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超越4K超高清:推动显示技术的下一步是什么?

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iPhone 8拥有一块巨大的5.8英寸OLED屏幕。为智能手表和智能手机,PC,电视和家庭影院等所有类型设备的制造商提供屏幕创新,为最终用户提供明显更好的体验是一项越来越难的挑战。

增加像素密度可以获得更清晰的图像和图形,边缘更平滑,更清晰,而每像素更多位允许更大的色深,有助于使图像更加生动和生动。对于诸如电视,视频或游戏之类的运动图像,较高的帧速率提供了呈现更平滑,更流畅的运动的关键。

 

至于处理更多和更深像素的图像或图形处理能力,在不断增加的帧速率下,摩尔定律在芯片性能方面的进步使得连续几代芯片能够支持进步的需求:从高清(HD)上升一些短短几年前,为今天的起居室提供4K UltraHD(UHD)设备,即将推出8K标准。

在H.265(高效视频编码或HEVC)编解码器的出现中可以看到一个示例。H.265实现了前一H.264 AVC标准的大约两倍的压缩,这对于通过因特网以可行的比特率流式传输诸如4K视频的内容是至关重要的,或者将4K电影存储在蓝光光盘的容量限制内。虽然H.265显着降低了流式传输4K内容时确保高图像质量所需的带宽,但编码,预测和变换等操作要比H.264复杂得多,并且要求更高的处理器性能。

 

观众可以看到差异吗?

显示技术也在不断发展,为最终用户提供更多令人印象深刻的体验。当Apple将Retina显示器引入其iPhone时,当时首席执行官史蒂夫乔布斯声称像素密度足够高,以至于当从大约12英寸的舒适距离观看屏幕时,人眼无法感知到单个像素。测试人员确实注意到图像更清晰,文本更清晰,边缘更圆润。从那时起,Apple推出了具有更高像素密度的升级Retina显示器,使用RetinaHD和Retina4K等术语来区别于前辈。

乔布斯的条款表达了消费电子品牌寻求通过提高像素密度来提供更好的观看体验的主要问题:最终用户对图像质量的感知受到屏幕尺寸和观看距离的严重影响。如图1所示,例如,当从约5英尺观看时,在大约90英寸的屏幕尺寸上,8K视频可能实现的改进真正自成一体。这有效地缩小了8K消费者设备的市场范围,使那些准备为90英寸屏幕感到自豪的房主,以及拥有足够大的房间以便能够舒适地坐在5英尺或更远的地方观看它的人。

 

图1:可以感知分辨率增加的屏幕尺寸和观看距离。

 

然后,存在最新格式的内容可用性的问题。如果观看蓝光光盘但必须等待高清卫星或地面广播(或高清机顶盒)才能获得高清电视机的早期购买者能够看到其投资的好处日常观看时的全部好处。今天,4K UHD也存在类似的情况。可以使用4K和4K电视,价格变得更加经济实惠,但很少有频道可以提供大量的4K内容。

8K可能会更慢到达。今天,内容通常在UHD中创建,以允许后期制作进行缩放,裁剪和数字校正,并且仍然可以确保视觉效果和整体图像在更易于消费的格式(如高清2K或1080p)中看起来很好。8K是罕见的,仅用于在高质量胶片印刷品数字化时需要大量后期制作的情况:2012年的阿拉伯劳伦斯扫描就是一个着名的例子。银河护卫队Vol。2 2016年6月完成了8K的生产,使其成为新兴格式的第一个特色。然而,8K的电影不太可能以这种形式出现在影院上映。从前面提到的实用性的角度来看,消费者对8K内容的需求 - 例如通过流媒体服务 - 受到质疑。

加快帧速率是制造商推动边界和标准的另一个领域。电影在很大程度上保持了每秒24帧(fps)的标准,但导演已经进行了更高的实验。彼得杰克逊以48 fps的速度拍摄了他的霍比特人电影,这减少了运动模糊程度,有些人批评了这种效果:显然,电影爱好者希望他们的电影能看到一些运动模糊。

