迄今为止，市场上已经推出了空间分辨率大大提高的Ultra HD，但这种方案几乎没有考虑帧速率、有效传输带宽、比特深度、动态范围和接口等因素。电视机是否具有高质量的时域和空间扩展性是决定Ultra HD能否初步获得成功的关键。鉴于4K电影内容的可用性和改善广播高清质量的需求，点播业务将可能打开Ultra HD的市场。

Ultra HD：源于电影

自从1925年引入电视机以来，观众享受的分辨率越来越高，要观赏改善的画面质量，他们唯一需要做的就是换台新电视。有时在取得视频质量进步的同时，帧率也随之增加，这使得动作视频更加平稳。

通常随着电视分辨率和电视尺寸逐渐增加，电视机制造商通过上变换帧率改善了传输的信号，这让视频质量得到最明显的提高。

从高清转换到Ultra HD电视也与此紧紧相关。播放Ultra HD最理想的情况是按照本地标准拍摄和处理节目内容。工作流就在此成为了传输Ultra HD的第一个主要障碍。虽然电影界已采用数字电影倡导联盟（DCI）标准提供完整的4K工作流，然而主要还是关注24fps节目内容方面（最近发布了48fps帧率的“The Hobbit”，这一例外值得注意）。2013年在拉斯维加斯举办的消费者电子展会（CES）激起了消费者对Ultra HD的兴趣，各种放置在黑暗环境中监测器显示24fps帧率的4K电影内容，同时还能保持运动画面流畅性。这些展示活动为Ultra HD进入高利润的家庭视频市场提供了有利条件——但要真正改善现存的高清业务需要在哪些方面改善工作流呢？

从影院到家庭：存在的问题

为电影制作的数字化工作流与传统的电影相关的工作流类似；关键区别在于它能在制作过程中立即审查节目。这一进步让操作员无需处理胶片就能审查每日报告（或样片），因为处理胶片的过程即耽误了电影制作时间也增加了制作成本。数字工作流的另一个好处是源节目内容能用于编辑、处理和后期制作，而无需将电影转换。

播送Ultra HD的工作流与数字电影工作流类似，但更加复杂且有很多不同的工作流和格式。电影采集主要为了获取节目内容，然而典型的电视工作流还要解决以下的问题，比如重播“转播”的节目内容，管理文件媒体，将节目存档和处理复杂的区域化问题。
 
DCI标准采用的4K分辨率和Ultra HD解决方案的分辨率相似。但是在追求更高的电视分辨率过程中这两者还是存在细微区别，因为现在的电视分辨率一般还要支持1920x1080 HD分辨率。因此Ultra HD将横向和纵向的高清解决分辨率增加了一倍，形成的格式未能实现完整的DCI 4K规格。这种方式的意义在于：建立Ultra HD的分辨率为HD的倍数可使得传统的高清节目更容易上变换成新的格式。

帧率

至今为止，分辨率是Ultra HD的主要市场；因此2013年CES展会上主要展示非常细节的画面，而几乎没有或完全没有运动画面。展示节目内容的电视机被放在黑暗的环境中，没有24fps节目和其它光线的干扰。这样的方式可能适用于家庭影院，但不适用于更高质量的环境观看高清。要在比现在屏幕可能大得多的监测器上传输更高分辨率的视频而不增加帧率是个困难的挑战，尤其是还要播放运动节目内容。鉴于有分辨率和帧率两种选择，当然帧率是更佳的选择。播放体育节目时也要做出类似的调整，通常选择720p而非1080i，主要是强调时间的而非空间的分辨率，专门播放中等运动量到高运动量的节目内容。Ultra HD最少需要支持50Hz和60Hz的帧率，最理想的是支持100Hz和120Hz帧率。

用户接口

自从高清多媒体接口（HDMI）引入10年以来，30亿台设备都装上了这种接口，当前主要支持Ultra HD和4K DCI两种格式。Ultra HD需要24、25和30Hz，而4K DCI需要24Hz；当前的HDMI标准下的循环只支持高达50Hz和60Hz的1080p分辨率；然而，如果HDMI标准没有任何进步的话，任何走向Ultra HD的进步都会暂时受阻，除非用户准备使用两个同步HDMI接口来连接电视。虽然在2013年CES展会上展示了这样一些屏幕原型，但这一方式还是不太可能出现在用户的电视机上。然而有趣的是4K相机上已采用多个HDMI接口，使用四个同步HDMI接口来满足带宽需求，以传输基带为4K的视频。

Ultra HD要真正代替高清就要提高用户接口标准以支持数据率，满足传输50和60Hz的Ultra HD要求。下面的表格显示了一些大约的数据，说明了几个可能的Ultra HD(3840x2160)格式/帧率情况：

应用     颜色深度   比特深度   帧率    数据率
广告业务   4:2:0        8bit      60Hz    5.96Gbps
广告业务   4:2:0       10bit      60Hz    7.46Gbps
制作工作流 4:2:2       10bit      60Hz    9.95Gbps
体育报道   4:2:2       10bit     120Hz   19.91Gbps

用户接口的一个重要方面就是需要额外的比特率支持节目内容保护机制，这一机制让他人不能轻易获取盗版的数字复制版本。也值得注意的是，HDMI接口有一个挑战的标准 Thunderbolt，这就是Apple使用的Intel接口，它能传输20Gbps。

