4K超高清和高清电视同播系统的下变换技术探讨_王伟.pdf

电视技术 第 47 卷第 1 期(总第 566 期)221DIGITAL VIDEO 数字视频文献引用格式：王伟.4K 超高清和高清电视同播系统的下变换技术探讨 J.电视技术，2023，47（1）：221-224，228.WANG W.Discussion on the down-conversion technology of 4K UHD and HD TV co-broadcast systemJ.Video Engineering，2023，47（1）：221-224，228.中图分类号：TN931.2 文献标识码：A DOI：10.16280/j.videoe.2023.01.0564K 超高清和高清电视同播系统的下变换技术探讨王 伟（天津海河传媒中心，天津 300221）摘要：当前，我国超高清电视技术发展迅猛，国内多家电视台正在大力推进 4K 超高清制播体系的建设，因此面临着 4K 超高清与高清电视信号同播的问题。基于此，介绍 4K 超高清和高清电视同播系统，分析信号下变换技术的难点，提出相应的解决方案，并对下变换器进行实测，为电视台应用下变换技术提供参考。关键词：4K 超高清；高动态范围；BT.2020；下变换器Discussion on the Down-Conversion Technology of 4K UHD and HD TV Co-Broadcast SystemWANG Wei(Tianjin Haihe Media Center,Tianjin 300221,China)Abstract:At present,Chinas ultra-high-definition television technology is developing rapidly,and many domestic television stations are vigorously promoting the construction of 4K ultra-high-definition production and broadcasting system,so they are facing the problem of simultaneous broadcasting of 4K ultra-high-definition and high-definition television signals.Based on this,this paper introduces 4K UHD and HD TV co-broadcast system,analyzes the difficulties of signal down-conversion technology,puts forward corresponding solutions,and conducts actual measurement of down-conversion,providing reference for TV stations to apply down-conversion technology.Keywords:4K ultra-high definition;high dynamic range;BT.2020;down converter0 引 言目前，我国广播电视技术发展日新月异，超高清电视正快步走来，国内多家电视台正在大力推进4K 超高清制播体系的建设。然而，由于我国绝大多数电视观众的电视机和机顶盒还是高清制式的，因此在今后相当长的一段时期内，超高清和高清电视频道将会共存。2022 年，广播电视行业被纳入“特困”行业名单。各家电视台为了节约资金，对于同一套电视节目，基本上不会建设两套播出系统：一套用于 4K 超高清信号对外播出，另一套用于高清信号对外播出。因此，现在各电视台在建设 4K 超高清电视频道时，仍要兼顾高清信号的播出，也就是要建设 4K 超高清和高清电视同播系统。1 4K 超高清和高清同播系统4K 超高清节目画面明暗细节更加丰富，明亮处效果鲜亮，黑暗处能够保留更多细节，体现出高动态范围（High Dynamic Range，HDR）画面的高动态范围优点，同时，下变换后的高清信号要符合高清电视节目播出技术质量的要求。现在，4K 超高清转播车、4K 超高清演播室、4K 超高清制作网越来越多，超高清电视剧、电影等节目资源越来越丰富，因此，超高清和高清同播系统在设计时应依据“就高”原则，即整个播出流程均采用 4K 超高清信号，包括外来线路信号、文件化推送播出、台标叠加以及图文字幕包装等。另外，在建设 4K 超高清和高清电视同播系统时，整个系统所有设备都应该采 作者简介：王 伟（1975），男，硕士，高级工程师，研究方向为广播电视安全播出。222电视技术 第 47 卷第 1 期(总第 566 期)DIGITAL VIDEO 数字视频用 4K 超高清设备，这样可以避免反复进行节目素材的上、下变换，因为每变换一次就会对原图像质量造成一次损失1。无论是采用 12G-SDI 传统基带信号的播出系统，还是基于 SMPTE ST2110 的 IP 播出系统，4K超高清和高清同播系统结构大致如图 1 所示。第二备视频服务器主键控器总控外来信号系统公共信号系统公共信号主视频服务器主视频服务器备视频服务器备视频服务器总控外来信号4K 超高清总输出主4K 超高清总输出备主下变换器备下变换器高清总输出备高清总输出主备键控器第二备视频服务器 循环垫片 循环垫片 备通路 备通路 主通路 主通路台标主矩阵主4选一备4选一备矩阵台标字幕字幕时钟时钟视分视分图 1 4K 超高清和高清同播系统结构简图信号源部分包括主备视频服务器信号、系统公共信号、总控调度矩阵信号以及异构的第二备通路信号等。信号源尽可能使用 4K 超高清信号，如果转播外台的节目，只有高清线路信号，则需要使用上变换器把外来信号转变为 4K 超高清信号，然后进入矩阵开关。