科普論：4K 18G HDMI 信號源線的前生和今世的重要性

德易智HiFiBOX · 發(fā)表于 2018-4-26 08:00

本帖最后由 eswgdeh 于 2018-4-26 10:07 編輯

我看了很多關(guān)于HDMI信號的解讀，尤其是百度知道上的回到很多都是扯淡，實在看不下去，所以寫篇文章，以供大家對著方面有個清楚的了解。

談到4K 基本知識，線材的傳輸。我們不得不先信號源的原理說起。搞明白信號傳輸?shù)谋举|(zhì)。就搞明白了為什么線材在信號源系統(tǒng)的重要性了？
科普論：4K 18G HDMI 信號源線的前生和今世的重要性

電信號：本質(zhì)就是電流電壓只是這些電流電壓包含了一些信息?數(shù)字信號：本質(zhì)就是0和1 一個高電平一個低電平。?模擬信號：連續(xù)的電信號。

顯示器的“顏色深度”
　　顏色深度可以看作是一個調(diào)色板，它決定了屏幕上每個像素點支持多少種顏色。由于顯示器中每一個像素都用紅、綠、藍三種基本顏色組成，像素的亮度也由它們控制（比如，三種顏色都為最大值時，就呈現(xiàn)為白色），通常色深可以設(shè)為4bit、8bit、10bit、12bit 16bit、24bit。色深位數(shù)越高，顏色就越多，所顯示的畫面色彩就逼真。但是顏色深度增加時，它也加大了圖形加速卡所要處理的數(shù)據(jù)量。
10bit視頻是指一種視頻編碼的特征，意思是每個顏色通道用10個bit來表達。這樣，每個顏色通道的色彩級數(shù)從8bit的256級提高到了1024級，就可以更細(xì)致地表達顏色。

色深
色域是面積，色深是在色域限定的面積里能細(xì)分的層次。6bit就是細(xì)分64片，8bit就是細(xì)分256片?？梢院唵蜗胂?，色深越高，每一片面積越小，能對應(yīng)的顏色就越精準(zhǔn)。顏色就3個，要調(diào)出更多的顏色就要增加這3個色的深度。6bit面板每個色有64個色階，能調(diào)出64*64*64=262144種色。8bit面板能有256*256*256=16.7M種顏色。10bit面板能有1024*1024*1024=10.7億種顏色。色深到底影不影響色域你還是再想想吧

視頻帶寬（Video BW）
指每秒鐘電子**掃描過的總像素數(shù)即單位時間每條掃描線上面顯示頻點數(shù)總和。像素時鐘（點時鐘）可以計算為“水平分辨率（總數(shù)）×垂直分辨率（總數(shù)）×場頻（畫面刷新次數(shù)）”與行頻相比，帶寬更具有綜合性，也更直接地反映顯示器性能。大家不要混淆視頻帶寬和像素時鐘。

碼流?　　
碼流（Data Rate）是指視頻文件在單位時間內(nèi)使用的數(shù)據(jù)流量，也叫碼率或碼流率，是視頻編碼中畫面質(zhì)量控制中最重要的部分，一般我們用的單位是Kb/s或者Mb/s。一般來說同樣分辨率下，視頻文件的碼流越大，壓縮比就越小，畫面質(zhì)量就越高。碼流越大，說明單位時間內(nèi)取樣率越大，數(shù)據(jù)流，精度就越高，處理出來的文件就越接近原始文件，圖像質(zhì)量越好，畫質(zhì)越清晰，要求播放設(shè)備的解碼能力也越高。

幀率
一幀就是一副靜止的畫面，連續(xù)的幀就形成動畫，如電視圖象等。我們通常說幀數(shù)，簡單地說，就是在1秒鐘時間里傳輸?shù)膱D片的幀數(shù)，也可以理解為圖形處理器每秒鐘能夠刷新幾次，通常用fps（Frames Per Second）表示。每一幀都是靜止的圖象，快速連續(xù)地顯示幀便形成了運動的假象。高的幀率可以得到更流暢、更逼真的動畫。每秒鐘幀數(shù) (fps) 愈多，所顯示的動作就會愈流暢。

德易智HiFiBOX · 發(fā)表于 2018-4-26 08:01

分辨率
視頻分辨率是指視頻成像產(chǎn)品所成圖像的大小或尺寸。常見的4K視像分辨率有3840X2160P 4096X2160P。在成像的兩組數(shù)字中，前者為圖片長度，后者為圖片的寬度，兩者相乘得出的是圖片的像素，長寬比一般為16：9。

三者之間的關(guān)系
好的畫質(zhì)是分辨率、幀率和碼率三者之間的平衡：
幀率：FPS（每秒鐘要多少幀畫面）；以及Gop（表示多少秒一個I幀）
碼率：編碼器每秒編出的數(shù)據(jù)大小，單位是kbps，比如800kbps代表編碼器每秒產(chǎn)生800kb（或100KB）的數(shù)據(jù)。
分辨率：單位英寸中所包含的像素點數(shù)； VGA：Video Graphics Array（視頻圖像分辨率）

