2018年02月12日 | HDMI 2.1版火热出炉 高画质影音需求风起云涌

高画质影像渐成为主流影视标准，HDMI也趁此趋势发布最新标准，宣告4K、8K时代正式到来，甚至10K影像应用也风起云涌。 本文将针对2017年底公告的HDMI2.1规格书，以及量测实验室之观察经验，论述未来HDMI最新发展与未来影像趋势。

随着高画质影像渐渐成为主流影视标准，而4K显示器陆续出炉，因此过去数据的传输规格恐怕已不符合未来需求。 HDMI论坛(HDMI forum INC.) 即在2017年初，宣布新的影像标准，并赶在2017年底前，正式发表HDMI 2.1规格书(Specification)，这个新规格除了影像传输速度大幅提升外，且将未来10K/5K影像的需求也考虑进来， 此举代表了消费型影音产品正式进入了10K/5K新时代。

高画质影音需求增 HDMI 2.1现10K规格

HDMI传输线普遍运用在消费型影音产品，包括电视、计算机、播放器、影片串流等装置的影音传输上，一条HDMI传输线同时承载着影像与声音的讯号，并且确保影音在传输的过程中讯号不会衰减。

那么10K/5K是怎么样的概念呢?若不考虑技术上是否能达到，大部分消费者的疑问将会是10K/5K显示技术是否有其必要性，毕竟影音消费市场由FHD(1,920×1,080)进展到UHD(4K2K, 3,840×2,160) 的分辨率，也花了将近三年的时间，4K(3,840×2,160)分辨率设备才刚刚开启普及之路。

事实上，从2014年4K/2K技术的公告并没有带来大量的换机潮，而到2017年底，大部分的电视机及电影的格式仍然停留在FHD的分辨率，更遑论8K(7,680×4,320)分辨率还尚未登场。

相对于HDMI另外一个组织VESA，早已在2014年就公告了DP1.3(DP1.4的前身)8K/4K的技术规范。 然而8K/4K到目前为止在显示器(Monitor)的市场能见度还是非常的低，这是否意味着消费者对于分辨率并没有明显的感受。

之所以没有明显感受，原因主要来自于人眼感受度无法到这么大，但此次发布的HDMI 2.1还有加入动态HDR(Dynamic HDR)的规格。 未来在影像的景深、细节、明亮度，以及反差等都可以改善，以更广的色域显示；且视觉效果加入纵深度，因动态HDR的加入，而可以达到更好的三维效果。

基于此理由HDMI这次公告的规格并不只有分辨率的提升，也带入了在未来影音产品的其他规格。 因此本文第一部分将针对2017年底公告的HDMI2.1规格书，爬梳介绍；第二部分将针对笔者在任职的宜特科技讯号测试实验室所观察到的趋势提出浅见。

承载更高分辨率 HDMI2.1传输规格攀升至48Gbps

根据HDMI释出的标准，HDMI 2.1将支持「动态HDR」，藉由逐格的影像强化，提供比静态HDR更好的显示效果。 在物理上，HDMI 2.1的Cavle外观与现在HDMI 2.0是完全一样的，但2.1能承载更高的分辨率与更高更新率，可携带的影像分辨率提高到10K，更新率最高拉到为120fps。

传输带宽从目前HDMI 2.0的最高数据传输速度为18Gbps，而HDMI 2.1规格则一口气将传输速度的带宽提升到48Gbps(图1)。 在音效方面也会在质量上有进一步的提升，强化了音频的细节和深度。 以下将针对规格书，在FRL(Fix Rate Link)Mode导入、DSC压缩、eARC音频技术导入与Dynamic HDR这四项作进一步的说明。

图1 HDMI 2.1版本将传出带宽拉高至48Gbps。
导入FRL mode改善HDMI 1.4/2.0 TMDS mode缺点

在HDMI 1.4跟2.0的时代，HDMI的物理层(Physical layer)传输格式，一直是依循Silicon Image所定义的TMDS(Transition-minimized differential signaling)模式(图2)。


图2 HDMI1.4与HDMI2.0版本-TMDS图形
在这种模式下讯号是由Data 0、Data 1，以及Data 2三组Data line，与一组Clock lane组合而成。 这种模式很自然是由早期YUV，或者是RGB三组Video讯号，并且加上Sampling Clock的组合。

这种组合以现在有线传输的技术来看，在有限的传输线组下自然是比较浪费的，因为Clock上并未加载任何信息(Data)。

而在HDMI2.1版本，FRL模式(Mode)则是把四组差分的传输线均定义为data line，分别为Lane 0、Lane 1、Lane 2、Lane 3；而Clock则必须由Data中分离出来。

这种模式其实并不是新的技术，早在Displayport 1.0的时代便有类似的应用称之为CDR(Clock Data Recovery)模式，Clock就是由Data中分离出来的。

