Extron 電子的總部位于美國加利福尼亞州的阿納海姆市，是專業(yè)視音頻系統(tǒng)集成產(chǎn)品的領(lǐng)導(dǎo)廠商。Extron 產(chǎn)品可將視頻和音頻集成到范圍廣泛的演示系統(tǒng)中，包括學(xué)校及大學(xué)內(nèi)的教室和禮堂、公司會(huì)議室、教堂、指揮和控制中心、體育館、機(jī)場、演播室、飯店、商場以及博物館。

4K 技術(shù)簡介

4K 視頻分辨率

幾年前推出的 4K 顯示系統(tǒng)主要用于支持高端應(yīng)用，如數(shù)字影院、科研和醫(yī)療成像的高級(jí)視頻顯示以及從軍事仿真到主題公園的虛擬式環(huán)境。如今 4K 顯示設(shè)備和信號(hào)源具有多種規(guī)格，且價(jià)格有所下降，加上 4K 所具有的高分辨率和高像素密度等優(yōu)勢，成為了越來越多傳統(tǒng)視音頻安裝環(huán)境的首選。4K 技術(shù)現(xiàn)已應(yīng)用于很多場合，從執(zhí)行簡報(bào)中心到講堂、數(shù)字告示甚至家庭。

為了滿足這些需求，制造商推出了越來越多能夠提供高達(dá) 4096x2160的 4K 分辨率和高達(dá) 3840x2160 超高清 (UHD) 分辨率的顯示設(shè)備和投影機(jī)。如圖1所示，這些高分辨率的像素?cái)?shù)量是 1080p 全高清的四倍。

圖1

4K 和 UHD 視頻信號(hào)的數(shù)據(jù)速率

影響視頻信號(hào)所需帶寬的主要因素是分辨率、幀率、顏色色深和色度二次采樣。如下圖所示，UHD 視頻的分辨率是全高清 1080p 信號(hào)的四倍，每個(gè)幀內(nèi)的像素值也是其四倍之多。要傳輸這些數(shù)據(jù)量需要極大的帶寬，如表 1 所示，具有 60 Hz 全幀率、4:4:4 色度二次采樣和 10 位色深的 4K 視頻信號(hào)需要 22.28 Gbps 的數(shù)據(jù)速率。

4K 和 UHD 視頻信號(hào)的帶寬需求

色度二次采樣對(duì)視頻質(zhì)量的影響

色度二次采樣的減少對(duì)視頻質(zhì)量產(chǎn)生多大的影響主要取決于視頻信號(hào)的類型。人類視覺系統(tǒng)對(duì)亮度比顏色更加敏感，比如藍(lán)光電影的視頻質(zhì)量下降則另人難以察覺。對(duì)于計(jì)算機(jī)視頻來說，其圖像質(zhì)量的下降就會(huì)尤為明顯。計(jì)算機(jī)成像，如計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)圖或地圖，通常只有單像素的線寬或過渡。降低的色度二次采樣率會(huì)導(dǎo)致正常的像素和線條細(xì)節(jié)變得模糊或消失。所以在設(shè)計(jì) 4K 系統(tǒng)以及選擇一種不影響所顯示圖像質(zhì)量的傳輸方案時(shí)，請(qǐng)牢記這一點(diǎn)。

當(dāng)前數(shù)字視頻信號(hào)格式的帶寬容量

在 2005 年，數(shù)字電影倡導(dǎo)聯(lián)盟（DCI）為 4K 數(shù)字電影機(jī)制定了4096x2160 的標(biāo)準(zhǔn)分辨率，被稱為 4K DCI。該分辨率與 2048x1080 的2K DCI 分辨率具有相同的 17:9 寬高比。支持 4K DCI 的投影機(jī)是出現(xiàn)在市場上的首款 4K 顯示系統(tǒng)。電視行業(yè)采用 3840x2160 的超高清 (UHD)分辨率，它與 1080p 高清視頻擁有相同的 16:9 寬高比。

