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超高清4K显示时代将来临 新产品与技术全接触

2021-3-18 15:14| 发布者:小山雀| 查看:172| 评论:0|来自:蓝光高清网

摘要:纵观影音技术多年的发展潮流,每一次显示技术的革命性突破都会对影音行业,乃至整个消费电子领域带来全新的格局。今年从影响力最大的两个全球性消费电子展会CES2012与IFA2012上,可以清晰看到两种显示技术与产品已经 ...
 纵观影音技术多年的发展潮流,每一次显示技术的革命性突破都会对影音行业,乃至整个消费电子领域带来全新的格局。今年从影响力最大的两个全球性消费电子展会CES2012与IFA2012上,可以清晰看到两种显示技术与产品已经逐渐迈向成熟,一种是4K,而另外一种就是OLED。


尤其是4K,更是来临得相当迅猛。首先是JVC在年初带来首款采用e-shift技术的4K家庭影院投影机开始进入普通家庭,接着索尼也将专业影院的4K技术移植到家用投影领域,推出全球第一款基于原生4K显示芯片的家庭影院投影机。之后,索尼、LG、夏普、三星等一众厂家分别带来了各自的4K电视新品,意味着消费电子显示领域全面进入4K显示时代。更令人惊喜的是,ITU-R国际电信联盟无线电通信部门已制定出针对下一代电视广播及视频制造规范的BT.2020标准,规定了4K与8K电视广播的一系列细节标准,为4K超高清的全面普及打下了坚实的基础。
然而,4K显示技术的国际标准具体是怎样的?4K技术是否真的适合普通家庭?目前市场上的家用4K产品究竟有哪些?它们各自的技术特点有何区别?这些都是普通消费者、影音爱好者与发烧友都十分关心的话题。而本期,我们将会为大家深入探讨当中的每一个问题,全方位接触4K。

 在电子视频显示与广播领域,一直以来都以追求更清晰的图像为目标,主要是通过提高显示分辨率来实现,从480p标清到720p高清,再由720p高清到1080p全高清,直至最近的4K与8K超高清开始进入民用领域,都可以清晰看到整个领域的发展趋势。而更高的分辨率意味着可以显示更多的画面细节与层次,显示设备的尺寸也因此需要不断变大。例如索尼最新推出的4K液晶电视的尺寸就已经达到84英寸,远远大于目前主流的50英寸1080p全高清平板电视。对于普通消费者而言,正是由于4K技术能够让我们看到更大的画面,更丰富的色彩与细节,因此也成为了目前备受瞩目的显示技术。

  4K显示标准的建立,ITU-R定义全新的“Ultra-high definition超高清”标准


在ITU-R最新颁布的BT.2020电视系统标准之中,同时将4K与8K纳入到Ultra-high definition(超高清)

  4K又称为2160p,代表着一种全新的显示分辨率的诞生。根据2012年8月ITU-R国际电信联盟无线电通信部门最新颁布的BT.2020 Ultra-high definition超高清电视系统标准来定义,4K就是指3840(水平分辨率)×2160(垂直分辨率)的显示分辨率,也可以称为Ultra-high definition(超高清),是1920×1080的四倍精度。值得留意的是,在BT.2020标准之中也将8K(7680×4320)纳入超高清。这是一种非常有趣的现象,不同于以往的标清、高清与全高清都仅仅定义单一的物理分辨率为其标准,进入到超高清领域,却是4K与8K同时发展的局面。这是由于地区性发展差异而相互妥协之下的结果。例如韩国已经在近日宣布,明年将会全面推动4K(3840×2160)超高清电视广播。而在日本则主张直接发展8K(7680×4320)电视广播技术,避免由4K过渡到8K可能出现的技术性障碍。ITU-R对于这两种不同的超高清标准,明确表示不同国家与地区可以根据自身的需求来发展,但建议从4K超高清逐渐过渡至8K系统。按照目前各大消费电子品牌所带来的家用超高清显示设备,绝大部分都还处于4K的标准,因此,现阶段仍然是以4K为主流。

