迄今為止，市場上已經(jīng)推出了空間分辨率大大提高的Ultra HD，但這種方案幾乎沒有考慮幀速率、有效傳輸帶寬、比特深度、動態(tài)范圍和接口等因素。電視機是否具有高質(zhì)量的時域和空間擴展性是決定Ultra HD能否初步獲得成功的關(guān)鍵。鑒于4K電影內(nèi)容的可用性和改善廣播高清質(zhì)量的需求，點播業(yè)務將可能打開Ultra HD的市場。

Ultra HD：源于電影

自從1925年引入電視機以來，觀眾享受的分辨率越來越高，要觀賞改善的畫面質(zhì)量，他們唯一需要做的就是換臺新電視。有時在取得視頻質(zhì)量進步的同時，幀率也隨之增加，這使得動作視頻更加平穩(wěn)。

通常隨著電視分辨率和電視尺寸逐漸增加，電視機制造商通過上變換幀率改善了傳輸?shù)男盘�，這讓視頻質(zhì)量得到最明顯的提高。

從高清轉(zhuǎn)換到Ultra HD電視也與此緊緊相關(guān)。播放Ultra HD最理想的情況是按照本地標準拍攝和處理節(jié)目內(nèi)容。工作流就在此成為了傳輸Ultra HD的第一個主要障礙。雖然電影界已采用數(shù)字電影倡導聯(lián)盟（DCI）標準提供完整的4K工作流，然而主要還是關(guān)注24fps節(jié)目內(nèi)容方面（最近發(fā)布了48fps幀率的“The Hobbit”，這一例外值得注意）。2013年在拉斯維加斯舉辦的消費者電子展會（CES）激起了消費者對Ultra HD的興趣，各種放置在黑暗環(huán)境中監(jiān)測器顯示24fps幀率的4K電影內(nèi)容，同時還能保持運動畫面流暢性。這些展示活動為Ultra HD進入高利潤的家庭視頻市場提供了有利條件——但要真正改善現(xiàn)存的高清業(yè)務需要在哪些方面改善工作流呢？

從影院到家庭：存在的問題

為電影制作的數(shù)字化工作流與傳統(tǒng)的電影相關(guān)的工作流類似；關(guān)鍵區(qū)別在于它能在制作過程中立即審查節(jié)目。這一進步讓操作員無需處理膠片就能審查每日報告（或樣片），因為處理膠片的過程即耽誤了電影制作時間也增加了制作成本。數(shù)字工作流的另一個好處是源節(jié)目內(nèi)容能用于編輯、處理和后期制作，而無需將電影轉(zhuǎn)換。

播送Ultra HD的工作流與數(shù)字電影工作流類似，但更加復雜且有很多不同的工作流和格式。電影采集主要為了獲取節(jié)目內(nèi)容，然而典型的電視工作流還要解決以下的問題，比如重播“轉(zhuǎn)播”的節(jié)目內(nèi)容，管理文件媒體，將節(jié)目存檔和處理復雜的區(qū)域化問題。
 
DCI標準采用的4K分辨率和Ultra HD解決方案的分辨率相似。但是在追求更高的電視分辨率過程中這兩者還是存在細微區(qū)別，因為現(xiàn)在的電視分辨率一般還要支持1920x1080 HD分辨率。因此Ultra HD將橫向和縱向的高清解決分辨率增加了一倍，形成的格式未能實現(xiàn)完整的DCI 4K規(guī)格。這種方式的意義在于：建立Ultra HD的分辨率為HD的倍數(shù)可使得傳統(tǒng)的高清節(jié)目更容易上變換成新的格式。

幀率

至今為止，分辨率是Ultra HD的主要市場；因此2013年CES展會上主要展示非常細節(jié)的畫面，而幾乎沒有或完全沒有運動畫面。展示節(jié)目內(nèi)容的電視機被放在黑暗的環(huán)境中，沒有24fps節(jié)目和其它光線的干擾。這樣的方式可能適用于家庭影院，但不適用于更高質(zhì)量的環(huán)境觀看高清。要在比現(xiàn)在屏幕可能大得多的監(jiān)測器上傳輸更高分辨率的視頻而不增加幀率是個困難的挑戰(zhàn)，尤其是還要播放運動節(jié)目內(nèi)容。鑒于有分辨率和幀率兩種選擇，當然幀率是更佳的選擇。播放體育節(jié)目時也要做出類似的調(diào)整，通常選擇720p而非1080i，主要是強調(diào)時間的而非空間的分辨率，專門播放中等運動量到高運動量的節(jié)目內(nèi)容。Ultra HD最少需要支持50Hz和60Hz的幀率，最理想的是支持100Hz和120Hz幀率。

