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超高清晰度电视系统视频参数计算和选择

2014-11-27 21:27 来源:电视技术

责编:陈默

超高清晰度电视系统视频参数计算和选择

天津大学 李桂苓,天津大学/天津师范大学 李彦,天津大学 徐岩


中国标准清晰度电视(SDTV)和高清晰度电视(HDTV)系统分别遵循GB/T148571993《演播室数字电视编码参数规范》GY/T 1552000《高清晰度电视节目制作及交换用视频参数值》。前者等效采用ITU-R BT.601-3:1992。后者参照ITU-R BT.709-3中第二部分制定,但扫描格式修改为1 125/50/2:1并增加了1 125/24/1:1,还参照ITU-R BT.1361《未来电视和图像系统的国际统一色度及相关特性》增加了扩展色域系统相关参数。

广播电视的数字化,特别是HDTV广播的开通,极大地增多了电视频道数量,提高了音视频节目质量。但HDTV画面的水平视角只有30°左右(表1),伴音至多两个声道,观众希望获得更佳的视听体验,一些场所需显示特大屏幕精细图像和重现三维音响效果,超高清晰度电视(UHDTV)是其良好选择,多视点自由立体显示也需基于超高清显示技术。

超高清显示技术发展迅速,国际上对UHDTV的基础研究已相当深入,关键技术和设备研发已逐渐步入实用阶段,一些国家和国际标准已制订,有的国家开始试播。中国也正在大力研究其关键技术,制订相关标准。为此,本文在分析、计算SDTVHDTV系统视频参数的基础上,参考ITU Rec. ITU-R BT.2020-106/2014[5],讨论了UHDTV广播系统视频参数的选定原则、计算原理和方法,希望对制订中国相关标准有一定参考价值,促进中国UHDTV的发展。

1选定参数的原则

选定UHDTV视频参数至少应考虑:

1 视觉特性(生理和心理);2 需求适应性(广播、展示、多媒体应用);3 质量及可行性(技术和设备、可分级性、成本);4)兼容性及可扩展性(与现有电视系统、各种传送方式、相关国际标准、节目交换、计算机、数字电影和蓝光光盘等周边技术的兼容性及技术、业务可扩展性);5)知识产权。

2图像格式

选定UHDTV图像格式需提高画面临场感,增大视角是重要因素之一。人眼的静态水平视角接近180°,计及眼球、头部和身体转动,其值更大。加大屏幕,移近视距可展宽视角,但若不同时增多电视扫描行数,则会感到画面粗糙。按正常视力可区分张角约1'1'相邻两点,由画面的高度和视距,从几何关系即可算出所需垂直方向的有效行数,再由画面幅型比和像素宽高比可导出水平像素数。

由于眼球水平方向转动较垂直方向习惯,所以宽幅型比画面与视野更匹配。电影银幕、计算机显示器、投影屏等也都在实现宽屏化。但它们的幅型比并不一致。考虑到HDTV画面及已有UHDTV国际标准已将其定为16 9,中国的UHDTV似也应选用此值。

因视细胞接近圆形,故像素宽高比为1的画面视觉效果较好,HDTV、计算机、数字电影等也采用方像素,这表明UHDTV像素宽高比也应为1

1列出了按约1'视觉分辨力计算的中国电视系统部分画面参数。表中SDTVHDTV的参数值按中国相关标准计算。中国尚未发布UHDTV标准,表1所列为本文考虑多方面因素计算的可选值。