  4K显示标准的诞生与8K显示技术密切相关


4K显示标准的诞生与日本NHK着力研发的8K超高清显示系统相关

  4K显示标准的建立实际上与8K显示技术有着密不可分的关系。我们对于超高清显示技术的了解,最初是从2003年日本NHK(日本放送协会)科学与技术研究实验室所带来的Super Hi-Vision系统得知的,而这套系统的核心显示技术就是采用8K(7680×4320)的超高清显示分辨率。在2005年,NHK就已经能够利用光纤网络采用DWDM密集波分复用技术将8K的电视广播信号传输至260公里之外。在2008年的国际广播电视博览会IBC 2008上,NHK电视台、RAI电视台、BSkyB电视台、索尼、三星、松下、夏普与东芝共同实现了从英国伦敦到荷兰阿姆斯特丹的全球首次公众实时超高清电视系统的演示,以展示8K超高清系统完全有可能代替目前主流的高清电视广播系统。在刚刚结束的伦敦夏季奥运会上,BBC电视台也已经在英国的部分地区实现了超高清电视广播系统的实时转播。超高清所带来的震撼影像已经获得影音爱好者与发烧友的一致好评。


日本主张直接发展8K电视广播技术(Super Hi-Vision),认为8K才是未来超高清的主流

  尽管8K显示系统的发展非常迅猛,但当时包括ITU与EBU(欧洲广播联盟)在内的有关组织都认为要在全球范围之内实现8K超高清电视广播系统的普及非常困难,毕竟世界上大部分的国家与地区还没有充足的技术沉积可以实现从全高清到8K超高清技术的跃进,于是4K超高清显示技术标准就诞生了。更加重要的一点是,4K超高清显示技术目前已经在全高清范围内的一些高端专业影院中使用,同时不少电影的制造都参照了DCI(数字电影倡导组织)相关的4K标准,因此从技术上来看,民用1080p到4K的升级要相对容易。

  ITU-R BT.2020超高清标准不仅仅是对显示分辨率的定义


ITU-R针对超高清电视系统而推出了全新的BT.2020建议规范标准

  正如ITU-R BT.709(或称Rec.709标准)规范了目前高清电视广播、高清蓝光碟片制作以及高清显示设备的一系列性能指标与参数,ITU-R BT.2020则同样规范与定义了相关的一系列性能指标与参数,而不仅仅局限于对显示分辨率的定义。换言之,视频专业调校人员在对4K或8K超高清显示设备进行调校的时候,不再按照Rec.709标准进行,而是按照BT.2020标准。


BT.2020标准对于画面特性的参数规定,最特别的地方在于定义超高清显示分辨率为3840×2160与7680×4320

  BT.2020标准规定Ultra-high definition超高清图像的显示分辨率为3840×2160与7680×4320,画面显示比例为16︰9,支持的帧扫描频率包括120p、60p、59.94p、50p、30p、29.97p、25p、24p、23.976p。当中,可以发现所有超高清标准的影像都是基于逐行扫描的,经历近百年的隔行扫描技术终于在超高清时代退出了历史舞台。


超高清影像标准只支持逐行扫描,不支持隔行扫描

  在色彩方面,BT.2020标准相对于Rec.709标准作出了大幅度的改进。首先是色深方面,由Rec.709标准的8bit提升至10bit或12bit,其中10bit针对的是4K系统,12bit则是针对8K系统。这一提升对于整个影像在色彩层次与过渡方面的增强起到了关键的作用。色深标准的变化同时导致调整画面最佳动态范围的标准也产生了变化,我们可以依照以下标准来进行。


超高清影像将使用10bit或12bit的系统

  对于10bit系统,BT.2020标准定义整段视频信号的范围在4-1019,其中64为标准黑位,940为标准峰值,所以有效的视频信号为64-940。而0-3,1020-1023则放置时钟参考信号,4-63为低于标准黑位的信号,941-1019为标准峰值以上的信号。
  而对于12bit的系统,BT.2020标准定义整段视频信号的范围在16-4079,其中256为标准黑位,3760为标准峰值,有效的视频信号范围就在256-3760。而0-15,4080-4095则放置时钟参考信号,16-255为低于标准黑位的信号,3761-4079为标准峰值以上的信号。


对于一个信号的亮度,是由0.2627R+ 0.6780G+ 0.0593B组成

  除了色深的提升之外,在色域三角形的定义方面也作出了非常大的改变,整个三角形的面积远远大于Rec.709标准的范围,也就意味着超高清系统能够显示更多的色彩。不过对于白点的定义还是维持在Rec.709的D65标准。此外,对于一个信号的亮度,是由0.2627R+0.6780G+0.0593B组成。需要注意,越大的色域三角形对于显示设备的性能要求也越高。例如,按照段的家庭影院投影机的实际情况,只有采用LED或者LED激光混合光源的机型才能达到上述的标准。BT.2020标准的出现,将会进一步推进投影光源技术的发展。