HDMI

2009 年發(fā)布的 HDMI 1.4a 版本限定了 10.2 Gbps 的最高數(shù)據(jù)速率。它可以通過單根 HDMI 電纜支持 8 位色深/24 Hz、25 Hz 或 30 Hz 的 4K 或 UHD分辨率。將 UHD 60 Hz 信號(hào)的色度二次采樣降低到 4:2:0，理論上可以在 HDMI 1.4a 范圍規(guī)定的帶寬內(nèi)實(shí)現(xiàn)信號(hào)顯示。但是其規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)并不支持 4:2:0 顏色采樣。

2013 年 9 月發(fā)布的 HDMI 2.0 標(biāo)準(zhǔn)將數(shù)據(jù)速率提升至 18.0 Gbps，通過單根 HDMI 電纜傳輸 8 位色深、最高 60 Hz 的 4K/UHD 幀率或 10 位色深、30 Hz 的幀率。HDMI 2.0 還支持 4:2:0 顏色采樣。帶 4:2:0 顏色采樣的 YCbCr 信號(hào)中的亮度信號(hào) Y 被分成兩個(gè) TMDS 通道，色度信號(hào) Cb 和Cr 被集合到單個(gè) TMDS 通道上。這就使帶有 60 Hz 幀率的 UHD 4:2:0 信號(hào)以與 30 Hz UHD 4:4:4 信號(hào)相同的數(shù)據(jù)速率進(jìn)行傳輸。但是為了使信號(hào)能夠成功傳送，信號(hào)源和顯示設(shè)備必須都支持這種操作模式。

DisplayPort

DisplayPort 數(shù)據(jù)速率也在進(jìn)一步提高，以支持 60 Hz 幀率的 4K 視頻。DisplayPort 1.1a 具有 10.8 Gbps 的數(shù)據(jù)速率，可通過單根電纜支持30 Hz 幀率的 8 位 UHD 信號(hào)。在 2009 年，DisplayPort 1.2 將數(shù)據(jù)速率加倍到 21.6 Gbps，實(shí)現(xiàn)通過單根電纜支持帶 4:4:4 色度二次采樣的 10位/60 Hz UHD 信號(hào)。這種性能級(jí)別表明 DisplayPort 1.2 非常適用于需要高幀率、準(zhǔn)確的色彩還原能力以及可以顯示極高質(zhì)量圖像細(xì)節(jié)的 4K 應(yīng)用環(huán)境。

3G-SDI

3G-SDI 的限定帶寬無法實(shí)現(xiàn)單根電纜傳輸 4K 或 UHD 視頻。它的最高數(shù)據(jù)速率為 2.97 Gbps，所以根據(jù)目前的標(biāo)準(zhǔn)需要多通道傳輸。一些廠商也開始提供運(yùn)行 6 或 12 Gbps 的產(chǎn)品。然而，支持這些數(shù)據(jù)速率的正式 SMPTE 標(biāo)準(zhǔn)仍在制定中。使用不同傳輸標(biāo)準(zhǔn)傳輸 4K/UHD 的能力在表 2 中有所概括。

系統(tǒng)設(shè)計(jì)和集成的挑戰(zhàn)

支持多種分辨率

根據(jù)應(yīng)用需求以及技術(shù)用戶指定的功能性來看，在一個(gè)系統(tǒng)中有多個(gè)終端是很常見的。有可能是多個(gè)監(jiān)視器、流媒體編碼器、視頻處理器、記錄設(shè)備或與額外的信號(hào)分配系統(tǒng)連接的設(shè)備。出現(xiàn)這種情況時(shí)，在處理這么多終端設(shè)備的不同分辨率問題上一定要小心。

HDMI、DisplayPort 和 3G-SDI 的帶寬容量

從以往經(jīng)驗(yàn)來說，圍繞 720p、1080i 或 1080p 分辨率的系統(tǒng)布署相對(duì)比較容易。這些分辨率之間的寬高比控制和圖像解析度轉(zhuǎn)換不需要大量的升頻或降頻轉(zhuǎn)換。隨著將 4K 和 UHD 視頻引入當(dāng)今的系統(tǒng)設(shè)計(jì)，必須要仔細(xì)確保所有的信號(hào)都能成功地路由到所有終端。

