科普论：4K 18G HDMI 信号源线的前生和今世的重要性

德易智HiFiBOX · 发表于 2018-4-26 08:00

本帖最后由 eswgdeh 于 2018-4-26 10:07 编辑

我看了很多关于HDMI信号的解读，尤其是百度知道上的回到很多都是扯淡，实在看不下去，所以写篇文章，以供大家对着方面有个清楚的了解。

谈到4K 基本知识，线材的传输。我们不得不先信号源的原理说起。搞明白信号传输的本质。就搞明白了为什么线材在信号源系统的重要性了？
科普论：4K 18G HDMI 信号源线的前生和今世的重要性

电信号：本质就是电流电压只是这些电流电压包含了一些信息 数字信号：本质就是0和1 一个高电平一个低电平。 模拟信号：连续的电信号。

显示器的“颜色深度”
　　颜色深度可以看作是一个调色板，它决定了屏幕上每个像素点支持多少种颜色。由于显示器中每一个像素都用红、绿、蓝三种基本颜色组成，像素的亮度也由它们控制（比如，三种颜色都为最大值时，就呈现为白色），通常色深可以设为4bit、8bit、10bit、12bit 16bit、24bit。色深位数越高，颜色就越多，所显示的画面色彩就逼真。但是颜色深度增加时，它也加大了图形加速卡所要处理的数据量。
10bit视频是指一种视频编码的特征，意思是每个颜色通道用10个bit来表达。这样，每个颜色通道的色彩级数从8bit的256级提高到了1024级，就可以更细致地表达颜色。

色深
色域是面积，色深是在色域限定的面积里能细分的层次。6bit就是细分64片，8bit就是细分256片。可以简单想象，色深越高，每一片面积越小，能对应的颜色就越精准。颜色就3个，要调出更多的颜色就要增加这3个色的深度。6bit面板每个色有64个色阶，能调出64*64*64=262144种色。8bit面板能有256*256*256=16.7M种颜色。10bit面板能有1024*1024*1024=10.7亿种颜色。色深到底影不影响色域你还是再想想吧

视频带宽（Video BW）
指每秒钟电子**扫描过的总像素数即单位时间每条扫描线上面显示频点数总和。像素时钟（点时钟）可以计算为“水平分辨率（总数）×垂直分辨率（总数）×场频（画面刷新次数）”与行频相比，带宽更具有综合性，也更直接地反映显示器性能。大家不要混淆视频带宽和像素时钟。

码流 　　
码流（Data Rate）是指视频文件在单位时间内使用的数据流量，也叫码率或码流率，是视频编码中画面质量控制中最重要的部分，一般我们用的单位是Kb/s或者Mb/s。一般来说同样分辨率下，视频文件的码流越大，压缩比就越小，画面质量就越高。码流越大，说明单位时间内取样率越大，数据流，精度就越高，处理出来的文件就越接近原始文件，图像质量越好，画质越清晰，要求播放设备的解码能力也越高。

帧率
一帧就是一副静止的画面，连续的帧就形成动画，如电视图象等。我们通常说帧数，简单地说，就是在1秒钟时间里传输的图片的帧数，也可以理解为图形处理器每秒钟能够刷新几次，通常用fps（Frames Per Second）表示。每一帧都是静止的图象，快速连续地显示帧便形成了运动的假象。高的帧率可以得到更流畅、更逼真的动画。每秒钟帧数 (fps) 愈多，所显示的动作就会愈流畅。

德易智HiFiBOX · 发表于 2018-4-26 08:01

分辨率
视频分辨率是指视频成像产品所成图像的大小或尺寸。常见的4K视像分辨率有3840X2160P 4096X2160P。在成像的两组数字中，前者为图片长度，后者为图片的宽度，两者相乘得出的是图片的像素，长宽比一般为16：9。

三者之间的关系
好的画质是分辨率、帧率和码率三者之间的平衡：
帧率：FPS（每秒钟要多少帧画面）；以及Gop（表示多少秒一个I帧）
码率：编码器每秒编出的数据大小，单位是kbps，比如800kbps代表编码器每秒产生800kb（或100KB）的数据。
分辨率：单位英寸中所包含的像素点数； VGA：Video Graphics Array（视频图像分辨率）

