在視頻顯示領(lǐng)域中的視頻傳輸技術(shù)規(guī)范中，技術(shù)發(fā)展焦點(diǎn)依然停留在HDR高動(dòng)態(tài)范圍與8K UHD超高清視頻顯示領(lǐng)域，盡管目前我們已經(jīng)能夠找到8K HDR的節(jié)目源、8K HDR的平板電視與家庭影院投影機(jī)以及支持8K HDR的傳輸線材，但是更大的問(wèn)題在于如何讓8K HDR的優(yōu)勢(shì)最大程度的發(fā)揮出來(lái)。尤其是HDR方面，面對(duì)各種根據(jù)不同亮度參數(shù)制作的片源，如何能夠讓不同的顯示設(shè)備都能展現(xiàn)出不同HDR片源在亮度、細(xì)節(jié)與色彩方面的優(yōu)勢(shì)確實(shí)不是一件容易的事情。下面我們就從即將登場(chǎng)的HDMI 2.1a技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)入手，深入探討2022年我們?cè)贖DR高動(dòng)態(tài)視頻傳輸與顯示處理方面的各種可能性。
2022年初值得期待的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)與規(guī)范(HDMI 2.1a篇)
● HDMI 2.1a希望能在源頭解決困擾已久的色調(diào)映射問(wèn)題
● 回顧HDMI 2.1技術(shù)規(guī)范之傳輸帶寬提升至48Gbps
● 回顧HDMI 2.1技術(shù)規(guī)范之更加重視高幀率
● 回顧HDMI 2.1技術(shù)規(guī)范之支持動(dòng)態(tài)HDR技術(shù)
● 回顧HDMI 2.1技術(shù)規(guī)范之對(duì)游戲方面的優(yōu)化功能
● HDMI 2.1實(shí)際上并沒(méi)有觸碰HDR高動(dòng)態(tài)范圍的關(guān)鍵點(diǎn)
● 為什么HDR會(huì)存在節(jié)目源與顯示設(shè)備方面的色調(diào)匹配難題
● SBTM(Source-Based Tone Mapping)基于信號(hào)源的色調(diào)映射功能
增加SBTM(Source-Based Tone Mapping)基于信號(hào)源的色調(diào)映射功能，HDMI 2.1a希望能在源頭解決困擾已久的色調(diào)映射問(wèn)題
每年在CES展會(huì)之前，我們都會(huì)發(fā)現(xiàn)會(huì)有某些重量級(jí)的技術(shù)或產(chǎn)品推出的消息泄漏出來(lái)。而今年最為重磅的莫過(guò)于在CES2022展前溝通會(huì)上，HDMI Licensing Administrator組織確認(rèn)將會(huì)很快發(fā)布HDMI 2.1a的技術(shù)規(guī)范，只是具體沒(méi)有說(shuō)會(huì)在什么時(shí)間段推出，希望能夠在CES展會(huì)期間正式發(fā)布。從名稱上來(lái)看，從HDMI 2.1到2.1a，我們不難發(fā)現(xiàn)這次升級(jí)的幅度并不大，也就是說(shuō)技術(shù)規(guī)范中的核心內(nèi)容不會(huì)有太大的變化，它主要的升級(jí)內(nèi)容放在了如何增強(qiáng)和優(yōu)化HDR高動(dòng)態(tài)范圍顯示方面，增加了SBTM(Source-Based Tone Mapping)基于信號(hào)源的色調(diào)映射功能，期望從源頭解決困擾我們已久的HDR片源與HDR顯示設(shè)備之間的色調(diào)映射問(wèn)題。
回顧HDMI 2.1技術(shù)規(guī)范之傳輸帶寬提升至48Gbps
