng)目。本文也介紹了目前可能的3D電視廣播的各種形式，提出了在我國3D廣播電視標(biāo)準(zhǔn)制定上可能會(huì)遇到的各種問題，以及筆者自己認(rèn)為的應(yīng)該優(yōu)先選擇的方式，希望能夠在不久的將來制定出應(yīng)用于我國的超高清晰度電視和3D廣播電視編碼傳輸標(biāo)準(zhǔn)。

［1］李超.MUSE-用單個(gè)頻道進(jìn)行HDTV廣播的系統(tǒng)［J］.電視技術(shù)，1986，10(5):27-32.

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