 此外,在伽玛校正方面,BT.2020标准将伽玛定义为全新的名词,称为EOTF(光电转换效能),并且指出可以利用非线性曲线来进行伽玛校正,10bit系统采用与Rec.709一样的校正曲线,而12bit系统则在人眼敏感的低光部分曲线进行了相应的更改。
  上面,我们对BT.2020标准进行了详细的剖析,可以发现超高清系统不仅仅在分辨率上进行了提高,还在刷新率、色彩深度、色彩空间、伽玛校正方面进行了全方位的调整,特别是色域三角形方面的扩展,使得画面的色彩表现远胜于高清系统,让人十分期待。

  对于DCI规定的4K数字电影制作标准,我们也需简单了解

  为什么我们要对4k电影制作标准有所了解?最为重要的原因在于,现阶段绝大部分采用原生4K显示芯片的投影机的物理分辨率都不是采用3840×2160规格,而是采用基于DCI数字电影标准的4096x2160规格,当中包括第一款原生4K的家庭影院投影机索尼的VPL-VW1000ES。这些4K投影机并非属于真正“原生”的家用机型,而当4K投影不断迈向家用领域之时,相信会有越来越多采用3840×2160消费级别规格机型的诞生。


在DCI数字电影标准之中,4K的显示分辨率规格为4096×2160

  在4K数字电影的制作之中,往往会使用到两种不同规格的显示比例,一种是2.39︰1的4096×1716,另一种是1.85︰1的3996×2160。因此,采用4096x2160规格的4K投影机就能实现这两种4K影片的放映。实际上,由于显示核心的垂直分辨率仍然为2160,尽管水平分辨率较大,也不会影响其显示4K广播标准的影像,或采用相关标准而制作的碟片播放。此外,DCI规定,4K影片的帧率为24f/s,支持10bit或12bit的色深。



  值得注意的是,我们在调校4K家庭影院投影机的时候,必须根据所观看的4K节目源进行调整。如果观看的是采用BT.2020广播系统标准而制作的信号源就需要以BT.2020的标准进行画面校正,而如果是基于DCI数字电影院标准创作的节目源,就需要以DCI的标准进行调整。但是,DCI标准的节目源往往只会出现在数字电影院之中,因此,在通常情况下,我们都是采用BT.2020标准进行调校。

  总结:前4K超高清显示系统在技术方面已经基本完善,包括4K节目源的制作、4K显示相关标准的制定、4K信号的传输等方面,而且8K也与4K同样,纳入了ITU-R的BT.2020国际标准之下,并在日本等国家中取得了可喜的研究与发展成果。这就意味着4K技术之后,紧跟着的将是8K超高清显示时代的到来。


 前文已经从技术的角度分析了4K显示技术的实质不仅仅是显示分辨率的提升,其实在色彩、灰阶过渡、传输方面都与现在的全高清或高清系统都有了较大的区别,也就意味着用户若然要更换4K的平板电视与家庭影院投影机,要最大程度地发挥它们的优势,则必须全面升级整套影音系统,从信号源、AV放大器到传输线材,并且依照全新的BT.2020超高清标准对机器进行细致的调整。这将要付出不少的代价。于是,众多影音爱好者与发烧友就会思考这样一个问题:“究竟4K显示是否真的适合普通家庭?”下面,我们将分析4K超高清显示系统相比目前主流的1080p全高清显示系统的优势所在。

  4K显示系统的优势之一:
  显示分辨率的提升,使得画面更加精细


4K显示最大的优势在于显示分辨率的提升,画面更加精细,相同尺寸的显示面积能够允许用户在更近的距离观看

  毫无疑问,只要看过4K平板电视与家庭影院投影机的朋友都会发现画面的精细度远胜1080p全高清的机型。正如在今年的CIT大展之上,索尼的展房演示了采用4096x2160物理分辨率的SXRD显示芯片家庭影院投影机VPL-VW1000ES,并且在信号源方面也同样采用了原生4K的超高清电影片段,其异常精细的画面震撼了每一个到场的观众,均表示这是整个CIT展会上最佳的画面效果。
  影响画面的精细度有两个重要关键因素,一个是画面的像素,另一个是画面的垂直分辨率。画面的像素越高,在相同尺寸的画面上的像素就越精细,晶格就越小。而因为人眼对于影像的垂直分辨率相当敏感,越高的垂直分辨率,人眼就能辨识越多的细节与层次。
  全高清的画面像素大约为2百万,垂直分辨率为1080。而4K的画面像素达到了全高清的4倍,约为8百万,垂直分辨率达到2160,也就是1080的两倍。因此,从数据上来看,4K的画面精度确实在1080p全高清画面之上。