考慮到HDMI2.1a在核心部分還是沿用HDMI2.1，在進(jìn)一步探討SBTM功能之前，讓我們先來(lái)回顧一下HDMI 2.1所包含的主要技術(shù)規(guī)范細(xì)則。首先HDMI 2.1在傳輸帶寬上相比HDMI 2.0b有了明顯的躍進(jìn)，從原來(lái)的18Gbps大幅度提升至48Gbps，從而讓我們能夠通過(guò)HDMI 2.1實(shí)現(xiàn)8K/60p，4:2:0，12bit超高清視頻信號(hào)傳輸。可以說(shuō)，HDMI 2.1技術(shù)規(guī)范是專門(mén)為8K/60p或4K/120p超高清傳輸而特別設(shè)計(jì)的，充分考慮過(guò)高規(guī)格超高清視頻信號(hào)傳輸?shù)囊蟆榱私鉀Q48Gbps信號(hào)傳輸?shù)膯?wèn)題，HDMI論壇特別推出了新一代Ultra High Speed HDMI線材規(guī)范，能夠全面支持4Kp50/60/100/120與8Kp50/60，并且還加入了eARC與VRR等新的HDMI 2.1的技術(shù)特點(diǎn)。同時(shí)Ultra High Speed HDMI線材特別強(qiáng)調(diào)擁有超低的EMI(電磁干擾)，可減少對(duì)附近無(wú)線設(shè)備的干擾。畢竟目前越來(lái)越多的播放設(shè)備、平板電視以及AV放大器開(kāi)始加入了無(wú)線傳輸?shù)墓δ埽S著無(wú)線傳輸帶寬的不斷提高，對(duì)于電磁干擾的要求就更高。目前，國(guó)內(nèi)外越來(lái)越多的HDMI線材取得了Ultra High Speed HDMI線材認(rèn)證，我們可以從線材包裝盒或包裝袋上的UHS認(rèn)證二維碼找到該款HDMI線材的認(rèn)證信息。
不過(guò)，由于長(zhǎng)年以來(lái)的消費(fèi)習(xí)慣，不少朋友在選擇HDMI線材的時(shí)候，還是會(huì)以2.0、2.1的版本來(lái)尋找。但其實(shí)HDMI論壇早已不再采用HDMI版本來(lái)標(biāo)識(shí)，而是采用另外一套與傳輸帶寬相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)來(lái)定義，例如前面所提到的UHS線材版本。具體來(lái)說(shuō)，對(duì)于1080/24p、4:2:2、8bit，帶寬為2.23Gbps以下的信號(hào)傳輸，可以采用Standard HDMI線材；對(duì)于4K/24p、4:2:2、8bit，帶寬為8.91Gbps以下的信號(hào)可以采用High Speed HDMI線材；對(duì)于4K/60p、4:2:2、10bit，帶寬為17.82Gbps以下的信號(hào)可以采用Premium HDMI線材；至于48Gbps帶寬以下的4K/8K/10K信號(hào)傳輸可以采用Ultra High Speed HDMI線材傳輸。
從目前的情況來(lái)看，想要實(shí)現(xiàn)48Gbps高帶寬的10米以上的長(zhǎng)距離傳輸，HDMI光纖線是一種不錯(cuò)的解決方案，同樣也可以考慮采用HDMI轉(zhuǎn)高速網(wǎng)線如(7A類線以上規(guī)格)的方式。另外，對(duì)于HDMI 2.1標(biāo)準(zhǔn)所支持的畫(huà)面分辨率，除了8K之外，還能支持10K超高清顯示。其實(shí)10K就是8K的2.35:1版本，垂直分辨率依然是4320，只不過(guò)畫(huà)面的水平分辨率提升到10240。同樣，HDMI 2.1標(biāo)準(zhǔn)也支持4K的寬屏版5K超高清顯示，也就是5120×2160。
回顧HDMI 2.1技術(shù)規(guī)范之更加重視高幀率
