【摘要】 4K/UHD超強視覺體驗源自其視音頻創建各環節的質量嚴控。本文以質量監測視角，從圖像傳輸與重組、視音頻及傳輸鏈路、色彩校正、圖像寬高比四方面，闡述4K視音頻創建關鍵技術。

【關鍵詞】 傳輸與重組  視頻負載標識（VPID）  色彩校正  寬高比

一.引言

4K/UHD超強視覺體驗源自超高分辨率、超高動態范圍及更寬的擴展色域，使收視更具鮮活生動之感。而超強收視體驗的根本在于4K視音頻創建各環節的質量把控。本文將從圖像傳輸與重組、視音頻及傳輸鏈路、色彩校正、圖像寬高比四方面，闡述4K視音頻創建的關鍵技術。

二.傳輸與重組

1.   圖像傳輸

根據視頻幀率，將4K/UHD圖像采用四分屏或樣值交織分為四部分，每部分封裝為SDI信號，經由四條鏈路傳輸。

四分屏（片模式）傳輸如圖1-A所示，先將圖像劃分為A、B、C、D四部分，再如圖1-C所示將每部分圖像數據封裝為SDI信號經由四條鏈路傳輸。該方法最簡單，但在重組完整圖像前需要更多的存儲空間存儲各部分圖像，常用于拍攝和后期制作。

圖1 四鏈路圖像傳輸

樣值交織傳輸如圖1-B所示，將圖像分為A、B、C、D四個交織的像素組，并分別復用封裝為SDI信號，經由四條鏈路傳輸。該方法使用存儲空間較少，且處理時延低，但復雜、需要將數據復用為四個SDI碼流。常用于傳輸和編碼。

SMPTE352未定義字節指示傳輸模式，傳輸模式確定可使用下文將闡述的“視頻負載標識（VPID）”實現。

2.幀率定時

正確的幀率定時—幀延時對于視頻系統定時至關重要，表1所示為以ms（毫秒）為單位的幀率時長。四鏈路信號定時監測，最重要的是檢查各鏈路視頻幀率是否一致，不一致，則存在視頻格式誤配所致的定時不一致問題。

3.   圖像重組

4K/UHD創建始于超高分辨率攝像機基于擴展色域和超高動態范圍的圖像獲取。如圖2-A所示，攝像機獲取的4K/UHD超高分辨率、演播室或轉播車1080p 50/59、94/60或從23.98p到30p的HD信號均基于3G-SDI以四條鏈路傳輸。因此，信道間定時對于四鏈路信號接收端正確重組至關重要。

四鏈路SDI傳輸路徑不同，因電纜長度和設備傳輸延時不同引發定時偏移，確保每條鏈路所傳數據必須在定時差容限內接收，即每條鏈路信號傳輸延時必須符合標準，唯此可確保信號的正確重組。圖2-A所示SMPTE ST425-5標準規定了發送端鏈路A到鏈路D的SAV（有效視頻開始）/EAV（有效視頻結束）間的定時差，即發送端設備出口通道間延時不超過400ns，約29個時鐘；接收端設備最大信號延時沒有標準，完全取決于其定時差容限。圖2-B所示，鏈路A作為其他鏈路的參考信號，以黑場或三電平基準信號作為外部參考信號，校準鏈路A的定時；鏈路B、C與A間的延時為6740ns、1個時鐘延時，鏈路D與A間的延時為20222ns、3個時鐘延時。圓圈位于中心，說明輸入已定時至外部參考。標準規定輸入信號間定時差最大容限為1024個時鐘，超越此限，信號無法正確重組。

三.視音頻及傳輸鏈路

1.   視頻負載標識—VPID

SMPTE 352規定的附屬數據空間攜帶的VPID，對于快速解碼正確的視頻格式及判斷多鏈路傳輸模式下是否存在鏈路調換至關重要。圖3-A可見VPID所在行和采樣位置為Filed F1/Line 9。VPID遵循SMPTE 291附屬數據包和空間格式標準，圖3-A可見包括附屬數據標示（ADF）、數據標識（DID）、二級數據標識（SDID）、數據計數（DC）、用戶數據字（UDW1-4）及校驗和。圖3-B數據列表詳細說明了多鏈路模式下，4K信號各鏈路VPID所在行及采樣位置。

圖3 SMPTE352 VPID

表2所示為SMPTE352 VPID數據包定義，UDW1-4定義了圖像碼率、采樣率、顯屏寬高比、色度、單鏈路或多鏈路等重要信息，可用于定位修復視頻及傳輸鏈路問題。應注意的是不同視頻格式使用不同比特位定義規范，ST 425-1、425-3及425-5、四鏈路3G level A、2081-10、2082-10標準使用第三個字節B7位定義顯屏寬高比，而ST 292、372、435-1及425-5、3G level B標準使用第三個字節B5位定義顯屏寬高比。表3給出了UDW1定義。表4給出了UDW2-4圖像碼率、采樣率、色度、單鏈路或多鏈路及音頻定義。