三者的對應(yīng)直播質(zhì)量的影響因素：
幀率：影響畫面流暢度，與畫面流暢度成正比：幀率越大，畫面越流暢；幀率越小，畫面越有跳動感。如果碼率為變量，則幀率也會影響體積，幀率越高，每秒鐘經(jīng)過的畫面越多，需要的碼率也越高，體積也越大。幀率就是在1秒鐘時間里傳輸?shù)膱D片的幀數(shù)，也可以理解為圖形處理器每秒鐘能夠刷新幾次。
分辨率：影響圖像大小，與圖像大小成正比：分辨率越高，圖像越大；分辨率越低，圖像越小。
清晰度
在碼率一定的情況下，分辨率與清晰度成反比關(guān)系：分辨率越高，圖像越不清晰，分辨率越低，圖像越清晰。
在分辨率一定的情況下，碼率與清晰度成正比關(guān)系，碼率越高，圖像越清晰；碼率越低，圖像越不清晰。

通過一個真正的4K 60Hz刷新率和10位色彩（約19.12Gb/s）的信號（4096×2160像素）線材的速度要足夠快。所以高品質(zhì)的HDMI 線要的是速度。

HDMI 2.0功能提升
HDMI 2.0的傳輸帶寬增加到了18 Gbps，主要是為了實現(xiàn)在50/60fps幀頻情況下達到4K的清晰度。在上一個HDMI版本中，4K@30fps的速度大概需要的帶寬是9Gbps，新版本上升為4K@60fps的時候，需要的帶寬就是9Gbps×2，即18Gbps。因為它的速率非常快，所以其傳輸?shù)臄?shù)據(jù)是未經(jīng)壓縮的，即純粹的原始數(shù)據(jù)。
新版本還提供了雙畫面特性，就是可以在一個屏幕上看到兩個視頻畫面，雙視頻流可同步傳輸多個視頻信號到同一屏幕上，而使得多人可以共享同一屏幕，觀看不同的視頻內(nèi)容。該功能的一個典型應(yīng)用就是多人游戲，這些可以通過佩戴具有相應(yīng)功能的眼鏡實現(xiàn)。
多音頻流：可以同步傳輸多個音頻流至多個用戶（最高達 4 個），例如，多種語言的音頻流同步傳輸至多個用戶。其與雙畫面功能配合，可在同一個屏幕上同時使用雙畫面顯示多音頻/視頻內(nèi)容。
科普論：4K 18G HDMI 信號源線的前生和今世的重要性

HDMI 2.0還提供了最多32個音頻通道，以享受身臨其境般的多維音頻體驗，其聽覺體驗要優(yōu)于傳統(tǒng)的“環(huán)繞立體聲”，體驗清晰，實現(xiàn)了高保真的三維定位音效。與此同時，新版本還實現(xiàn)了高達1536kHz的音頻采樣率，進一步提高了音頻清晰度。
CEC（消費電子產(chǎn)品控制）擴展：該控制技術(shù)可以實現(xiàn)使用一個遙控器對多個HDMI設(shè)備的操作。CEC 2.0擴展了功能，可以通過單點控制對消費類電子設(shè)備進行增強的指揮和控制。
HDMI 2.0還支持廣角影片21:9的視頻寬高比，從而滿足觀看者對廣角影院視覺體驗的需求。
動態(tài)自動聲畫同步：該增強型功能大大縮短了現(xiàn)有視頻內(nèi)容資源的處理時間，因為現(xiàn)今可用的視頻內(nèi)容來源廣泛，視頻處理的時間差別很大，這會引入延遲的音頻/視頻定時，而動態(tài)音頻/視頻同步功能通過動態(tài)同步視頻和音頻流解決了此問題，而且無需用戶操作。
HDMI 2.0無需新的HDMI線纜，現(xiàn)有電纜將支持新版本功能，而高速線纜將支持HDMI 2.0增加的帶寬（18Gbps）。同時，現(xiàn)有的連接器和插座都支持HDMI 2.0的所有功能。

eswgdeh · 發(fā)表于 2018-4-26 10:10

圖像質(zhì)量越好，畫質(zhì)越清晰，要求播放設(shè)備的解碼能力也越高

德易智HiFiBOX · 發(fā)表于 2018-4-28 17:19

HDMI極限速率是如何定義的？

HDMI有4P信號線，其中有3P分別用來傳輸紅、綠、藍三種色彩分量的信號，1P用來傳輸clock信號。

HDMI升級到2.0版本后就有了相關(guān)的定義，可以支持到24位、36位、最高48位的色深。這是就規(guī)定了HDMI CAT2的最高傳輸速率為10.2G。舉個例子：現(xiàn)在市場上應(yīng)用最多的1080P 60Hz ，就是屏幕顯示為橫向1920個像素、縱向1080個像素，每秒刷新60次。用公式計算下來其像素頻寬(就是你說的時鐘頻率)大約為148.5MHz。可以理解為HDMI的每對信號線每秒傳輸148.5兆個像素。