隨著傳輸帶寬的大幅度提升，HDMI 2.1技術(shù)規(guī)范讓我們看到了高幀率的重要性。長(zhǎng)久以來(lái)，我們?cè)趲史矫娴年P(guān)注點(diǎn)都會(huì)放在電影方面，很長(zhǎng)的一段時(shí)間都只是延用古老的24p的幀率，畫(huà)面的流暢性非常一般，特別是面對(duì)高速轉(zhuǎn)換的鏡頭，很容易會(huì)出現(xiàn)卡頓的問(wèn)題，不過(guò)也有導(dǎo)演或用戶喜歡這樣的顯示效果，將其稱為菲林感。而到了近年來(lái)，數(shù)字拍攝技術(shù)的飛躍，慢慢地我們看到了60p甚至120p制作的電影出現(xiàn)，目前4K UHD藍(lán)光電影出現(xiàn)的最高幀率為4K/60p，例如李安執(zhí)導(dǎo)的《比利林恩的中場(chǎng)戰(zhàn)事》與《雙子殺手》，畫(huà)面流暢性相信給不少影音愛(ài)好者留下了深刻的印象。因此，幀率是衡量畫(huà)面優(yōu)異程度的其中一個(gè)關(guān)鍵指標(biāo)，只是在電影領(lǐng)域，我們都忽略了這一點(diǎn)。但是在電競(jìng)游戲顯示領(lǐng)域，高幀率或顯示設(shè)備的高刷新率很早就獲得了高度重視，現(xiàn)在不少電競(jìng)顯示器不僅僅是120Hz的刷新率，更是高達(dá)144Hz、165Hz甚至是240Hz、300Hz，而且刷新率也并非固定不變，還會(huì)隨著游戲場(chǎng)景的變化而高低起伏。HDMI 2.1技術(shù)規(guī)范最高可以支持4K/120p與8K/60p的高幀率，并且也能夠支持VRR可變刷新頻率。
回顧HDMI 2.1技術(shù)規(guī)范之支持動(dòng)態(tài)HDR技術(shù)
除了高幀率與高刷新之外，HDMI 2.1還特別加強(qiáng)了對(duì)動(dòng)態(tài)HDR技術(shù)的支持。目前主流的HDR技術(shù)主要分為兩大類，一是屬于靜態(tài)HDR技術(shù)的HDR10，一是采用元數(shù)據(jù)的動(dòng)態(tài)HDR技術(shù)的Dolby Vision、HDR10+。HDR10與Dolby Vision已經(jīng)成為了現(xiàn)階段國(guó)內(nèi)外視頻流媒體平臺(tái)與UHD 4K超高清藍(lán)光的主流HDR技術(shù)規(guī)格，只是目前家庭影院投影機(jī)僅僅支持HDR10，還不能支持Dolby Vision，如果想要感受Dolby Vision的優(yōu)勢(shì)，就需要通過(guò)激光電視和平板電視來(lái)實(shí)現(xiàn)了。HDR高動(dòng)態(tài)范圍的好處是擴(kuò)大了整個(gè)畫(huà)面的明暗對(duì)比，使得畫(huà)面中的黑色更深沉，高光更具能量感，從而讓整個(gè)畫(huà)面的細(xì)節(jié)更為豐富，高光部分的色彩更加接近于我們所看到的實(shí)際色彩亮度。動(dòng)態(tài)HDR技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，在于其動(dòng)態(tài)范圍優(yōu)化的方式從整部電影，調(diào)整為每個(gè)場(chǎng)景或每一幀的畫(huà)面，也就是說(shuō)對(duì)于畫(huà)面動(dòng)態(tài)范圍的處理更為細(xì)致，所得到的每一幀畫(huà)面的明暗對(duì)比更為強(qiáng)烈，更能突顯HDR高動(dòng)態(tài)范圍的優(yōu)勢(shì)。對(duì)于未來(lái)的8K超高清顯示必然會(huì)結(jié)合更為出眾的動(dòng)態(tài)HDR技術(shù)。這也是HDMI 2.1標(biāo)準(zhǔn)所具備的另外一個(gè)重要特點(diǎn)。
