4K視頻分配的五大挑戰(zhàn)

Crestron公司

挑戰(zhàn)1：分辨率不匹配

720p、1080i和1080p視頻共享相同高寬比1.78：1（16：9）。由于基本上所有信號(hào)源和顯示器都使用此高寬比，我們經(jīng)歷了一個(gè)相對(duì)簡單的時(shí)代。若干年內(nèi)無需為適應(yīng)各種高寬比而進(jìn)行調(diào)整。但是對(duì)于4K，這一切將發(fā)生變化，它帶來了管理兩種不同標(biāo)準(zhǔn)分辨率的挑戰(zhàn)。

分辨率 屏幕高寬比 常用名稱

3，840×2，160 1.78：1（16：9） 超高清

4，096×2，160 1.90：1（17：9） 4K DCI（數(shù)字電影倡導(dǎo)聯(lián)盟）

3，840×2，160，通常稱為超高清，分辨率正好是1080p的四倍，是將1，920×1，080的水平和垂直像素?cái)?shù)翻倍而形成的。因此，它的高寬比是與高清相同的16：9。但是大部分（并非全部）4K顯示設(shè)備的本機(jī)分辨率為3，840×2，160。

4，096×2，160，通常稱為4K DCI，用在電影生產(chǎn)和商業(yè)電影院的電影放映中。有一些顯示設(shè)備的本機(jī)分辨率為4，096×2，160，但是不如3，840×2，160的分辨率那么普遍。

許多4K攝像頭和信號(hào)源設(shè)備可以設(shè)置為以上兩種分辨率中的任何一種。經(jīng)驗(yàn)豐富的AV專家會(huì)回憶起SXGA計(jì)算機(jī)的1，280×1，024分辨率，它具有5：4的非標(biāo)準(zhǔn)高寬比，而幾乎所有其他信號(hào)都是4：3。這導(dǎo)致了類似的問題，必須小心地匹配并正確地配置顯示器和信號(hào)源，以便在顯示所有信息時(shí)不會(huì)發(fā)生意外的遮幅或拉伸。

挑戰(zhàn)2：新的幀速率的相關(guān)事項(xiàng)

為了以60幀/秒的速率傳輸1，920×1，080視頻，需要4.46Gbit/s的數(shù)據(jù)速率。因此，像素增加至4倍將需要4倍的數(shù)據(jù)速率是合理的。然而，接受度最廣的HDMI1.4版只支持10.2Gbit/s（包括透射）的最大數(shù)據(jù)速率。

因此，如今的4K設(shè)備被限制為30幀/秒或更少。這對(duì)電影而言并無變化，因?yàn)樵夹盘?hào)源是24幀/秒。然而對(duì)于視頻和計(jì)算機(jī)應(yīng)用，幀速率降低了一半，這一點(diǎn)非常重要。因此，現(xiàn)在的挑戰(zhàn)是設(shè)計(jì)可能需要管理24、25、30、50和60幀/秒內(nèi)容的系統(tǒng)。

值得注意的是，通過將色彩信息壓縮至4：2：0，被稱為色度二次采樣的技術(shù)能夠在9Gbit/s的數(shù)據(jù)速率下，以60幀/秒傳輸4K視頻。請(qǐng)注意，4：2：0是藍(lán)光光盤使用的色度編碼。色度二次采樣能夠傳輸全分辨率的亮度信息和較低分辨率時(shí)的色度（在本例中為1，920×1，080）。由于人眼對(duì)色差的敏感度低于對(duì)亮度的敏感度，這對(duì)從可用帶寬獲得最佳感知圖像而言是一種優(yōu)化。此技術(shù)是否會(huì)被顯示器和信號(hào)源制造商采納，仍有待分曉。DigitalMedia通過4：2：0的色度二次采樣，支持以50或60幀/秒傳輸4K內(nèi)容。

DigitalMedia支持HDMI1.4中采用的所有格式的全帶寬，并通過4：2：0的色度二次采樣支持以50或60幀/秒傳輸4K視頻，這是一種在HDMI2.0中引進(jìn)的格式。

色度編碼 4K-24或30fps 4K-50或60fps HDMI規(guī)格

4：4：4 是 否 1.4

4：2：0 是 是 2.0

2013年9月獲得規(guī)格批準(zhǔn)的HDMI2.0仍然是一個(gè)年輕的生態(tài)系統(tǒng)。分配更高帶寬的HDMI2.0格式（例如4K60 4：4：4內(nèi)容）所需的芯片在市場上尚未出現(xiàn)。

