一種8K超高清電視系統(tǒng)設(shè)計方案　

作者 / 徐遙令 深圳創(chuàng)維-RGB電子有限公司(廣東 深圳 518108)

摘要：提出一種8 K超高清電視系統(tǒng)設(shè)計方案，詳細(xì)闡述了系統(tǒng)原理、關(guān)鍵技術(shù)及產(chǎn)品方案。系統(tǒng)將8K視頻幀分割為4個4 K視頻幀進(jìn)行處理及驅(qū)動8K屏、顯示為1個8 K×4 K合成視頻圖像，實現(xiàn)8 K視頻圖像精確顯示;能夠進(jìn)行4 K轉(zhuǎn)8 K，實現(xiàn)8 K超級分辨率提升。該方案能夠快速應(yīng)用于8 K超高清電視等顯示產(chǎn)品，具有很好的應(yīng)用價值。

*基金項目：深圳市技術(shù)攻關(guān)項目——8 K超高清顯示關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)(編號：JSGG20170412160225468)

　　徐遙令(1980-)，碩士，高級工程師，深圳市高層次人才、深圳市技術(shù)專家?guī)斐蓡T，研究方向：電視的研究和開發(fā)。

0 引言

　　2011年4 K超高清電視產(chǎn)品進(jìn)入消費者視野，2013年開始步入消費市場并發(fā)展迅猛，當(dāng)年國內(nèi)銷量超過百萬臺，目前已成為電視市場的主導(dǎo)產(chǎn)品、全球年銷量超過5000萬臺。隨著4 K超高清電視的普及，8 K超高清電視開始受到關(guān)注，國內(nèi)外相關(guān)機(jī)構(gòu)和企業(yè)已開始展開布局。早在2007年國際標(biāo)準(zhǔn)化組織SMPTE發(fā)布了SMPTE 2036標(biāo)準(zhǔn)，規(guī)范了4 K(3840×2160)、8 K(7680×4320)兩種超高清電視格式^[1];ITU-R 6C工作組于2013年4月正式發(fā)布高效視頻編碼(High Efficiency Video Coding，即HEVC)標(biāo)準(zhǔn)，即H.265^[2]，2014年6月具有自主知識產(chǎn)權(quán)的新一代音視頻編碼標(biāo)準(zhǔn)AVS2(Audio Video coding Standard Ⅱ)制定完成^[3]，2017年1月頒布實施，支持8 K視頻編碼傳輸;海思、MSTAR等芯片廠商已開始介入8 K電視芯片的研究開發(fā)，LGD、群創(chuàng)、BOE等面板廠商開始投資布局8 K面板;而在2015年至2018年美國CES展上，三星、夏普、京東方等國內(nèi)外企業(yè)展示了8 K超高清電視樣機(jī)。8 K將是超高清電視升級的必然方向，8 K超高清電視已開始悄然起步，加緊8 K超高清技術(shù)研發(fā)和開展應(yīng)用推廣尤其重要。

　　本文提出一種8 K超高清電視系統(tǒng)設(shè)計方案，詳細(xì)闡述了8 K超高清電視的系統(tǒng)原理、8 K信號處理及精確顯示和8 K超級分辨率圖像提升等關(guān)鍵技術(shù)及產(chǎn)品方案。系統(tǒng)將8 K視頻幀分割為4個4 K視頻幀進(jìn)行處理及驅(qū)動8 K屏，顯示為1個8 K×4 K合成視頻圖像，實現(xiàn)8 K視頻圖像精確顯示;以及能夠進(jìn)行4 K視頻轉(zhuǎn)為8 K視頻，實現(xiàn)8 K超級分辨率提升。該方案將能夠快速應(yīng)用于8 K超高清電視等顯示產(chǎn)品，具有很好的應(yīng)用價值。

1 系統(tǒng)原理

　　8 K超高清電視系統(tǒng)如圖1所示，由TV SoC模塊、8 K超級分辨率提升(即4 K轉(zhuǎn)8 K)模塊、8 K碼流解碼及處理模塊、8 K MEMC(即8 K運動估算補(bǔ)償)及格式轉(zhuǎn)換模塊、8 K屏組成。

