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最新、最全的UHDTV生态系统现状总结

供稿人:李远东  供稿时间:2014-11-10   关键字:UHDTV  
当下,UHDTV超高清晰度电视是全球电视业最为热门的研究领域之一,目前已获得初步商用。SMPTE(美国电影及电视工程师协会)于2014年11月发布UHDTV ECOSYSTEM CURRENT STATUS REFERENCE《UHDTV生态系统现状参考》,对于UHDTV生态系统的发展现状进行了最新、最全的总结,下文介绍其主要内容。
1、与UHDTV相关的电视分辨率演进
传统的SDTV(Standard-Definition Television,标准清晰度电视)的有效像素数有两种情况:480p(720×480)、576p(720×576)。传统的HDTV(High-Definition Television,高清晰度电视)的有效像素数有3种情况:720p(1280×720)、1080p(1920×1080逐行扫描)、1080i(1920×1080隔行扫描)。
 
新兴的UHDTV的有效像素数有两种情况:(1)UHDTV 1(即4K UHDTV),2160p(3840×2160);(2)UHDTV 2(即8K UHDTV),4320p(7680×4320)。
2、UHDTV超高清电视的标准化
目前,全球对UHDTV的基础研究已经进行得相当深入,UHDTV关键技术、节目制作系统、信号传输系统、相关视听终端设备等的研发已步入小规模商用阶段。一些国家级别和国际级别的UHDTV标准已经制订,有的国家开始试播4K UHDTV(可查阅上海情报服务平台新近发布的《超高清晰度有线广播电视技术调研总结》一文(文章的链接为:http://www.istis.sh.cn/list/list.aspx?id=8461) 。美国、日本、韩国、中国、欧洲等正在大力研究UHDTV关键技术并制订相关标准(可查阅上海情报服务平台新近发布的:(1)《日本将采用增强版DVB-C2网络传输4K/8K超高清电视信号》http://www.istis.sh.cn/list/list.aspx?id=8482;(2)《DVB将H.265/HEVC标准引入广电传输领域的最新进展》http://www.istis.sh.cn/list/list.aspx?id=8482;(3)《一种面向“后8K超高清电视”的完整3D电视系统》http://www.istis.sh.cn/list/list.aspx?id=8188) ,超高清电视技术由此发展迅速。
 
目前,国际上已经发布的主要的UHDTV标准如下:
 
Recommendation ITU-R BT.2020(2012)《用于UHDTV超高清电视系统节目制作与国际间节目交换的参数值——ITU推荐标准》;
 
ITU Rec.ITU-R BT.2020(06/2014)《2014年6月修正版:用于UHDTV超高清电视系统节目制作与国际节目交换的参数值——ITU推荐标准》;
 
SMPTE ST 435:2012(3 Parts)《串行信号及数据的光接口——10.6921 Gb/s数据率》;
 
SMPTE ST 2036-1:2013《用于UHDTV超高清电视节目制作的图像参数值》;
 
SMPTE ST 2036-2:2012《用于UHDTV超高清电视节目制作的音频特征以及音频信道映射》;
 
SMPTE ST 2036-3:2012《UHDTV超高清电视10 Gb/s速率串行信号及数据接口的单链路或多条链路映射》;
 
SMPTE ST 425-3:2014《UHDTV超高清电视图像格式及辅助数据映射的双3 Gb/s速率串行信号及数据接口链路》;
 
SMPTE ST 425-4:2012《用于立体图像传输的双3 Gb/s速率串行信号及数据接口》;
 
SMPTE ST 425-5:2014《UHDTV超高清电视图像格式及辅助数据映射的4条3 Gb/s速率串行信号及数据接口链路》;
 
SMPTE ST 425-6:2014《用于立体图像传输的两对3 Gb/s速率串行信号及数据接口》。
3、UHDTV超高清电视系统图像采样结构及帧率的总结
1UHDTV 1(即4K UHDTV)的11种可选择的超高清电视系统
 