用戶接口

自從高清多媒體接口（HDMI）引入10年以來，30億臺設(shè)備都裝上了這種接口，當前主要支持Ultra HD和4K DCI兩種格式。Ultra HD需要24、25和30Hz，而4K DCI需要24Hz；當前的HDMI標準下的循環(huán)只支持高達50Hz和60Hz的1080p分辨率；然而，如果HDMI標準沒有任何進步的話，任何走向Ultra HD的進步都會暫時受阻，除非用戶準備使用兩個同步HDMI接口來連接電視。雖然在2013年CES展會上展示了這樣一些屏幕原型，但這一方式還是不太可能出現(xiàn)在用戶的電視機上。然而有趣的是4K相機上已采用多個HDMI接口，使用四個同步HDMI接口來滿足帶寬需求，以傳輸基帶為4K的視頻。

Ultra HD要真正代替高清就要提高用戶接口標準以支持數(shù)據(jù)率，滿足傳輸50和60Hz的Ultra HD要求。下面的表格顯示了一些大約的數(shù)據(jù)，說明了幾個可能的Ultra HD(3840x2160)格式/幀率情況：

應用     顏色深度   比特深度   幀率    數(shù)據(jù)率
廣告業(yè)務   4:2:0        8bit      60Hz    5.96Gbps
廣告業(yè)務   4:2:0       10bit      60Hz    7.46Gbps
制作工作流 4:2:2       10bit      60Hz    9.95Gbps
體育報道   4:2:2       10bit     120Hz   19.91Gbps

用戶接口的一個重要方面就是需要額外的比特率支持節(jié)目內(nèi)容保護機制，這一機制讓他人不能輕易獲取盜版的數(shù)字復制版本。也值得注意的是，HDMI接口有一個挑戰(zhàn)的標準 Thunderbolt，這就是Apple使用的Intel接口，它能傳輸20Gbps。

帶寬

讓我們回顧一下最開始的問題，就是如何壓縮Ultra HD信號，讓其能通過播放媒介傳輸。MPEG-4 AVC（H.264）和新的高效視頻編碼（HEVC）標準都與Ultra HD傳輸相關(guān)。由于缺乏與HEVC兼容的設(shè)備和工作流，至今為止大多數(shù)的播送部署試驗都使用的是H.264。要實現(xiàn)Ultra HD的處理，使用四個同步HD AVC編碼器是典型的過渡性解決方案，而行業(yè)期待HEVC標準在提供最新的壓縮性能方面有所進步。

此類部署有一個例證，就是最近由Eutelsat推出的Ultra HD頻道演示。雖然運行于高帶寬（40Mbps），但是Eutelsat Ultra HD頻道的過早出現(xiàn)說明了市場上廣播業(yè)者接受該格式的強烈愿望。與直接采用24Hz的影院方式相比，它也說明了廣播業(yè)者使用適合電視幀率（50Hz）的決心。預計最終即使使用H.264，比特率都會降低到一個更加可管理的20Mbps。采用這樣的配置可以允許45M的轉(zhuǎn)發(fā)器傳輸兩個頻道。即使這個配置是一個改善，但它仍然遠遠少于現(xiàn)有的HD頻道處理能力，因為如果以8Mbps的速率算，這種可以傳輸5個頻道。

在這里有一個廣播業(yè)者和Ultra HD功能面對的挑戰(zhàn)：為了維持收入，在保持頻道數(shù)量的情況下，怎樣使用新的格式。一旦此標準在第二代和第三代編碼器上得到完全優(yōu)化和實施，與H.264相比，在比特率方面，HEVC有望提供50%的改善。在短期內(nèi)，相比于H.264，HEVC可能提供30%到40%較低的性能改善。即使這個收益可以允許Ultra HD頻道壓縮到14Mpbs，與應用Ultra HD H.264的比較，這可為45M轉(zhuǎn)發(fā)器騰出空間傳輸更所頻道。
 
