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超高清电视发展趋势研究 惠慧，朱林林，何大治 （数字电视国家工程研究中心，上海交通大学）
自2004年4K概念首次被电影行业提出，到2012年国际电信联盟对超高清电视国际标准ITU-R BT.2020的发布，超高清逐步进入人们的视野。近年来，超高清呈现出标准先行、技术突破、终端火爆、内容乏力的状态。值得一提的是，超高清电视的发展远远快于当年高清电视的发展。 在电视分辨率领域，日本NHK始终保持了领头羊位置，多种通道传输试验、频道试播等快速推进，并率先完成了8K测试。NHK计划于2016年对奥运会进行8K电视试播，纵观其一直推行的利用重大赛事促进广播业务发展的模式，2016—2020年将是超高清高速发展的阶段。 1 全球超高清电视发展概况 1.1 市场普及率 虽然终端厂商大力推广，但是作为新兴产品，超高清电视目前的市场普及率偏低。Strategy Analytics调查显示（见图1），2014年，北美、西欧和亚太地区的超高清电视普及率相对较高，但均不足10%。IHS 5月份数据显示，在全球前13家品牌液晶显示电视中，超高清电视出货量仅占5%。从地区来看，受到终端制造厂商强力推广的影响，中国的超高清电视出货量占比最大，达到9％；其次是韩国（5％）和日本（2％）。三星、LG、索尼、松下等领先的电视制造商相继退出等离子或OLED领域，将重心转向超高清电视，不断扩大超高清产品线，预计超高清电视出货量将大幅增加，市场普及率有望迅速提高。
图1 Strategy Analytics：超高清电视家庭普及率 1.2 整机 2014年4K电视出货量增长明显加速。DisplaySearch数据显示，2014年第3季度全球4K电视出货量达300万台，较2013年同期增长500%以上，全年总出货量增至640万台。其中，市场收入份额排名前5的品牌依次为：Samsung、LG、海信、Sony、长虹。三星依然保持了在电视终端领域的领先地位，相比之下，由于近几年在电视智能化战略上的迟缓，日本企业很难再创造以往的辉煌，这给中国企业带来了一定的机会。Strategy Analytics预计，到2020年，全球超高清电视出货份额将升至41%。其中，美国将增至32%，西欧地区为22%，亚太地区为18%。就整体发展进程来看，从高清过渡到超高清所面临的阻力小于标清到高清，其发展进程也明显快于高清的推广。各大终端企业“消费者教育”推动了整机在市场上的销售表现。对于消费者来说，目前价格因素和节目源是影响购买的主要原因。 1.3 面板 由于超高清电视需求的强势增长，电视制造商对超高清面板的购买需求也随之增加。DisplaySearch研究指出，2014年10月，全球超高清面板出货量高达205万块，较1月份的32.33万块、3月份的110万块实现大幅度跳跃式增长（见图2）。市场需求如此旺盛，必将引发更加激烈的竞争。目前，中国是最大的超高清面板消费市场，在这一市场上聚集了三星、LG等国外品牌以及台湾群创光电和华星光电等本土品牌。10月，LG市场份额最大，达28.1%；其次是群创光电，占24%；三星排名第三，占20.2%。IHS预测，超高清面板将开始爆发式增长，2018年全球超高清面板出货量将达到6 840万块，较2014年增长350%以上。