(1)3840×2160/23.98/p超高清电视系统:①每条电视线的亮度或RGB采样:3840;②每帧的电视线数目:2160;③帧频:24/1.001Hz。
 
(2)3840×2160/24/p超高清电视系统:①每条电视线的亮度或RGB采样:3840;②每帧的电视线数目:2160;③帧频:24Hz。
 
(3)3840×2160/25/p超高清电视系统:①每条电视线的亮度或RGB采样:3840;②每帧的电视线数目:2160;③帧频:25Hz。
 
(4)3840×2160/29.97/p超高清电视系统:①每条电视线的亮度或RGB采样:3840;②每帧的电视线数目:2160;③帧频:30/1.001Hz。
 
(5)3840×2160/30/p超高清电视系统:①每条电视线的亮度或RGB采样:3840;②每帧的电视线数目:2160;③帧频:30Hz。
 
(6)3840×2160/50/p超高清电视系统:①每条电视线的亮度或RGB采样:3840;②每帧的电视线数目:2160;③帧频:50Hz。
 
(7)3840×2160/59.94/p超高清电视系统:①每条电视线的亮度或RGB采样:3840;②每帧的电视线数目:2160;③帧频:60/1.001Hz。
 
(8)3840×2160/60/p超高清电视系统:①每条电视线的亮度或RGB采样:3840;②每帧的电视线数目:2160;③帧频:60Hz。
 
(9)3840×2160/100/p超高清电视系统:①每条电视线的亮度或RGB采样:3840;②每帧的电视线数目:2160;③帧频:100Hz。
 
(10)3840×2160/119.88/p超高清电视系统:①每条电视线的亮度或RGB采样:3840;②每帧的电视线数目:2160;③帧频:120/1.001Hz。
 
(11)3840×2160/120/p超高清电视系统:①每条电视线的亮度或RGB采样:3840;②每帧的电视线数目:2160;③帧频:120Hz。
 
2UHDTV 2(即8K UHDTV)的11种可选择的超高清电视系统
 
(1)7680×4320/23.98/p超高清电视系统:①每条电视线的亮度或RGB采样:7680;②每帧的电视线数目:4320;③帧频:24/1.001Hz。
 
(2)7680×4320/24/p超高清电视系统:①每条电视线的亮度或RGB采样:7680;②每帧的电视线数目:4320;③帧频:24Hz。
 
(3)7680×4320/25/p超高清电视系统:①每条电视线的亮度或RGB采样:7680;②每帧的电视线数目:4320;③帧频:25Hz。
 
(4)7680×4320/29.97/p超高清电视系统:①每条电视线的亮度或RGB采样:7680;②每帧的电视线数目:4320;③帧频:30/1.001Hz。
 
(5)7680×4320/30/p超高清电视系统:①每条电视线的亮度或RGB采样:7680;②每帧的电视线数目:4320;③帧频:30Hz。
 
(6)7680×4320/50/p超高清电视系统:①每条电视线的亮度或RGB采样:7680;②每帧的电视线数目:4320;③帧频:50Hz。
 
(7)7680×4320/59.94/p超高清电视系统:①每条电视线的亮度或RGB采样:7680;②每帧的电视线数目:4320;③帧频:60/1.001Hz。
 
(8)7680×4320/60/p超高清电视系统:①每条电视线的亮度或RGB采样:7680;②每帧的电视线数目:4320;③帧频:60Hz。
 
(9)7680×4320/100/p超高清电视系统:①每条电视线的亮度或RGB采样:7680;②每帧的电视线数目:4320;③帧频:100Hz。
 
(10)7680×4320/119.88/p超高清电视系统:①每条电视线的亮度或RGB采样:7680;②每帧的电视线数目:4320;③帧频:120/1.001Hz。
 
(11)7680×4320/120/p超高清电视系统:①每条电视线的亮度或RGB采样:7680;②每帧的电视线数目:4320;③帧频:120Hz。
4、UHDTV超高清电视的临界观看距离
主要有以下3种情况:
 
1)对于60英寸的UHDTV超高清电视机:
 
