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使HDMI系统适于深色应用

52Forum| HDMI| 2010-10-22
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     高清媒体接口(HDMI)已成为高清电视(HDTV)与其显示内容媒体源之间的标准接口。HDMI 1.3版本传输的视频数据将具有更高的分辨率,呈现出来的清晰、明快的画面内容也将比以往更为丰富。HDMI 1.3版本的特点包括深色技术(Deep Color)带来的更加生动鲜明的色彩,以及多项其他改进,如更为出色的声音与画面的同步功能、支持无损高清音频格式、xvYCC扩展色谱以及全新的小型连接器等。

深色系统能够提供10位、12位和16位的色深(RGB或YCbCr),从而为用户带来更为鲜艳的色彩和更为逼真的电视体验,解决了当今高对比度显示技术常见的带状干扰(banding artifacts)问题。 深色技术能够在最暗的黑色值和最亮的白色值之间提供更多灰色阴影,从而提高了对比度增加后的显示质量,能在屏幕上呈现出更为流畅的色彩图像。

新版本还增加了对xvYCC色彩标准的支持,从而极大地扩展了现有高清电视的色谱,在屏幕上实现肉眼能够分辨出的所有色彩,且呈现更为精准(见表1)。

这种先进的色彩显示技术将被应用于新型高清设备中,如高清DVD与蓝光播放器等,但是否将深色内容应用于磁盘中将取决于内容提供商。深色技术还被应用于最新的游戏机产品中,如索尼PlayStation 3(见图1),为游戏机玩家带来更为生动的游戏体验。

                                                                                 图1 运用HDMI 1.3版本的系统

为了完全实现源设备和高清电视之间的高数据传输速率,系统所用电缆必须能够处理更强的带宽信号。HDMI 1.3版本定义了两种新型电缆,厂商根据不同的系统进行选择:

·标准电缆(也称为1类电缆):这种电缆支持的最高数据速率可达75MHz,对应于720p和1080i分辨率。

·高速电缆(也称为2类电缆):这种电缆支持的数据速率可达340MHz,对应于1080p分辨率、深色与高刷新率。

虽然现有的电缆大部分被测定为标准电缆,但其中的许多产品(尤其是3米或3米以下长度的电缆)只需对特性进行重新设定就能通过高速电缆测试。集成在 HDMI接收器上的片上平衡电路是使电缆获得极限性能或更大长度,以支持最高可达340MHz高数据速率的关键因素。当HDMI接口在高速率下被阻断时, 这种平衡电路能够为信号衰减提供显著补偿。

系统实施

为实施HDMI 1.3版本的深色技术,设计者应注意两个关键领域的问题:更高的数据速率与更高色深度。在深色技术中,每一帧必须传递更多的色彩数据,因此数据速率更高。在HDMI 1.3标准下,最大单链接带宽已增加到340MHz,使合计数据传输速率达到10.2Gbps。大带宽允许显示技术支持视频以更高的帧速率传输(如120Hz),且每视频帧能传递更多色彩数据。

HDMI 1.3设备的接收与发送电路必须配备更宽的内部数据通道,以适应最高可达每分量(component)16位的色深(12位是现有深色设备支持的最常用色 深)。任何实施了深色技术的ASIC都必须增加芯片上数据通道的宽度,以扩大帧缓冲,并增加逻辑电路内部速度以便在相同的帧时间内处理更多数据。

使用现有压缩标准(如MPEG2、MPEG4、H.264、AVC等)编码的内容为每像素分量8位色彩,但源电路的视频处理仍可将8位字扩展为10位或 更高,以更高位数确保处理过程中的色彩精准度。处理过程可能会改变色彩界限,采用8以上的位数以精确再现信号。即使对于具有8位色彩调色盘的DVD播放 器、机顶盒或高清电视,在视频处理中运用深色技术,仍可使其画质获得明显提高。最令人惊喜的是,这项新标准可以实现在本地创建,并且使用8位以上色深对内 容完成处理。

处理30位、36位和48位像素的能力,即在4:4:4色空间(原始对象)中意味着每个色彩分量为10位、 12位和16位,能够提供优质画面。高精度10位与12位色深可被任何源设备或处理器用于视频处理并扩展原有的8位数据,同样,某些显示器也可将其用于内 部视频处理。一些显示器中的嵌入式处理器可扩展所需比特位,以实现对8位/分量的透明支持,并实施附加处理,以最小化带状干扰。

