用于大型LED显示屏的超高清视频质量评价要点

0 引言

随着LED显示屏技术(特别是小间距屏幕)的高速发展，LED显示屏在交通指挥室、作战指挥室、大型会议室及调度中心等场合拥有巨大的市场。由于这些大屏幕的分辨率高(动辄都在4K以上)、面积大，对视频细节、拼缝、色差等方面的要求苛刻，所以对视频存储、解码及播放也需要很高的要求。对此，本文重点讨论高于4K分辨率的视频文件在大型显示屏上的播放质量评价。

1 常见的RGB和YUV编码方案

RGB和YUV都是色彩空间，用于表示颜色。YUV通常通过RGB输入信号来创建，YUV通过运算也可以还原出RGB。YUV主要用于优化彩色视频信号的传输，且向后兼容黑白电视。YUV中“Y”表示明亮度，“U”和“V”表示色度。“U”是蓝色差值，“V”是红色差值。图像处理时，一般会把RGB图像转成YUV图像(因为图像压缩利用了人对亮度比较敏感，但对色彩信息相对不太敏感的生理特性，把色度的分量减少)之后，才开始进行其他压缩算法的编码，比如目前的主流压缩算法H.264。最常用的YUV的采样格式有 YUV 4∶4∶4、YUV 4∶2∶2、YUV 4∶2∶0 和YUV 4∶1∶1。

图1所示为YUV示意图，图中，黑点表示“Y”，空心圆圈表示“U”和“V”。三张图片(从左至右)分别表示：YUV 4∶4∶4、YUV 4∶2∶2、YUV 4∶2∶0。

图1 YUV示意图

日常生活中常见的DVD、家用摄像机及数码相机拍摄的视频所采用的编码方式为YUV 4∶2∶0。

YUV 4∶4∶4是无压缩、效果好、最能反映原始影像的编码格式，随着技术的更新和变革，YUV4∶4∶4的需求越来越广泛(如电影乐园、电影院及各种视频秀等)。笔者所在单位曾做过一些使用无损压缩视频格式的项目，如JPEG 2000、PNG序列帧等，这些视频在制作的时候就采用YUV 4∶4∶4进行采集，然后再进行编码，场景的显示效果、细节和颜色的还原都非常清晰、准确和精致。

若追求无损的视频质量、准确的颜色展示和极致的细节处理，YUV 4∶4∶4的无损压缩格式无疑是非常好的选择，但若视频容量巨大，视频码流一般的播放器难以处理，需要顶级配置的视频服务器。相对来讲，YUV 4∶2∶2编码格式是在高品质视频中应用比较多的一种，兼顾了高品质和视频服务器的处理能力。

2 视频的帧频

目前常规的视频帧频都在30帧左右，达到60帧的较少。相对于30帧的视频，60以上帧频的视频质量(特别是快速运动画面)有极为明显的提升，成本也有成倍地增加。目前已经有支持60帧视频的播放器、处理器及拼接器等相关视频处理设备。

在普通的电视机或者尺寸不大的视频屏幕上，帧频的差异并不明显，但当把快速运动的视频在一块几十、几百甚至上千平方米的显示屏上进行显示时，运动画面会有明显的卡顿，除通过视频处理可以进行运动补偿外，其实通过提高帧频就可以改善这种卡顿。

举个例子说明。比如画面上是一辆汽车从摄像机前方开过，参照物是路边的一棵树，镜头里面的景宽约22m，车的速度是60km/h，可以计算得出，其每秒移动17m，如果帧频是30，那么每帧移动就是0.55m，对应于4K的超高清画面，其大概移动了96个像素，如果是P1.25的产品，其每帧要在屏幕上移动120mm。如果帧频提高一倍，那么每帧在屏上移动的距离只有60mm。这样就能改善视频画面的动画效果，变得流畅。

3 使用10bit甚至更高位数进行编码，成片和播放

使用高于8bit的编码有3个好处：提高灰度、视频转换精度高、同等视频质量码流更低。这里首推10bit。

1)色彩级数

10bit视频是指一种视频编码的特征，每个颜色通道的色彩级数是1 024级，可以细致地表达颜色，渐变色更细腻。10bit由于颜色级数是8bit的4倍，不容易出现色块，同时由于相邻颜色区别更小，人眼也难以看出色块之间的界限(图2)。

图2 8bit和10bit图像对比图

2)10bit编码转换精度高

通常RGB(8bit)=> YUV(8bit)=> RGB(8bit)转换的结果，R,G,B三个通道的错误率最高会达到40%，最小的蓝色也有接近20%。而 RGB(8bit)=> YUV(10bit)=> RGB(8bit)转换错误率为0，这是10bit的主要优点。这里用一个通俗的比喻就是，在进行圆方面的计算时，虽然要求保留两位小数点，但是使用3.1415926得到的结果将更为准确。

3)数据量

直观上感觉10bit比8bit多占用25%的数据量，但在实践中10bit往往能带来更高的压缩率。所以，虽然显示终端大多数是8bit处理设备，但是由于有以上这些优点，在条件允许的情况下，使用10bit视频仍然是一个最优的选择。

4 多台设备的播放帧同步和锁相

按照目前的视频播放机性能，想要进行超过4K分辨率无损视频播放是很困难的，所以必须对视频进行分割，用多台视频播放器进行同步播放。对此，一个最基本的功能就是要能够多台设备帧同步输出。目前帧同步技术有两种，一种是通过网口同步，好的播放器会使用万兆网，另一种是使用同步卡。经过实际测试和主观评价，超过3ms的帧时间差就能够用肉眼分辨出来。如图3～4，分别表示相差3ms的左右拼接和上下拼接效果图。

图3 相差3ms的左右拼接效果图

图4 相差3ms的上下拼接效果图

5 视频接口

目前，如果需要支持4K分辨率、YUV 4∶4∶4、10bit、60帧的视频输出，就需要一个能够承载此码流的数据接口进行视频传输。目前主流的超高清视频接口主要有HDMI和DP，在超高清和甚高清领域，DVI已被淘汰。

1)HDMI接口

HDMI接口作为电脑电视常用的高清显示信号源输出/输入接口，常用的标准是HDMI1.3和1.4版本。HDMI 2.0标准于2015年4月公布。

2)DP接口

2006年5月，视频电子标准协会(VESA)确定了1.0版标准，2008年升级到1.1版。DP 1.1最大支持10.8Gb/s的传输带宽，目前新版的DP 1.4的带宽达到了32.4Gb/s，足以支持10bit色彩的4K 120Hz输出，也可以支持8K 60Hz输出。

虽然收费的HDMI 2.0b的规范传输带宽最高达到18Gbps，可以支持高质量的10bit、60帧、YUV 4∶4∶4 视频的传输，但相较于免费的DP 1.4规范的32.4Gbps带宽，仍显得技术落后，所以支持高质量视频输出的设备大多会选择DP口。

6 结束语

超高清视频这种数据庞大的文件对播放器的软件和硬件要求非常高。目前市场上有一些在秀场和电影院、剧场应用的高端视频播放器可以使用，比如D3、BSM等都是很好的顶级播放器。

LED显示屏在全世界得到了广泛应用，越来越多的场景特别是创意显示等项目上出现了巨型显示屏，这些显示屏的视频都是经过特别定制，如果按照上面的评价指标的上限进行制作，再通过上述的播放器进行解码还原，将会得到一个非常接近原始素材的视频画面，最大限度地满足片子导演和投资方对视频质量的需求，给人的视觉感受将极其逼真和极具震撼效果。