在专业视音频环境中分配 4K 和 UHD 信号

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在专业视音频环境中分配 4K 和 UHD 信号




Extron 电子的总部位于美国加利福尼亚州的阿纳海姆市，是专业视音频系统集成产品的领导厂商。Extron 产品可将视频和音频集成到范围广泛的演示系统中，包括学校及大学内的教室和礼堂、公司会议室、教堂、指挥和控制中心、体育馆、机场、演播室、饭店、商场以及博物馆。



4K 技术简介


4K 视频分辨率

几年前推出的 4K 显示系统主要用于支持高端应用，如数字影院、科研和医疗成像的高级视频显示以及从军事仿真到主题公园的虚拟式环境。如今 4K 显示设备和信号源具有多种规格，且价格有所下降，加上 4K 所具有的高分辨率和高像素密度等优势，成为了越来越多传统视音频安装环境的首选。4K 技术现已应用于很多场合，从执行简报中心到讲堂、数字告示甚至家庭。

为了满足这些需求，制造商推出了越来越多能够提供高达 4096x2160的 4K 分辨率和高达 3840x2160 超高清 (UHD) 分辨率的显示设备和投影机。如图1所示，这些高分辨率的像素数量是 1080p 全高清的四倍。




图1





4K 和 UHD 视频信号的数据速率
影响视频信号所需带宽的主要因素是分辨率、帧率、颜色色深和色度二次采样。如下图所示，UHD 视频的分辨率是全高清 1080p 信号的四倍，每个帧内的像素值也是其四倍之多。要传输这些数据量需要极大的带宽，如表 1 所示，具有 60 Hz 全帧率、4:4:4 色度二次采样和 10 位色深的 4K 视频信号需要 22.28 Gbps 的数据速率。



4K 和 UHD 视频信号的带宽需求





色度二次采样对视频质量的影响
色度二次采样的减少对视频质量产生多大的影响主要取决于视频信号的类型。人类视觉系统对亮度比颜色更加敏感，比如蓝光电影的视频质量下降则另人难以察觉。对于计算机视频来说，其图像质量的下降就会尤为明显。计算机成像，如计算机辅助设计图或地图，通常只有单像素的线宽或过渡。降低的色度二次采样率会导致正常的像素和线条细节变得模糊或消失。所以在设计 4K 系统以及选择一种不影响所显示图像质量的传输方案时，请牢记这一点。


当前数字视频信号格式的带宽容量
在 2005 年，数字电影倡导联盟（DCI）为 4K 数字电影机制定了4096x2160 的标准分辨率，被称为 4K DCI。该分辨率与 2048x1080 的2K DCI 分辨率具有相同的 17:9 宽高比。支持 4K DCI 的投影机是出现在市场上的首款 4K 显示系统。电视行业采用 3840x2160 的超高清 (UHD)分辨率，它与 1080p 高清视频拥有相同的 16:9 宽高比。



HDMI
2009 年发布的 HDMI 1.4a 版本限定了 10.2 Gbps 的最高数据速率。它可以通过单根 HDMI 电缆支持 8 位色深/24 Hz、25 Hz 或 30 Hz 的 4K 或 UHD分辨率。将 UHD 60 Hz 信号的色度二次采样降低到 4:2:0，理论上可以在 HDMI 1.4a 范围规定的带宽内实现信号显示。但是其规范标准并不支持 4:2:0 颜色采样。

2013 年 9 月发布的 HDMI 2.0 标准将数据速率提升至 18.0 Gbps，通过单根 HDMI 电缆传输 8 位色深、最高 60 Hz 的 4K/UHD 帧率或 10 位色深、30 Hz 的帧率。HDMI 2.0 还支持 4:2:0 颜色采样。带 4:2:0 颜色采样的 YCbCr 信号中的亮度信号 Y 被分成两个 TMDS 通道，色度信号 Cb 和Cr 被集合到单个 TMDS 通道上。这就使带有 60 Hz 帧率的 UHD 4:2:0 信号以与 30 Hz UHD 4:4:4 信号相同的数据速率进行传输。但是为了使信号能够成功传送，信号源和显示设备必须都支持这种操作模式。



