發佈日期：2018/2/7
發佈單位：iST宜特
高畫質影像漸成為主流影視標準，HDMI也趁此趨勢發布最新標準，宣告4K、8K時代正式到來，甚至10K影像應用也風起雲湧。本文將針對2017年底公告的HDMI 2.1規格書，以及量測實驗室之觀察經驗，論述未來HDMI最新發展與未來影像趨勢。
隨著高畫質影像漸漸成為主流影視標準，而4K顯示器陸續出爐，因此過去資料的傳輸規格恐怕已不符合未來需求，HDMI 論壇(HDMI forum INC.)即在2017年初，宣布新的影像標準，並趕在2017年底前，正式發表HDMI 2.1規格書(Specification)，這個新規格除了影像傳輸速度將大幅提升外，且將未來 10K/5K 影像的需求也考量進來，此舉代表了消費型影音產品正式進入了10K/5K新時代。
高畫質影音需求增，HDMI 2.1現10K規格
HDMI傳輸線普遍運用在消費型影音產品，包括電視、電腦、播放器、遊戲主機、影片串流、等等裝置的影音傳輸上，一條HDMI傳輸線同時承載著影像與聲音的訊號，並且確保影音在傳輸的過程中訊號不會衰減。
那麼10K/5K是怎麼樣的概念呢? 若不考慮技術上是否能達到，大部分消費者的疑問將會是10K/5K顯示技術是否有其必要性，畢竟影音消費市場由FHD (1920×1080)進展到UHD (4K2K, 3840X2160) 的解析度，也花了將近三年的時間，4K(3840X2160)解析度設備才剛剛開啟普及之路。
事實上從2014年4K/2K技術的公告並沒有帶來大量的換機潮，而到2017年底，大部分的電視機及電影的格式仍然停留在FHD 的解析度，更遑論8K(7680X4320)解析度還尚未登場。
相對於HDMI 另外一個組織 VESA 早在2014 就公告了DP1.3 (DP1.4的前身) 8K/4K的技術規範，然而8K/4K到目前為止在顯示器(Monitor)的市場能見度還是非常的低，這是否意味著消費者對於解析度並沒有明顯的感受。
主要來自於人眼感受度無法到這麼大，但此次HDMI 2.1還有加入動態HDR(Dynamic HDR)的規格，未來在影像的景深、細節、明亮度、反差都可以改善，以更廣的色域顯示，視覺效果加入縱深度，因HDR(Dynamic HDR)加入，而可達到更好的立體效果。
承載更高解析度，HDMI 2.1傳輸規格攀升至48Gbps
HDMI 2.1將支援「動態HDR」，藉由逐格的影像強化，提供比靜態HDR
更好的顯示效果。 在物理上，HDMI 2.1的Cable外觀與現在HDMI 2.0是完全一樣的，但2.1能承載更高的解析度與更高更新率，可攜帶的影像解析度提高到10K，更新率最高拉到為120fps。
傳輸頻寬從目前HDMI 2.0的最高數據傳輸速度為18Gbps，而HDMI 2.1規格則一口氣將傳輸速度的頻寬提升到48Gbps。
在音效方面也會在品質上有進一步的提升，強化了音頻的細節和深度。
HDMI這次公告的規格並不只有解析度的提升，也帶入了在未來影音產品的其他規格。因此本文第一部分將針對2017年底公告的HDMI 2.1規格書，爬梳介紹；第二部分將針對筆者在任職的宜特科技訊號測試實驗室所觀察到的趨勢提出淺見。
第一部分：HDMI 2.1規格書重點介紹
以下將針對規格書，在FRL(Fix rate link) mode導入、DSC壓縮、eARC音頻技術導入與Dynamic HDR這四項作進一步的說明。
(一) 導入FRL (Fix Rate Link) mode改善HDMI 1.4/2.0 TMDS mode缺點
1. HDMI 1.4 跟2.0-TMDS mode的缺點
在HDMI 1.4 跟2.0 的時代，HDMI的物理層(Physical layer)傳輸格式，一直是依循Silicon Image 所定義的TMDS (Transition-minimized differential signaling)模式。在這種模式下信號是由data 0, data 1, data 2三組data lane與一組 clock lane組合而成。這種模式很自然是由早期YUV或RGB三組Video 訊號並加上Sampling Clock的組合。
這種組合以現在有線傳輸的技術來看，在有限的傳輸線組下自然是比較浪費的，因為clock上並未載入任何資訊(data)。
HDMI1.4與HDMI 2.0版本-TMDS圖
2. HDMI 2.1-FRL mode如何進行改良
而在HDMI 2.1這個版本，FRL模式(mode)則是把四組差分的傳輸線均定義為data lane，分別為Lane 0, Lane 1, Lane 2, Lane 3；而clock則必須由data中分離出來。這種模式其實並不是新的技術，早在Display port 1.0的時代便有類似的應用稱之為CDR (clock data recovery) 模式，clock就是由data中分離出來的。這樣的安排可以把total throughput 增加1/4，使傳輸效率提升。
雖然字面上FRL mode是指Fix rate，可是應用上data rate不是真的只有一種頻率，根據不同的解析度還是分為3GHz, 6GHz, 8GHz, 10GHz跟12GHz；而不同的頻率則分別可以安排3個lane或4個lane。
FRL Lane Arrangement 圖形
3. 在FRL model coding的方式更改為16b 18b的模式