1 中国SDTVHDTVUHDTV部分画面参数

像素点阵是画面的空间取样,其构成为数字电视系统的基本参数,决定着系统的性能和实现难易程度等,其选择与上节所列原则密切相关。表1ITU-R BT.2020-106/2014)推荐的3 840×2 1607 680×4 320两种级别UHDTV有效像素数计算了相关参数,并分别称为UHDTV4KUHDTV8K系统。这两种画面尺寸与HDTV成整数倍关系,不过与表2所列数字电影倡导联盟(DCI)的数字电影画面不尽相同。以表2中的DCI 4K Netive格式为例,其所称的“K”真正为1 024(即210),而UHDTV4KUHDTV8K画面的水平像素数分别为3 8407 680,分别称4K8K格式,是沿用了数字电影的简称。顺便指出,表2所列数字电影画面略宽于16 9,像素为方形,由于数字电影更注重画面质量而把每帧画面都按静止图像编码标准JPEG2000编码,这与UHDTV受限于传输带宽而按高效视频编码标准(HEVC)编码不同[6]。这些异同在节目转换时应予考虑,但采用与计算机一样的方像素对便于计算机处理非常重要。

2 UHDTV与数字电影画面规格比较

如表1所列,UHDTV4KUHDTV8K画面的水平视角分别约60°和100°,仍远低于视觉能力。进一步加大视角,不宜再单独缩短表中的视距,否则还会显现行结构,距屏太近观看节目还会引起不适。

1列出了中国数字电视系统由有效像素数限定的静止图像亮度信号清晰度理论值。数字电视系统按像素寻址方式工作,其垂直清晰度理论值即有效行数,但水平清晰度需将水平有效像素数按幅型比折算成电视线。顺便指出,节目不按相应有效像素数摄制,包括接口在内的信道带宽不够,显示屏物理像素数及显示方式不对应相应标准,观看距离远等因素,均会使图像清晰度达不到表1所列值。

3扫描格式

数字电视系统仍按扫描方式工作。UHDTVHDTV需有更好的图像质量,而电视系统普遍采用的隔行扫描虽可缩窄视频信号带宽,但易造成行间闪烁、垂直分辨力下降、垂直边缘扭动和闪烁等,还为数字视频信号处理带来不便。为此,现有国际标准均按逐行扫描构建UHDTV系统。

对逐行扫描系统,图像帧是运动图像序列的时间取样,确定帧频至关重要。视觉对越亮、亮度变化越大的图像和亮度越高的颜色更易感到闪烁,且视网膜边缘较中间黄斑区对闪烁敏感,这两方面因素使得大屏、近视距、大视角、宽色域UHDTV系统的帧频应比HDTV更高。中国SDTVHDTV为隔行扫描系统,一帧图像分为两场,以略高于眼睛临界非闪烁频率的50 Hz场频将帧频降成25 Hz。那么逐行扫描的UHDTV系统至少需把帧频提至50 Hz以上,如表3所列。较高的帧频不仅可降低闪烁,还会增强包括立体感在内的临场感,不少国家主张将UHDTV系统帧频提至120 Hz甚至300 Hz,中国若选定100 Hz帧频,视频质量会明显提升,当然这会成倍提升像素率(见表3)。计及来自电影的节目,表3有可能还需设置其他帧频。中国对提高帧频问题在模拟电视向数字电视过度时曾被强烈提出,当时因帧频涉及问题广,已有节目素材使用和不同格式电视节目制作会遇到很大困难,最终未予改动。

3 中国SDTVHDTVUHDTV系统部分扫描参数

帧由行组成,行频等于帧频与每帧总行数之积。选定行频也要综合考虑多种因素。每帧总行数为帧有效行数与帧消隐行数之和。UHDTV4KUHDTV8K的有效行数分别为HDTV2倍(2 160)和4倍(4 320),若总行数也分别选成2倍,则分别是2 2504 500,由于UHDTV为逐行扫描系统,他们可以为偶数。这样选定后,可算出相应的扫描参数。

本文论证了其他可选行频值。以帧频50 HzUHDTV4K为例,在每帧总行数为多于有效行数的整数,行频为2.25 MHz的整数倍(见第5节)条件下,没有低于112.5 kHz的可选值,而若将行频提至125 kHz150 kHz,则消隐行占比分别增至13.6%28.0%。此外,本节论述演播室扫描参数,显示端可不受其限。

