深度阐述HDMI2.1在超高清视频传输中的应用

很多人在选择延长器、切换器、显示设备、视频源设备时，往往更看重分辨率、色域、延长距离和处理器，对HDMI接口的态度是能用就行，并没有太多的带宽要求。不过随着各种4K甚至8K超高清资源成为主流，接口的信号传输能力也越来越重要。因此，很有必要对HDMI接口进行深入探究。

 

HDMI版本简介

HDMI全称高清晰度多媒体接口，是一种数字视音频接口，用于音视频设备之间的互连。迄今为止，HDMI Forum共发布了7个重要版本。

HDMI1.4开始支持4K超高清视频，由于受限于带宽，其对4K超高清支持能力有限，要么是帧率只有30P的4K超高清视频，要么是只有4K/60P 4:2:0 8bit的4K超高清视频。可以说HDMI1.4支持的超高清视频并不符合标准。

到HDMI2.0才可以说真正支持10bit以上量化、50P以上帧频的超高清视频。更高规格的 4K超高清视频，包括8K超高清视频，需要最新的HDMI2.1版本才能支持。

 

HDMI2.1浅析

HDMI2.0及以前的版本，一个 HDMI连接包含3个TMDS数据通道和1个TMDS时钟通道，TMDS数据通道传输视频像素、数据包和控制数据，TMDS时钟通道传输HDMI像素时钟。HDMI2.0规定TMDS数据通道的字符速率最高为600Mcsc，即每秒每通道600 兆字符，每个字符10bit，因此HDMI2.0的三个数据通道总带宽为18Gbps。

为了提高带宽，HDMI2.1定义了一个新的传输模式——FRL，原先的TMDS时钟通道也改作传输数据，这样数据通道就变成了4条。没了时钟通道，数据通道采用了5种固定传输速率(3Gbps/6Gbps/8Gbps/10Gbps/12Gbps)，因此 HDMI2.1的最高带宽为48 Gbps。

 

HDMI2.1在4K/120P视频中的应用

1、提高4K超高清视频帧率的必要性

人眼视网膜有两类感光细胞，锥体细胞和杆体细胞。锥体细胞分布在视网膜的中央凹，感受强光，分辨物体的颜色和细节。杆体细胞分布在视网膜边缘部分，感受弱光，分辨物体的形状和运动。

人眼对间断光刺激的反应取决于间断频率，当间断频率增加至一定值后，人眼闪烁感消失，感受到的是连续光，这一间断频率值就是临界闪烁频率CFF。亮度对CFF有影响，亮度增加，CFF增大。颜色也会影响CFF，白光CFF大于其它色光CFF。

4K超高清的色域是BT.2020，与 BT.709色域相比增加的大部分是绿光，因此4K超高清也会增加闪烁感。影响CFF还有视场角，分布在视网膜凹中心以外区域的杆体细胞对闪烁更加敏感，当视场角变大时CFF也变大。4K超高清为了增加临场感，视场角由高清的30度增加到60度左右，8K超高清的视场角在100度左右，因此同样的帧率下，4K、8K 超高清的闪烁感会更加明显。

从以上分析得出，相比较于高清，超高清的CFF要大，为了消除闪烁，也是需要提高帧率。因此，超高清100/120P的帧率在视频传输中很有必要。

2、HDMI2.1的4K/120P超高清比特率

提高帧率的代价就是更高的带宽需求。HDMI2.0的18Gbps带宽限制了其在4K120P超高清设备中的应用，48Gbps高带宽的HDMI2.1满足了这一需求。HDMI定义了两种传输模式：兼容之前版本的TMDS和新的FRL，不同模式下的4K/120P超高清视频比特率大不相同。

 

HDMI2.1如何传输4K/120P视频？

HDMI2.1采用FRL模式传输数据前，要先建立FRL连接(link)，其过程如下：

(1) 接收端EDID应包含HF-VSDB数据块，如果接收端支持FRL模式，则SCDC_Present字段=1，同时Max_FRL_Ｒate字段指明所支持的FRL等级。

(2) 源端通过DDC读取接收端EDID，如果接收端支持FRL，则源端选择相应的FRL比特率和通道数，并写入SCDCS寄存器，通过DDC通知接收端。

(3) 接收端将SCDCS寄存器FRL_start字段置1，通知源端传送数据。对于4K/120P来说，不同取样结构和量化比特下所需的每通道比特率和通道数都不相同。

 

HDMI2.1在8K视频中的应用

对于8K超高清视频，只有8K/24-30P 4:2:0 8bit量化视频格式可以在TMDS模式下传输，其它格式的TMDS字符速率都大于600Mcsc，只能采用FRL模式传输。

由于8K/48-60P 4:2:2以上规格的比特率超过了HDMI2.1的48Gbps带宽，因此，HDMI2.1采用了VESA DSC1.2a标准进行压缩。

HDMI2.1传输8K超高清视频有无压缩视频和压缩视频两种方式，表中红色区域对应的8K视频只能采用压缩视频传输方式。如果采用无压缩视频方式传输8K，不同视频格式对应的每通道比特率和通道数如下表所示。

如果采用压缩视频方式传输8K，不同帧率和取样结构下，像素压缩后的位数，每通道FRL速率和通道数都是固定的。

HDMI2.1规定，支持8K/50-60P视频格式的设备，必须支持FRL传输方式，且必须至少支持无压缩的10bit量化、4:2:0 格式，或者压缩的10bit量化、4:4:4 格式。

 

HDMI连接PC、显示器及延长器

通过HDMI2.1接口连通PC与显示器，PC将自动与显示器适配，其过程包括：读取显示器的EDID信息、适配处理。

• PC读取显示器的EDID信息
• PC适配处理后输出超高视频
• HDMI延长器将无损的HDMI信号远距离传输

 

总结

8K/60P超高清视频具有更加细腻的画面，4K/120P视频带给游戏玩家更加流畅的体验，这些全得益于HDMI2.1的48Gbps高带宽。同时，HDMI2.1支持HDR动态元数据，能够让每一帧的画面都能够拥有更多的高光和暗部细节，这一切只为带给人们无尽的视觉享受。