三者的对应直播质量的影响因素：
帧率：影响画面流畅度，与画面流畅度成正比：帧率越大，画面越流畅；帧率越小，画面越有跳动感。如果码率为变量，则帧率也会影响体积，帧率越高，每秒钟经过的画面越多，需要的码率也越高，体积也越大。帧率就是在1秒钟时间里传输的图片的帧数，也可以理解为图形处理器每秒钟能够刷新几次。
分辨率：影响图像大小，与图像大小成正比：分辨率越高，图像越大；分辨率越低，图像越小。
清晰度
在码率一定的情况下，分辨率与清晰度成反比关系：分辨率越高，图像越不清晰，分辨率越低，图像越清晰。
在分辨率一定的情况下，码率与清晰度成正比关系，码率越高，图像越清晰；码率越低，图像越不清晰。

通过一个真正的4K 60Hz刷新率和10位色彩（约19.12Gb/s）的信号（4096×2160像素）线材的速度要足够快。所以高品质的HDMI 线要的是速度。

HDMI 2.0功能提升
HDMI 2.0的传输带宽增加到了18 Gbps，主要是为了实现在50/60fps帧频情况下达到4K的清晰度。在上一个HDMI版本中，4K@30fps的速度大概需要的带宽是9Gbps，新版本上升为4K@60fps的时候，需要的带宽就是9Gbps×2，即18Gbps。因为它的速率非常快，所以其传输的数据是未经压缩的，即纯粹的原始数据。
新版本还提供了双画面特性，就是可以在一个屏幕上看到两个视频画面，双视频流可同步传输多个视频信号到同一屏幕上，而使得多人可以共享同一屏幕，观看不同的视频内容。该功能的一个典型应用就是多人游戏，这些可以通过佩戴具有相应功能的眼镜实现。
多音频流：可以同步传输多个音频流至多个用户（最高达 4 个），例如，多种语言的音频流同步传输至多个用户。其与双画面功能配合，可在同一个屏幕上同时使用双画面显示多音频/视频内容。
科普论：4K 18G HDMI 信号源线的前生和今世的重要性

HDMI 2.0还提供了最多32个音频通道，以享受身临其境般的多维音频体验，其听觉体验要优于传统的“环绕立体声”，体验清晰，实现了高保真的三维定位音效。与此同时，新版本还实现了高达1536kHz的音频采样率，进一步提高了音频清晰度。
CEC（消费电子产品控制）扩展：该控制技术可以实现使用一个遥控器对多个HDMI设备的操作。CEC 2.0扩展了功能，可以通过单点控制对消费类电子设备进行增强的指挥和控制。
HDMI 2.0还支持广角影片21:9的视频宽高比，从而满足观看者对广角影院视觉体验的需求。
动态自动声画同步：该增强型功能大大缩短了现有视频内容资源的处理时间，因为现今可用的视频内容来源广泛，视频处理的时间差别很大，这会引入延迟的音频/视频定时，而动态音频/视频同步功能通过动态同步视频和音频流解决了此问题，而且无需用户操作。
HDMI 2.0无需新的HDMI线缆，现有电缆将支持新版本功能，而高速线缆将支持HDMI 2.0增加的带宽（18Gbps）。同时，现有的连接器和插座都支持HDMI 2.0的所有功能。

eswgdeh · 发表于 2018-4-26 10:10

图像质量越好，画质越清晰，要求播放设备的解码能力也越高

德易智HiFiBOX · 发表于 2018-4-28 17:19

HDMI极限速率是如何定义的？

HDMI有4P信号线，其中有3P分别用来传输红、绿、蓝三种色彩分量的信号，1P用来传输clock信号。

HDMI升级到2.0版本后就有了相关的定义，可以支持到24位、36位、最高48位的色深。这是就规定了HDMI CAT2的最高传输速率为10.2G。举个例子：现在市场上应用最多的1080P 60Hz ，就是屏幕显示为横向1920个像素、纵向1080个像素，每秒刷新60次。用公式计算下来其像素频宽(就是你说的时钟频率)大约为148.5MHz。可以理解为HDMI的每对信号线每秒传输148.5兆个像素。