表2 VPID附屬數據包

表3 SMPTE 352 VPID UDW1

表4 SMPTE 352 VPID UDW2-4

2.傳輸模式、視頻格式及鏈路順序

4K可承載諸多視頻格式，VPID可用于確定傳輸模式、判斷視頻格式正確與否及多鏈路傳輸順序調換問題。如表2所示，UDW2 B6、B7可用于判斷傳輸模式是“四分屏還是樣值交織”，“0”為“樣值交織”，“1”為“四分屏”。

多鏈路傳輸模式下，如表2和4所示，UDW1-4承載的圖像碼率、采樣率、色度等信息可判斷是否存在多鏈路視頻格式不一致問題。若存在信號鎖定問題，單鏈路模式檢查每條鏈路視頻格式，以確定是否存在多鏈路視頻格式不一致問題。

多鏈路傳輸模式下，UDW4可用于判斷鏈路順序調換問題。如圖4-A所示四鏈路前三個字節UDW1-3是一致的，分別均為89h、CAh、00h。單鏈路模式下，UDW4與UDW1-3也應一致。但多鏈路模式下，UDW4分別定義為各鏈路信息，四鏈路UDW4互不相同，故UDW4可用于判斷鏈路順序調換問題。圖4-A所示四鏈路UDW4序列為01h、41h、81h和C1h，說明鏈路順序正常。圖4-B所示四鏈路UDW4序列為01h、81h、41h和C1h，說明鏈路B和C順序調換，故“Signal”狀態標示為“Link swapped”。應驗證信號路徑并改變信號連接，糾正鏈路調換錯誤。

圖4 鏈路順序調換

四. 色彩校正

1. 色域

如圖5所示，4K基礎色域采用ITU-R BT.709傳統HD色彩，擴展色域采用ITU-R BT.2020擴展色彩空間，獲取更加豐富靚麗的色彩。電視色彩規范基于1931年CIE標準規定的整套主要XYZ三色激勵值，由R'G'B'轉換的正數值，Y值與加性混合亮度成比例。

圖5 ITU-R BT 709和2020色彩空間CIE圖表

表5-A給出了CIE標準光源。系統白點由紅綠藍三種顏色等量相加而來。色域是特定色彩空間的完整色彩范圍，如表5-B所示，由色彩空間紅、綠、藍三基色xy坐標值界定。表5-C給出了R'G'B'電壓電平轉換亮度和色差信號Y'P'bP'r的公式。

表5 標準光源 三基色XY值 亮度和色差值

2.色彩空間

REC.2020全方位調整了分辨率、幀率、色彩深度、色彩空間、伽瑪校正，特別是色域擴展，使UHD色彩更為豐富。色彩深度由REC.709的8bit提升至10或12bit，增強了圖像的色彩層次與過渡；色彩空間覆蓋了CIE1931的75.8%，白點D65色溫6500K；REC.709僅覆蓋REC.2020的35.9%。

基于Rec.709和Rec.2020的4K與基于Rec.709的HD間色彩區別，比較圖6-A HD和6-B UHD波形，UHD彩條波形尖峰脈沖轉變正常，因為所有鏈路均未使用視頻過濾。因此，四鏈路傳輸圖像可無縫再現4K圖像，否則，重組圖像間可見一條細細的黑線。比較基于Rec.709（圖6-A HD和6-B UHD）、Rec.2020(圖6-C UHD)及Rec.709和Rec.2020色彩空間（圖6-D UHD）的彩條波形，其視頻電平還是存在差別。因此，應謹慎選用色彩空間。

圖6 HD和UHD 100%彩條YPbPr波形 Rec.709和Rec.2020

色彩空間選擇使用彩條信號。100%彩條信號的每個顏色分量RGB（紅、綠、藍）均有兩個視頻電平100%（700mv）和0%（0mv）狀態。如圖7-A所示，視頻電平轉變是圖7-C彩條信號所有顏色（白、黃、青、綠、品紅、紅、藍、黑）結合而成。不同方程式應用不同色彩標準（Rec.601、Rec.709和Rec.2020）產生不同Y'P'bP'r分量信號電平。圖7-A RGB波形的小尖峰信號是亮度和色差帶寬間不等的上升時間和Y'P'bP'r轉換回R'G'B'所致。在圖7-B SD和7-D HD間綠色/品紅色轉換，較SD而言，HD轉換要更多。這是亮度和色差值采用方程式不同所致。

圖7 SD彩條RGB波形及測試圖 SD及HD彩條YPbPr波形

圖8是基于Rec.709和Rec.2020的4K色彩空間的RGB彩條波形，圖中可見波形電平差。色彩空間選擇正確，波形跡線在0%和100%（700mv）電平位置，不正確，不是所有彩條信號均在0%和100%電平位置。

圖8 100%彩條信號RGB波形 Rec.709和Rec.2020

3.色彩校正

4K圖像色彩分級是實現超高畫質的關鍵。4K作為新格式依然采用傳統色彩分級獲取高質量色彩。基本色彩分級包括圖像色調范圍和色彩分級，通常展開色調范圍至其最大自然范圍。