　　TV SoC模塊接收USB3.X、HDMI2.X等接口的輸入信號，包括2 K信號、4 K信號和8 K信號;對4 K信號直接解碼輸出4 K視頻，對2 K信號進(jìn)行解碼、2 K轉(zhuǎn)4 K處理后，輸出4 K視頻，對8 K信號不進(jìn)行解碼和圖像處理，直接輸出8 K碼流。8 K超級分辨率提升(即4 K轉(zhuǎn)8 K)模塊，對輸入的4 K視頻幀進(jìn)行像素插值轉(zhuǎn)換處理，將4 K視頻轉(zhuǎn)換成8 K視頻幀、輸出8 K視頻。8 K碼流解碼及處理模塊接收8 K碼流后，進(jìn)行解碼等處理、輸出8 K視頻。8 K MEMC及格式轉(zhuǎn)換接收到8 K視頻后，對視頻信號進(jìn)行格式轉(zhuǎn)換及MEMC(運動估算和運動補(bǔ)償)和倍頻插幀處理，輸出8 K@120 Hz VBO的信號驅(qū)動8 K屏。8 K屏接收到VBO信號后，驅(qū)動像素點發(fā)光，實現(xiàn)8 K圖像顯示。

2 關(guān)鍵技術(shù)原理

　　8 K電視系統(tǒng)的核心關(guān)鍵技術(shù)是8 K信號處理及精確顯示和8 K超級分辨率圖像提升技術(shù)。

　　1)8 K信號處理及精確顯示

　　由于TV SoC芯片和屏驅(qū)動芯片的帶寬和處理能力限制，無法直接解碼8 K碼流和驅(qū)動8 K屏來顯示，需采用專門的模塊或技術(shù)來進(jìn)行8 K信號處理，從而實現(xiàn)8 K視頻圖像的精確顯示。

　　8 K信號處理及精確顯示技術(shù)原理如圖2所示。TV SoC首先識別8 K信號格式、對其進(jìn)行解析預(yù)處理，輸出PCI格式的8 K TS碼流;然后利用8 K解碼芯片對8 K TS碼流進(jìn)行直接解碼，輸出8 K視頻幀，即8 K*4 K@60 Hz視頻;進(jìn)一步對8 K視頻幀進(jìn)行分解，將其分割成4個4 K視頻幀、即4個8 K*4 K@60 Hz視頻，通過4個4 K通道輸出給后端處理;后端分別對4個視頻幀進(jìn)行色域轉(zhuǎn)換、GAMMA校正、畫質(zhì)增強(qiáng)等處理，進(jìn)行MEMC和倍頻插幀處理;以及進(jìn)行視頻幀合成，將4個視頻幀同步來驅(qū)動8 K屏來，在8 K屏上顯示為1個8 K×4 K分辨率的合成視頻圖像;通過上述技術(shù)來進(jìn)行8 K超高清信號的無損傳輸、解碼等處理，實現(xiàn)8 K視頻信號的精確顯示。

　　2)8 K超級分辨率圖像提升技術(shù)

　　目前超高清內(nèi)容主要為4 K、8 K內(nèi)容，需要進(jìn)行4 K轉(zhuǎn)8 K，使得4 K內(nèi)容在8 K電視上顯示時清晰度有較好的提升，實現(xiàn)8 K超級分辨率圖像提升與顯示增強(qiáng)。

　　8 K超級分辨率圖像提升技術(shù)原理如圖3所示。首先對4 K視頻進(jìn)行降噪處理，然后基于對單幀圖像自相似性、局部紋理信息的實時分析，對4 K視頻圖像進(jìn)行實時圖像對象檢測和運動追蹤估算，并在水平和垂直對角方向進(jìn)行像素插值，合理估算出每個像素點周圍四個像素點值，將4 K視頻圖像轉(zhuǎn)換成8 K視頻圖像，進(jìn)一步進(jìn)行圖像細(xì)節(jié)和邊沿增強(qiáng)處理，大幅提升圖像清晰度，使播放4 K視頻時基本達(dá)到8 K視頻的顯示效果。

　　3)8 K MEMC及FRC(幀頻提升)技術(shù)

　　采用運動估算和運動補(bǔ)償進(jìn)行智能插幀，將8 K×4 K@24/25/30 Hz信號轉(zhuǎn)換成8 K×4 K@50/60 Hz、或?qū)? K×4 K@50/60 Hz信號轉(zhuǎn)換成8 K×4 K@100/120 Hz，實現(xiàn)運動畫面流暢、平穩(wěn)播放。運動估算通過檢測運動圖象在時域的變化幅度，精確算出圖像中運動單元的運動方向和速度，估算出內(nèi)插數(shù)據(jù);在某些場景下運動檢測得到的運動方向和速度并不能真正反映圖像運動變化后的實際矢量數(shù)據(jù)、導(dǎo)致內(nèi)插數(shù)據(jù)失真，因此在運動估算的基礎(chǔ)上針對特定場景采用運動補(bǔ)償來避免顯示圖像失真。

