超高清业务亟需全新的电视基础设施

　　作者：博通（Broadcom）宽带与无线连接部门技术总监Wade Wan

　　一直以来，制造商希望其承诺的身临其境的全新电视观赏体验能够推动消费者投资购买超高清电视。超高清电视也称4K电视，已获得主要影视内容提供商的全面支持。仅2013年，采用4K分辨率拍摄的影片数量就从10部锐增到50部，共增长了5倍。采用这种格式拍摄影片的基础设施已趋近完善，而找到可将这种新一代的内容呈现给家庭观众的方法就是接下来所面临的一大障碍。

　　图1：高清可提供比标清高6倍的分辨率，现在超高清则能提供比高清高4倍的分辨率。

　　尤其是内容提供商在为用户提供无缝服务的同时，还需要多种途径提供更高分辨率的优质内容，这是当前的交付方法无法做到的。为找到应对这一困境的解决方案，近期，业界多家企业已开展合作，共同开发能让有线、卫星以及互联网电视（OTT）提供商以更低成本且高效部署超高清电视解决方案的新标准，而这些努力现已获得可喜的成果。

　　超高清藉由2013年1月通过的更高效的视频压缩标准高效视频编码（HEVC）的支持而实现。尽管压缩标准总是在不断发展、推陈出新，然而向HEVC的过渡还是行业内的一个重大转变。

　　即将到来的技术规范变革

　　高清电视（HDTV）以每秒60字段的隔行扫描格式提供1920 x 1080像素的8位分辨率，采用当前的AVC压缩标准，可以在大约6 兆位每秒（Mbps）的位速率下实现。不过，超高清（UHD）则以每秒60帧的逐行扫描格式提供3840 x 2160像素的10位分辨率。如果采用现在的AVC压缩标准，就需要大约30 Mbps的速率，这是一个很客观的数字，而且实现的成本不菲，但是采用HEVC压缩标准久可将位速率降低到大约15 Mbps，令它更适合实现低成本实施部署。

　　表1：本表对标准高清电视和超高清电视的技术规范进行了比较，反映出超高清带宽需求的整体提升。

　　不间断的实现4K和每秒60帧的传输速率，无论是对尺寸还是带宽都提出了呈指数级增长的要求，HEVC标准显著加速了4K内容的传输，与当前的AVC编码标准相比，运营商与用户在接收超高清内容时可节省一半的时间或50%的比特率。

　　此外，完全符合新标准的超高清显示器还将提供呈指数级增长的色彩阵列（色饱和度）。超高清色饱和度标准BT.2020将取代此前高清电视使用的BT.709饱和度标准。由于BT.2020能显示更多色彩，因此其需要比BT.709更大的位深度才可能实现这一更大的色饱和度呈现的所有色彩。因此，BT.2020的10位和12位编码将取代BT.709的8位和10位编码。

　　超高清技术规范相对于高清电视系统的变革还将涉及到HDMI端口的规范，这也会影响机顶盒等信号传送器及显示设备等接收器。现在的HDMI 1.4接口标准确实支持超高清，但支持的方式非常有限，只有在像素数据标准不超过8位、帧速率不超过30fps以及最大吞吐量不超过10.2千兆位每秒（Gbps）的情况下才能提供支持。为了克服这些局限性，全新的HDMI 2.0标准应运而生，其可将HDMI接口支持的带宽提高到18 Gbps。新规范通过单一接口支持50或60赫兹（Hz）的超高清分辨率，可避免为了处理超高清业务不断增长的吞吐量而需要多种线缆和连接器。相比之下没有HDMI 2.0时，视频在到达HDMI传送器之前需要分割成不同片段，然后单独通过多个HDMI链路运行再正确地集合在一起，期间需要注意确保每个片段都来自同一个画面。

　　内容保护是超高清服务的另一项重要技术要求。高带宽数字内容保护（HDCP）是一种数字版权保护及数字权益管理规范，能够在不同设备之间确保音频、视频内容的安全。支持HDMI接口映射的HDCP 2.2版于2013年2月制定。采用HDCP 2.2来确保HDMI数字接口安全被视为确保超高清内容传输安全的最低要求，目的是可以满足内容提供商的分发需求。