回顧HDMI 2.1技術(shù)規(guī)范之對(duì)游戲方面的優(yōu)化功能
除了上面所提到的主要技術(shù)特點(diǎn)之外，HDMI 2.1也開(kāi)始強(qiáng)化了在電競(jìng)游戲方面的功能，以增加對(duì)DisplayPort的競(jìng)爭(zhēng)力。其中包括了前面所提到的VRR可變刷新頻率功能。另外還包括了QMS快速媒體切換功能可以瞬間切換顯示內(nèi)容的分辨率或幀率，而不會(huì)有任何顯示中斷，換句話來(lái)說(shuō)就是徹底解決了我們?cè)谇袚Q不同信號(hào)源令人討厭的黑屏等待的問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)快速的節(jié)目源切換的問(wèn)題。這個(gè)也是HDMI 2.1標(biāo)準(zhǔn)中其中一個(gè)最為實(shí)用的功能。
222QFT快速幀傳輸功能也是一個(gè)減少游戲和交互式虛擬現(xiàn)實(shí)顯示的延遲問(wèn)題的實(shí)用性功能。ALLM自動(dòng)低延遲模式可以為各種不同的娛樂(lè)應(yīng)用顯示的時(shí)候，自動(dòng)設(shè)置理想的延遲設(shè)置，同時(shí)不會(huì)干擾觀看與交互性應(yīng)用，主要也是為游戲與VR顯示而設(shè)的功能。
HDMI 2.1實(shí)際上并沒(méi)有觸碰HDR高動(dòng)態(tài)范圍的關(guān)鍵點(diǎn)
前面我們回顧了HDMI 2.1的主要技術(shù)功能，可以清楚地看到HDMI 2.1屬于HDMI技術(shù)規(guī)范的大幅度升級(jí)版本。2021年，我們看到了越來(lái)越多的家用顯示設(shè)備開(kāi)始采用HDMI 2.1版本的傳輸接口，以更好地與PS5、XSX這類具備了HDMI 2.1輸出接口的游戲主機(jī)或PC電腦相匹配，只是需要特別留意的一點(diǎn)，并不是所有采用HDMI 2.1接口的顯示設(shè)備都能實(shí)現(xiàn)8K超高清顯示，不少4K顯示設(shè)備也采用了HDMI 2.1接口，但往往目的是為了與PS5、XSX有更好地兼容性，支持HDMI 2.1關(guān)于游戲優(yōu)化方面的眾多技術(shù)特點(diǎn)，以提升在游戲方面的流暢體驗(yàn)。總的來(lái)看，HDMI 2.1其實(shí)關(guān)注點(diǎn)并不在HDR高動(dòng)態(tài)范圍之上，實(shí)際上早期的HDMI 2.0b版本就已經(jīng)能夠支持動(dòng)態(tài)HDR技術(shù)了，HDMI 2.1只是在這個(gè)基礎(chǔ)上特別強(qiáng)調(diào)動(dòng)態(tài)HDR技術(shù)的重要性，并沒(méi)有深入地觸碰用戶在HDR高動(dòng)態(tài)范圍電影觀看與游戲體驗(yàn)方面的痛點(diǎn)，也就是下面所要提到的Tone Mapping色調(diào)匹配問(wèn)題。
HDR會(huì)存在節(jié)目源與顯示設(shè)備方面的色調(diào)匹配難題的原因