图2 DisplaySearch：2014年上半年各面板制造商超高清面板份额 1.4 趋势 为了不断以新概念吸引消费者，终端厂商在外观、性能、业务模式等多个方向上寻求突破，并实现了4K与3D、超薄、智能等新旧概念的融合。 1.4.1 大尺寸 2012年7月，LG首先正式发布了 84 in（1 in= 63.5px）的超高清电视。2013年1月，三星在CES 2013上发布了85 in超高清电视。一年以后的CES2014上，大屏超高清成为了热点，LG发布了一系列大尺寸超高清电视，包括65 in，79 in，84 in，98 in以及105 in等，大大拓展了4K电视的尺寸选择。作为竞争对手的三星则同时发布了全球最大的110 in超高清电视。日本企业中，东芝同时发布的3款超高清电视中最大尺寸也达到了84 in。同年4月，索尼发布了85 in大尺寸超高清电视。大屏幕能够更充分地体现4K的超高分辨率，逐渐缩短的观看距离与增大的屏幕能够带来更为逼真的浸润式收视体验，也是4K最能够吸引消费者的特性。 正因为如此，为抢夺市场的主导权，2014年面板及品牌厂商都将产品策略重点转向48 in以上大尺寸。其中，三星苏州厂和LGD广州厂集中生产48 in，49 in和55 in的大尺寸面板。 1.4.2 多样化 1） 曲面、OLED、3D相结合 2014年1月，LG和三星相继在CES2014上发布了105 in的曲面超高清电视，曲面环绕式的超高清画面效果能够带来更强的视觉冲击。2015年1月，LG在CES 2015上发布了可弯曲柔性屏4K OLED电视，OLED阵营越来越庞大，也证明了OLED大规模走向普通用户只是时间问题；此外，厂商将4K超高清画质与3D进行了进一步结合。2012年1月，LG率先在CES 2012上推出84 in的4K超高清3D智能电视；2013年1月，夏普也推出了32 in的4K+3D电视。由于存在健康风险，3D在经过了几年的火爆后逐步沉寂，推广疲软。3D作为可选属性，与4K这一基础性能的结合，可以满足部分消费者的需求，也是视听走向“真三维”场景的必经之路。 同时，在今年CES 展会上，索尼展示的“史上最薄4K电视”吸引了部分眼球，机身最薄之处仅4.7 mm，符合索尼“外表与内涵兼具”的产品逻辑，也显示了索尼仍希望夺回大屏终端领先位置的野心。 2） 显示技术 在CES 2015上，LG发布了量子点超高清电视；三星也发布SUHD量子点曲面超高清电视；夏普则推出拥有6 600万子像素的4K电视，比普通4K电视的像素提高了167%，这些显示技术中，有部分技术创新，也有些是“旧瓶装新酒”的推广噱头，都体现出制造商在4K概念的基础上，进一步深度开发新概念的需求和趋势。 3） 操作系统 三星在CES 2015上推出的4K电视SUHD搭载了自有的Tizen系统；LG也在CES 2015上发布WebOS 2.0系统，并将应用于2015年所有超高清电视。新的操作系统的升级，使超高清电视的界面更加简化，内容访问更加顺畅、迅速，娱乐功能也更加突出。分辨率的提升与电视的智能化是电视终端沿着不同维度各自发展的结果，对应了消费者在视听体验与使用模式上的不同需求，两者的结合是终端产品演进的必然结果。因此，虽然智能电视概念推广的热潮暂告一段落，但是各家厂商都没有放松对电视智能化的探索。虽然前期各厂商都进行了基于Android系统的界面与应用开发，但是仍极力研发和推广各自的操作系统，希望能够摆脱对Google的依赖，因为电子市场的繁荣和电视应用的销售将是硬件厂商向上游转型的重要途径。 1.4.3 商业模式 为避免因内容稀缺而抑制消费需求，部分领先的终端厂商开始通过一己之力打通与内容供应商的合作通道，设备+内容的新型商业合作模式逐渐兴起。三星已与Amazon、Netflix、MGO Comcast、DirecTV、20th Century Fox、Paramount等公司达成协议，将在三星电视上播送超高清内容。与此同时，LG和东芝也分别与Netflix、Sky Perfect JSAT建立了合作关系，希望将内容与设备挂钩，通过提供丰富的内容，带动产品的销售。 2 超高清广播传输技术新进展 超高清的高分辨率意味着数据容量的倍增，给传输技术带来了很大的压力。