带宽

让我们回顾一下最开始的问题，就是如何压缩Ultra HD信号，让其能通过播放媒介传输。MPEG-4 AVC（H.264）和新的高效视频编码（HEVC）标准都与Ultra HD传输相关。由于缺乏与HEVC兼容的设备和工作流，至今为止大多数的播送部署试验都使用的是H.264。要实现Ultra HD的处理，使用四个同步HD AVC编码器是典型的过渡性解决方案，而行业期待HEVC标准在提供最新的压缩性能方面有所进步。

此类部署有一个例证，就是最近由Eutelsat推出的Ultra HD频道演示。虽然运行于高带宽（40Mbps），但是Eutelsat Ultra HD频道的过早出现说明了市场上广播业者接受该格式的强烈愿望。与直接采用24Hz的影院方式相比，它也说明了广播业者使用适合电视帧率（50Hz）的决心。预计最终即使使用H.264，比特率都会降低到一个更加可管理的20Mbps。采用这样的配置可以允许45M的转发器传输两个频道。即使这个配置是一个改善，但它仍然远远少于现有的HD频道处理能力，因为如果以8Mbps的速率算，这种可以传输5个频道。

在这里有一个广播业者和Ultra HD功能面对的挑战：为了维持收入，在保持频道数量的情况下，怎样使用新的格式。一旦此标准在第二代和第三代编码器上得到完全优化和实施，与H.264相比，在比特率方面，HEVC有望提供50%的改善。在短期内，相比于H.264，HEVC可能提供30%到40%较低的性能改善。即使这个收益可以允许Ultra HD频道压缩到14Mpbs，与应用Ultra HD H.264的比较，这可为45M转发器腾出空间传输更所频道。
 
在违反压缩效率的情况下，HEVC可以完整传输第四个频道，使得每个业务仅有10Mbps的码率。这种大胆的压缩率在使用AVC时是不可能的。
 
在2013 CES展会上，LG公司联合KBS展示了一个HEVC系统，用于60Hz的Ultra HD地面广播（DVB-T2）。部署的视频比特率是35Mbps，偏离了10Mbps的目标，但是考虑到HEVC标准刚刚正式发布，这也算是一个早期的高调支持性尝试。

即使以上提供的带宽图示是基于卫星载荷，但是通过其他播放媒体传输也应该考虑。思科预言在2011和2016年之间互联网流量将会增长四倍。当与视频相关的互联网流量增长成为关键时，增长率有可能会降低。因此，就有理认为当整个处理能力增长时，通过OTT传输的Ultra HD带宽就会变得更多。在短期内，HEVC可能成为HD OTT应用的强有力方案。根据Google和Netflix最近的公告，另外一个被预期的主要增长区域是Ultra HD的VOD业务。

专业接口

正如我们看到的，Ultra HD的基带信号吞吐量是极端的，很容易超过最常部署的广播接口处理能力。即使专门用于Ultra HD的广播接口将会出现，但是也可以采用解决高带宽IP网络需求的其他方法。当使用消费型电子接口时，以太网解决方案的出现说明了IP方式和解决方案用于将来的广播工作流是多么标准。

在专业接口情况下，竞争性的IP格式可以基于40Gbps和100Gbps技术。若考虑到Ultra HD (3840x2160)，4:4:4、60Hz的10bit将产生14.93Gbps的数据率，即使要满足最苛刻的专业应用，Ultra HD (3840x2160)、4:4:4、120Hz的 12bit也可能限制在35.83Gbps之内。这种传输可能处于40Gpbs，并通过下一代IEEE802.37实现，而且易于限制在100Gbps之内。

音频

在影院4K支持DCI标准规定的7.1音频。考虑到适度的音频比特率要求，Ultra HD的音频支持可能达到并包括DCI 7.1环绕立体声标准。这个功能可能提供向后兼容并支持5.1环绕立体声（当前流行于广播HD和家庭影院系统）。

屏幕技术

虽然改善的分辨率将是Ultra HD市场推广中的主要问题，但是帧率和动态范围也将在屏幕质量上产生很大影响。在不能满足拟真体验条件下提供Ultra HD业务，屏幕生产商必须大大改善了他们电视机的动态范围，大于并且超过最新HD屏幕。在2013年CES展会上，有多种方式得以展示，通过自然地改善动态范围可以精确地描述场景。在展现低端范围的黑色区域和阴影轮廓时仍然可以处理高端的生动色彩区域方面，这种改善最为显著。

压缩比特深度与动态范围相关，MPEG标准已经很大程度采用了8bit方式，但是对于AVC采集是例外的，因为在这里8bit的局限很明显，尤其是在HD屏幕上，显示为场景彩色薄涂中的轮廓线或条带。其典型例子出现在云朵和天空的渲染过程中。10bit对于此问题（在HEVC标准的第一版发布中提及）的解决非常必要。重要的原因有二，HEVC使用了AVC类似的方法，并且遭遇了出现于高端HD节目中的明显限制，更重要的是，Ultra HD电视的大屏幕将会使得8bit的压缩更加明显。屏幕大小的增加也可证明保持高帧率的正确性，理想情况是扩展至100/120Hz帧率。

作者介绍：

本文选自Harmonic公司《高质量Ultra HD的提供》，作者Ian Trow先生为Harmonic公司新兴技术及战略部门高级总监。查询进一步信息，请访问官方网站http://www.harmonicinc.com。