TMDS的編碼(coding)方式是把8 bit的一個byte轉為10 bit的編碼，再以serial 的方式載在data bus上傳輸。以這種模式傳輸10 bit中，有2個bit是浪費的，所以coding效率只有80%。
FRL mode把編碼(coding)改為16b18b，其中依然只有兩個bit是浪費的，自然地在coding效率上增加為16/18=88.88%。同樣的是為了增加throughput的一種手法。
16b18b的作法是將兩個8 bit的byte先串聯在一起，再把其中9個bit當作一個單元查表，得到10 bit的編碼(code), 再把剩下的7 bit查另外一表，得到8 bit 的編碼(code)最後把10 bit跟8 bit串聯再一起得到18的編碼，同樣的能達到coding能量分散的效果。
16b18b 圖形
(二) 獲得更高解析度，HDMI 2.1導入壓縮格式DSC (display stream compression)
HDMI 所使用的DSC 壓縮並不是HDMI 自己發展出來的，而是由VESA所擁有的DSC V1.2 授權使用。
DSC的全名是 Display stream compression，在網站上可以看到VESA 宣稱這是一視覺上看不到損失的壓縮方式 (visually lossless compression over display links.)。 對比於HDMI 2.0 之前的特點，HDMI一直強調是傳輸非壓縮的信號。DSC的導入可以看到HDMI 在致力提高解析度的同時，不得不向現實的物理特性妥協。
如果以HDMI 2.0 在4K/2K的data rate 計算，如果僅僅增加一條lane，同時將解析度加到8K/4K，在444 的模式下每個通道將高達18GHz；如果是10K/5K，則進一步達到28.125GHz，這在傳輸的物理特性幾乎是達不到的，更不用說應用在消費產品上。
因此，DSC 的特性是只針對H方向做壓縮，對於V方向則不做處理。由HDMI 2.1公告的timing table 為例，一個10K/5K 422的timing，原始解析度為10240×4320，經過DSC 壓縮後將成為3120×4320，壓縮大約為原來的1/3。
(三)將ARC改良成eARC(Audio Return Channel)提升音效品質
音效方面，HDMI 2.1支援新的eARC技術，比起現有的ARC（Audio Return Channel），可回傳 Dolby Atmos 等 Object-based 音效。ARC在TV級音響系統的應用上已漸漸成為標準的應用，ARC的傳輸本來就提供單端與差動兩種模式。由於單端的應用設計較為簡單，大部分的系統僅支援單端的設計，然而現實的應用上，單端傳輸與抗雜訊的能力本來就比較弱，所以ARC 大多僅支援48K sampling rate的格式。
HDMI 2.1將ARC改良為eARC (enhance Audio return channel)，同時支援differential模式與common模式的傳輸。
Differential模式可以傳輸高達36.864MHz/192K 24bit的PCM音訊或者24,576MHz/768 frame rate 的nonlinear-PCM 的音訊。
Common模式則可以傳輸1M 的control信號。 Differential mode 跟common mode 的信號是同時傳輸的。
eARC圖形
(四) 結合動態HDR使畫面更有「看」頭
HDMI 2.1支援最新的動態HDR(Dynamic HDR）技術，比起目前HDMI 2.0的靜態HDR(static HDR)，動態HDR可以確保影像的每一幕，甚至是每一影格畫面都進行重新調整，從而每一影格(frame)畫面都能夠顯示出景深、細節、亮度、對比度的理想值以及更寬廣的色域。
在HDMI 2.0a 的規範中，已經帶入HDR的應用，其中傳輸的環境參數metadata 是稱作static metadata (靜態的metadata)，也就是影片中所攜帶的HDR訊息只有一種，從播放開始到結束都不會有變化。
HDMI 2.1則導入動態(dynamic) metadata, 環境參數metadata 是可以每一個影格(frame)變動的, 理論上這種模式可以更精確地還原HDR的影片. 不過在實際的調教仍有一定的困難度。
第二部分：針對HDMI 2.1，宜特趨勢觀察
HDMI 2.1 相容測試規格（Compliance Test Specification，CTS）預計要到2018年第二季底才會分階段發布，但以筆者身為宜特科技驗證測試實驗室的觀察發現，大部分廠商仍以HDMI1.4與HDMI 2.0的測試為主，對於HDMI 2.1在10K/5K這方面仍保持觀望態度。原因主要有二，一是來自於4K/2K尚未真正普及，遑論10K/5K更還在討論階段；二來自於內容面(Content)，包括電影規格等內容面，尚未有10K/5K問世，硬體面是否要如此早投入研發，保持觀望。
不過目前電視影像的播放，重心有逐步轉到網路串流端，包括亞馬遜、Netflix等都在自家網站乘載影音，未來10K/5K的內容導入，亦有可能是從網路設備端進行。
若您有相關高速訊號傳輸需求，歡迎洽翁小姐(Sufang)│ +886-2-27922890分機2727 │Email: web_si@istgroup.com