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精品超高清晰度电视系统现场互动节目制作和交换参数值标准解读

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本文由《广播与电视技术》杂志独家授权。本文刊发于2018年第1期。

作者:孙岩1,王惠明1,汪芮1,马悦2(国家广播电影电视总局广播电视规划院)1(中央电视台)2

【摘 要】

本文对GY/T 307-2017《超高清晰度电视系统节目制作和交换参数值》标准进行解读,阐述分析标准的主要技术内容和相关的技术问题,便于标准的理解和使用。

0 引言

超高清电视(UHDTV)是广播电视重要的发展方向,日本、韩国、英国、法国、美国等国家陆续制定了超高清电视UHDTV的广播计划并开展试验播出。国家新闻出版广电总局在2016年发布了《十三五广播影视科技发展规划》,明确提出发展4K超高清电视,央视、上海、江苏、湖南、广东等国内电视机构也开展了4K电视的节目制作和传输试验,中国电信、中国联通在IPTV 中推出了4K 电视点播节目,广东广播电视台于2017年底开播4K超高清电视试验频道。为引导超高清广播电视系统的建设及应用,规范超高清电视节目的制作及交换,促进超高清电视产业的健康有序发展,急需建立和完善超高清电视标准体系,此次发布实施的GY/T 307-2017《超高清晰度电视系统节目制作和交换参数值》便是其中重要的、基础性的系统参数标准。该标准根据总局科技司的安排,由中央电视台、国家新闻出版广电总局广播电视规划院、中国电影电视技术学会起草完成。本文将对这项新制定的标准进行解读。

1 标准概述

GY/T 307-2017《超高清晰度电视系统节目制作和交换参数值》是我国超高清广播电视系统的基础标准,它规定了超高清晰度电视系统节目制作和交换中所涉及的基本参数值,适用于超高清晰度电视节目制作及节目交换,也同时适用于超高清晰度电视系统及设备的设计、生产、验收、运行和维护。

标准修改采用ITU-R BT.2020-2《超高清晰度电视系统节目制作和国际间节目交换用参数值》(Parameter values for ultra-high definition television systems for production and international programme exchange),同时参考了ITU-R BT.1886《 高清晰度电视演播室节目制作用平板显示设备的参考电光转换函数》(Reference electro-optical transfer function for flat panel displays used in HDTV studio production)、ITU-R BT.2035《高清晰度电视节目素材或成品节目评价的参考观看环境》(A reference viewing environment for evaluation of HDTV program material or completed programmes)、ITU-R REP BT.2246-6《 超高清晰度电视当前的状态》(The present state of ultra-high definition television)。

2 标准解读

2.1 标准整体介绍

《超高清晰度电视系统节目制作和交换参数值》(以下简称本标准)共三章,前二章遵循标准的通用格式。第一章是标准范围,概括给出了标准内容和适用范围。第二章列出了标准的规范性引用文件。标准的核心技术内容由第三章给出。

第三章分五节,第一节给出了超高清晰度电视系统的图像空间特性;第二节给出了超高清晰度电视系统的图像时间特性;第三节给出了超高清晰度电视系统的系统光电转换特性及彩色体系;第四节给出了超高清晰度电视系统的信号格式;第五节给出了超高清晰度电视系统的数字参数。

2.2 图像空间特性

图像空间特性(表1)定义了超高清电视图像的幅型比、有效像素数(水平× 垂直)、取样结构、像素宽高比和像素排列顺序5个参数,同ITU-R BT.2020-2 标准一致。

其中,图像的有效像素数(通常也称图像分辨率)是超高清电视系统最具代表性的参数。本标准规定的图像分辨率包括3840×2160和7680×4320 两种。人们通常把前者称为4K UHDTV,后者称为8K UHDTV,标准用UHDTV来标明电视系统,以区别于电影使用的4096×2160(4K)和8192×4320(8K)。ITU有实验表明,在1.5倍观看距离的条件下,与高清相比,8K UHDTV和4K UHDTV系统能够提供更好的临场感和真实感,且8K表现最好。考虑到空间的限制,适合摆放在普通家庭客厅的超高清电视机尺寸一般不超过100英寸,这种情况下,4K UHDTV分辨率是比较合理的。如果是小礼堂、小剧院、家庭影院或其他公共场所,则适合采用8K UHDTV分辨率。

16 :9 的幅型比、正交的取样结构、方形像素、像素排列顺序与我国的高清电视标准保持一致。

2.3 图像时间特性

图像时间特性(表2)定义了超高清电视的帧率和扫描模式两个参数。

图像帧率是影响图像质量的重要因素之一,低帧率可能导致电视画面全屏或大面积闪烁,并且可能出现画面跳跃感。

根据Granit-Harper定律,大的显示屏会使非平滑运动和闪烁更可见。此外,在一定的视场角下,随着显示亮度的提高,临界闪烁频率随之提升。因此,在视频压缩编码效率逐渐提升的前提下,为了增强观众的收视体验,适当提高视频帧率是必要的。ITU的研究报告明确指出,30Hz及以下的帧率只适用于一些特殊类型的视频。

