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(jì)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(gè)4 K視頻幀進(jìn)行處理及驅(qū)動(dòng)8K屏、顯示為1個(gè)8 K×4 K合成視頻圖像，實(shí)現(xiàn)8 K視頻圖像精確顯示;能夠進(jìn)行4 K轉(zhuǎn)8 K，實(shí)現(xiàn)8 K超級(jí)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(jià)值。

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

　　徐遙令(1980-)，碩士，高級(jí)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(fèi)者視野，2013年開始步入消費(fèi)市場(chǎng)并發(fā)展迅猛，當(dāng)年國(guó)內(nèi)銷量超過百萬臺(tái)，目前已成為電視市場(chǎng)的主導(dǎo)產(chǎn)品、全球年銷量超過5000萬臺(tái)。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(guó)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(guó)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(shí)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(shí)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(guó)CES展上，三星、夏普、京東方等國(guó)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(jí)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(jì)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(hào)處理及精確顯示和8 K超級(jí)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(gè)4 K視頻幀進(jìn)行處理及驅(qū)動(dòng)8 K屏，顯示為1個(gè)8 K×4 K合成視頻圖像，實(shí)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(shí)現(xiàn)8 K超級(jí)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(jià)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(jí)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(yùn)動(dòng)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(hào)，包括2 K信號(hào)、4 K信號(hào)和8 K信號(hào);對(duì)4 K信號(hào)直接解碼輸出4 K視頻，對(duì)2 K信號(hào)進(jìn)行解碼、2 K轉(zhuǎn)4 K處理后，輸出4 K視頻，對(duì)8 K信號(hào)不進(jìn)行解碼和圖像處理，直接輸出8 K碼流。8 K超級(jí)分辨率提升(即4 K轉(zhuǎn)8 K)模塊，對(duì)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(duì)視頻信號(hào)進(jìn)行格式轉(zhuǎn)換及MEMC(運(yùn)動(dòng)估算和運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償)和倍頻插幀處理，輸出8 K@120 Hz VBO的信號(hào)驅(qū)動(dòng)8 K屏。8 K屏接收到VBO信號(hào)后，驅(qū)動(dòng)像素點(diǎn)發(fā)光，實(shí)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(hào)處理及精確顯示和8 K超級(jí)分辨率圖像提升技術(shù)。

　　1)8 K信號(hào)處理及精確顯示

　　由于TV SoC芯片和屏驅(qū)動(dòng)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(dòng)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(hào)處理，從而實(shí)現(xiàn)8 K視頻圖像的精確顯示。

　　8 K信號(hào)處理及精確顯示技術(shù)原理如圖2所示。TV SoC首先識(shí)別8 K信號(hào)格式、對(duì)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(duì)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(duì)8 K視頻幀進(jìn)行分解，將其分割成4個(gè)4 K視頻幀、即4個(gè)8 K*4 K@60 Hz視頻，通過4個(gè)4 K通道輸出給后端處理;后端分別對(duì)4個(gè)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(gè)視頻幀同步來驅(qū)動(dòng)8 K屏來，在8 K屏上顯示為1個(gè)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(hào)的無損傳輸、解碼等處理，實(shí)現(xiàn)8 K視頻信號(hào)的精確顯示。

　　2)8 K超級(jí)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(shí)清晰度有較好的提升，實(shí)現(xiàn)8 K超級(jí)分辨率圖像提升與顯示增強(qiáng)。

　　8 K超級(jí)分辨率圖像提升技術(shù)原理如圖3所示。首先對(duì)4 K視頻進(jìn)行降噪處理，然后基于對(duì)單幀圖像自相似性、局部紋理信息的實(shí)時(shí)分析，對(duì)4 K視頻圖像進(jìn)行實(shí)時(shí)圖像對(duì)象檢測(cè)和運(yùn)動(dòng)追蹤估算，并在水平和垂直對(duì)角方向進(jìn)行像素插值，合理估算出每個(gè)像素點(diǎn)周圍四個(gè)像素點(diǎn)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(shí)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(yùn)動(dòng)估算和運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償進(jìn)行智能插幀，將8 K×4 K@24/25/30 Hz信號(hào)轉(zhuǎn)換成8 K×4 K@50/60 Hz、或?qū)? K×4 K@50/60 Hz信號(hào)轉(zhuǎn)換成8 K×4 K@100/120 Hz，實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)畫面流暢、平穩(wěn)播放。運(yùn)動(dòng)估算通過檢測(cè)運(yùn)動(dòng)圖象在時(shí)域的變化幅度，精確算出圖像中運(yùn)動(dòng)單元的運(yùn)動(dòng)方向和速度，估算出內(nèi)插數(shù)據(jù);在某些場(chǎng)景下運(yùn)動(dòng)檢測(cè)得到的運(yùn)動(dòng)方向和速度并不能真正反映圖像運(yùn)動(dòng)變化后的實(shí)際矢量數(shù)據(jù)、導(dǎo)致內(nèi)插數(shù)據(jù)失真，因此在運(yùn)動(dòng)估算的基礎(chǔ)上針對(duì)特定場(chǎng)景采用運(yùn)動(dòng)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(gè)4 K視頻幀來單獨(dú)進(jìn)行MEMC及FRC處理，對(duì)處理后的4個(gè)4 K視頻幀進(jìn)行同步校準(zhǔn)后驅(qū)動(dòng)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(hào)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(duì)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(hào)輸出。4路HDMI2.0格式的4 K@60 Hz視頻信號(hào)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(hào);然后利用FRC芯片對(duì)每1路8-lane VBO信號(hào)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(hào)。最后每1路4 K@120 Hz 16-lane VBO視頻信號(hào)驅(qū)動(dòng)8 K 120 Hz電視面板對(duì)應(yīng)的一個(gè)區(qū)域，4路4 K@120 Hz 16-lane VBO視頻信號(hào)驅(qū)動(dòng)8 K 120 Hz電視面板的四個(gè)區(qū)域，實(shí)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(shí)，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(hào)給超級(jí)分辨率轉(zhuǎn)換芯片(UPCONV CHIP)。超級(jí)分辨率轉(zhuǎn)換芯片對(duì)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(dòng)8 K 120 Hz面板實(shí)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(jì)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(hào)處理及精確顯示和8 K超級(jí)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(duì)8 K信號(hào)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(gè)4 K視頻幀進(jìn)行處理及驅(qū)動(dòng)8 K屏、合成顯示為1個(gè)8 K×4 K視頻圖像，實(shí)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(jià)值。

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　　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(shí)引用，并注明出處。