这样的安排可把Total Throughput增加1/4，使传输效率提升。 虽然字面上FRL mode是指Fix rate(表1)，可是应用上data rate不是真的只有一种频率，根据不同的分辨率还是分为3GHz、6GHz、8GHz、10GHz跟12GHz ；而不同的频率则分别可以安排3个Lane或4个Lane。



FRL model coding更改为16b18b模式

TMDS的编码(Coding)方式是把8 bit的一个byte转为10bit的编码，再以Serial的方式载在Data bus上传输。 以这种模式传输10bit中，有2个bit是浪费的，所以Coding效率只有80%。

FRL mode把编码改为16b18b(图3)，其中依然只有两个bit是浪费的，自然地在Coding效率上增加为16/18=88.88%。 同样的是为了增加Throughput的一种手法。


图3 16b18b图形
16b18b的作法，是将两个8bit的byte先串联在一起，再把其中9个bit当作一个单元查表，得到10 bit的编码，再把剩下的7bit查询另外一表，得到8 bit的编码，最后把10bit跟8 bit串联在一起得到18的编码 ，同样能达到Coding能量分散的效果。

获得更高分辨率 HDMI 2.1导入DSC模式

HDMI所用的DSC压缩并不是HDMI自己发展出来的，而是由VESA所拥有的DSC V1.2授权使用。 DSC的全名是Display stream compression，VESA宣称这是一种视觉上看不到损失的压缩方式。 对比HDMI 2.0之前的特点，HDMI一直强调是传输非压缩的讯号。 DSC的导入可看出HDMI在致力提高分辨率的同时，不得不向现实的物理特性妥协。

如果以HDMI 2.0在4K/2K的Data rate计算，如果仅增加一条Lane，同时将分辨率加到8K/4K，在444的模式下每个信道将高达18GHz；如果是10K/5K， 则进一步达到28.125GHz，这在传输的物理特性几乎是达不到的，更不用说应用在消费产品上。

因此，DSC的特性是只针对H方向做压缩，对于V方向则不做处理。 由HDMI 2.1公告的Timing table为例，一个10K/5K 422的Timing，原始分辨率为10,240×4,320，经过DSC压缩后将成为3,120×4,320，压缩大约为原来的1/3。

将ARC改良成eARC提升音效质量

HDMI 2.1支持新的eARC技术(图5)，比起现有的ARC(Audio Return Channel)，可回传Dolby Atmos等Object-based音效。 ARC在TV级音响系统的应用已渐成为标准，ARC的传输原本就提供单端与差动两种模式。 由于单端的应用设计较为简单，大部分系统仅支持单端设计，然而现实的应用上，单端传输与抗噪声的能力本来就比较弱，所以ARC大多仅支持48K Sampling rate的格式。


图5 eARC图形
HDMI 2.1将ARC改良为eARC(enhance Audio Return Channel)，同时支持Differential模式与Common模式的传输。

Differential模式可以传输高达36.864MHz

/192K 24bit的PCM音频或者24,576MHz/768 frame rate的nonlinear-PCM的音频；而Common模式则可以传输1M的Control讯号。 Differential mode跟Common mode的讯号是同时传输的。

结合动态HDR使画面呈现更有「看」头

HDMI 2.1支持最新的动态HDR(Dynamic HDR)技术，比起目前HDMI 2.0的静态HDR(static HDR)，动态HDR可以确保影像的每一幕，甚至是每一影格画面都进行重新调整，从而每一影格(Frame) 画面都能够显示出景深、细节、亮度、对比度的理想值以及更宽广的色域。

在HDMI 2.0a的规范中，已经带入HDR的应用，其中传输的环境参数诠释数据(Metadata)是称作(静态的Metadata)Static metadata，也就是影片中所携带的HDR讯息只有一种， 从播放开始到结束都不会有变化。

HDMI 2.1则导入动态(Dynamic)Metadata，环境参数Metadata是可以每一个影格(Frame)变动的，理论上这种模式可以更精确地还原HDR的影片。 不过在实际的调校仍有一定的困难度。

10K/5K还须内容推动

HDMI 2.1测试规范(CTS)预计要到2018年5月底才会分阶段发布，但以笔者身为宜特科技验证测试实验室的观察发现，大部分厂商仍以HDMI 1.4与HDMI 2.0的测试为主，对于HDMI 2.1在10K/ 5K这方面仍保持观望态度。 原因主要有二，一是来自于4K/2K尚未真正普及，遑论10K/5K更还在讨论阶段；二来自于内容面(Content)，包括电影规格等内容面，尚未有10K/5K问世，硬件面是否要如此早投入研发，保持观望。

不过目前电视影像的播放，重心有逐步转到网络串流端，包括亚马逊、Netflix等都在自家网站乘载影音，未来10K/5K的内容导入，亦有可能是从网络设备端进行。

(本文作者任职于宜特科技)