全球已经掀起了超高清传输测试的浪潮。从传统广播传输通道来看，卫星成为4K超高清信号传输的首选方式。而互联网、混合广播等新兴超高清传输途径也开始出现。 2.1 广播传输通道 2.1.1 卫星传输 卫星传输具备大带宽、高速度、广覆盖等多种独特优势，多数运营商比较倾向于采用该方式来传输超高清信号，已有部分领先的卫星运营商完成了相关测试。 在亚洲，日本SKY Perfect JSAT公司先后于2012年10月和2013年3月分别直播和转播了4K格式的足球联赛。2014年3月，中国航天数字传媒发布了基于卫星传输的4K整体解决方案，该方案确保可以稳定地以实时64 Mbit/s的传输速度向用户推送4K视频内容。2014年6月，马来西亚卫星运营商Measat与比利时卫星运营商Newtec在亚洲移动通信展上演示了DVB-S2X卫星信道传输4K超高清视频，为广播商实现高效率低成本4K分发提供了可能。2014年7月，印度卫星电视运营商Videocon也完成了通过卫星传输4K信号的测试，并计划于2015年在推出印度首个4K电视频道。 在欧洲，卢森堡卫星运营商SES已在2013年4月进行了首次超高清卫星传输测试，并从2014年11月开始，利用C波段和Ku波段在巴西境内传输4K超高清节目。德国天空广播公司也在2014年4月通过卫星信号采用HEVC编码以超高清格式转播了德甲联赛，传输速率可达50 f/s（帧/秒）。2014年12月，捷克公共广播Ceske Televize（CT）联合斯洛伐克广播电视公司RTVS以及捷克国家传输公司CRa通过位于东经23.5°的Astra2B卫星进入超高清测试阶段。此外，俄罗斯MTS也于2014年12月发布声明称，其已开始超高清测试，一旦接收设备得到广泛普及，就将为用户提供服务。 2.1.2 地面传输 超高清地面传输测试采用标准区域性差异明显，主要集中于日本ISDB-T、欧洲DVB-T和美国ATSC3.0三种标准。 日本地面电视广播网络主要采用ISDB-T标准制式。日本在超高清方面一直处于领先地位，2014年2月，日本NHK已完成了8K超高清电视的长距离（约27 km）的无线传输试验。试验采用了OFDM传输体制及超高阶调制方式——4096QAM，并使用双极化天线和MIMO信号加强技术。同年5月，日本商业广播机构Kansai TV采用HEVC格式通过ISDB-T地面信道传输4K超高清内容的测试。 在欧洲，地面电视传输主要采用DVB-T标准。2014年3月，捷克国家通信传输公司CRa进行了DVB-T2地面信号4K传输测试，测试中采用的DVB-T2、HEVC允许移动电视接收，并实现电视与网络服务的互联。同年5月，法国HD Forum通过DVB-T2地面信道，采用HEVC编解码格式，传输测试4K信号，并计划在2018年正式运营国内第一个地面超高清频道。6月，英国BBC采用DVB-T2解调器，以DVB-DASH格式通过DTT地面信道和IP基础设施向封闭的环境传输4K内容。并在此后对世界杯赛事和联邦运动会进行了超高清转播。 2014年10月，美国Technicolor集团使用ATSC3.0规范成功完成了4K超高清电视无线传输测试，首次实现了可伸缩的HEVC（SHVC）视频编码、MPEG-H音频和MPEG的MMT A/V传输标准的技术性融合，支持“普通”天线、手机以及移动的地面用户的信号接收。 2.1.3 传统有线与光纤传输 由于超高清的有线传输对带宽要求较高，加之线路铺设等成本也比较大，所以，目前超高清有线传输测试开展较少。 2013年2月，日本KDDI和JCOM两家公司联合开发出通过有线电视线路高效传输超高清画质图像的技术，并在东京进行了传输测试。新技术采用全高清、4K以及8K 3种格式，可同时播放同样内容的图像。