4色度参数

中国现在按常规色域播出SDTVHDTV节目,红(R)、绿(G)和蓝(B)三基色及D65基准白的CIE 1931色度坐标列于表4。由这些值可算出色域覆盖率,并导出亮度信号([E'Y])模拟编码方程。前者为转换到CIE 1976 UCS均匀色空间(u'v')坐标系色度图上,基色三角形面积对可见光谱色轨迹内面积(0.195 2)的百分比。

4 中国电视系统基色和基准白色度坐标、色域覆盖率及模拟亮度信号编码方程

注:①ITU-R BT.1361目标色域(Pointer色域)的色域覆盖率近似值;②由早期NTSC基色色度坐标和C光源导出,PAL制和后来NTSC制改用基色三角形略窄,发光效率更高的荧光粉,光源也改成D65,方程应为另一组系数,但NTSC应用早,PAL制、NTSC制和SDTV仍沿用该方程。

中国GY/T 1552000中的扩展色域HDTV系统参照ITU-RBT.1361制订。ITU-R BT.1361与现行常规色域电视系统有良好兼容性,传输色域的扩展体现在图1所示光电转换特性,其非线性校正前的线性基色信号归一化值可大于1,且可为负值。ITU-R BT.1361Pointer色域为目标色域[7]Pointer广泛收集,实测了4 089种色样本的色度参数,得物体“真实色空间”,其表面有576种颜色,称“Pointer表面色”,界定的色域称“Pointer色域”。Pointer色域不仅被ITU-R BT.1361定为目标色域,目前也将其作为一种UHDTV色域级别的趋势。

中国尚未制订UHDTV标准,表4和图1ITU-RBT.2020-106/2014)计算并给出相关参数。ITU-R BT.2020-106/2014)将基色选为可见光谱色,基准白仍为D65,模拟亮度信号编码方程相应改变,光电转换特性对10 bit12 bit两种色深度分别规范,前者同常规色域电视,后者有微小修改。基色选为谱色拓宽了色域覆盖范围,但目前只有激光光源可实现。

1 光电转换特性示意图

CIE 1976 UCS色空间(u'v')坐标系色度图上,以上三种系统的色域如图2所示,色域覆盖率计算值列于表4

2 色域比较

5信号格式

由于视觉对图像亮度细节比颜色细节敏感,所以基于三基色构建的电视系统可传送一个宽带亮度信号和两个窄带色差信号。三个色差信号中,G-Y色差信号幅度最小,传送中易受干扰,所以应选B-Y(或表示成CB)和R-Y(或表示成CR)传送。Y为单极性信号,归一化幅度为1。模拟亮度信号([E'Y])编码方程取决于基色和基准白色度坐标,已在表4导出。B-YR-Y为双极性信号,为便于设计量化器,其归一化幅度不应超过±0.5。由此按100/0/100/0规格彩条信号计算,B-YR-Y的压缩系数及进而计算的模拟色差信号([E'CB][E'CR])编码方程列于表5。表4、表5所列参与编码的为[E'R][E'G][E'B]信号,它们是经图1所示光电转换特性校正(γ校正)后的基色信号电压,而校正前的归一化基色信号电压EREGEB正比于光强。

5 中国电视节目制作及交换用部分视频参数

为改善图像质量和便于进行数字处理,对模拟信号的取样点在画面上应正交、固定分布。中国SDTVHDTV为隔行扫描系统,取样点在图像上按行、场和帧重复,但邻行相差半个像素,均分别保持正交。UHDTV为逐行扫描系统,取样点在图像上逐帧固定且正交。