  4K显示系统的优势之二:
  色彩层次与细节的增强,使得画面更接近真实生活
  从标清到高清显示系统的转变,实际上主要是分辨率方面的升级,在色彩方面并没有太过明显的提升。不过进入到4K超高清的时代,画面方面的变化除了分辨率出现飞跃之外,色彩方面的变化是相当引人注目的。这一部分都体现在ITU-R最新颁布的BT.2020超高清广播标准之中。


这是BT.2020色域与Rec.709色域的对比,面积要大许多,表明4K显示系统能比高清系统带来更丰富的色彩

  在前面我们已经详细分析了BT.2020标准中的一系列细节,还列出了该标准下RGB色彩空间的相关参数。根据这些参数我们可以在CIE1931色度表上描绘出相对应的色域三角形,发现它的面积不仅比Rec.709高清标准的色域三角形要大,甚至比DCI数字电影院下的色域三角形还要大。这里需要解释一下,CIE1931色度表上的半椭圆区域为人眼可见的区域,而在该区域下的三角形范围则表示显示设备能够显示的可见光数量。4K超高清显示系统能够带来更大的色域三角形,表示该系统能够显示更加丰富的色彩数量。


目前最新的投影机已经开始使用LED与激光等新型固态光源,让色域的表现更加出色

  可能不少影音爱好者会觉得好奇,为什么当初设定Rec.709高清标准的时候不将色域三角形设置得更大?这主要是受制于当时高清拍摄与显示设备本身就不能实现太大的色域表现,尤其在显示设备方面。而如今,随着LED、OLED、激光光源的不断发展与成熟,新一代的平板电视与家庭影院投影机在物理性能上已经具备足够广阔的色域三角形。如果我们按照Rec.709高清标准进行画面色域的校正,多数情况下是需要压缩显示设备的原生色域的。这样做会减低投影机输出亮度的表现,因为压缩得最多的部分是亮度最高的绿色。BT.2020标准的出现,使得投影机的原生色域得以充分发挥,使得色彩更加丰富,画面的能量感就更加充足。

  4K显示系统的优势之三:
  4K视频系统处理的是10位,甚至是12位编码的视频信号

  现阶段高清或全高清系统采用的是8位的视频系统,而4K超高清则采用10位甚至12位的视频系统。因此,无论是灰阶层次过渡还是色深的层次表现,都比高清系统有较大的提升。但是需要注意一点,由于要处理10位以上的视频信号,现阶段高清系统下的8位系统的信号源设备将不能满足要求。同时在画面调校过程中,要留意10位系统的标准黑位与标准峰值的取值也不同于8位系统,不能够采用以往的测试图案进行测试。视频调校技术人员与影音爱好者必须注意这个问题,例如10位编码的视频信号有效范围在64-940,12位编码的视频信号有效范围在256-3760,而非8位的16-235。
  此外,由于整个系统都要从8位升级至10位或12位,意味着所有相关联的设备都需要升级,存在一定的难度,对于4K显示系统的全面普及会有所影响。

  4K显示系统的优势之四:
  4K显示设备增强了被动式3D眼镜的画面表现

  3D显示是近几年非常热门的话题。短短的几年时间,几乎所有最新推出的平板电视与家庭影院投影机都内置了3D显示功能。而主流的3D技术有两种,一种是主动式快门3D眼镜技术,另外一种是被动式3D眼镜技术。以目前的市场发展状况来看,主动式快门3D眼镜技术占据了绝大多数的市场份额,主要的原因在于主动式3D技术能够实现左右眼均达到全高清的分辨率,而被动式3D技术在理论上却不能实现。但是被动式3D眼镜技术具备画面不闪烁、不会出现左右眼串扰问题、眼镜配戴舒适性高的优势,也同样受到了众多影音爱好者的青睐。
  非常有趣的是,最先在市场上出现的索尼与LG的4K液晶电视,同时都采用了被动式偏振3D眼镜技术。而4K显示的能力,使得它们能够以被动式3D技术显示左右眼同时都是全高清分辨率的立体形象,画面的精细度媲美主动式快门3D技术,而画面失真更低,动态影像过渡更加流畅与自然。

  以上为4K显示系统的四点主要优势,体现出4K显示系统将来必将会取代目前主流的1080p全高清系统而成为主流。但是作为全新的事物,往往会令人们产生许多疑问。


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