一種8K超高清電視系統設計方案　

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超高清電視系統設計方案，詳細闡述了系統原理、關(guān)鍵技術(shù)及產(chǎn)品方案。系統將8K視頻幀分割為4個(gè)4 K視頻幀進(jìn)行處理及驅動(dòng)8K屏、顯示為1個(gè)8 K×4 K合成視頻圖像，實(shí)現8 K視頻圖像精確顯示;能夠進(jìn)行4 K轉8 K，實(shí)現8 K超級分辨率提升。該方案能夠快速應用于8 K超高清電視等顯示產(chǎn)品，具有很好的應用價(jià)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(zhuān)家庫成員，研究方向：電視的研究和開(kāi)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(kāi)始步入消費市場(chǎng)并發(fā)展迅猛，當年國內銷(xiāo)量超過(guò)百萬(wàn)臺，目前已成為電視市場(chǎng)的主導產(chǎn)品、全球年銷(xiāo)量超過(guò)5000萬(wàn)臺。隨著(zhù)4 K超高清電視的普及，8 K超高清電視開(kāi)始受到關(guān)注，國內外相關(guān)機構和企業(yè)已開(kāi)始展開(kāi)布局。早在2007年國際標準化組織SMPTE發(fā)布了SMPTE 2036標準，規范了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)標準，即H.265^[2]，2014年6月具有自主知識產(chǎn)權的新一代音視頻編碼標準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(chǎng)商已開(kāi)始介入8 K電視芯片的研究開(kāi)發(fā)，LGD、群創(chuàng )、BOE等面板廠(chǎng)商開(kāi)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、京東方等國內外企業(yè)展示了8 K超高清電視樣機。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(kāi)始悄然起步，加緊8 K超高清技術(shù)研發(fā)和開(kāi)展應用推廣尤其重要。

　　本文提出一種8 K超高清電視系統設計方案，詳細闡述了8 K超高清電視的系統原理、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。系統將8 K視頻幀分割為4個(gè)4 K視頻幀進(jìn)行處理及驅動(dòng)8 K屏，顯示為1個(gè)8 K×4 K合成視頻圖像，實(shí)現8 K視頻圖像精確顯示;以及能夠進(jìn)行4 K視頻轉為8 K視頻，實(shí)現8 K超級分辨率提升。該方案將能夠快速應用于8 K超高清電視等顯示產(chǎn)品，具有很好的應用價(jià)值。

1 系統原理

　　8 K超高清電視系統如圖1所示，由TV SoC模塊、8 K超級分辨率提升(即4 K轉8 K)模塊、8 K碼流解碼及處理模塊、8 K MEMC(即8 K運動(dòng)估算補償)及格式轉換模塊、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8 K)模塊，對輸入的4 K視頻幀進(jìn)行像素插值轉換處理，將4 K視頻轉換成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及格式轉換接收到8 K視頻后，對視頻信號進(jìn)行格式轉換及MEMC(運動(dòng)估算和運動(dòng)補償)和倍頻插幀處理，輸出8 K@120 Hz VBO的信號驅動(dòng)8 K屏。8 K屏接收到VBO信號后，驅動(dòng)像素點(diǎn)發(fā)光，實(shí)現8 K圖像顯示。

2 關(guān)鍵技術(shù)原理

　　8 K電視系統的核心關(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芯片和屏驅動(dòng)芯片的帶寬和處理能力限制，無(wú)法直接解碼8 K碼流和驅動(dòng)8 K屏來(lái)顯示，需采用專(zhuān)門(mén)的模塊或技術(shù)來(lái)進(jìn)行8 K信號處理，從而實(shí)現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(gè)4 K視頻幀、即4個(gè)8 K*4 K@60 Hz視頻，通過(guò)4個(gè)4 K通道輸出給后端處理;后端分別對4個(gè)視頻幀進(jìn)行色域轉換、GAMMA校正、畫(huà)質(zhì)增強等處理，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(lái)驅動(dòng)8 K屏來(lái)，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(guò)上述技術(shù)來(lái)進(jìn)行8 K超高清信號的無(wú)損傳輸、解碼等處理，實(shí)現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)

　　目前超高清內容主要為4 K、8 K內容，需要進(jìn)行4 K轉8 K，使得4 K內容在8 K電視上顯示時(shí)清晰度有較好的提升，實(shí)現8 K超級分辨率圖像提升與顯示增強。

　　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(shí)時(shí)分析，對4 K視頻圖像進(jìn)行實(shí)時(shí)圖像對象檢測和運動(dòng)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(gè)像素點(diǎn)周?chē)膫€(gè)像素點(diǎn)值，將4 K視頻圖像轉換成8 K視頻圖像，進(jìn)一步進(jìn)行圖像細節和邊沿增強處理，大幅提升圖像清晰度，使播放4 K視頻時(shí)基本達到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(dòng)估算和運動(dòng)補償進(jìn)行智能插幀，將8 K×4 K@24/25/30 Hz信號轉換成8 K×4 K@50/60 Hz、或將8 K×4 K@50/60 Hz信號轉換成8 K×4 K@100/120 Hz，實(shí)現運動(dòng)畫(huà)面流暢、平穩播放。運動(dòng)估算通過(guò)檢測運動(dòng)圖象在時(shí)域的變化幅度，精確算出圖像中運動(dòng)單元的運動(dòng)方向和速度，估算出內插數據;在某些場(chǎng)景下運動(dòng)檢測得到的運動(dòng)方向和速度并不能真正反映圖像運動(dòng)變化后的實(shí)際矢量數據、導致內插數據失真，因此在運動(dòng)估算的基礎上針對特定場(chǎng)景采用運動(dòng)補償來(lái)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(lái)單獨進(jìn)行MEMC及FRC處理，對處理后的4個(gè)4 K視頻幀進(jìn)行同步校準后驅動(dòng)8 K屏來(lái)呈現為合成的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(guò)USB3.0輸入接口讀取8 K信號后，將其轉換成PCI格式的8 K視頻碼流，通過(guò)PCI接口輸出給8 K解碼芯片。8 K解碼芯片(DECODE CHIP)利用強大的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視頻信號驅動(dòng)8 K 120 Hz電視面板對應的一個(gè)區域，4路4 K@120 Hz 16-lane VBO視頻信號驅動(dòng)8 K 120 Hz電視面板的四個(gè)區域，實(shí)現8 K視頻圖像顯示。

　　TV SoC通過(guò)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，還需將其轉換為4 K視頻)，輸出4 K@60 Hz 8-lane VBO信號給超級分辨率轉換芯片(UPCONV CHIP)。超級分辨率轉換芯片對4 K視頻幀進(jìn)行像素插值、像素填充處理后，轉換成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。及后續進(jìn)行格式轉換、MEMC處理、倍頻插幀處理等，驅動(dòng)8 K 120 Hz面板實(shí)現8 K視頻圖像顯示。

4 結論

　　本文提出一種8 K超高清電視系統設計方案，詳細闡述了8 K超高清電視的系統原理、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。系統采用專(zhuān)用8 K解碼芯片對8 K信號進(jìn)行解碼及采用專(zhuān)用算法將4 K視頻轉換成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)行處理及驅動(dòng)8 K屏、合成顯示為1個(gè)8 K×4 K視頻圖像，實(shí)現8 K視頻圖像的精確顯示。該方案已應用于創(chuàng )維8 K超高清電視樣機，效果良好;將能夠快速應用于8 K超高清顯示產(chǎn)品，具有很好的應用價(jià)值。

　　參考文獻：

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