拟实现像素样点在画面上固定、正交分布,取样频率需为行频的整数倍。世界上原有行数和帧频分别是525/30/1.001)和625/25两种应用较广的电视系统,其行频最小公倍数为2.25 MHz,为便于国际交换节目,取样频率还应选为该值的整数倍。表5中列出了中国SDTVHDTV基色和亮度信号的取样频率,它们分别是表3所列行频的8642 640倍,即每行总样点数分别为8642 640,分别减去每行有效像素数可算出数字行消隐样点数及其占空比。

中国尚未确定UHDTV系统标准,若采用前面各表所列参数,以帧频为50 HzUHDTV4K为例,当保持HDTV数字行消隐占比为27.27%时,RGBY的取样频率为594 MHz,如表6所列。该值为2.25 MHz264整数倍,可保证固定、正交取样结构和便于国际交换节目。中国SDTVHDTV采用27 MHz系统时钟,594 MHz为其22整数倍,也便于兼容接收SDTVHDTVUHDTV三种格式数字电视信号接收机的设计。

6 UHDTV系统RGBY取样频率部分可选值比较

6还计算出另两组取样参数。这些参数是在帧频分别为50 Hz100 Hz,行频分别为112.500 kHz225.000 kHzRGBY取样频率是2.25 MHz27 MHz的整数倍,每行总取样数多于有效取样数等条件下计算和选列的。这些条件满足上述计算594 MHz时的考虑,但减小了行消隐取样占比,在CCD摄像机等可正常工作条件下,选用这些参数可以降低取样频率。

5按表6所列最低取样频率459MHz继续计算了其他视频参数。其中,取样定理限定的视频信号带宽为取样频率的一半,而视频标称带宽还要计及CCD摄像机孔阑效应及低通滤波器等因素,因而较取样定理限定的带宽窄,通常可取取样频率的1/2.7~1/2.2

5还计算了不同色度格式色差信号的取样参数。对444色度格式,CBCR取样频率等于RGBY的取样频率,有效行数也与Y的有效行数相同。对422420色度格式,CBCR取样频率等于RGBY取样频率的一半,422色度格式的有效行数与Y的相同,而420色度格式则为Y的一半。

中国SDTVHDTV系统中,RGBYCBCR的量化精度为8 bit10 bit,前者用于传输,后者用于演播室节目制作。UHDTV应能传输、重显更丰富的颜色,ITU Rec.ITU-R BT.2020-106/2014)建议采用10 bit12 bit,级差均匀的线性量化,量化值编码成PCM(脉冲编码调制)码。表5给出了相应的数字编码方程和量化级分配。两端的量化级用于传送时基,中间的量化级分配给传送YCBCR数据。因CBCR为对称信号,0值对应中间量化级。如表5所列,视频数据许用更宽的量化级范围,这一方面是应对信号可能出现较大的瞬时值,也可用来传送超过正常值范围的宽色域信号。

7计算了中国SDTVHDTVUHDTV系统的视频信号数据率。该表针对不同帧频、图像格式、色度格式和量化精度计算。表7数据表明,UHDTV视频数据率远高于HDTV,表明研究高效视频编码算法,制订相应标准,提高系统信号处理速度,是UHDTV的关键技术之一。

7 SDTVHDTVUHDTV系统视频信号数据率(Gbit/s

6结束语

本文分析、计算了SDTVHDTV系统视频参数,提出了选定UHDTV系统视频参数的原则,阐述了计算、选定UHDTV系统视频参数涉及的多种因素及对他们加以权衡的考虑,并参考已有国际标准,对UHDTV系统图像格式、扫描特性、色度参数和信号格式等参数进行了计算和比较,提出了相应的选择建议。

笔者在进行这项工作时,深切体会到选定数字电视系统视频参数需综合考虑诸多方面,可有多种选择,需反复、多方论证,难度很大,但影响深远。希望本文给出的选定原则、计算原理、计算方法和建议的多组视频参数值对中国确定UHDTV系统标准有一定参考意义,从而促进中国UHDTV的发展。

本文已刊登在《电视技术》2014年第18期

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