這些分辨率的變化可以追溯到廣播和電影應(yīng)用的差異。廣播環(huán)境通常是基于 1920x1080 像素的信號(hào)。這就在提到逐行掃描或 1080p 信號(hào)時(shí)開始了 FULL HD (全高清) 一詞的使用。另一方面，數(shù)字電影應(yīng)用是以帶 2048x1080 有效像素的信號(hào)為基礎(chǔ)的，它指的是 2K 視頻信號(hào)。

4K vs.UHD

隨著 4K 視頻向不同地域最終用戶的推出，必須要仔細(xì)了解他們實(shí)際需要的視頻格式。我們通常用四倍高清、UHD 甚至 2160p 來表示四象限 1080p 的分辨率，總分辨率達(dá) 3840x2160。電影則與之不同，它是四象限 2K 分辨率，相當(dāng)于總分辨率為 4096x2160。美國電影電視工程師協(xié)會(huì)(SMPTE) 使用 UHDTV1 代表至少 3840x2160 有效像素的信號(hào)，UHDTV2 表示 7680x4320 的信號(hào)，從而達(dá)到更容易區(qū)分的目的，這就是目前正處在研發(fā)階段的 8K 分辨率，2014 索契冬奧會(huì)就使用 8K 技術(shù)來進(jìn)行錄制。

4K 和 UHD 之間的不同可能會(huì)帶來寬高比方面的問題，還可能會(huì)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的 EDID 管理機(jī)制產(chǎn)生影響。

長距離延長 4K 和 UHD 信號(hào)

要延長、切換、矩陣切換或分配 4K/UHD 信號(hào)，系統(tǒng)設(shè)計(jì)師必須考慮相關(guān)的信號(hào)源、終端和距離。對(duì)于不超過 100 m (328') 的中等距離來說，雙絞線傳輸是方便、經(jīng)濟(jì)的選擇。當(dāng)涉及到更遠(yuǎn)的距離時(shí)，可應(yīng)用光纖或流媒體技術(shù)。根據(jù)選擇的產(chǎn)品，主要有三種分配拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可以應(yīng)用，包括單根線纜/方式、兩根線纜/方式和四根線纜/方式。

單根線纜/方式

如使用單根電纜的方式，設(shè)計(jì)解決方案必須要兼容 3840x2160 或4096x2160 視頻信號(hào)。由于現(xiàn)有傳輸方案的帶寬限制，幀率和/或顏色編碼必須去消隱。如果擴(kuò)展的色域或高幀率并不是系統(tǒng)的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，這也許就是最理想的方式了。最近頒發(fā)的 HDMI 2.0 或類似標(biāo)準(zhǔn)還無法解決這些限制問題，除非等到集成電路 (IC) 廠家向供應(yīng)鏈提供新的芯片組。

兩根線纜/方式

兩根線纜的解決方案是一種有趣的方式，能夠傳輸更高的幀率如 60 Hz以及增強(qiáng)的色深。但是尋找與這種獨(dú)特的分辨率相兼容的信號(hào)源和終端是比較困難的。要支持這種分配方式，信號(hào)鏈路中的所有產(chǎn)品都必須能夠傳輸 1920x2160 或 2048x2160 信號(hào)。其中基本左右各半的兩類信號(hào)會(huì)通過顯示設(shè)備集成到一起，從而創(chuàng)建 4K/UHD 的圖像。

四根線纜/方式

支持專業(yè)視音頻系統(tǒng)中高幀率 4K/UHD 視頻的最常用方法是使用 4 路平行信號(hào)。通過使用 4 路 1920x1080 或 2048x1080 信號(hào)，整體的 4K/UHD信號(hào)可分成四象限進(jìn)行處理。這就能夠傳輸 60 Hz 或更高的幀率，同時(shí)還能保持優(yōu)質(zhì)的色深。在廣播應(yīng)用中，由于 SDI 信號(hào)具有固定的分辨率尺寸，所以四根線纜是信號(hào)分配的主要方式。使用這種方法時(shí)，通道間的時(shí)間掌握非常重要。分配和處理設(shè)備必須能夠保持一定程度的同步，從而在終端設(shè)備將四個(gè)象限合成到一起時(shí)防止圖像失真。

