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、公司會議室、教堂、指揮和控制中心、體育館、機場、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)備和信號源具有多種規(guī)格，且價格有所下降，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 4096x2160的 4K 分辨率和高達 3840x2160 超高清 (UHD) 分辨率的顯示設(shè)備和投影機。如圖1所示，這些高分辨率的像素數(shù)量是 1080p 全高清的四倍。

圖1

4K 和 UHD 視頻信號的數(shù)據(jù)速率

影響視頻信號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 信號的四倍，每個幀內(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 視頻信號需要 22.28 Gbps 的數(shù)據(jù)速率。

4K 和 UHD 視頻信號的帶寬需求

色度二次采樣對視頻質(zhì)量的影響

色度二次采樣的減少對視頻質(zhì)量產(chǎn)生多大的影響主要取決于視頻信號的類型。人類視覺系統(tǒng)對亮度比顏色更加敏感，比如藍光電影的視頻質(zhì)量下降則另人難以察覺。對于計算機視頻來說，其圖像質(zhì)量的下降就會尤為明顯。計算機成像，如計算機輔助設(shè)計圖或地圖，通常只有單像素的線寬或過渡。降低的色度二次采樣率會導(dǎo)致正常的像素和線條細節(jié)變得模糊或消失。所以在設(shè)計 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，請牢記這一點。

當(dāng)前數(shù)字視頻信號格式的帶寬容量

在 2005 年，數(shù)字電影倡導(dǎo)聯(lián)盟（DCI）為 4K 數(shù)字電影機制定了4096x2160 的標準分辨率，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)實現(xiàn)信號顯示。但是其規(guī)范標準并不支持 4:2:0 顏色采樣。

2013 年 9 月發(fā)布的 HDMI 2.0 標準將數(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 信號中的亮度信號 Y 被分成兩個 TMDS 通道，色度信號 Cb 和Cr 被集合到單個 TMDS 通道上。這就使帶有 60 Hz 幀率的 UHD 4:2:0 信號以與 30 Hz UHD 4:4:4 信號相同的數(shù)據(jù)速率進行傳輸。但是為了使信號能夠成功傳送，信號源和顯示設(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。在 2009 年，DisplayPort 1.2 將數(shù)據(jù)速率加倍到 21.6 Gbps，實現(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。這種性能級別表明 DisplayPort 1.2 非常適用于需要高幀率、準確的色彩還原能力以及可以顯示極高質(zhì)量圖像細節(jié)的 4K 應(yīng)用環(huán)境。

3G-SDI

3G-SDI 的限定帶寬無法實現(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)目前的標準需要多通道傳輸。一些廠商也開始提供運行 6 或 12 Gbps 的產(chǎn)品。然而，支持這些數(shù)據(jù)速率的正式 SMPTE 標準仍在制定中。使用不同傳輸標準傳輸 4K/UHD 的能力在表 2 中有所概括。

系統(tǒng)設(shè)計和集成的挑戰(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，在一個系統(tǒng)中有多個終端是很常見的。有可能是多個監(jiān)視器、流媒體編碼器、視頻處理器、記錄設(shè)備或與額外的信號分配系統(tǒng)連接的設(shè)備。出現(xiàn)這種情況時，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)驗來說，圍繞 720p、1080i 或 1080p 分辨率的系統(tǒng)布署相對比較容易。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，必須要仔細確保所有的信號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。這就在提到逐行掃描或 1080p 信號時開始了 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 有效像素的信號為基礎(chǔ)的，它指的是 2K 視頻信號。

4K vs.UHD

隨著 4K 視頻向不同地域最終用戶的推出，必須要仔細了解他們實際需要的視頻格式。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 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(SMPTE) 使用 UHDTV1 代表至少 3840x2160 有效像素的信號，UHDTV2 表示 7680x4320 的信號，從而達到更容易區(qū)分的目的，這就是目前正處在研發(fā)階段的 8K 分辨率，2014 索契冬奧會就使用 8K 技術(shù)來進行錄制。

4K 和 UHD 之間的不同可能會帶來寬高比方面的問題，還可能會對整個系統(tǒng)的 EDID 管理機制產(chǎn)生影響。

長距離延長 4K 和 UHD 信號

要延長、切換、矩陣切換或分配 4K/UHD 信號，系統(tǒng)設(shè)計師必須考慮相關(guān)的信號源、終端和距離。對于不超過 100 m (328') 的中等距離來說，雙絞線傳輸是方便、經(jīng)濟的選擇。當(dāng)涉及到更遠的距離時，可應(yīng)用光纖或流媒體技術(shù)。根據(jù)選擇的產(chǎn)品，主要有三種分配拓撲結(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)計解決方案必須要兼容 3840x2160 或4096x2160 視頻信號。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。如果擴展的色域或高幀率并不是系統(tǒng)的設(shè)計標準，這也許就是最理想的方式了。最近頒發(fā)的 HDMI 2.0 或類似標準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以及增強的色深。但是尋找與這種獨特的分辨率相兼容的信號源和終端是比較困難的。要支持這種分配方式，信號鏈路中的所有產(chǎn)品都必須能夠傳輸 1920x2160 或 2048x2160 信號。其中基本左右各半的兩類信號會通過顯示設(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。通過使用 4 路 1920x1080 或 2048x1080 信號，整體的 4K/UHD信號可分成四象限進行處理。這就能夠傳輸 60 Hz 或更高的幀率，同時還能保持優(yōu)質(zhì)的色深。在廣播應(yīng)用中，由于 SDI 信號具有固定的分辨率尺寸，所以四根線纜是信號分配的主要方式。使用這種方法時，通道間的時間掌握非常重要。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)備將四個象限合成到一起時防止圖像失真。

4K 信號源和顯示設(shè)備

支持 4K 或 UHD 視頻的信號源和顯示設(shè)備正以驚人的速度進行增長。它們使用多種信號格式和連接類型。消費級 4K 電視機通常支持單個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。對于超出 HDMI 1.4a 標準限制的專業(yè)級媒體播放器、顯示器和投影機，可通過將 2 路或 4 路 DisplayPort、HDMI/DVI 或 3G-SDI 信號進行合并，以達到在 60 Hz 全幀率下運行的深色 UHD 和 4K 分辨率。此外，它們還常常能將 1080p 信號升頻轉(zhuǎn)換為 4K 分辨率。表 3 概括了制造商實現(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)姆绞綄嵤┊?dāng)前 4K 系統(tǒng)的應(yīng)用。

顯示不同幀率和色深 4K 信號的方法

Extron 4K 解決方案

Extron 4K 視頻解決方案為 4K 和 UHD 數(shù)字視頻信號提供了高性能的信號延長、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)計不會被局限在少量可用的顯示設(shè)備上。 • 支持來自多個生產(chǎn)廠商、范圍廣泛的顯示器、投影機和信號源 • 支持 60 Hz 全幀率 4K 和 UHD 視頻 • 通過 CATx 電纜可在 100 m (330') 遠的距離上延長、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 分辨率下實現(xiàn)最遠 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)地驗證 HDCP 標準，用于快速、可靠的切換 • EDID 管理器 (EDID Minder®) 自動地管理已連接設(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 標準的可擴展拼接墻處理器經(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清、高清和分辨率高達 3840x2160或以上的 UHD 信號源 • 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 4K 系統(tǒng)時需要幫助，請聯(lián)系寶迪的客戶支持代表，我們會指派一名寶迪的應(yīng)用工程師參與您的項目，與您協(xié)同工作并確保您能完全滿意。