　　作为系统级芯片开发商，博通在HEVC/H.265标准的开发上一直都是最具影响力的公司之一，同时，博通还推出了广泛支持HEVC的系列芯片组，可以全面满足有线、卫星以及广播服务提供商的需求，不仅可以扩展当前的高清产品，而且还能够为用户提供超高清内容。

　　博通预计HEVC/H.265将会顺利推广，而在此期间，博通已公开与领先编码器厂商、运营商及合作伙伴接洽，以确保该编解码技术在市场上的成功（通过技术演示或在2014年向全球用户提供最新业务）。

　　博通相信，在更高压缩率的作用下，HEVC可帮助消费类电子产品制造商及服务提供商通过消费类设备为用户提供更快的视频传输。此外，该压缩标准还有助于服务提供商在较低的位速率下提供更高质量的流媒体服务，在等效的比特率下提供相同乃至更多的内容。最终，服务商能够选择如何利用更高的效率，既能在相同的带宽上整合更多的通道，也能以一半的比特率提供类似质量的视频或者采用相同的比特率提供更好的服务。

　　潜在的障碍：互操作性与隔行扫描内容

　　超高清面临的一大关键技术障碍可能是生态系统发展需要的时间。更具体地说，就是不同实施方案之间的互操作性。问题不在于如何制定标准，而反映在发布规范时无法立即实现高级技术与规范之间的互操作上。不过，当不同厂商对设备进行实际测试时，就进入了一个证实真正的行业互操作性的全新阶段。作为这些技术的主要提供商，博通在HEVC和HDMI互操作性方面做出了巨大的努力，不难看出：自这些标准首次发布以后，已经取得了很大的进步，而且这种进步还将继续。

　　对HEVC而言，对隔行扫描内容进行编码也是一个有着大量争议的问题。事实上，市场一开始就存在混淆，认为HEVC不支持隔行扫描格式，实际上这是错误的。也就是说，尽管HEVC标准化委员会在评估其隔行支持性能与复杂性时就已经做出了决定，但评论人士现在仍在讨论，在HEVC中能否也能像在AVC中一样支持隔行扫描格式。

　　亟需更全面的超高清支持

　　超高清技术不仅促进了最新显示器及机顶盒设备的出现，而且还在如《X战警前传：金刚狼》、《博物馆奇妙夜》以及《僵尸世界大战》等影片的制作中发挥了巨大的作用。就体育赛事而言，没有其他技术能像超高清这样如此震撼地呈现赛事实况，这在一定程度上要归功于新技术的帧速率和色深度优势。索契冬奥会及世界杯超高清现场直播就有力地证明了这一点。市场信息咨询公司DisplaySearch的数据就显示，2014年世界杯在推广超高清电视的过程中发挥了巨大的作用。事实上，据Digitimes Research分析师预测，仅2014年年底之前，超高清电视面板的出货量就迅速地飙升了475%。［1］

　　总而言之，超高清必将为消费者带来一场重大的全新观赏体验，而且与高清电视相比，其不仅可实现提高1倍的水平分辨率和垂直分辨率，而且还可提供提高10倍的原始像素数据速率。不过，要实现这一无与伦比的卓越性能，服务提供商必须开发并部署新一代机顶盒及其它设备，才能充分满足并支持更高视频压缩、更大色饱和度、HDMI接口以及内容保护的全新行业标准要求。

　　作者简历

　　Wade Wan现任博通公司宽带与无线连接部门的技术总监，主要负责管理博通系统级芯片（SoC）解决方案视频压缩技术的开发，包括从标准化到内部设计开发，再到产品部署与支持的整个过程。Wade Wan毕业于麻省理工学院，获电气工程设计及计算机科学博士学位，是一位拥有13项美国专利的发明家。

　　关于博通公司：

　　博通（Broadcom）公司（纳斯达克代码：BRCM），财富500强之一，是全球有线及无线通讯半导体解决方案领域的杰出领导者及技术创新者。其产品将语音、视频、数据和多媒体内容在家庭、企业及移动环境中进行无缝连接与传输。通过提供业界完整的先进系统级芯片解决方案，博通公司“Connecting Everything®（连接一切）”的企业理念正在改变世界。