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HDMI 2.1带来更深入的沉浸式观看体验

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作者:BigLoser    访问次数:985    投票总数:0   
创建时间:2020-10-21 22:23:22   

随着更丰富的电视和游戏内容的出现,消费者的期望已经从超高清4K显示提高到具有更细微图像细节、更 大色彩范围和更高带宽的10K。为了向数字电视和日益流行的基于HDMI的源设备提供优质内容,HDMI Forum最近发布了HDMI规范2.1版本。架构重新设计的HDMI 2.1提供了新的特性和能力,包括更 高视 频 分 辨率(7680x4320或8K和10240x4320或10K)、更逼真的色彩和亮度、更高质量而且更复杂的音频格式,以及流畅的游戏体验。本文介绍HDMI 2.1的关键增强方面,例如:未压缩8K分辨率、动态HDR、增强的 音 频回传通道 (eARC) 和增强的刷新率。

 

更高带宽

 

每秒60帧的未压缩8K分辨率要求通过单个HDMI链路或线缆以每秒48千兆比特 (Gbps) 的速率 从源 设备 向 接收端或显示设备传送海量数据。 因而带宽需求有了极大的提高,因为原先每秒 60帧的典型4K 视频仅 需 18Gbps带宽。为了传输更多像素,HDMI 2.1规范提供了:

  • 以固定速率链路进行分包低层传输,显著提高数据传输效率
  • 嵌入式时钟方案释放了额外的差分信号对,用于数据传输


HDMI 2.1支持多种分辨率和每秒帧数,能够满足更高分辨率时的更高数据速率需求,如图1所示。

图1. HDMI 2.1规范支持的分辨率(图片来源:HDMI.org)

 

图1. HDMI 2.1规范支持的分辨率(图片来源:HDMI.org) https://www.hdmi.org/download/hdmi_2_1/FormatDataRatetable.jpg

 

动态HDR

 

高动态范围(HDR) 允许更精确的色深,并能向显示器传输更清晰、包含更多 细节的图像/视频。 它 显 著 增 强了内容的质量,并改善了消费者的观看体验,而与内容分辨率和显示器尺寸无关。

HDMI 2.0规范支持HDR;然而,这个版本仅支持静态HDR,即图像/视频数据包采用定值流传输,以显示色 深、细节、亮度等。对于HDR,标准动态范围 (SDR) 提供的质量显著改善 了观看体验。 但SDR没有 针对未 来的HDMI设备而全面优化。

为克服这种局限性,HDMI 2.1规范通过在HDMI链路中包含更有能力的元数据而支持动态HDR,称为扩展元 数据包 (EMP)。EMP逐帧或者逐画面传输多组HDR数据。例如,在夜间或者室内环境亮度较低 的场景 下捕 捉视频时,势必要采用针对黑暗环境而优化的HDR设置传输这些视频数据。同样,在室外或亮度 极高的场 景中捕捉视频时,则必须采用针对明亮环境而优化HDR设 置进行传输。EMP 在HDMI链路中 针对特定画 面 而采用所需的HDR设置,在精度、色深、色域和亮度方面提供最高的视频质量,而与视频分辨率和屏幕尺 寸无关。图2显示了比静态HDR和SDR具有更好细节、亮度和更宽色域的动态HDR。

图2:SDR、静态HDR与动态HDR对比(图片来源:HDMI.org) https://www.hdmi.org/download/hdmi_2_1/HDR3ImageComparison.jpg

 

图2:SDR、静态HDR与动态HDR对比(图片来源:HDMI.org) https://www.hdmi.org/download/hdmi_2_1/HDR3ImageComparison.jpg

 

增强的音频回传通道 (eARC)

 

由于现代数字电视的轻薄底座和边框设计,扬声器占用的空间有限,这可能会驱动消费者购 买单 独 的 扬 声器系统。过去,消费者将扬声器与一对模拟信号(带有红色和白色香蕉连接器的线缆)或者TOSLINK(光纤)连接。这些配置无法为获得最佳的音质提供足够的带宽。为了克服这种局限性,HDMI 引入了 音 频回传通道 (ARC),允许在HDMI接口中通过两个信号传输最高质量的音频格式。

如今,借助eARC,HDMI 2.1规范以比ARC更高的音 频抽样率和更多环 绕音响 通道提供了 更高质量的数字 音频格式。eARC最多支持32个音频通道,并且改善了HDMI显示设备和扬声器系统间的互操作能力。

 

增强的刷新率

 

游戏内容的生成和显示方式与传统消费电子设备的视频内容不同。有些游戏内容包含没有太多移动对象(简单帧)的静态图片,而有些可能包含许多移动部分和动态对象(复杂帧),对于这种情况,GPU 需要 更多的时间生成并处理这些内容。为了提供更流畅的游戏体验,HDMI 2.1支持可变刷新率 (VRR) 和快速帧 传输 (QFT) 功能,允许在更简单的帧生成后立即进行传输,这样就能够以同样 带宽为传输复杂帧 分 配 更 多时间。

此外,游戏内容需要以每秒50-60帧提供更流畅的观看体验,而“类似电影” 的视频体验 只需要每 秒24帧。 在使用同一种设备从一种内容切换到另一种内容时,例如电视,视频和游戏内容的区 别对显示提出了挑 战。例如,有人可能使用同一个设备从观看电影转向玩游戏。为了实现更顺畅的转换,HDMI 2.1增 强的 刷 新率特性提供了自动低延时模式 (ALLM) 和快速媒体切换 (QMS)。

 

总结

 

丰富视频和图像内容的出现对显示器市场提出了挑战,即需要实现4K、8K、甚至10K 的超高 分辨率。 对 更多像素和传输带宽的需求对电视、智能手机和游戏显示器提出了不同的要求。然而,对于消费者来说,内容供给必须在流畅的同时保持最高的精度、色深和色域值,而与 显示屏尺 寸和视频分 辨率无关。 最新 HDMI 2.1规范版本的架构经过重新设计,以提供关键的增强能力,例如更高带宽、动态HDR、eARC和增强 的刷新率。通过这些增强,芯片系统 (SoC) 设计人员现在可以满 足消费者对 于在多媒 体系统上获得 更加 沉浸式的观看体验的需求。

新思科技积极参与HDMI 2.1规范的制定,并且看到设计人员对其完整HDMI 2.1 IP解决方案的大量需求,包 括控制器、PHY和验证IP。据HDMI Licensing Administrator公司总裁Rob Tobias指出:“HDMI 2.1规范通过 增强的视频特性而在能力和性能方面实现了巨大飞跃,包括更高刷新率和更高分辨率(例如8K60)、动 态 HDR,以及eARC对最先进音频格式的支持。新思科技作为重要的早期贡献者,将这些特性推向了市场,而 且完整的DesignWare® HDMI 2.1 IP解决方案是建立并支持HDMI 2.1生态系统的关键。”

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