同月，西班牙Telefonica公司在NWC通讯展上，展示了利用100 Mbit/s光纤到户网络传输4K分辨率超高清流媒体的技术。6月，美国有线电视实验室（CableLabs）在美国有线电视展上展示了通过有线电视HFC网络传输4K超高清视频。此后，2014年10月，沃达丰新西兰分公司通过海底光缆进行了4K电视信号的传输测试，并取得成功，肯定了光纤传输4K的方式。根据实际的测试效果，从发送端到接收端的图像传输中，后者仅比前者延迟了0.25 s。而且，全程都采用了加密的方式，确保了传输的安全性。 2.2 新兴传输途径 除广播电视传输通道之外，一些领先企业也逐渐开始探索其他新型超高清传输途径。一方面，通过互联网进行超高清传输的测试开始兴起。2013年，日本OKI Electric Industry公司基于IPTV IPv6网络成功地将4K超高清电视节目从新加坡传输至东京与菲律宾，接收点处的视频码率达120 Mbit/s。同年4月，中国天津网络广播电视台也在积极探索利用IPTV宽带网络实现4K节目播出技术，搭建了百兆传输速率到60 in 的4K电视机的测试环境，以高性能电脑作为“机顶盒”流畅输出4K电视画面。 此外，基于互联网的4K串流技术进入了小范围的试验与应用阶段。2014年1月和3月，美国YouTube和Elemental Technologies公司先后展示了分别采用VP9和HEVC编码技术的基于互联网的4K串流技术，进一步提升了互联网传输超高清的效率。另一方面，2014年10月，波兰公共广播机构TVP另辟新径，在欧洲首次试验了经由HbbTV传输4K信号，至此，混合广播成为又一种新兴的超高清传输途径。 3 全球4K频道发展概况 随着超高清电视终端逐渐进入用户家庭，超高清传输测试不断取得成功，超高清逐步走向应用，部分国家开始开设4K超高清试验频道。全球4K频道分布情况如图3所示。
图3 全球4K频道分布情况图 3.1 亚洲 3.1.1 韩国 2014年4月，全球首个超高清有线电视频道U-max在韩国上线，播出纪录片、动画、现场音乐会和体育赛事等100个超高清节目内容。2014年计划提供200多小时的超高清节目内容，并将在2016年投资400亿韩元用于超高清内容制作。同年6月，KT Skylife公司推出韩国第2个4K超高清频道SkyUHD，采用H.265（HEVC）影片格式无缝传输，并计划于2015年正式全面实现商用。 3.1.2 日本 2014年6月，日本开始在CS卫星电视试播4K节目，并将在2016年启动BS卫星电视的4K节目试播。同年10月，日本IPTV服务商NTT Plala正式推出了旗下的首个4K电视频道Hikari TV，提供4K视频的VOD服务，是世界上首个商用4K/60pVOD服务。此外，日本SKY Perfect JSAT公司也将于2015年开设两个专门播放4K电视节目的频道并首次实现商用，提供日本职业足球联赛等体育赛事直播、电影及音乐现场直播等。届时，日本将有3个4K电视频道。根据日本超高清计划，2016年里约奥运会之际，日本还会再发射新的卫星，用来传输4K电视信号。 3.1.3 中国 2014年8月，基于有线5G双超网，中国首个有线4K超高清频道——大连天途有线超高清频道在2014年8月11日至9月30日期间进行试播。有线5G双超网以云业务平台为前端载体，以光纤为传输干线，采用光纤同轴复合缆入户，广播推送带宽达到5G以上，实现超高清、超宽带的信号传输。试播阶段的主要内容包括超高清电影、纪录片、风光片。 3.2 欧美 3.2.1 法国 2014年1月，法国卫星电视运营商EutelsatCommunication推出了4K电视频道，提供记录片、文化和体育节目等超高清节目。该频道采用HEVC格式编码、50 Hz的帧率及10 bit色深，任何带有DVB-S2信道和HEVC解码方案的终端都可以接收该信号。