這里的1個像素是有一個10位的二進位碼組成，其中有8位是視頻數(shù)據(jù)，2位是控制信號，HDMI的8位視頻二進制碼信號發(fā)出時先要經(jīng)過一個8b/10b的編碼器，將8位信號加上2位控制信號后發(fā)送，所以1個像素是由10位二進制碼組成。

上面1080P的傳輸速率就可以理解為3對*148.5MHz*10位=4.455G/s

這個就是HDMI的傳輸速率，對應(yīng)的10.2G也就可以理解了，最高10.2G/S、每對3.4G/S、像素頻寬340MHz

上面所說的1080P就是3*8=24位的傳輸，就是說1080P 60Hz實際傳輸?shù)氖?4位的色深。 HDMI協(xié)會制定標(biāo)準(zhǔn)是考慮其發(fā)展性的，1.3版本規(guī)定最高支持到48位的色深，這個48位的色深的傳輸速率就接近10.2G/s了，為了HDMI產(chǎn)品發(fā)展和可擴充性，才把最高傳輸速率定的這么高。

色彩深度

* 色彩深度計算機圖形學(xué)領(lǐng)域表示在位圖或者視頻幀緩沖區(qū)中儲存1像素的顏色所用的位數(shù)，它也稱為位/像素（bpp）。色彩深度越高，可用的顏色就越多。

8bit 10bit 12bit 14bit 16bit

在數(shù)字信息存貯中，計算設(shè)備用2進制數(shù)來表示，每個0或1就是一個位(bit)。假設(shè)1代表黑、0代表白，在黑白雙色系統(tǒng)中最少有2bit。單基色為nbit，畫面位數(shù)就為2 ?bit，位數(shù)越大，灰度越多，顏色也越多，彩色系統(tǒng)中同理。視頻畫面10bit含義就是畫面能以10為二進制數(shù)的數(shù)量控制色彩層次（即灰階）。通常 8bit相當(dāng)于256級灰階——即常說得24位真彩色；而10bit就相當(dāng)于1024級灰階。三基色混合成彩色，增加1 bit就意味色彩數(shù)增加8倍。10bit就相當(dāng)于1024的三次方——1073741824，約為10.7億色。遠(yuǎn)大于8bit的1670萬色。

視頻信號輸出帶寬是怎么計算的？

HDMI／2.0輸出按照3840 x2160 分辨率，每個像素10bit , 單通道就是 10X3=30bit. 按照輸出幀率60fps那就是3840 x2160 x30 x60= 14929920000單位應(yīng)該是bit 。?根據(jù)以上方法換算如下：那么4k帶寬計換算完畢等于14.9 Gbps

當(dāng)然，這個計算結(jié)果是非常理論化的，還有別的因素要考慮。HDMI使用的TMDS(最小化傳輸差分信號)機制。實際效率理論也就是14.9Gbps。這個帶寬要求已經(jīng)超過了HDMI/1.4的10.2Gbps要求，只有 HDM12.0才能達到18Gps，因而才可以輕易支持4K 60Hz輸出。

理論計算（數(shù)據(jù)未壓縮）?4K顯示屏對應(yīng)的解析度：3840*2160?4K內(nèi)容需要的傳輸速率：3840*2160*8*3*60≈12 Gbps （前提：不考慮數(shù)據(jù)中的其他信號；數(shù)據(jù)位數(shù)為8 bits/color；幀率為60fps）

10 bit 和 8 bit 的灰度級別

通常的我們使用的顯示器色彩是 24 bit ，那么現(xiàn)在提出的 10 bit 單通道色彩，兩者是怎樣一種關(guān)系呢？?　　這是一個非常容易混淆的概念，實際上，可以這樣計算，1 位單通道色彩的圖像只是黑色和白色兩種色彩，而單通道 8 bit 實際相當(dāng)于顯示器定義的 24 bit 或 32 bit ，顯示器定義只是簡單的色彩通道相加，而不是單通道色彩深度；單通道 16 bit 具有 65536 個灰度級別，和顯示器的色彩定義不同，顯示器是兩個 5 bit 通道加上 1 個 6 bit 通道，色彩還沒有達到單通道 8 bit 的圖像顯示質(zhì)量。

8 bit 和 10 bit 也是這樣。高位深表示在一個色閾中更多的采樣數(shù)值，8 bit 提供 256 個采樣點，而10 bit 提供1024 個采樣點，其色彩精度是8 bit 的4 倍。

也就是說，顯示器和圖像深度之間是一個單通道色深與顏色數(shù)量之間的關(guān)系，24 bit 真彩色顯示器顯示數(shù)量是單通道10 bit 色彩數(shù)量的六十四分之一。如果按照三原色計算，10 bit 單色彩通道相加為30 bit 色彩，或者說10 億色。

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