4K超高清电视的机遇与挑战
【摘 要】讨论4K电视的优势及其对市场的意义，阐述尽快推出实时4K电视广播的必要性，探讨4K电视发展中面临的技术问 题及解决方法。
【关键词】`4K超高清电视；视频编码；分辨率；帧频
文章编号：10.3969/j.issn.1674-8239.2014.09.013
【Abstract】The advantages and significance of 4K high-definition for the market were discussed； the necessity of launching the real-time 4K TV broadcast as soon as possible was elaborated； several technology problems and solutions in the development of 4K television were also approached.
【Key Words】4K high-definition TV； video coding； resolution； frame frequency
1 引言
4K超高清电视（以下简称4K电视）是近年消费电子领域的一个高频词。随着主流家电厂商相继向市场推出4K电视机，这一技术所蕴含的市场潜力和巨大商机已经吸引了各界人士的热切关注。但迄今为止，即便在美、日等技术领先的国家，4K电视服务，尤其是最具价值的实时4K电视广播都只是处于试播及市场培育阶段。限制4K电视迅速普及的因素包括：制造成本高、节目库有限及广播传输技术不支持等。而随着相关技术的日臻成熟，可以预料4K电视市场竞争将迅速升温。
2 4K超高清概念
超高清是一个与电视分辨率有关的概念。
简单地说，一幅电视图像画面的最小显示单元是像素。画质的细腻度就是由像素点距来决定的。单位面积内像素数目越多，即分辨率越高，画面也就越清晰。在数字技术普及之前，不管电视屏幕的尺寸有多大，其图像包含的像素数目都是约30万个，这就是所谓的“标清”电视。对于一个小屏幕电视机来说，这样的画面质量已经相当清晰了。不过，如果电视屏幕尺寸增大，观看者就需要离屏幕更远些才能看清图像。于是，电视技术工程师开始致力于研究如何获得更为清晰的图像，尤其是在较大屏幕的电视机上。目前最常用的高清分辨率为1080p（即垂直方向1 920线×水平方向1 080线，标准分辨率通常用水平和垂直方向的像素数表示，参见电子行业标准SJ/T 11324—2006《数字电视接收设备术语》），或俗称的1080p标准垂直像素点（等同水平扫描线）。200万左右像素的高清分辨率电视机，相当于“标清”D1为480i格式的6.5倍，这也是目前市面上技术最为完善的高清电视标准。
近两年来，不少电视制造企业已相继开发并推出4K电视。作为取代1 920 ×1 080的新一代分辨率标准，4K电视的分辨率为高清的4倍（即3 840×2 160），相当于4幅高清画面拼成一幅4K超高清画面。对于1080p高清显示屏，坐在离屏幕很近处的观众仍会看到像素与像素之间的一个个小正方形空白；而在4K超高清显示屏上，像素将会变得更加细小，以至于在正常观看距离上，人们必须利用放大镜才能看到上面所说的那些正方形空白。这意味着观众即便在距离屏幕很近的地方也能看到清晰的图像。当然，仅仅有4K超高清显示器未必保证有更好的画质，因为电视的画质还取决于信号源的质量和画面实际内容等其他因素。
3 4K电视的优势
3.1 更高分辨率、更大尺寸屏幕
尽管影响电视观看体验的因素众多，但是在视频设置正确的情况下，分辨率提高所带来的优越性还是显而易见的。4K电视最主要的好处是消费者可以在现有房间内摆放尺寸比原先大很多的电视机，例如目前刚好能摆放42英寸1080p高清电视机的某房间，如果主人要更换4K电视机，那么，电视机屏幕可以增加至65英寸、70英寸甚至84英寸，也不致影响收看的效果。要实现这一好处，最重要的一点是依据观看位置与电视机之间的距离选择合适的屏幕尺寸。如果安排得当，那么，4K电视可以提供电影般的视觉感受，其意义不亚于IMAX（Image MAXimum，一种能够放映比传统胶片更大和更高解像度的电影放映系统）为电影观众所带来的视觉冲击。一般来说，高清电视的适宜观看距离为屏幕高度的3倍，在这个距离上，观众看不到像素与像素之间的空白。而对于4K电视来说，适宜观看距离可缩短至屏幕高度的1.5倍，在这么短的观看距离上，观众可以有极其巨大的视野，从而获得身临其境的视觉感受，同时又不会令图像质量受到任何损失。
3.2 完美呈现35 mm电影胶片画质
4K电视的另一个优势在于，它将成为消费市场上第一种能够呈现35 mm电影胶片影像之颗粒和品质的数字格式。一些经典老电影如《阿拉伯的劳伦斯》、《乱世佳人》等以及不少新发行的影片正在被转换和优化，以便能够以4K超高清格式放映。
除了能够在更大尺寸的屏幕上播放相比1080p电视更为清晰的影像之外，4K超高清电视还具有更高帧率和更宽阔色域。帧率的提高可使快速移动的物体看起来更加流畅；更宽阔的色域则有助于4K超高清显示器呈现比传统高清电视更为鲜明和真实的色彩。对于体育赛事、现场活动甚至数码照片等各种形式的视频内容，都可以带来一种更为逼真的图像。
3.3 实时4K电视广播市场潜力巨大
4K电视机最早出现于2013年1月的美国拉斯维加斯CES消费电子展上，一经发布，便震惊业界，但随即而来的问题是如何实现把4K超高清视频内容传输到消费者家中，这要求更高的数据传输系统。内容提供商（如电视台、有线电视公司、网络视频提供商），蓝光及DVD等光盘制造商，以及业界其他参与者都在努力开发把视频内容传送至4K超高清电视机播出的最佳和最高效的方式，并予以标准化。几个月之后，名为HEVC（高效视频编码）的压缩标准便正式发布，从而极大地推动4K超高清电视内容的处理与传输。