屏幕宽度为1.33米,屏幕高度为0.75米,最佳观看距离(离电视机屏幕中心点)为1.13米,最佳观看距离的范围为0.67米,屏幕边缘远端的垂直视距为1.34米,最大视角49.88度。
 
2)对于90英寸的UHDTV超高清电视机:
 
屏幕宽度为2.00米,屏幕高度为1.13米,最佳观看距离(离电视机屏幕中心点)为1.69米,最佳观看距离的范围为0.67米,屏幕边缘远端的垂直视距为1.67米,最大视角44.70度。
 
3)对于120英寸的UHDTV超高清电视机:
 
屏幕宽度为2.66米,屏幕高度为1.50米,最佳观看距离(离电视机屏幕中心点)为2.25米,最佳观看距离的范围为0.67米,屏幕边缘远端的垂直视距为2.00米,最大视角41.63度。
5、UHDTV超高清电视的色域
UHDTV超高清电视的色域范围如图1所示。其中:红基色的CIEx数值为0.708,CIEy数值为0.292;绿基色的CIEx数值为0.170,CIEy数值为0.797;蓝基色的CIEx数值为0.131,CIEy数值为0.046;基准白色的CIEx数值为0.3127,CIEy数值为0.3290。
 
1  UHDTV超高清电视的色域
(注:以上数值与Rec.ITU-R BT.2020中的一致。ITU-R BT.709中所规定的传统电视色域数值可能对于帧频在60Hz(含)以下的UHDTV 14K UHDTV))仍然适用)
来源:本文参考文献[1]
6、UHDTV超高清电视的接口
1)多链路3G SDISerial Digital Interface,串行数字接口)
 
多链路3G SDI用于最高10 Gb/s的UHDTV 1(4K UHDTV)二维视频图像格式的额定负载,包括(既有光接口,也有同轴电缆接口):
 
(1)当UHDTV 1(4K UHDTV)的帧频为50Hz及60Hz时:①对于10 bit 4:2:0及10 bit 4:2:2,适用ST 425-5的两对3G链路;②对于12 bit 4:2:0、12 bit 4:2:2、12 bit 4:4:4及10 bit 4:4:4,目前还没有定义相关接口格式。
 
(2)当UHDTV 1(4K UHDTV)的帧频为24Hz、25Hz及30Hz时:①对于10 bit 4:2:0及10 bit 4:2:2,适用ST 425-3的一对3G链路;②对于12 bit 4:2:0、12 bit 4:2:2、12 bit 4:4:4及10 bit 4:4:4,适用ST 425-5的两对3G链路。
 
2)单链路及多链路6G SDI
 
单链路、双链路、四链路6G SDI用于最高20 Gb/s的UHDTV 1(4K UHDTV)及UHDTV 2(8K UHDTV)二维视频图像格式的额定负载,包括(既有光接口,也有同轴电缆接口):
 
(1)当UHDTV 1(4K UHDTV)的帧频为100Hz及120Hz时:①对于10 bit 4:2:0及10 bit 4:2:2,适用ST 2081-12的两对6G SDI链路;②对于12 bit 4:2:0、12 bit 4:2:2、12 bit 4:4:4及10 bit 4:4:4,目前还没有定义相关接口格式。
 
(2)当UHDTV 1(4K UHDTV)的帧频为50Hz及60Hz时:①对于10 bit 4:2:0及10 bit 4:2:2,适用ST 2081-11的一对6G SDI链路;②对于12 bit 4:2:0、12 bit 4:2:2、12 bit 4:4:4及10 bit 4:4:4,适用ST 2081-12的两对6G SDI链路。
 
(3)当UHDTV 1(4K UHDTV)的帧频为24Hz、25Hz及30Hz时:①对于10 bit 4:2:0及10 bit 4:2:2,适用ST 2081-10的一条6G SDI链路;②对于12 bit 4:2:0、12 bit 4:2:2、12 bit 4:4:4及10 bit 4:4:4,适用2081-11的一对6G SDI链路。
 