4K 信號(hào)源和顯示設(shè)備

支持 4K 或 UHD 視頻的信號(hào)源和顯示設(shè)備正以驚人的速度進(jìn)行增長。它們使用多種信號(hào)格式和連接類型。消費(fèi)級(jí) 4K 電視機(jī)通常支持單個(gè)HDMI 1.4a 連接器，可提供 30 Hz 的 UHD 3840x2160 分辨率或 24 Hz 的4K 4096x2160 分辨率，都只限于 8 位色深。

在專業(yè)的 4K 視音頻系統(tǒng)中，要選擇與應(yīng)用需求相匹配的顯示設(shè)備。系統(tǒng)要求如果在 HDMI 1.4a 能力之內(nèi)，可使用單線纜方案。更高要求的應(yīng)用環(huán)境，如醫(yī)療成像或仿真顯示，則需要深色和更高的幀率。對(duì)于超出 HDMI 1.4a 標(biāo)準(zhǔn)限制的專業(yè)級(jí)媒體播放器、顯示器和投影機(jī)，可通過將 2 路或 4 路 DisplayPort、HDMI/DVI 或 3G-SDI 信號(hào)進(jìn)行合并，以達(dá)到在 60 Hz 全幀率下運(yùn)行的深色 UHD 和 4K 分辨率。此外，它們還常常能將 1080p 信號(hào)升頻轉(zhuǎn)換為 4K 分辨率。表 3 概括了制造商實(shí)現(xiàn)帶深色和60 Hz 幀率的 4K 和 UHD 內(nèi)容所使用的方法。除了提供解決方案和支持外，Extron 還提供相應(yīng)的培訓(xùn)來幫助您使用恰當(dāng)?shù)姆绞綄?shí)施當(dāng)前 4K 系統(tǒng)的應(yīng)用。

顯示不同幀率和色深 4K 信號(hào)的方法

Extron 4K 解決方案

Extron 4K 視頻解決方案為 4K 和 UHD 數(shù)字視頻信號(hào)提供了高性能的信號(hào)延長、路由和分配。廣泛的 4K Ready 產(chǎn)品解決方案包括拼接墻處理器、流媒體編碼器和解碼器、媒體播放器以及光纖和雙絞線信號(hào)分配產(chǎn)品。Extron 4K 解決方案支持各種不同的顯示設(shè)備，您的設(shè)計(jì)不會(huì)被局限在少量可用的顯示設(shè)備上。 • 支持來自多個(gè)生產(chǎn)廠商、范圍廣泛的顯示器、投影機(jī)和信號(hào)源 • 支持 60 Hz 全幀率 4K 和 UHD 視頻 • 通過 CATx 電纜可在 100 m (330') 遠(yuǎn)的距離上延長、切換和分配 4K和 UHD 視頻 • 通過光纖可在 30 km 遠(yuǎn)的距離上延長、切換和分配 4K 和 UHD 視頻 • XTP DTP 24 電纜可在 4K 和 UHD 分辨率下實(shí)現(xiàn)最遠(yuǎn) 100 m (330') 的傳輸距離，無電纜長度限制 • 密鑰管理器 (Key Minder®) 持續(xù)地驗(yàn)證 HDCP 標(biāo)準(zhǔn)，用于快速、可靠的切換 • EDID 管理器 (EDID Minder®) 自動(dòng)地管理已連接設(shè)備之間的 EDID 通信 • SpeedSwitch® 技術(shù)為 HDCP 加密內(nèi)容提供了超快的切換速度 • 符合 HDCP 標(biāo)準(zhǔn)的可擴(kuò)展拼接墻處理器經(jīng)優(yōu)化可與 4K 顯示設(shè)備配合使用，窗口能夠跨屏顯示大量標(biāo)清、高清和分辨率高達(dá) 3840x2160或以上的 UHD 信號(hào)源 • 可流傳輸 4K 內(nèi)容，具有低延遲和視覺無損的圖像質(zhì)量 • 播放電影和視頻制作的媒體播放器可用于 UHD 3840x2160 和 4K4096x2160 分辨率的數(shù)字電影顯示設(shè)備

若您在設(shè)計(jì) 4K 系統(tǒng)時(shí)需要幫助，請(qǐng)聯(lián)系寶迪的客戶支持代表，我們會(huì)指派一名寶迪的應(yīng)用工程師參與您的項(xiàng)目，與您協(xié)同工作并確保您能完全滿意。