在違反壓縮效率的情況下，HEVC可以完整傳輸?shù)谒膫�頻道，使得每個業(yè)務僅有10Mbps的碼率。這種大膽的壓縮率在使用AVC時是不可能的。
 
在2013 CES展會上，LG公司聯(lián)合KBS展示了一個HEVC系統(tǒng)，用于60Hz的Ultra HD地面廣播（DVB-T2）。部署的視頻比特率是35Mbps，偏離了10Mbps的目標，但是考慮到HEVC標準剛剛正式發(fā)布，這也算是一個早期的高調(diào)支持性嘗試。

即使以上提供的帶寬圖示是基于衛(wèi)星載荷，但是通過其他播放媒體傳輸也應該考慮。思科預言在2011和2016年之間互聯(lián)網(wǎng)流量將會增長四倍。當與視頻相關(guān)的互聯(lián)網(wǎng)流量增長成為關(guān)鍵時，增長率有可能會降低。因此，就有理認為當整個處理能力增長時，通過OTT傳輸?shù)腢ltra HD帶寬就會變得更多。在短期內(nèi)，HEVC可能成為HD OTT應用的強有力方案。根據(jù)Google和Netflix最近的公告，另外一個被預期的主要增長區(qū)域是Ultra HD的VOD業(yè)務。

專業(yè)接口

正如我們看到的，Ultra HD的基帶信號吞吐量是極端的，很容易超過最常部署的廣播接口處理能力。即使專門用于Ultra HD的廣播接口將會出現(xiàn)，但是也可以采用解決高帶寬IP網(wǎng)絡(luò)需求的其他方法。當使用消費型電子接口時，以太網(wǎng)解決方案的出現(xiàn)說明了IP方式和解決方案用于將來的廣播工作流是多么標準。

在專業(yè)接口情況下，競爭性的IP格式可以基于40Gbps和100Gbps技術(shù)。若考慮到Ultra HD (3840x2160)，4:4:4、60Hz的10bit將產(chǎn)生14.93Gbps的數(shù)據(jù)率，即使要滿足最苛刻的專業(yè)應用，Ultra HD (3840x2160)、4:4:4、120Hz的 12bit也可能限制在35.83Gbps之內(nèi)。這種傳輸可能處于40Gpbs，并通過下一代IEEE802.37實現(xiàn)，而且易于限制在100Gbps之內(nèi)。

音頻

在影院4K支持DCI標準規(guī)定的7.1音頻�？紤]到適度的音頻比特率要求，Ultra HD的音頻支持可能達到并包括DCI 7.1環(huán)繞立體聲標準。這個功能可能提供向后兼容并支持5.1環(huán)繞立體聲（當前流行于廣播HD和家庭影院系統(tǒng)）。

屏幕技術(shù)

雖然改善的分辨率將是Ultra HD市場推廣中的主要問題，但是幀率和動態(tài)范圍也將在屏幕質(zhì)量上產(chǎn)生很大影響。在不能滿足擬真體驗條件下提供Ultra HD業(yè)務，屏幕生產(chǎn)商必須大大改善了他們電視機的動態(tài)范圍，大于并且超過最新HD屏幕。在2013年CES展會上，有多種方式得以展示，通過自然地改善動態(tài)范圍可以精確地描述場景。在展現(xiàn)低端范圍的黑色區(qū)域和陰影輪廓時仍然可以處理高端的生動色彩區(qū)域方面，這種改善最為顯著。

壓縮比特深度與動態(tài)范圍相關(guān)，MPEG標準已經(jīng)很大程度采用了8bit方式，但是對于AVC采集是例外的，因為在這里8bit的局限很明顯，尤其是在HD屏幕上，顯示為場景彩色薄涂中的輪廓線或條帶。其典型例子出現(xiàn)在云朵和天空的渲染過程中。10bit對于此問題（在HEVC標準的第一版發(fā)布中提及）的解決非常必要。重要的原因有二，HEVC使用了AVC類似的方法，并且遭遇了出現(xiàn)于高端HD節(jié)目中的明顯限制，更重要的是，Ultra HD電視的大屏幕將會使得8bit的壓縮更加明顯。屏幕大小的增加也可證明保持高幀率的正確性，理想情況是擴展至100/120Hz幀率。

作者介紹：

本文選自Harmonic公司《高質(zhì)量Ultra HD的提供》，作者Ian Trow先生為Harmonic公司新興技術(shù)及戰(zhàn)略部門高級總監(jiān)。查詢進一步信息，請訪問官方網(wǎng)站http://www.harmonicinc.com。