色彩校正起點可參考圖9-B。圖中可見，黑色不在0位置，白色也不在700位置。如圖9-A所示，使用暗影、黑色或暗影拉升使畫面陰暗降至最低電平（暗影、黑色或暗影拉升處理方法相同，只因使用色彩分級方法不同稱呼不同）。對以數字方式創建和收看的視頻而言，暗影、黑色或暗影拉升電平均為零。參考圖9-C將高光置于100，參考圖9-D調整色彩電平。

圖9 色彩校正

注意不是所有圖像均有黑色0和白色100。應觀察圖像是否存在暗黑和亮白，存在，將圖像在1-100內展開，用高光和暗影將其調至合適電平，以獲取所需圖像亮度。參考圖10-A和10-B，基于伽瑪校正和中間色調處理圖像，再回至暗影和高光處理，參考圖10-C和10-D觀察圖像，確保色調不因伽瑪校正和中間色調處理改變過度。

圖10 伽瑪校正前后

色偏處理如圖11-A所示中間色彩圖像引入色偏后可能生成圖11-B所示的整體呈現“金色”的暖色調圖像或者圖11-C所示的冷色調圖像。基于色彩分級的色偏處理可使圖像呈現較冷、較暖或對比度增強的色彩。

圖11 色偏處理

色彩平衡首選RGB波監。它顯示紅、綠、藍色彩通道的相對值。色彩平衡圖像如圖12-A所示，生成純色、黑平衡、白色或灰色，每個色彩通道等量。RGB波形若藍色通道底部較其他兩色彩通道底部較高，則黑色中摻雜藍色；若波形頂部紅色通道較藍和綠色通道稍高，則高光呈現淡品紅或紅色。色彩平衡要做的是安排色彩通道的底部和頂部。但也存在例外，尤其是存在大量相同色彩的圖像—如圖12-C所示的巨大草坪，因大量綠色致使綠色通道提升，但圖像依然呈現色彩平衡。色彩不平衡圖像如圖12-B所示，右側藍色通道頂部剪切，黑色和中間色調與左側紅色通道和中間綠色通道比較，相對提升。即圖像某通道比其他通道存在更多剪切，剪切視為波形頂部或底部跡線變平或變亮，導致色彩不平衡。

圖12 RGB色彩平衡處理

色彩平衡的另一種選擇是矢量示波器。色彩平衡圖像如圖13-A所示，矢量示波器顯示純黑、白和灰色，無論亮度如何，所有色彩跡線均關閉至示波器中心位置。色彩不平衡圖像如圖13-B所示，因圖像色彩僅由黑、白、灰三色構成，所有色彩跡線離中心位置很近，跡線向藍色矢量傾斜，呈現憂郁色彩。由此可見，越遠離中心位置，色彩越艷麗、色彩飽和度越高，色彩呈現越生動。經典色彩圖像如圖3-C所示，“會客庭院場景”畫面，色彩跡線呈現人物膚色紅色、草坪黃/綠色及藍天色。

圖13 矢量 色彩平衡處理

五.圖像寬高比

圖14-A說明了從SD到4K各種在用格式的圖像寬高比，圖14-B展示了不同分辨率對應的圖像尺寸。

圖14 不同格式的圖像寬高比及尺寸

寬高比是指圖像的水平與垂直尺寸之比。UHD圖像尺寸為水平方向1920像素、垂直方向1080像素，因此，圖像寬高比為1920/1080=1.778=16:9。不同圖像尺寸的寬高比如表6所示，4K/UHD或HD（1080）、電影（4K）或HD（2K）及數字影院（4K）寬高比分別為1.778:1、1.896:1及2.39:1，與之對應的圖像尺寸分別為3840×2160或1920×1080、4096×2160或2048×1080、4096×1716，如此等等。

表6 不同圖像尺寸的寬高比

4K畫面能否以適合的寬高比收視是一項頗具難度的工作，尤其是圖像轉換處理過程中，可能出現圖像失真或剪切不正問題。因此，確保正確的圖像寬高比至關重要。圖像寬高比定位需要從水平和垂直兩個方向，檢查圖像開始和結束的有效位置。例如，圖像尺寸為3996×2160的4K圖像寬高比1.85:1。其圖像首個有效行行號如圖15-A所示為83（A0），其末尾所在有效行行號如圖15-B所示為2242 (A2159)。圖像居中，首個有效像素Y樣值位置如圖15-C所示為50.AY ,最后有效像素位置如圖15-D所示為4045.DY。

圖15 圖像首個和最終有效行和樣值位置

六.結語

四鏈路傳輸準確的圖像定時重組，視音頻格式正確與否，四鏈路傳輸順序正確與否，色彩校正，圖像轉換處理保持正確的圖像寬高比，這些視音頻創建階段的關鍵技術、甚或難點技術，直接關系到優質4K/UHD視音頻內容的生產，更直接關乎超強視覺體驗的實現。至關重要，應從嚴掌控。

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