8K超高清復合測試圖與測量方法研究

吳蔚華，孫 三，陳 宇

（北京泰瑞特檢測技術服務有限責任公司，北京 100015）

0 引 言

當前，超高清晰度電視（Ultra High Definition Television，UHDTV）已經(jīng)得到廣泛應用，尤其是在廣播電視領域。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感和逼近真實場景的感官體驗。

我國依托電子信息整機制造和應用優(yōu)勢，已基本具備超高清系統(tǒng)發(fā)展的產(chǎn)業(yè)基礎和市場條件，迎來發(fā)展的戰(zhàn)略機遇期。隨著電子技術的發(fā)展，超高清顯示終端環(huán)節(jié)已具備全球領先優(yōu)勢，目前的顯示設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UHDTV 8K時代。

8K超高清顯示系統(tǒng)與4K系統(tǒng)相比，從信號的采集、制作、處理、傳輸?shù)浇邮蘸惋@示，均屬于全新的系統(tǒng)領域。對于8K超高清顯示設備而言，面板分辨率需達到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)技術現(xiàn)狀

8K超高清圖像的有效像素數(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；圖像信號的取樣結構包括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)率達到48 Gb·s-1，顯示設備接收接口從HDMI2.0升級為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、場頻為120 Hz、100 Hz或50 Hz圖像格式的視頻信號。8K超高清電視較4K超高清電視而言，圖像清晰度顯著增加，給消費者帶來身臨其境的感官享受。

目前，國內外缺乏針對UHDTV（8K）超高清電視重顯率、清晰度、色度視角及色度體積等關鍵評價指標的標準測試信號和測評方法。北京泰瑞特檢測技術服務有限責任公司根據(jù)UHDTV（8K）的特點與性能指標要求，設計并生成了UHDTV（8K）復合測試圖，研究面向8K超高清顯示設備顯示性能的測量方法。

2 8K超高清晰度復合測試圖設計

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)定的有效像素數(shù)7 680×4 320的圖像空間特性和時間特性要求[1]，在復合測試圖中設計了用于重顯率、靜態(tài)清晰度、色度可視角以及色度體積等多種標準測試信號元素。8K超高清晰度復合測試圖如圖1所示。

圖1 8K超高清晰度復合測試圖

8K超高清復合測試圖單幀圖像的平均圖像電平（Average Picture Level，APL）為50%，背景以格子信號為主，水平方向有36個白格，垂直方向有20個白格（幅型比為16∶9）。復合測試圖的信號設計主要包括5個方面的內容。

（1）重顯率。測試圖的上部、下部、左部及右部區(qū)域設計了黑白相間的邊框。重顯率測量刻度在90%～100%，有刻度標記，步進為1%。

（2）清晰度。8K復合測試圖中心區(qū)域有一個大圓，半徑為1 664個像素。圓內包含4組楔形電視線。測試圖可面向8K超高清顯示設備測量靜態(tài)清晰度，包括水平清晰度和垂直清晰度，測量范圍從1 080電視線到4 320電視線，同時有多個清晰度電視線刻度標記。

水平清晰度測試區(qū)域為大圓內垂直方向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。

垂直清晰度測試區(qū)域為大圓內水平方向2組楔形電視線簇。右側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，測試圖還具備單獨的清晰度典型值測試區(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個小區(qū)域。每個小區(qū)域有5個方格，共20個方格。左上小區(qū)域的5個方格內分別為水平清晰度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個方格內分別為水平清晰度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個方格內分別為水平清晰度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個方格內分別為水平清晰度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。8K復合測試圖的正下方水平分布21個方格，方格中的平均圖像電平APL從0%～100%變化，步進為5%。

（4）色度體積。色度體積用于測量8K超高清顯示設備顯示的亮度和色度坐標形成的立體圖形體積占據(jù)在CIELab色度空間內的體積大小。8K復合測試圖大圓的左右兩側區(qū)域設計了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和飽和度。每組色度塊包含9個方格塊，按照從左到右，從上到下的順序依次編號為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 藍色區(qū)域RGB值

表3 藍綠區(qū)域RGB值

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

3 8K超高清顯示設備測評方法研究

為了對8K超高清顯示設備的畫質進行客觀評價，北京泰瑞特檢測技術服務有限責任公司針對8K超高清顯示設備性能的測試系統(tǒng)、測試信號、關鍵指標及測量步驟進行了測評研究。

3.1 測試系統(tǒng)

8K超高清顯示設備性能的測試系統(tǒng)主要由標準測試信號發(fā)生設備、信號傳輸及終端顯示設備以及性能測試儀器組成。標準測試信號發(fā)生設備需具備8K超高清信號發(fā)生功能，支持HDMI2.1接口，支持外接測試信號的輸入。

結合8K超高清顯示設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，測試系統(tǒng)中光學測試設備與被測顯示設備之間的距離應為顯示設備屏幕高度的0.75倍。

3.2 測試信號

結合8K超高清顯示技術的特點和優(yōu)勢，重點研究8K超高清顯示設備性能中清晰度、重顯率、色域覆蓋率、色度視角以及色度體積的測評方法。

圖2 8K超高清顯示設備測試系統(tǒng)

3.2.1 清晰度和重顯率

清晰度和重顯率的測量采用研制的8K超高清復合測試圖進行。

3.2.2 色域覆蓋率

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

3.2.3 色度視角

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

3.2.4 色度體積

色度體積的測量采用8K超高清復合測試圖中的色度體積顏色信號。

3.3 測量步驟

根據(jù)如下步驟進行測量。

（1）將被測8K超高清顯示設備的圖像設置恢復到出廠位置。

（2）8K標準測試信號設備輸出8K超高清復合測試圖。

（3）觀察復合測試圖四周與被測顯示設備的顯示區(qū)域邊界的重合位置，直接讀取水平重顯率和垂直重顯率；調整待測顯示設備的重顯率，在重顯率達到100%時，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相鄰像素；觀測中心區(qū)域的楔形線簇，判斷能否清晰分辨一黑一白兩個相鄰像素的半徑位置，對應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；如果重顯率無法達到100%，應記錄此時的重顯率，再測試清晰度。

（4）8K標準測試信號設備分別輸出色域覆蓋率、色度視角和色度體積測試信號。

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

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

（7）測量時色度體積時，用色度計分別測量色度體積區(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為參考白點的三刺激值。

4 結 語

原有復合測試圖不能測評8K超高清顯示設備的顯示性能，該技術方案可以滿足8K超高清顯示設備顯示性能的清晰度測量的需求，準確獲取8K超高清顯示條件下的重顯率和清晰度值，同時采用主觀評價的方法，可以評價8K超高清顯示設備的性能，提供標準測試條件和方法。