　　由于芯片處理帶寬等資源限制，方案將8 K視頻幀分解為4個4 K視頻幀來單獨進(jìn)行MEMC及FRC處理，對處理后的4個4 K視頻幀進(jìn)行同步校準(zhǔn)后驅(qū)動8 K屏來呈現(xiàn)為合成的8 K視頻圖像。

3 產(chǎn)品方案

　　8 K超高清電視產(chǎn)品方案如圖4所示。

　　TV SoC通過USB3.0輸入接口讀取8 K信號后，將其轉(zhuǎn)換成PCI格式的8 K視頻碼流，通過PCI接口輸出給8 K解碼芯片。8 K解碼芯片(DECODE CHIP)利用強(qiáng)大的CPU、GPU及軟件算法，解碼出8 K視頻;對視頻進(jìn)行分割等處理，將8 K@60 Hz視頻分割成4路4 K@60 Hz視頻，并轉(zhuǎn)換成4路HDMI2.0格式的視頻信號輸出。4路HDMI2.0格式的4 K@60 Hz視頻信號分別輸入給4顆HV2芯片，每1顆HV2芯片將HDMI2.0格式的4 K@60 Hz轉(zhuǎn)換成8-lane VBO信號;然后利用FRC芯片對每1路8-lane VBO信號進(jìn)行MEMC處理及倍頻插幀處理，輸出4路4 K@120 Hz 16-lane VBO信號。最后每1路4 K@120 Hz 16-lane VBO視頻信號驅(qū)動8 K 120 Hz電視面板對應(yīng)的一個區(qū)域，4路4 K@120 Hz 16-lane VBO視頻信號驅(qū)動8 K 120 Hz電視面板的四個區(qū)域，實現(xiàn)8 K視頻圖像顯示。

　　TV SoC通過輸入接口接收4 K視頻時，直接進(jìn)行解碼等處理(如果接收4 K以下分辨率視頻，還需將其轉(zhuǎn)換為4 K視頻)，輸出4 K@60 Hz 8-lane VBO信號給超級分辨率轉(zhuǎn)換芯片(UPCONV CHIP)。超級分辨率轉(zhuǎn)換芯片對4 K視頻幀進(jìn)行像素插值、像素填充處理后，轉(zhuǎn)換成8 K視頻幀;然后進(jìn)行視頻分割等處理，輸出4路HDMI2.0格式的4 K@60 Hz視頻。及后續(xù)進(jìn)行格式轉(zhuǎn)換、MEMC處理、倍頻插幀處理等，驅(qū)動8 K 120 Hz面板實現(xiàn)8 K視頻圖像顯示。

4 結(jié)論

　　本文提出一種8 K超高清電視系統(tǒng)設(shè)計方案，詳細(xì)闡述了8 K超高清電視的系統(tǒng)原理、8 K信號處理及精確顯示和8 K超級分辨率圖像提升等關(guān)鍵技術(shù)、產(chǎn)品方案。系統(tǒng)采用專用8 K解碼芯片對8 K信號進(jìn)行解碼及采用專用算法將4 K視頻轉(zhuǎn)換成8 K視頻，然后將8 K視頻幀分割為4個4 K視頻幀進(jìn)行處理及驅(qū)動8 K屏、合成顯示為1個8 K×4 K視頻圖像，實現(xiàn)8 K視頻圖像的精確顯示。該方案已應(yīng)用于創(chuàng)維8 K超高清電視樣機(jī)，效果良好;將能夠快速應(yīng)用于8 K超高清顯示產(chǎn)品，具有很好的應(yīng)用價值。

　　參考文獻(xiàn)：

　　[1]李超，時大鑫.超高清晰度顯示技術(shù)[J].現(xiàn)代顯示，2010,(5):99-103.

　　[2]熊健.高效視頻編碼關(guān)鍵技術(shù)研究[D].電子科技大學(xué),2015.

　　[3]趙超,趙海武,王國中,等.快速AVS2幀內(nèi)預(yù)測選擇算法[J].計算機(jī)應(yīng)用,2015,35(11):3284-3287.

　　本文來源于《電子產(chǎn)品世界》2018年第6期第28頁，歡迎您寫論文時引用，并注明出處。