DisplayPort
DisplayPort 数据速率也在进一步提高，以支持 60 Hz 帧率的 4K 视频。DisplayPort 1.1a 具有 10.8  Gbps 的数据速率，可通过单根电缆支持30 Hz 帧率的 8 位 UHD 信号。在 2009 年，DisplayPort 1.2 将数据速率加倍到 21.6 Gbps，实现通过单根电缆支持带 4:4:4 色度二次采样的 10位/60 Hz UHD 信号。这种性能级别表明 DisplayPort 1.2 非常适用于需要高帧率、准确的色彩还原能力以及可以显示极高质量图像细节的 4K 应用环境。



3G-SDI
3G-SDI 的限定带宽无法实现单根电缆传输 4K 或 UHD 视频。它的最高数据速率为 2.97 Gbps，所以根据目前的标准需要多通道传输。一些厂商也开始提供运行 6 或 12 Gbps 的产品。然而，支持这些数据速率的正式 SMPTE 标准仍在制定中。使用不同传输标准传输 4K/UHD 的能力在表 2 中有所概括。



系统设计和集成的挑战


支持多种分辨率
根据应用需求以及技术用户指定的功能性来看，在一个系统中有多个终端是很常见的。有可能是多个监视器、流媒体编码器、视频处理器、记录设备或与额外的信号分配系统连接的设备。出现这种情况时，在处理这么多终端设备的不同分辨率问题上一定要小心。



HDMI、DisplayPort 和 3G-SDI 的带宽容量



从以往经验来说，围绕 720p、1080i 或 1080p 分辨率的系统布署相对比较容易。这些分辨率之间的宽高比控制和图像解析度转换不需要大量的升频或降频转换。随着将 4K 和 UHD 视频引入当今的系统设计，必须要仔细确保所有的信号都能成功地路由到所有终端。

这些分辨率的变化可以追溯到广播和电影应用的差异。广播环境通常是基于 1920x1080 像素的信号。这就在提到逐行扫描或 1080p 信号时开始了 FULL HD (全高清) 一词的使用。另一方面，数字电影应用是以带 2048x1080 有效像素的信号为基础的，它指的是 2K 视频信号。



4K vs.UHD
随着 4K 视频向不同地域最终用户的推出，必须要仔细了解他们实际需要的视频格式。我们通常用四倍高清、UHD 甚至 2160p 来表示四象限 1080p 的分辨率，总分辨率达 3840x2160。电影则与之不同，它是四象限 2K 分辨率，相当于总分辨率为 4096x2160。美国电影电视工程师协会(SMPTE) 使用 UHDTV1 代表至少 3840x2160 有效像素的信号，UHDTV2 表示 7680x4320 的信号，从而达到更容易区分的目的，这就是目前正处在研发阶段的 8K 分辨率，2014 索契冬奥会就使用 8K 技术来进行录制。

4K 和 UHD 之间的不同可能会带来宽高比方面的问题，还可能会对整个系统的 EDID 管理机制产生影响。



长距离延长 4K 和 UHD 信号


要延长、切换、矩阵切换或分配 4K/UHD 信号，系统设计师必须考虑相关的信号源、终端和距离。对于不超过 100 m (328') 的中等距离来说，双绞线传输是方便、经济的选择。当涉及到更远的距离时，可应用光纤或流媒体技术。根据选择的产品，主要有三种分配拓扑结构可以应用，包括单根线缆/方式、两根线缆/方式和四根线缆/方式。



单根线缆/方式
如使用单根电缆的方式，设计解决方案必须要兼容 3840x2160 或4096x2160 视频信号。由于现有传输方案的带宽限制，帧率和/或颜色编码必须去消隐。如果扩展的色域或高帧率并不是系统的设计标准，这也许就是最理想的方式了。最近颁发的 HDMI 2.0 或类似标准还无法解决这些限制问题，除非等到集成电路 (IC) 厂家向供应链提供新的芯片组。