多个 4K 超高清频道同时用高清信号直播的可能性很低，为了避免上变换器的浪费，可用总控调度矩阵环接两台上变换器，供多个频道共用2。总控调度矩阵接收到需在 4K 超高清频道播出的高清外来信号后，把信号切换到上变换器。上变换器输出符合标准的 4K 超高清信号，环接送回总控调度矩阵。最后，总控调度矩阵把上变换后的 4K超高清外来信号送 4K 超高清分控播出。通过键控器叠加上台标、字幕、时钟信号。主通路、备通路、异构的第二备视频服务器、循环垫片信号进入末级4 选一切换开关，之后进入视频分配放大器，其中一路输出 4K 超高清信号对外播出，视分输出的另一路经过下变换器，对外输出高清信号。这样，通过一套播出系统，实现同时播出 4K 超高清和高清两套电视节目，在保证 4K 超高清图像质量指标满足要求的同时，也确保转换后的高清信号图像质量足够好3。这样的系统结构简单，安全性高，人员和设备成本显著降低，同时也最大限度地减少反复上变换和下变换带来的画面亮度过低或过高、色彩失真等问题，信号质量最好。2 4K 超高清电视信号下变换为高清电视信号技术难点实际上，建设 4K 超高清和高清电视同播系统，用同一套播出设备，既要保证 4K 超高清电视节目的技术指标，又要确保高清节目的技术质量，这样做难度非常大，甚至远远超过了高清和标清电视节目同播的要求。与高清信号相比，4K 超高清电视信号除了 16 9 的宽高比没有改变，在量化深度、色域范围、扫描方式、帧率和亮度显示方面都不一样，因此要实现相互兼容，问题更加复杂。4K 超高清电视信号和高清电视信号的主要技术参数比较如表 1 所示。4K 超高清和高清电视同播系统的技术难点在于，4K 超高清（4K HDR）电视相对于高清（HD SDR）电视，分辨率提高了整整 4 倍，亮度指标更是增强了 10 倍，色彩丰富度也增加了 1.5 倍。HDR建立了一个比标准动态范围（Standard Dynamic Range，SDR）更大的色彩、亮度坐标体系并改变系统的传输函数，以再现更大的色域和更高的亮度动态范围，如图2所示。图2中，空间是色域和亮度（伽玛）构成的立方体，小立方体是传统高清 SDR 电视空间（100 nit、电视伽玛），小立方体底面积是传统的高清 SDR 电视 BT.709 的色域；大立方体是超高 电视技术 第 47 卷第 1 期(总第 566 期)223DIGITAL VIDEO 数字视频清 HDR 电视空间（10 000nit、对数伽玛），大立方体底面积是超高清 HDR 电视 BT.2020 色域。该图直观地描述出超高清 HDR、高清 SDR 彩色、亮度和对比度的区别。表 1 4K 超高清和高清电视信号主要技术参数比较序号项目4K 超高清电视高清电视1分辨率3 8402 1601 9201 0802像素宽高比方形像素方形像素3画幅宽高比16 916 94取样结构4 4 44 2 24 2 04 4 44 2 24 2 05量化10/12 bit8/10 bit6色域ITU-R BT.2020ITU-R BT.7097基准白D65D658伽玛0.450.459扫描模式逐行扫描隔行扫描10帧率50 fs-125 fs-111非线性转换曲线HLGGamma2.410 000 1 000 100 10 10.80.60.40.20.00.00.2xy0.40.60.8空间HDR 伽玛Rec.2020 色域Rec.709 伽玛Rec.709 色域图 2 4K 超高清和高清电视的亮度、色域比较建设 4K 超高清和高清同播系统时，通过下变换器实现 4K HDR 到 HD SDR 信号的转换，这一过程会涉及动态范围 HDR 和 SDR、色域 BT.2020 和BT.709 之间的映射关系。HDR 建立了一个比 SDR更大的亮度和色度坐标体系，并改变了系统的传输函数，用以再现更高亮度动态范围和更大色域。因此，HDR 和 SDR 的 OETF（光电转换特性）和 EOTF（电光转换特性）有很大的不同。国家广播电视总局规定了 HLG 伽玛曲线，色域也从 Rec.709 扩展到了Rec.2020。Rec.2020 的色域，大约是 Rec.709 色域面积的两倍，所以对于 4K 超高清 HDR 的图像，色彩超出 SDR 范围的那部分，SDR 的显示器无法正确还原。3 4K 超高清电视信号下变换为高清电视信号过程4K 超高清信号下变换到高清信号，第一步是要完成分辨率和帧率的变换。分辨率从 3 8402 160下变换到 1 9201 080，帧率从 50 场逐行扫描下变换到 50 场隔行扫描。这一过程相对简单，目前已经能够通过软件实现并迭代了多代算法，并获得了良好的主观评测。难度最大的是要完成 HDR 到 SDR 的变换，包括电平、伽玛、色域的映射。色域从 BT.2020 下变换到 BT.709，量化深度从 10 bit 下变换到 8 bit，亮度范围从 HDR（HLG）下变换到 SDR。这一过程简单来说就是利用算法对 4K 超高清电视画面进行分析，自动计算出动态元数据，并依据该元数据进行亮度映射算法生成观看舒适的 SDR 信号输出。为了保证 4K 超高清播出信号经过下变换器后输出的高清信号符合国家广播电视总局在清晰度、动态范围、色域等性能指标方面的相关规定，要对下变换器的相关参数设置进行测试、调整。下变换最重要的是亮度转换曲线的问题。HDR 能够呈现 100 000 1 的动态范围，为了用 10 bit 或者 12 bit的数据来表示 100 000 个灰度级，HDR 采用非线性曲线转换图像的高亮度部分，来获得更好的图像显示效果，其中 HLG 曲线应用最为广泛4。HLG 以 1 000 nit 作为峰值亮度的基准，定义了一个相对的亮度转换曲线。因此，下变换器的工作参数和显示参数设置要审慎，需合理处理灰度层次、色彩、峰值亮度与动态范围的关系，减小灰度层次和色彩的损失。4 下变换器的实现实现 4K 超高清电视信号下变换为高清