挑戰(zhàn)3：信號(hào)完整性問題

系統(tǒng)設(shè)計(jì)者必須應(yīng)對(duì)的另一挑戰(zhàn)是4K視頻的信號(hào)完整性要求遠(yuǎn)高于高清視頻的要求。在下面的測試示例中，我們使用了一流的測試設(shè)備（例如Agilent 12GHz高性能示波器），以及市售標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)源和顯示器。

圖3所示為清晰的1080p可視區(qū)域?？梢晠^(qū)域開度很大是因?yàn)闇y試中的系統(tǒng)擁有充裕的帶寬支持1080p。

在圖4中，信號(hào)源分辨率增加至4K，其余的設(shè)置不變。我們注意到可視區(qū)域開度因抖動(dòng)而明顯變小，如青色直方圖中所示。

在圖5中，纜線長度為30英尺。請(qǐng)注意，可視區(qū)域因更多抖動(dòng)和信號(hào)喪失而進(jìn)一步閉合。信號(hào)對(duì)可視區(qū)域的刺激很明顯。因此，該系統(tǒng)不可能成功。

在圖6中，使用了快思聰DigitalMedia將相同4K信號(hào)源傳輸30英尺。由于輸出預(yù)加強(qiáng)和其他性能增強(qiáng)，產(chǎn)生了這張明顯改善的可視圖。請(qǐng)注意可視區(qū)域已打開，證明該DM系統(tǒng)補(bǔ)償了信號(hào)降級(jí)。DigitalMedia提供了可能有的最佳信號(hào)。我們注意到抖動(dòng)已基本消除，如青色直方圖中所示。

事實(shí)上，改善如此明顯以至于圖6中所示傳輸了30英尺的4K信號(hào)明顯優(yōu)于圖3中傳輸了3英尺HDMI線纜的1080p信號(hào)。

挑戰(zhàn)4：新的線纜長度限制

快思聰DigitalMedia可以通過雙絞銅纜和光纜分配音頻、視頻和控制信號(hào)，并在一個(gè)平臺(tái)上進(jìn)行流式傳輸。支持4K的第一種基礎(chǔ)設(shè)施類型是雙絞銅纜。DigitalMedia的銅纜傳輸支持HDBaseT聯(lián)盟設(shè)定的規(guī)格，因而兼容其他HDBaseT設(shè)備和普通CAT5e纜線。

即使幀速率降低且色度二次采樣可能產(chǎn)生增益，傳輸4K視頻仍需要大量帶寬。因此，雙絞銅纜的最大長度將顯著小于業(yè)界慣常對(duì)高清視頻使用的長度，這對(duì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)者提出了新的挑戰(zhàn)。在DigitalMedia實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行了長時(shí)間測試后，快思聰DM工程師們建議使用以下最大纜線長度：

1080p 4K

DM 8G纜線 100米/330英尺 70米/230英尺

非屏蔽CAT5e 100米/330英尺 50米/165英尺

在模擬系統(tǒng)中，過長的纜線傳輸可能導(dǎo)致觀眾可接受或不可接受的圖像降級(jí)。然而，在如今的數(shù)字系統(tǒng)中，過長的纜線傳輸可能導(dǎo)致根本沒有圖像。更糟糕的是，長距離纜線傳輸會(huì)加劇信號(hào)源與顯示器之間的不兼容。某些設(shè)備使用較長電纜傳輸時(shí)測試正常，不代表系統(tǒng)后續(xù)采用的每個(gè)設(shè)備都會(huì)正常。事實(shí)上，4K所需的更高帶寬對(duì)HDMI纜線的長度帶來了更多限制。

挑戰(zhàn)5：信號(hào)源/顯示器的兼容性

如同首次將任何新技術(shù)帶入市場的許多創(chuàng)新者一樣，最先開發(fā)4K信號(hào)源和顯示器的公司也面臨著“雞與蛋”的窘境：在此項(xiàng)技術(shù)處于萌芽期時(shí)，其他可供使用的4K設(shè)備非常少，如何在這種情況下使用它們測試可操作性？因此，當(dāng)這些新的4K信號(hào)源和顯示器進(jìn)入市場后，它們之間的兼容性通常不理想。甚至同一公司的產(chǎn)品之間也存在兼容性問題。這為系統(tǒng)設(shè)計(jì)者帶來了另一項(xiàng)新的挑戰(zhàn)。