8K/HDR持續拉高頻寬需求 視訊介面高速化發展不停歇

2016-06-03
繼4K UHD顯示器與相關影音內容逐漸普及之後,業界已經將關注目光投向高動態範圍與8K解析度規格。目前已有多款高階平面電視與影音播放器支援4K UHD與HDR,並將視訊介面升級到HDMI 2.0a,以便支援更大的資料流量。
4K解析度已成為目前平面電視市場上的主流規格,為了進一步驅動買氣,目前各品牌製造商開始將產品開發的重點放在高動態範圍(High Dynamic Range, HDR)、廣色域(Wide Color Gamut)上面,盼藉此創造出更好的觀賞體驗。另一方面,隨著日本開始為8K解析度廣播服務與相關平面電視產品進行暖身,標準組織也開始將眼光投向8K領域。

HDR將成下一主流 帶動HDMI 2.0a需求

支援4K解析度、HDR、廣色域等技術規格的新一代顯示器,在畫質表現方面壓倒性地勝過Full HD顯示器,幾已成為公認的事實。然而,為了顯示更大的動態範圍與更豐富的顏色,顯示介面必須跟著升級,才能承載隨之增加的資料流量。

舉例來說,藍光光碟聯盟(Blu-ray Disc Association, BDA)選擇將HDR-10作為藍光光碟的HDR強制標準後,已同步將HDMI 2.0a及HDCP 2.2拷貝保護標準列為配套標準。因為與HDMI 1.4相比,HDMI 2.0a的頻寬從10.2Gbit/s大幅增加到18Gbit/s,足以承載為支援HDR所增加的元資料(Metadata)(表1)。

根據HDMI標準授權組織(HDMI Licensing LLC)的統計資料,截至2016年國際消費性電子展(CES)前,一千七百多家HDMI授權廠商中,已有近60%取得HDMI 2.0a授權。可以預見的是,HDMI 2.0a很快將成為影音終端產品的主流介面規格。

不過,目前HDMI所採用的HDR-10規格是以靜態元資料為基礎,整部影片節目採用一致的動態範圍等級。相較之下,杜比(Dolby)與飛利浦(Philips)則力推動態HDR,讓影片製作者可以在後期製作時,視需要自由調整不同場景的動態範圍。一般預期,HDMI未來也會支援動態HDR。

值得一提的是,杜比目前正在推廣的Dolby Vision規格已支援動態HDR,而且可以與HDMI 1.4介面相容,製造商不一定要採用最新的HDMI 2.0系列介面。目前已有部分電視大廠推出同時支援HDR-10與Dolby Vision的高階產品。

相較之下,飛利浦所提出的第三種動態HDR標準便得使用比HDMI 2.0更先進的視訊介面。飛利浦提出的動態HDR標準具備更靈活的彈性,可視顯示設備的規格能力調整其動態範圍等級,不像現有的影像規格只有HDR與標準動態範圍(SDR)兩種選擇(圖1、2)。

圖1 飛利浦HDR功能方塊圖

圖2 飛利浦HDR所提出的SDR相容模式功能方塊圖

事實上,除了動態HDR外,飛利浦也已開始研究下一代色彩顯示系統,以便進一步提升畫質。飛利浦指出,為了盡可能重複利用現有的設備與投資並與SDR系統保持相容性,目前的HDR仍沿用YCbCr色彩標準,但該公司已經開始研究新一代色彩標準Y”u”v”(圖3)。

圖3 Y”u”v”色彩顯示標準

Y”u”v”標準短期內可能還無法出現在市面上,但比起現有的YCbCr標準,Y”u”v”可以進一步將HDR編碼訊號最佳化,提升其品質與頻寬效率。

次世代HDMI規格已進入定義階段

在2016年1月舉行的CES期間,HDMI論壇(HDMI Forum)主席Robert Blanchard透露,新一代HDMI標準已經在定義中,主要的技術開發目標是支援8K解析度及更強的HDR功能。此外,下一代HDMI還會支援供電等新功能,讓顯示器可以直接供電給電視棒或其他訊號源設備。

關於下一代HDMI標準的頻寬、推出時間、功能細節等資訊,HDMI論壇目前不願透露太多,也不評論現有裝置能否藉由韌體更新升級成新標準。但由於下一代HDMI同時要達到支援8K解析度及強化HDR效果的目標,硬體設計將出現更動的機會不低。

根據日本NHK先前進行的8K顯示串流實驗顯示,在每秒120格的條件下,傳輸未壓縮的8K訊號需要48Gbit/s頻寬;即便將格數減半為每秒60格,頻寬需求還是遠超過HDMI 2.0所能提供的18Gbit/s。若加上HDR元資料,則HDMI 2.0的頻寬將更形不足。

DisplayPort 1.4/SuperMHL 爭搶8K傳輸大餅

在HDMI還未能支援8K傳輸的情況下,其他視訊介面標準已經躍躍欲試,想利用這個機會在技術上超前HDMI。例如2015年1月發表的SuperMHL便可支援8K串流與動態HDR,視訊電子標準協會(VESA)則在2016年3月發表新一代DisplayPort 1.4介面,同樣也可支援8K串流及動態HDR標準。

DisplayPort 1.4的單通道頻寬為8.1Gbit/s,與Display Port 1.3相當。在典型的四通道配置下,總頻寬可達32.4Gbit/s。不過,DisplayPort 1.4導入了壓縮比為3:1的Display Stream Compression (DSC)壓縮技術,因此在相同的頻寬下,可以支援每秒60格的8K HDR影音傳輸;若用來傳輸4K影音,則每秒可達120格。

SuperMHL採用32針接腳,最大頻寬為36Gbit/s,同樣支援DSC壓縮標準。MHL聯盟(MHL Consortium)表示,SuperMHL的頻寬足以支援每秒120格的8K影音傳輸。值得注意的是,SuperMHL除了有自己的專屬連接器規格外,SuperMHL也和DisplayPort一樣,可以與USB Type-C連接器相容。

HDMI可望保持主場優勢

雖然HDMI的傳輸頻寬暫時落後給SuperMHL與DisplayPort 1.4,但仍無損於其視訊傳輸標準一方之霸的地位。畢竟,廣播服務生態系統的進步速度向來落後於終端產品。在未來1∼2年內,8K電視會是相當小眾,甚至是技術宣示型的產品。

夏普(Sharp)在2015年8月推出全球第一台8K平面電視,售價高達14萬美元。但直到目前為止,消費市場上並沒有對應的影音內容。最快要等到2016年巴西奧運期間,電視轉播單位才會開始拍攝8K奧運轉播節目,而且時數很短,約僅130小時。一般認為,2020年東京奧運才會是8K平面電視起飛的時間點。在此之前,平面電視規格升級的重點將不在解析度提升,而是各種畫質的改良升級。

因此,短期內HDMI陣營仍可按其既定步調開發下一代規格,不用擔心DisplayPort或MHL陣營會利用HDMI暫時無法支援8K的空檔大舉入侵平面電視、藍光光碟機等HDMI的主要應用市場。此外,HDMI標準向來具備向前相容特性,目前支援該標準的影音裝置已接近50億台,其龐大的安裝基礎,將對其他視訊介面形成一定的進入障礙。

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