这里的1个像素是有一个10位的二进位码组成，其中有8位是视频数据，2位是控制信号，HDMI的8位视频二进制码信号发出时先要经过一个8b/10b的编码器，将8位信号加上2位控制信号后发送，所以1个像素是由10位二进制码组成。

上面1080P的传输速率就可以理解为3对*148.5MHz*10位=4.455G/s

这个就是HDMI的传输速率，对应的10.2G也就可以理解了，最高10.2G/S、每对3.4G/S、像素频宽340MHz

上面所说的1080P就是3*8=24位的传输，就是说1080P 60Hz实际传输的是24位的色深。 HDMI协会制定标准是考虑其发展性的，1.3版本规定最高支持到48位的色深，这个48位的色深的传输速率就接近10.2G/s了，为了HDMI产品发展和可扩充性，才把最高传输速率定的这么高。

色彩深度

* 色彩深度计算机图形学领域表示在位图或者视频帧缓冲区中储存1像素的颜色所用的位数，它也称为位/像素（bpp）。色彩深度越高，可用的颜色就越多。

8bit 10bit 12bit 14bit 16bit

在数字信息存贮中，计算设备用2进制数来表示，每个0或1就是一个位(bit)。假设1代表黑、0代表白，在黑白双色系统中最少有2bit。单基色为nbit，画面位数就为2 ?bit，位数越大，灰度越多，颜色也越多，彩色系统中同理。视频画面10bit含义就是画面能以10为二进制数的数量控制色彩层次（即灰阶）。通常 8bit相当于256级灰阶——即常说得24位真彩色；而10bit就相当于1024级灰阶。三基色混合成彩色，增加1 bit就意味色彩数增加8倍。10bit就相当于1024的三次方——1073741824，约为10.7亿色。远大于8bit的1670万色。

视频信号输出带宽是怎么计算的？

HDMI／2.0输出按照3840 x2160 分辨率，每个像素10bit , 单通道就是 10X3=30bit. 按照输出帧率60fps那就是3840 x2160 x30 x60= 14929920000单位应该是bit 。 根据以上方法换算如下：那么4k带宽计换算完毕等于14.9 Gbps

当然，这个计算结果是非常理论化的，还有別的因素要考虑。HDMI使用的TMDS(最小化传输差分信号)机制。实际效率理论也就是14.9Gbps。这个带宽要求已经超过了HDMI/1.4的10.2Gbps要求，只有 HDM12.0才能达到18Gps，因而才可以轻易支持4K 60Hz输出。

理论计算（数据未压缩） 4K显示屏对应的解析度：3840*2160 4K内容需要的传输速率：3840*2160*8*3*60≈12 Gbps （前提：不考虑数据中的其他信号；数据位数为8 bits/color；帧率为60fps）

10 bit 和 8 bit 的灰度级别

通常的我们使用的显示器色彩是 24 bit ，那么现在提出的 10 bit 单通道色彩，两者是怎样一种关系呢？ 　　这是一个非常容易混淆的概念，实际上，可以这样计算，1 位单通道色彩的图像只是黑色和白色两种色彩，而单通道 8 bit 实际相当于显示器定义的 24 bit 或 32 bit ，显示器定义只是简单的色彩通道相加，而不是单通道色彩深度；单通道 16 bit 具有 65536 个灰度级别，和显示器的色彩定义不同，显示器是两个 5 bit 通道加上 1 个 6 bit 通道，色彩还没有达到单通道 8 bit 的图像显示质量。

8 bit 和 10 bit 也是这样。高位深表示在一个色阈中更多的采样数值，8 bit 提供 256 个采样点，而10 bit 提供1024 个采样点，其色彩精度是8 bit 的4 倍。

也就是说，显示器和图像深度之间是一个单通道色深与颜色数量之间的关系，24 bit 真彩色显示器显示数量是单通道10 bit 色彩数量的六十四分之一。如果按照三原色计算，10 bit 单色彩通道相加为30 bit 色彩，或者说10 亿色。

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