在具体帧率的选择上,还要考虑与我国供电系统频率、高标清视频帧率等,以减少灯光照明对视频拍摄的干扰,降低UHDTV与高标清视频相互变换的复杂度。

基于以上考虑,GY/T 307-2017 删除了ITU-R BT.2020-2 中的120/1.001Hz、60Hz、60/1.001Hz、30Hz、30/1.001Hz、25Hz、24Hz和24/1.001Hz帧率,最终采用的帧率为120Hz、100Hz和50Hz,其中的120Hz帧率是为适配超高质量的视频应用保留的上限帧率。

在扫描模式上,与国际标准一致,只有逐行扫描一种模式,避免了隔行扫描的垂直清晰度低、行间闪烁和锯齿等问题,也与当前主流的成像器件、显示器件的机理相适应。

2.4 系统光电转换特性及彩色体系

系统光电转换特性及彩色体系(表3)主要定义了超高清电视系统非线性预校正前的光电转换特性以及系统的RGB三基色色坐标和基准白色坐标,相关参数值与ITU-R BT.2020-2标准一致。其中,RGB三基色色坐标可以理解为常说的色域,该色域明显大于传统的高清色域,如图1所示。因此,符合本标准的超高清电视系统将可为观众提供更鲜艳、层次更多、更真实的色彩。

不可否认,自然界中的大多数色彩还处在高清色域内,触及UHDTV色域边缘的还比较少;当前大多数显示器件实际的物理色域范围还无法达到该标准。但随着激光投影、量子点等显示设备的推出,本标准所规定的色域是可实现的。

2.5 信号格式

信号格式(表4)部分主要规定了恒定亮度和非恒定亮度的色彩矩阵和非线性转换函数以及相关信号的计算公式。

在信号表达形式方面,本标准规定了R′ G′B′、Y′C C′BC C′RC 和Y′ C′B C′R三种。其中,与传统标清和高清信号格式不同的是Y′C C′BC C′RC,它是恒定亮度格式,在实际应用中,当需要精确保留亮度信息或预计传输编码效率会提升时,可以采用该格式,现阶段的UHDTV设备和系统较少采用该格式。

在非线性转换函数方面,本标准规定的是传统的SDR转换函数,与HDTV曲线基本一致,有关HDR转换函数将在HDR系列标准中规定。

2.6 数字参数

数字参数(表5)部分规定了编码信号分量格式、取样结构、编码比特深度、亮度信号及色差信号的量化表达、量化电平及使用分配等,参数值与ITU-R BT.2020-2标准一致。

与信号格式部分相对应,编码信号的数字参数也按R′G′B′、Y′C C′BC C′RC 和Y′ C′B C′R三种方式进行表述。

取样结构为正交,取样位置逐行逐帧重复。与高清视频参数标准相比,除了4 :4 :4 和4 :2 :2 外,本标准增加了4 :2 :0取样结构,水平和垂直取样数量均为Y′(Y′C)分量的一半,可降低有效视频数据量。

比特深度采用10比特或12比特,与高清相比,取消了8比特选项,增加了12比特。12比特的引入,使得UHDTV数据传输接口、文件存储等更加复杂。

亮度信号及色差信号的量化表达式与采用常规色域的高清视频标准一致,因此对于10比特编码,UHDTV和HDTV的黑电平值、消色电平值、标称峰值电平值、视频数据电平值可用范围、同步基准电平值可用范围是一致的;对于12比特编码,黑电平值、消色电平值、标称峰值电平值是10比特编码的4倍,视频数据电平值可用范围为16-4079,同步基准电平值可用范围为0-15和4080-4095。

3 总结和展望

《超高清晰度电视系统节目制作和交换参数值》标准是广电行业首个超高清电视(UHDTV)标准,给出了标准动态范围UHDTV的系统定义,为超高清电视产品和系统的规划设计、节目制作和交换提供了重要依据,为后续系列超高清电视标准的制定奠定了基础,对规范和加快超高清电视产业的发展具有重要意义。

标准提出的高分辨率、逐行扫描、高帧率、大色域、高量化比特数等技术特征使UHDTV更具吸引力,以此为基础再推出HDR系列标准,可以预见,UHDTV将会极大提升用户体验。

需要注意的是,相比于高清,分辨率、帧率、量化比特数的提高,使得UHDTV的视频数据量数倍增加,对信号传递、压缩编码、内容存储、传输分发等电视环节带来更大的压力,需要做好针对性的规划设计。

参考文献

[1] ITU-R BT.1886. 高清晰度电视演播室节目制作用平板显示设备的参考电光转换函数[S].

[2] ITU-R BT.2035. 高清晰度电视节目素材或成品节目评价的参考观看环境[S].

[3] REPORT ITU-R BT.2246-6.The present state of ultra-high definition television[S].

作者简介
孙岩,男,1977年出生,硕士,广播电视规划院中心所高级工程师,主要从事广播电视中心领域标准、检测、科研及相关工作。

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