解开UHD1和UHD2的神秘面纱

　　就在你认为450多种视频制作、分配和传输格式已经足够时，在UHDTV旗下又出现了更多格式。如SMPTE和ITU这样的标准组织正努力领先于电视机和专业摄像机厂商开发4K和8K技术。

　　本文将忽略更广的经由发射机、有线、卫星、IP技术分配给终端用户及图像压缩质量问题，而把重点放在广播自身内的基础设施要求。UHDTV1和UHDTV2对应于现在正在开发的4K设备和正在设计以便未来5年间交付的8K设备。这些设备在三个不同阶段推出：

　　第一阶段：最高60fps和ITU-R BT.709彩色空间的的4K图像。

　　第二阶段：最高120fps、高动态范围和ITU-R BT.2020彩色空间的4K图像。

　　第三阶段：最高120fps的8K图像。

　　UHDTV1和UHDTV2视频格式定义像素数、行、帧频、彩色空间、彩色分量取样率（如4：2：2、4：4：4等）、数据率、数据链路类型（电缆或光纤）以及导致大量可能组合的链路数。但实际上这一切真正的含义是什么？

　　基本的区别

　　基本上，技术区别为物理图像尺寸和原始数据率：

　　UHDTV1(在SMPTE ST 2036-1“广播电视”中定义)为3840像素×2160行，幅型比为16：9。典型的4K源为4096×2160（在SMPTE ST 2048-1“数字电影”中定义），幅型比为19：10。对4：2：2@50fps，数据率为8Gb/s。

　　UHDTV2为7680像素×4320行（8K源为8192×4320）。对4：2：2@50fps，数据率为33Gb/s。

　　“第二阶段一个重大挑战将是从一个色彩空间转换到另一个色彩空间。”

　　物理接口

　　有组合采用现有的3G技术以及新6G和12G技术的大量物理接口，如4x3G SDI（SMPTE ST 425-5和ST 242）、2x3G-S D I（SMPTE ST 425-3）、1x6G-SDI（SMPTE ST 2081-1，10）、2x6G-SDI、2x6G光纤、4x6G-SDI、1x12G-SDI（SMPTE ST 2082-1，10）、2x12G-SDI、4x12G-SDI和1x12G光纤等。

　　这些技术带来更具挑战性的物理连接要求。例如，6G-SDI和12G-SDI连接器和线缆规格高，更专用，如回波损耗等的更高的SDI时钟频率问题、连接器形状、连接紧密性、线缆弯曲半径及其它许多RF因素正越来越重要。对高速光数据传输，如反射（光回波损耗）、线缆质量和光耦合等的因素正越来越重要。

　　注意SMPTE ST 2082-10包含2160和180行源图像和对12G SDI的辅助映射。

　　四分对二取样交织

　　一些先行者使用四链路（4x3G-SDI），采用四分法而非采用所有UHDTV规范中定义的两取样交织法传输分成4个象限的3840x2160图像。两取样交织法利用4个子图像且每两个像素和每行交替取样，而不是把图像分为4个象限（参见图3。）

　　增加色彩动态范围

　　4K第一阶段和UHDTV1采用通常与HD-SDI、3G-SDI和2K-SD格式对应的ITU-R BT.709 YCrCb、RGB或XYZ色彩空间。第二阶段要求一种新色彩空间模式（ITU-R BT.2020），它扩展现有的色域，并且允许更逼真的色彩还原以便与下一代摄像机和屏幕技术相一致。对高于60fps帧频的UHDTV1和UHDTV2，这将是强制要求。还将需要一种新色彩VANC包ST 2048-1（参见图4）。

　　更多可能的声道

　　UHDTV1所指定的新物理接口增加可用的可能的声道数量。例如：

　　·4x3G-SDI支持最多128个声道（48kHz）。

　　·12G-SDI支持最多128个声道（48kHz），或96kHz时64个声道。

　　实际上，这些增加的声道被使用的方式取决于设备制造商制造其产品的灵活性以及业界要求什么。支持22.2环绕声（包含于SMPTE 2036-2中）是正在考虑的一种形态，此外，面向对象的音频也是另一种热门的竞争者。

　　电缆对光纤

　　在SD-SDI最初被设计为在75Ω同轴电缆上传输方波信号时，电缆基础设施和设备突然必须能处理基本频率最高7次谐波（945MHz）。随着12G-SDI的出现，表明必须能处理42GHz频率。但实际上，电缆驱动器本身将无法实现，因此，信号实际上将为接近正弦曲线。

　　SDI接口的数据率影响信号传输距离。采用百通1694A电缆，当前的均衡器一般提供以下性能：

　　·SD-SDI为450m

　　·HD-SDI为220m

　　·3G-SDI为180m

　　·6G-SDI为90m

　　·12G-SDI为60m

　　如你所看到的，用电缆分配UHDTV信号可能并不总是现实。使用电缆链路，物理基础设施本身（即接线架、连接器和接线电缆）将对SDI信号质量有严重影响，这将进一步减少传输距离。用百通1694A试验12G的早期采用者对3G和12G连接器已经有了一致和有用的结果。光纤分配也许是除了设备本地互连外的任何任务唯一可行的方案，当前12G单模光纤分配将可传输UHDTV1信号最长2km。注意多模光纤分配被限制于约100m。选择的互连可能归咎于预算。

　　转换和互连

　　与引入3G类似，UHDTV1和UHDTV2播出内绝不会使用一种格式或接口，因此早期采用者在制作过程内的每一阶段必须处理格式和接口之间的转换。

　　尽管提出的一些接口和标准在技术上是可行的，但实际上它们目前可能太昂贵或不实用。早期采用者正在采用4x3G接口上的四分格式，原因是这能够用现有基础设施实现。随着采用12G技术的设备可用，此方式将被取代。长距离时采用光纤，而本地互连采用电缆，在每个播出阶段提供最简单的连接。

　　某些播出链内将有互连的电缆、光纤和IP岛，这样做有实施成本和技术的优势。像中间压缩（Mezzanine compression）这样的技术通常有4：1压缩，可能降低对高带宽链路的要求。如同3G-SDI，人们将选择最适合他们正努力在艺术上和技术上实现的结果的格式和接口。不过，这可能令下游的每一个人感到棘手，他们将不得不把全部可能的格式硬塞进被每个机构和整个行业采纳的选出来的分配格式。第二阶段一个重大挑战将是从一个彩色空间转换到另一个。来自设备制造商的全部推动力是“惊艳因素”，它被认为要求高分辨率、高帧频和高动态范围。根据2017年UHDTV1第二阶段的时间表，我个人暂时不会急着买4K电视机（我还记得就在全高清到来前购买一台准高清电视机）。

　　文/艾伦·惠勃

关注读览天下微信， 100万篇深度好文， 等你来看……