两根线缆/方式
两根线缆的解决方案是一种有趣的方式，能够传输更高的帧率如 60 Hz以及增强的色深。但是寻找与这种独特的分辨率相兼容的信号源和终端是比较困难的。要支持这种分配方式，信号链路中的所有产品都必须能够传输 1920x2160 或 2048x2160 信号。其中基本左右各半的两类信号会通过显示设备集成到一起，从而创建 4K/UHD 的图像。





四根线缆/方式
支持专业视音频系统中高帧率 4K/UHD 视频的最常用方法是使用 4 路平行信号。通过使用 4 路 1920x1080 或 2048x1080 信号，整体的 4K/UHD信号可分成四象限进行处理。这就能够传输 60 Hz 或更高的帧率，同时还能保持优质的色深。在广播应用中，由于 SDI 信号具有固定的分辨率尺寸，所以四根线缆是信号分配的主要方式。使用这种方法时，通道间的时间掌握非常重要。分配和处理设备必须能够保持一定程度的同步，从而在终端设备将四个象限合成到一起时防止图像失真。




4K 信号源和显示设备
支持 4K 或 UHD 视频的信号源和显示设备正以惊人的速度进行增长。它们使用多种信号格式和连接类型。消费级 4K 电视机通常支持单个HDMI 1.4a 连接器，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。

在专业的 4K 视音频系统中，要选择与应用需求相匹配的显示设备。系统要求如果在 HDMI 1.4a 能力之内，可使用单线缆方案。更高要求的应用环境，如医疗成像或仿真显示，则需要深色和更高的帧率。对于超出 HDMI 1.4a 标准限制的专业级媒体播放器、显示器和投影机，可通过将 2 路或 4 路 DisplayPort、HDMI/DVI 或 3G-SDI 信号进行合并，以达到在 60 Hz 全帧率下运行的深色 UHD 和 4K 分辨率。此外，它们还常常能将 1080p 信号升频转换为 4K 分辨率。表 3 概括了制造商实现带深色和60 Hz 帧率的 4K 和 UHD 内容所使用的方法。除了提供解决方案和支持外，Extron 还提供相应的培训来帮助您使用恰当的方式实施当前 4K 系统的应用。



显示不同帧率和色深 4K 信号的方法





Extron 4K 解决方案


Extron 4K 视频解决方案为 4K 和 UHD 数字视频信号提供了高性能的信号延长、路由和分配。广泛的 4K Ready 产品解决方案包括拼接墙处理器、流媒体编码器和解码器、媒体播放器以及光纤和双绞线信号分配产品。Extron 4K 解决方案支持各种不同的显示设备，您的设计不会被局限在少量可用的显示设备上。



• 支持来自多个生产厂商、范围广泛的显示器、投影机和信号源

• 支持 60 Hz 全帧率 4K 和 UHD 视频

• 通过 CATx 电缆可在 100 m (330') 远的距离上延长、切换和分配 4K和 UHD 视频

• 通过光纤可在 30 km 远的距离上延长、切换和分配 4K 和 UHD 视频

• XTP DTP 24 电缆可在 4K 和 UHD 分辨率下实现最远 100 m (330') 的传输距离，无电缆长度限制

• 密钥管理器 (Key Minder®) 持续地验证 HDCP 标准，用于快速、可靠的切换

• EDID 管理器 (EDID Minder®) 自动地管理已连接设备之间的 EDID 通信

• SpeedSwitch® 技术为 HDCP 加密内容提供了超快的切换速度

• 符合 HDCP 标准的可扩展拼接墙处理器经优化可与 4K 显示设备配合使用，窗口能够跨屏显示大量标清、高清和分辨率高达 3840x2160或以上的 UHD 信号源

• 可流传输 4K 内容，具有低延迟和视觉无损的图像质量

• 播放电影和视频制作的媒体播放器可用于 UHD 3840x2160 和 4K4096x2160 分辨率的数字电影显示设备



若您在设计 4K 系统时需要帮助，请联系宝迪的客户支持代表，我们会指派一名宝迪的应用工程师参与您的项目，与您协同工作并确保您能完全满意。