【技术强文】UHDTV 时代4K与HEVC/H.265 10bit

 

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，已经没有高清时代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。