(4)当UHDTV 2(8K UHDTV)的帧频为24Hz、25Hz及30Hz时:①对于10 bit 4:2:0及10 bit 4:2:2,适用ST 2081-12的两对6G SDI链路;②对于12 bit 4:2:0、12 bit 4:2:2、12 bit 4:4:4及10 bit 4:4:4,目前还没有定义相关接口格式。
 
3)单链路及多链路12G SDI
 
单链路、双链路、四链路12G SDI用于最高40 Gb/s的UHDTV 1(4K UHDTV)及UHDTV 2(8K UHDTV)二维视频图像格式的额定负载,包括(既有光接口,也有同轴电缆接口):
 
(1)当UHDTV 1(4K UHDTV)的帧频为100Hz及120Hz时:①对于10 bit 4:2:0及10 bit 4:2:2,适用ST 2082-11的一对12G SDI链路;②对于12 bit 4:2:0、12 bit 4:2:2、12 bit 4:4:4及10 bit 4:4:4,适用ST 2082-12的两对12G SDI链路。
 
(2)当UHDTV 1(4K UHDTV)的帧频为50Hz及60Hz时:①对于10 bit 4:2:0及10 bit 4:2:2,适用ST 2082-10的一条12G SDI链路;②对于12 bit 4:2:0、12 bit 4:2:2、12 bit 4:4:4及10 bit 4:4:4,适用ST 2082-11的一对12G SDI链路。
 
(3)当UHDTV 1(4K UHDTV)的帧频为24Hz、25Hz及30Hz时:①对于10 bit 4:2:0及10 bit 4:2:2,目前还没有定义相关接口格式;②对于12 bit 4:2:0、12 bit 4:2:2、12 bit 4:4:4及10 bit 4:4:4,适用2082-10的一对12G SDI链路。
 
(4)当UHDTV 2(8K UHDTV)的帧频为24Hz、25Hz及30Hz时:①对于10 bit 4:2:0及10 bit 4:2:2,适用ST 2082-11的一对12G SDI链路;②对于12 bit 4:2:0、12 bit 4:2:2、12 bit 4:4:4及10 bit 4:4:4,适用ST 2082-12的两对12G SDI链路。
 
(5)当UHDTV 2(8K UHDTV)的帧频为50Hz及60Hz时:①对于10 bit 4:2:0及10 bit 4:2:2,适用ST 2082-12的两对12G SDI链路;②对于12 bit 4:2:0、12 bit 4:2:2、12 bit 4:4:4及10 bit 4:4:4,目前还没有定义相关接口格式。
 
4)单链路及多链路24G SDI
 
单链路、双链路、四链路24G SDI用于最高144 Gb/s的UHDTV 1(4K UHDTV)及UHDTV 2(8K UHDTV)二维视频图像格式的额定负载,包括(既有光接口,也有同轴电缆接口):
 
(1)当UHDTV 1(4K UHDTV)的帧频为100Hz及120Hz时:①对于10 bit 4:2:0及10 bit 4:2:2,适用ST 2083-10的一条24G SDI链路;②对于12 bit 4:2:0、12 bit 4:2:2、12 bit 4:4:4及10 bit 4:4:4,适用ST 2083-11的一对24G SDI链路。
 
(2)当UHDTV 1(4K UHDTV)的帧频为24Hz、25Hz、30Hz、50Hz及60Hz时:①对于10 bit 4:2:0及10 bit 4:2:2,目前还没有定义相关接口格式;②对于12 bit 4:2:0、12 bit 4:2:2、12 bit 4:4:4及10 bit 4:4:4,适用ST 2083-10的一条24G SDI链路。
 
(3)当UHDTV 2(8K UHDTV)的帧频为24Hz、25Hz及30Hz时:①对于10 bit 4:2:0及10 bit 4:2:2,适用ST 2083-10的一条24G SDI链路;②对于12 bit 4:2:0、12 bit 4:2:2、12 bit 4:4:4及10 bit 4:4:4,适用ST 2083-11的一对24G SDI链路。
 