 

游戏玩家:无可争议的赢家

另一方面,视频游戏可以通过更高的帧速率提供更好的用户体验。当游戏玩家对屏幕上的视觉效果做出反应时,高帧率可以提供更平滑的感觉。对于控制台,60 fps被认为是最佳的,而PC游戏允许基于硬件性能进行调整。领先的虚拟现实集使用了90 fps的帧速率,例如Oculus Rift和HTC Vive。这里需要更高的帧速率,因为绑定到玩家脸部的虚拟世界被认为是真实的,因此大脑期望刷新率实时响应移动。虽然科学尚未得到解决,但帧速率的不一致被认为是“虚拟现实疾病”的背后。

更快的处理意味着可能更快的渲染时间和帧速率,但是人类可以感知帧速率的速度有限。可以比较帧速率与游戏性能的感知; 屏幕上的数字越快移动,图像需要更快的变化。2006年,Claypool,Claypool和Damaa的一项研究测试了玩家在不同帧率的第一人称射击游戏中的表现,并表示性能在30到60 fps之间增加不多。游戏玩家可能不同意研究的精神,因为经验是关于“感觉”和表现的。无论如何,具有更复杂图形的现代游戏可能会影响今天的研究结果。 

尽管60 fps似乎是玩家表现和感觉的良好基线,但最终的限制是人眼可以感知帧速率的速度。尽管每个人都不同,但是休闲游戏玩家通常会在60 fps以上的收益递减。

最后,增加屏幕刷新率的效果对感知的视频质量或游戏体验具有重要影响。刷新率 - 与源视频帧速率不同 - 描述了屏幕可以重绘所显示图像的速度。为了管理屏幕刷新率和输入源的帧速率之间的差异,例如,视频的24fps或来自游戏控制台的60fps,电视将插入中间帧。这些可以是重复帧,黑帧或内插帧,其通过基于前后帧的计算中间内容而构建。

更高的刷新率为巧妙地使用帧插入提供了更大的空间,可以呈现清晰,清晰的图像并减少运动模糊。今天一些最快的屏幕可以刷新高达120 Hz或165 Hz,或者在某些1080p显示器的情况下更快。然而,在这里,产品制造商也可能追逐收益递减。已知过度激进的插值在显示电影时导致不自然的平滑运动。这被称为“肥皂剧效果”,并且像霍比特人的超快速帧率一样,引起了电影爱好者的批评,他们认为真正的电影观看体验已经失传。另一方面,今天的显示技术选择可以支持令人难以置信的流畅游戏。

接下来的挑战是使显示器以高速刷新而且以更高的分辨率刷新。4K屏幕需要更多的处理能力和更快的图形卡来刷新更多像素,同时将输入帧速率与监视器刷新率同步。今天的一些4K电视声称具有高达240 Hz或480 Hz的极高刷新率。然而,这些帧速率不一定与旧电视机所引用的本机帧速率相当,而且还表示设计用于在UHD屏幕上清楚地显示快速动作的处理技术的效果。还需要软件和接口硬件的进步,以实现UHD屏幕及更高屏幕的高刷新率。DisplayPort是目前使用最快的音频/视频接口IC之一,最多可以显示高达30 Hz的刷新率,

 

每一个新的开始

随着4K UHD的成熟和8K产品的预期到货,家庭视频设备可能接近有意义的性能提升的极限。消费者可能根本无法感知到图像质量或观看体验的有价值的改善。特别是游戏和虚拟现实可能是例外,并且未来可能会继续要求在高屏幕分辨率下提高帧速率。

然而,技术进步很难停止,如果对额外原始屏幕性能的需求很少,主要品牌可望推动其他技术的进步,以提供新的和引人注目的体验。这些可以基于在屏幕上组合电视和互联网内容,例如与IMDB数据同时显示电影动作。

与以往一样,发展消费者市场的关键是提供以前无法想象的创新,这些创新很快就会变得不可或缺。就不断增加的分辨率而言,8K观看可能是道路的终点,但更令人兴奋的事情的出发点。