该公司还与亚洲卫星电视运营商ST Telesport达成合作，计划将Eutelsat 70B卫星上的4K频道覆盖到东南亚以及澳大利亚地区。 3.2.2 俄罗斯 2014年2月，俄罗斯卫星电视运营商NTV-Plus对索契冬奥会开幕式进行了首次4K卫星实时直播。随后，俄罗斯Tricolor TV电视台于同年7月通过Eutelsat36A和Eutelsat 36B两颗卫星进行4K电视信号传输，开始了境内首个超高清广播频道的试播，并计划到2015年春季实现超高清频道的大规模播送。 3.2.3 美国 美国有线运营商DirecTV已于2014年12月正式发射4K卫星DirecTV-14，信号覆盖区域约占美国领土的1/2。该卫星使用Ka波段和“反向”DBS信号，传输4K格式的电影和纪录片。此外，DirecTV还计划于2015年在美国推出首个4K频道。 4 小结 4.1 超高清整机销售带动业务发展 4.1.1 超高清整机 4K整机的大规模推广是电视厂商在寻找新的市场增长点的过程中所做出的必然选择。为了进一步拓展概念，并更好地呈现超高清的优势，终端将继续向着大尺寸、多样化发展，考虑到量产后的成本降低以及竞争因素，未来超高清电视的价格将逐渐下降，吸引更多的消费者购买。 4.1.2 4K传输与频道 受到技术成熟、标准推广进度的影响，超高清在广播通道上的大范围商业推广仍需要一段时间的试验和准备，并将首先于卫星和地面通道取得突破。目前互联网串流服务是4K商业化小众推广的主要途径。 4.2 超高清发展瓶颈 4.2.1 内容匮乏 从10年前高清电视发展的历程来看，内容的匮乏是阻碍我国高清电视产业发展的主要因素。重大的体育赛事、活动带来的丰富内容往往成为高清电视发展的重要推力。如今，内容也是制约当前超高清电视商业化发展的主要因素。开发新型视频格式转换技术，将低分辨率的视频转换成4K格式可暂时缓解4K片源匮乏的难题，但是从长远来看，必须积极推动原生4K内容制作和交易，并学习日本NHK经验，利用奥运会、世界杯、大型庆典等活动推动4K的跨越式发展。 4.2.2 传输和配套设施 目前，虽然全球有多个超高清试验频道，但是超高清信号源的广泛普及仍然需要时间。同时，多样化的超高清接收设备及相关支持器件、软件等配套设施也需要进一步发展。同时，由于超高清传输高码率的特点，需要不断开发并升级编解码等技术，提高传输效率，减低带宽压力，开辟多种传输途径。 4.3 国内的科研和推广计划 目前DVB、ATSC等国际标准都各自进行了技术演进，我国也已经对下一代数字电视标准进行了布局，目前，科技部“863”项目“新一代数字电视关键技术研究与验证”即将进入项目验收阶段。 在超高清电视的国内科研与推广上，通过该项目的支持，已经形成了一套4K超高清无线数字电视全链路样机演示系统。该系统主要包括6个部分，分别为：4K超高清的内容采集，4K超高清的内容制作，4K超高清的信源编解码4K超高清的无线信道传输，以及4K超高清的显示呈现。该样机演示系统是继1998年我国第一代（地面）数字电视样机演示系统后面临超高清业务的新一代（地面）数字电视样机演示系统，通过该样机演示系统的实现，标志着我国的主要科研单位已经掌握了4K超高清地面数字电视广播系统的核心技术。该项目的主要研究成果目前已经被国家广电总局NGB-W工作组选为广播电视行业标准草案的主要内容。作为NGB的试验示范区，上海计划在2015年下半年采用NGB-W行业标准开展超高清电视的实验播出，超高清电视广播将在产业化上迈出坚实的一步。 该文已刊登在《电视技术》2015年第6期 订阅电话：010-59570227 |
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