(4)当UHDTV 2(8K UHDTV)的帧频为50Hz及60Hz时:①对于10 bit 4:2:0及10 bit 4:2:2,适用ST 2083-11的一对24G SDI链路;②对于12 bit 4:2:0、12 bit 4:2:2、12 bit 4:4:4及10 bit 4:4:4,适用ST 2083-12的两对24G SDI链路。
 
(5)当UHDTV 2(8K UHDTV)的帧频为100Hz及120Hz时:①对于10 bit 4:2:0及10 bit 4:2:2,适用ST 2083-12的两对24G SDI链路;②对于12 bit 4:2:0、12 bit 4:2:2、12 bit 4:4:4及10 bit 4:4:4,适用ST 2083-13的四对24G SDI链路。
 
5)单链路10.692 Gb/s SDI光接口
 
单链路10.692 Gb/s SDI用于最高9 Gb/s的UHDTV 1(4K UHDTV)二维视频图像格式的额定负载,包括(仅有光接口):
 
当UHDTV 1(4K UHDTV)的帧频为24Hz、25Hz及30Hz时:①对于10 bit 4:2:0及10 bit 4:2:2,适用ST 435-1的一条10G SDI链路;②对于12 bit 4:2:0、12 bit 4:2:2、12 bit 4:4:4及10 bit 4:4:4,适用ST 435-1的一条10G SDI链路。
 
625 Gb/s SDI光接口
 
25 Gb/s SDI光接口用于最高18 Gb/s的UHDTV 2(8K UHDTV)二维视频图像格式的额定负载,包括(仅有光接口):
 
当UHDTV 2(8K UHDTV)的帧频为24Hz、25Hz、30Hz、50Hz及60Hz时:①对于10 bit 4:2:0及10 bit 4:2:2,适用ST 2026-1的一条25G SDI链路;②对于12 bit 4:2:0、12 bit 4:2:2、12 bit 4:4:4,适用ST 2026-1的一条25G SDI链路。
 
7)单链路及多链路10.692 Gb/s SDI光接口
 
单链路及多链路(此时的“多链路”可由DWDM(Dense Wave-length Division Multiplex,密集波分复用)技术实现)10.692 Gb/s SDI光接口用于最高72 Gb/s的UHDTV 1(4K UHDTV)及UHDTV 2(8K UHDTV)二维视频图像格式的额定负载,包括(仅有光接口):
 
(1)当UHDTV 1(4K UHDTV)的帧频为50Hz及60Hz时:①对于10 bit 4:2:0及10 bit 4:2:2,适用ST 2036-3的一对10G SDI链路;②对于12 bit 4:2:0、12 bit 4:2:2及12 bit 4:4:4,适用ST 2036-3的一对10G SDI链路。
 
(2)当UHDTV 1(4K UHDTV)的帧频为24Hz、25Hz及30Hz时:①对于10 bit 4:2:0及10 bit 4:2:2,适用ST 2036-3的一条10G SDI链路;②对于12 bit 4:2:0、12 bit 4:2:2、12 bit 4:4:4及10 bit 4:4:4,适用ST 2083-10的一条24G SDI链路。
 
(3)当UHDTV 2(8K UHDTV)的帧频为50Hz及60Hz时:①对于10 bit 4:2:0及10 bit 4:2:2,适用ST 2036-3的四对10G SDI链路;②对于12 bit 4:2:0、12 bit 4:2:2及12 bit 4:4:4,适用ST 2036-3的四对10G SDI链路。
 
(4)当UHDTV 2(8K UHDTV)的帧频为24Hz、25Hz及30Hz时:①对于10 bit 4:2:0及10 bit 4:2:2,适用ST 2036-3的两对10G SDI链路;②对于12 bit 4:2:0、12 bit 4:2:2、12 bit 4:4:4及10 bit 4:4:4,适用ST 2083-10的两对24G SDI链路。
 
8UHDTV多链路10 Gb/s SDI光接口
 
UHDTV多链路(此时的“多链路”可由DWDM(Dense Wave-length Division Multiplex,密集波分复用)技术实现)10 Gb/s SDI光接口用于最高144 Gb/s的UHDTV 1(4K UHDTV)及UHDTV 2(8KUHDTV)二维视频图像格式的额定负载,包括(仅有光接口):
 
