解读UHDTV 时代4K与HEVC/H.265 10bit

2016-04-20 17:00:42     作者:silentyt      来源:原创

标签: UHDTV 4K电视

  【沙发管家 技术】4K超高清电视UHDTV产业发展已在快车道,整个4K产业链也已被激活,这个行业目前的发展可谓集天时地利人和,产业链上下游几个很重要的发展因素都在推动这个产业快速发展!

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  4K的电视产品市场上也越来越多,消费者购买时需要更专业的知识来辨别4K电视产品的规格,因为随着4K成本的下降,各种伪4K产品也在市面上也越来越多,接下来笔者就带你了解下什么是真正的UHDTV及UHDTV的未来技术发展方向。
  首先让我们认识一下什么是UHDTV,国际电信联盟(ITU,International Telecommunications Union)在2012年8月23日将超高清晰度电视(UHDTV)正式定为标准,ITU-R BT.2020,这份标准中定义了4K和8K的timing格式标准,同时针对人眼对UHDTV超高清的最佳视觉体验角度出发,规范了UHDTV的色域范围比HDTV要更为宽广,达到覆盖CIE1931色域范围的75.8%,具体参考下图。



  其中黑色三角形的色域范围为UHDTV规范所要求的,黄色三角形则是目前HDTV规范所要求的,可以很明显的看出UHDTV能看到的色域范围比HDTV大很多,给人眼的视觉色彩感受更加逼真。

  在UHDTV超高清电视标准中,已经没有沙发管家8比特的量化标准,至少10比特甚至12比特已经成为基本要求。在大银幕下,画面细节展现更加真切,确保色彩和灰阶过度流畅和自然尤为重要,这也是高品质画面的基本保证 。


  专门为超高清标准制定的ITU-R BT2020标准,极大地扩展了色域的色彩信息。伴随着摄像机性能提升,以及监视器、电视从晶体管过度到色域范围更大的全新显像设备,如10bit LED背光LCD和OLED技术,都能够捕捉和展现出更宽广的色彩范围。

  其次,在产业链中,编码技术是最为重要的一环,目前HEVC/H.265编解码技术正处于大规模商用的阶段。HEVC/H.265,全称是High Efficiency Video coding,相比上一代H.264在同等画质下容量平均能减少50%, 这样能让在网际网络之间的设备传播4K画面。


  HEVC/H.265有定义了三个profile,main profile,main 10 profile及main still picture,其中main profile只定义到8bit 色深,而main 10 profile定义到10bit色深,基于UHDTV的标准要求,4K的视频用HEVC编码时应当采用main 10 profile 10bit标准,这样才能达到BT.2020要求的色域范围。

  实际上目前很多高清编码业者已经采用HEVC 10bit在大量压制多媒体片源,有专业的编码专家做过研究发现,10bit压制主要是通过提升编码的预测精度,从而在大多数有损压缩时可以采用更高的量化值,同时还能保证相当好的质量,于是可以在比8bit压制更低的码率下还原出更好的画面。专业对比数据可以参考下图:


  图中纵轴为1/(1-SSIM),SSIM(结构相似度)是一种衡量两画面间相似度的演算法(在这里是编码后的视频和源视频的比较),横轴为bitrate,从图中可以看到,CRF=20(CRF:常码率因子),bitrate基本相同的情况下,10bit压制的效果要好于8bit压制,而在同等画质的情况下,10bit压制的bitrate要明显小于8bit压制,10bit压制优势相当明显,已是业界共识。

  再者,蓝光阵营也正式宣布加入UHDTV产业链,新的4K Blu-ray标准已在制定中, 2014年柏林IFA展上的最新消息,据蓝光光盘协会全球推广委员会主席 Victor Matsuda先生透露,蓝光光盘协会预计4K蓝光标准会在2015年上半年定版,预计在2015年底前商用,这样也就意味着在2015年圣诞节前可以在商店买到4K 蓝光光盘和相应的蓝光播放器。

  具体4K蓝光标准会支持到4K2k@60Hz(3840*2160P@60Hz),支持高动态范围(HDR)及广色域(BT.2020),使用HEVC/H.265 标准编码并要求支持main10 profile,同时新标准中蓝光光盘的容量会由原来的BD50增加到66GB或100GB。未来高清迷有福了,将可以享受到大量的HEVC/H.265 10bit的电影片源。

  另外,欧洲DVB组织也将H.265/HEVC main10 profile 标准引入广电传输领域中,2014年10月30日,DVB组织发布了其第36期 DVB scene news,简要地介绍了DVB将HEVC/H.265标准引入广电传输领域的最新进展,并提出了下一步工作要达到的目标。

  具体地,DVB最近完成的TS 101 154 V2.1.1标准定义了全高清(1080P)电视,超高清UHD-1 phase1(DVB第一阶段的超高清(2160P)电视规范)电视的HEVC/H.265编码,主要包括:

  •1080P全高清电视,8bit量化编码,帧频50Hz
  •1080P全高清电视,8bit量化编码,帧频60Hz
  •1080P全高清电视,8bit或10bit量化编码,帧频50Hz
  •1080P全高清电视,8bit或10bit量化编码,帧频60Hz
  •2160P超高清电视UHD-1 phase1, 8bit或10bit量化编码,帧频50Hz或60Hz

  DVB正在进行更进一步的研究和产业化工作,以期能在2017到2018年推出UHD-1 phase2(DVB第二阶段的超高清电视规范)的商用服务。

  从UHDTV多个产业发展状况来看,4K世代即将来临,不过消费者在购买4K电视时,要确认电视的屏幕是否为10bit 4K屏,并确认电视的主芯片是否支持HEVC/H.265 10bit解码,同时确认整个处理通道是否都是10bit图像处理。

  可以预见的是,目前及未来大部分HEVC/H.265片源都是10bit压制的,对于未支持HEVC/H265 main 10 profile的电视,HEVC的兼容性会存在较大问题。

  目前市场上主流的智能电视芯片因HEVC/H.265 main10 profile成本比HEVC/H.265 main profile贵,只有部分芯片是支持HEVC/H265 main 10 profile硬解码的,不是所有支持HEVC/H.265的平台都支持10bit硬解,消费者在购买时要特别注意辨别,最好的方式是拿10bit的片源去试播。

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