一种8K超高清电视系统设计方案　

作者 / 徐遥令 深圳创维-RGB电子有限公司(广东 深圳 518108)

摘要：提出一种8 K超高清电视系统设计方案，详细阐述了系统原理、关键技术及产品方案。系统将8K视频帧分割为4个4 K视频帧进行处理及驱动8K屏、显示为1个8 K×4 K合成视频图像，实现8 K视频图像精确显示;能够进行4 K转8 K，实现8 K超级分辨率提升。该方案能够快速应用于8 K超高清电视等显示产品，具有很好的应用价值。

*基金项目：深圳市技术攻关项目——8 K超高清显示关键技术研发(编号：JSGG20170412160225468)

　　徐遥令(1980-)，硕士，高级工程师，深圳市高层次人才、深圳市技术专家库成员，研究方向：电视的研究和开发。

0 引言

　　2011年4 K超高清电视产品进入消费者视野，2013年开始步入消费市场并发展迅猛，当年国内销量超过百万台，目前已成为电视市场的主导产品、全球年销量超过5000万台。随着4 K超高清电视的普及，8 K超高清电视开始受到关注，国内外相关机构和企业已开始展开布局。早在2007年国际标准化组织SMPTE发布了SMPTE 2036标准，规范了4 K(3840×2160)、8 K(7680×4320)两种超高清电视格式^[1];ITU-R 6C工作组于2013年4月正式发布高效视频编码(High Efficiency Video Coding，即HEVC)标准，即H.265^[2]，2014年6月具有自主知识产权的新一代音视频编码标准AVS2(Audio Video coding Standard Ⅱ)制定完成^[3]，2017年1月颁布实施，支持8 K视频编码传输;海思、MSTAR等芯片厂商已开始介入8 K电视芯片的研究开发，LGD、群创、BOE等面板厂商开始投资布局8 K面板;而在2015年至2018年美国CES展上，三星、夏普、京东方等国内外企业展示了8 K超高清电视样机。8 K将是超高清电视升级的必然方向，8 K超高清电视已开始悄然起步，加紧8 K超高清技术研发和开展应用推广尤其重要。

　　本文提出一种8 K超高清电视系统设计方案，详细阐述了8 K超高清电视的系统原理、8 K信号处理及精确显示和8 K超级分辨率图像提升等关键技术及产品方案。系统将8 K视频帧分割为4个4 K视频帧进行处理及驱动8 K屏，显示为1个8 K×4 K合成视频图像，实现8 K视频图像精确显示;以及能够进行4 K视频转为8 K视频，实现8 K超级分辨率提升。该方案将能够快速应用于8 K超高清电视等显示产品，具有很好的应用价值。

1 系统原理

　　8 K超高清电视系统如图1所示，由TV SoC模块、8 K超级分辨率提升(即4 K转8 K)模块、8 K码流解码及处理模块、8 K MEMC(即8 K运动估算补偿)及格式转换模块、8 K屏组成。

　　TV SoC模块接收USB3.X、HDMI2.X等接口的输入信号，包括2 K信号、4 K信号和8 K信号;对4 K信号直接解码输出4 K视频，对2 K信号进行解码、2 K转4 K处理后，输出4 K视频，对8 K信号不进行解码和图像处理，直接输出8 K码流。8 K超级分辨率提升(即4 K转8 K)模块，对输入的4 K视频帧进行像素插值转换处理，将4 K视频转换成8 K视频帧、输出8 K视频。8 K码流解码及处理模块接收8 K码流后，进行解码等处理、输出8 K视频。8 K MEMC及格式转换接收到8 K视频后，对视频信号进行格式转换及MEMC(运动估算和运动补偿)和倍频插帧处理，输出8 K@120 Hz VBO的信号驱动8 K屏。8 K屏接收到VBO信号后，驱动像素点发光，实现8 K图像显示。

2 关键技术原理

　　8 K电视系统的核心关键技术是8 K信号处理及精确显示和8 K超级分辨率图像提升技术。

　　1)8 K信号处理及精确显示

　　由于TV SoC芯片和屏驱动芯片的带宽和处理能力限制，无法直接解码8 K码流和驱动8 K屏来显示，需采用专门的模块或技术来进行8 K信号处理，从而实现8 K视频图像的精确显示。

　　8 K信号处理及精确显示技术原理如图2所示。TV SoC首先识别8 K信号格式、对其进行解析预处理，输出PCI格式的8 K TS码流;然后利用8 K解码芯片对8 K TS码流进行直接解码，输出8 K视频帧，即8 K*4 K@60 Hz视频;进一步对8 K视频帧进行分解，将其分割成4个4 K视频帧、即4个8 K*4 K@60 Hz视频，通过4个4 K通道输出给后端处理;后端分别对4个视频帧进行色域转换、GAMMA校正、画质增强等处理，进行MEMC和倍频插帧处理;以及进行视频帧合成，将4个视频帧同步来驱动8 K屏来，在8 K屏上显示为1个8 K×4 K分辨率的合成视频图像;通过上述技术来进行8 K超高清信号的无损传输、解码等处理，实现8 K视频信号的精确显示。