(1)当UHDTV 1(4K UHDTV)的帧频为100Hz及120Hz时:①对于10 bit 4:2:0及10 bit 4:2:2,适用ST 2036-4的4条10G SDI链路;②对于12 bit 4:2:0及12 bit 4:2:2,适用ST 2036-4的4条10G SDI链路;③对于10 bit 4:4:4或12 bit 4:4:4,适用ST 2036-4的6条10G SDI链路。
 
(2)当UHDTV 1(4K UHDTV)的帧频为50Hz及60Hz时:①对于10 bit 4:2:0及10 bit 4:2:2,适用ST 2036-4的3条10G SDI链路;②对于12 bit 4:2:0及12 bit 4:2:2,适用ST 2036-4的3条10G SDI链路;③对于10 bit 4:4:4或12 bit 4:4:4,适用ST 2036-4的3条10G SDI链路。
 
(3)当UHDTV 1(4K UHDTV)的帧频为24Hz、25Hz及30Hz时:①对于10 bit 4:2:0及10 bit 4:2:2,适用ST 2036-4的3条10G SDI链路;②对于12 bit 4:2:0及12 bit 4:2:2,适用ST 2036-4的3条10G SDI链路;③对于10 bit 4:4:4或12 bit 4:4:4,适用ST 2036-4的3条10G SDI链路。
 
(4)当UHDTV 2(8K UHDTV)的帧频为100Hz及120Hz时:①对于10 bit 4:2:0或12 bit 4:2:0,适用ST 2036-4的12条10G SDI链路;②对于10 bit 4:2:2或12 bit 4:2:2,适用ST 2036-4的16条10G SDI链路;③对于10 bit 4:4:4或12 bit 4:4:4,适用ST 2036-4的24条10G SDI链路。
 
(5)当UHDTV 2(8K UHDTV)的帧频为50Hz及60Hz时:①对于10 bit 4:2:0或12 bit 4:2:0,适用ST 2036-4的6条10G SDI链路;②对于10 bit 4:2:2或12 bit 4:2:2,适用ST 2036-4的8条10G SDI链路;③对于10 bit 4:4:4或12 bit 4:4:4,适用ST 2036-4的12条10G SDI链路。
 
(6)当UHDTV 2(8K UHDTV)的帧频为24Hz、25Hz及30Hz时:①对于10 bit 4:2:0及10 bit 4:2:2,适用ST 2036-4的4条10G SDI链路;②对于12 bit 4:2:0及12 bit 4:2:2,适用ST 2036-4的4条10G SDI链路;③对于10 bit 4:4:4或12 bit 4:4:4,适用ST 2036-4的6条10G SDI链路。
7、UHDTV超高清电视端到端全流程
端到端的UHDTV节目制作、信号传输、视听终端(多屏)呈现如图2所示。
2  UHDTV端到端全流程
编译自本文参考文献[1]
8、UHDTV超高清电视生态系统中的部分知名企业(包括但不限于)
 
3
来源:本文参考文献[1]
9、UHDTV超高清电视系统视频参数的选择
从上文可以看出,UHDTV超高清电视系统视频参数的选择将是一个很繁琐的过程,涉及诸多方面而且有很多种组合方式,难度将会非常大,但关系重大,相关部门/行业(如广电)应仔细斟酌、反复且多方论证。总的来说,UHDTV超高清电视系统视频参数的选择至少应考虑的原则包括:生理视觉特性和心理视觉特性;UHDTV广播、展示、多媒体应用的需求适应性;质量及可行性(具体包括技术和设备成熟度、可分级性、成本);兼容性及可扩展性(即应与现有电视传输系统、各种已有或将来的传输分发方式、相关国际标准、国际间节目交换、计算机、数字电影、蓝光光盘等周边技术的兼容性及技术、业务的可扩展性);相关知识产权。
 
参考文献:
SMPTE(美国电影及电视工程师协会)于2014年11月05日发布的UHDTV ECOSYSTEM CURRENT STATUS REFERENCE

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