连接源设备与接收器

任何源设备与接收器之间的HDMI连接都具有智能化的特点,即接收器的EDID ROM芯片将显示所支持的全部音频和视频格式,包括色深模式。这种方式可以使用户享受到经过自动优化、达到最佳质量模式的音频与视频体验,所有连接在一起的HDMI设备都能够对这种功能提供相互支持。

在读取接收器的容量之后,源设备将进行自我设置,使用接收器支持的恰当的视频时序和色深格式发送数据流。如果与接收器相连的具有深色功能的源接口只支持 8位色深而不支持深色功能,那么源设备必须发送被编码为8位色深的视频。如果源设备不支持连接至深色接收器的色深接口,那么此源设备须寻找另外一种接收器 能够支持的色深模式(如8位模式),再输出合适的兼容视频信号。

深色技术的实施不会对HDMI的物理层或8位至10位TMDS编码层产生 直接影响。要传输8位以上的附加像素数据,必须增加HDMI接口的时钟速率,以便在相同的帧时间内容纳附加像素。在12位色深(每视频帧像素数据是8位色 深的1.5倍)的情况下,72位色深(包含两个36位像素数据)被容纳进3个8位像素帧中(8位红、8位绿、8位蓝=24位/帧×3帧=72 位),TMDS时钟以1.5倍以上的速率运行。

  为创建能够提供并显示深色内容的系统,源设备与接收器子系统需要能够支持50%以上增速的HDMI发射器与接收器芯片,以处理深色带来的更高数据传输速率。Silicon Image公司的VastLane SiI9134 HDMI 1.3发射器(见图2)以及SiI9125 HDMI 1.3接收器(见图3)均可反向兼容此前的HDMI 1.2产品(由于总线接口较大,因此不可引脚兼容)。SiI9134在其自身和提供内容的系统控制器之间需要更宽的数据通路,这是发射端(源)的主要变化。

  与上一代发射器产品类似, SiI9134等为HDMI 1.3设计的芯片必须配备高速数据加密引擎,以使用 HDCP(高带宽数字内容保护)加密标准为内容提供保护。HDCP能够确保内容通过HDMI链接安全传输。由于音频数据被嵌入在TMDS流中,因此HDCP加密能够同时保护音频与视频数据。

   当系统控制器为HDMI发射器芯片提供未经压缩的并行视频数据时,发射器将在加密数据之前对并行视频数据进行TMDS串行转换和色空间转换,再将其作为 兼容HDMI信号发射出去。提供未经压缩的音频与视频数据的系统控制器通常为融入源设备的ASIC设计,如高清DVD/蓝光播放器、机顶盒或游戏机等。这 种电路必须进行改进以满足深色技术的要求。

  典型子系统的控制器包括压缩解码器、将音频数据流由组合数据流中分离出来的运算逻辑 (组合数据流由磁盘中读取,或被汇入机顶盒),以及帧缓冲控制逻辑。在通常情况下,常用的DRAM可被用来存储数据,因此帧缓冲可位于ASIC外部。HDMI 1.3版本的帧缓冲通常要大于HDMI 1.2系统的帧缓冲,以存储深色图像的色彩内容。

  与上一代HDMI接收器芯片类似,HDMI 1.3版本接收器解决方案包括一部HDCP解密引擎,用于对被保护内容进行正确解码。举例来说,每一部SiI9125都使用完全集成的独特HDCP密钥编 程,以提供对保护内容的便捷访问,同时减少系统厂商的制造复杂度和制造成本。接收器芯片捕捉高速串行数据流,对比特流进行解码并将数据转换为适当的并行格 式(如用于色深的36位,或用于标准色彩的24位),并传输到显示子系统中。

  除因支持深色而需要更宽的数据通道外,高清显示子系统基本上没有改变。实现这一变动只需对现有电路进行简单改进,因此系统电路成本几乎没有增加。这样,设计者就无需费力更新高清显示器/接收器以处理深色数据,尤其对于许多已经具有处理比HDMI 1.2版本更丰富色彩能力的高清显示子系统来说,就更是如此。这些微小的设计变动将使系统具备强大的HDMI 1.3版本深色功能,提供栩栩如生的鲜明色彩,使用户享受到逼真的电视体验。

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