　　2)8 K超级分辨率图像提升技术

　　目前超高清内容主要为4 K、8 K内容，需要进行4 K转8 K，使得4 K内容在8 K电视上显示时清晰度有较好的提升，实现8 K超级分辨率图像提升与显示增强。

　　8 K超级分辨率图像提升技术原理如图3所示。首先对4 K视频进行降噪处理，然后基于对单帧图像自相似性、局部纹理信息的实时分析，对4 K视频图像进行实时图像对象检测和运动追踪估算，并在水平和垂直对角方向进行像素插值，合理估算出每个像素点周围四个像素点值，将4 K视频图像转换成8 K视频图像，进一步进行图像细节和边沿增强处理，大幅提升图像清晰度，使播放4 K视频时基本达到8 K视频的显示效果。

　　3)8 K MEMC及FRC(帧频提升)技术

　　采用运动估算和运动补偿进行智能插帧，将8 K×4 K@24/25/30 Hz信号转换成8 K×4 K@50/60 Hz、或将8 K×4 K@50/60 Hz信号转换成8 K×4 K@100/120 Hz，实现运动画面流畅、平稳播放。运动估算通过检测运动图象在时域的变化幅度，精确算出图像中运动单元的运动方向和速度，估算出内插数据;在某些场景下运动检测得到的运动方向和速度并不能真正反映图像运动变化后的实际矢量数据、导致内插数据失真，因此在运动估算的基础上针对特定场景采用运动补偿来避免显示图像失真。

　　由于芯片处理带宽等资源限制，方案将8 K视频帧分解为4个4 K视频帧来单独进行MEMC及FRC处理，对处理后的4个4 K视频帧进行同步校准后驱动8 K屏来呈现为合成的8 K视频图像。

3 产品方案

　　8 K超高清电视产品方案如图4所示。

　　TV SoC通过USB3.0输入接口读取8 K信号后，将其转换成PCI格式的8 K视频码流，通过PCI接口输出给8 K解码芯片。8 K解码芯片(DECODE CHIP)利用强大的CPU、GPU及软件算法，解码出8 K视频;对视频进行分割等处理，将8 K@60 Hz视频分割成4路4 K@60 Hz视频，并转换成4路HDMI2.0格式的视频信号输出。4路HDMI2.0格式的4 K@60 Hz视频信号分别输入给4颗HV2芯片，每1颗HV2芯片将HDMI2.0格式的4 K@60 Hz转换成8-lane VBO信号;然后利用FRC芯片对每1路8-lane VBO信号进行MEMC处理及倍频插帧处理，输出4路4 K@120 Hz 16-lane VBO信号。最后每1路4 K@120 Hz 16-lane VBO视频信号驱动8 K 120 Hz电视面板对应的一个区域，4路4 K@120 Hz 16-lane VBO视频信号驱动8 K 120 Hz电视面板的四个区域，实现8 K视频图像显示。

　　TV SoC通过输入接口接收4 K视频时，直接进行解码等处理(如果接收4 K以下分辨率视频，还需将其转换为4 K视频)，输出4 K@60 Hz 8-lane VBO信号给超级分辨率转换芯片(UPCONV CHIP)。超级分辨率转换芯片对4 K视频帧进行像素插值、像素填充处理后，转换成8 K视频帧;然后进行视频分割等处理，输出4路HDMI2.0格式的4 K@60 Hz视频。及后续进行格式转换、MEMC处理、倍频插帧处理等，驱动8 K 120 Hz面板实现8 K视频图像显示。

4 结论

　　本文提出一种8 K超高清电视系统设计方案，详细阐述了8 K超高清电视的系统原理、8 K信号处理及精确显示和8 K超级分辨率图像提升等关键技术、产品方案。系统采用专用8 K解码芯片对8 K信号进行解码及采用专用算法将4 K视频转换成8 K视频，然后将8 K视频帧分割为4个4 K视频帧进行处理及驱动8 K屏、合成显示为1个8 K×4 K视频图像，实现8 K视频图像的精确显示。该方案已应用于创维8 K超高清电视样机，效果良好;将能够快速应用于8 K超高清显示产品，具有很好的应用价值。

　　参考文献：

　　[1]李超，时大鑫.超高清晰度显示技术[J].现代显示，2010,(5):99-103.

　　[2]熊健.高效视频编码关键技术研究[D].电子科技大学,2015.

　　[3]赵超,赵海武,王国中,等.快速AVS2帧内预测选择算法[J].计算机应用,2015,35(11):3284-3287.

　　本文来源于《电子产品世界》2018年第6期第28页，欢迎您写论文时引用，并注明出处。