原创 专门针对4K与8K显示技术的国际标准ITU-R BT.2020

分析4K显示技术的诞生与标准的建立：专门针对4K与8K显示技术的国际标准ITU-R BT.2020

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。

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

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。

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。

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。