為什么HDR會(huì)存在節(jié)目源與顯示設(shè)備方面的色調(diào)匹配難題？最主要的原因在于創(chuàng)作者在制作端所采用的亮度制作參數(shù)普遍高于現(xiàn)階段消費(fèi)領(lǐng)域的顯示設(shè)備，尤其是亮度普遍偏低的家庭影院投影機(jī)，HDR節(jié)目源的制作亮度與投影機(jī)的顯示亮度有著明顯的差異性。目前，主流的電影后期制作室在制作HDR影片的時(shí)候，普遍都會(huì)采用1000nit甚至4000nit或以上的高亮度監(jiān)視器，而制作出來(lái)的HDR影片的普遍峰值亮度都在1000nit以上，部分電影的內(nèi)容最高亮度可達(dá)4000nit以上，最高甚至接近10000nit。但家庭影院投影機(jī)現(xiàn)階段所能達(dá)到的亮度往往100-250nit之間，即使是亮度稍高的激光電視平均也在400nit左右，這就需要進(jìn)行色調(diào)映射的處理，選擇合適的亮度曲線“裁切點(diǎn)”，在亮度與畫(huà)面細(xì)節(jié)之間取得平衡，以確保投影機(jī)呈現(xiàn)出充足的畫(huà)面亮度的同時(shí)也不會(huì)丟失高光的細(xì)節(jié)層次。
SBTM(Source-Based Tone Mapping)基于信號(hào)源的色調(diào)映射功能能夠解決HDR顯示中的痛點(diǎn)
但是需要留意的一點(diǎn)，并不是每一部HDR電影都采用相同的峰值亮度信息，如果顯示設(shè)備對(duì)所有的HDR電影都采用相同的色調(diào)映射處理肯定是不行，我們就需要根據(jù)不同的HDR影片手動(dòng)調(diào)整投影機(jī)HDR處理的等級(jí)。為此，一些顯示設(shè)備品牌開(kāi)始加入基于顯示設(shè)備的自動(dòng)色調(diào)映射處理，讓顯示設(shè)備自行判斷每一部HDR影片的亮度信息，包括內(nèi)容峰值亮度與平均幀峰值亮度，實(shí)現(xiàn)更好的HDR高動(dòng)態(tài)范圍顯示。不過(guò)，想要所有的顯示設(shè)備都具有自動(dòng)色調(diào)映射處理功能，終究不是一個(gè)很好的辦法。
于是，HDMI 2.1a就帶來(lái)了SBTM(Source-Based Tone Mapping)基于信號(hào)源的色調(diào)映射功能，讓信號(hào)源設(shè)備來(lái)處理色調(diào)映射，不再需要依賴顯示設(shè)備自身的處理，從而讓每一臺(tái)HDR高動(dòng)態(tài)范圍的顯示設(shè)備都能顯示出基于不同亮度制作的影片的高動(dòng)態(tài)范圍影像細(xì)節(jié)，而不再需要手動(dòng)調(diào)整顯示設(shè)備的HDR處理等級(jí)。SBTM功能還能實(shí)現(xiàn)在畫(huà)中畫(huà)、獨(dú)立視頻窗口等同時(shí)顯示HDR、SDR視頻或游戲畫(huà)面。
不過(guò)，想要充分發(fā)揮SBTM功能，顯示設(shè)備需要支持動(dòng)態(tài)HDR格式，如HDR10+與Dolby Vision這類本身就具備了每一幀或每一個(gè)場(chǎng)景亮度信息的HDR內(nèi)容。如果僅僅支持HDR10這類靜態(tài)HDR技術(shù)，即使通過(guò)SBTM功能實(shí)現(xiàn)信號(hào)源設(shè)備的色調(diào)映射處理，但仍然局限在整部HDR影片的亮度信息，并不能細(xì)致地處理影片中每一幀或每一個(gè)場(chǎng)景的畫(huà)面亮度，還是有機(jī)會(huì)出現(xiàn)某些畫(huà)面高光過(guò)曝或亮度不足的問(wèn)題。不過(guò)，若是你所采用的家庭影院投影機(jī)、激光電視或平板電視能夠支持Frame Adapt HDR逐幀適配HDR功能，讓顯示設(shè)備自動(dòng)判別每一個(gè)幀畫(huà)面或每一個(gè)場(chǎng)景畫(huà)面的亮度信息并進(jìn)行即時(shí)處理就另當(dāng)別論了。
總結(jié)
最后，由于目前HDMI論壇暫時(shí)還沒(méi)有透露更多關(guān)于HDMI 2.1a相關(guān)的技術(shù)信息，關(guān)于SBTM功能的細(xì)節(jié)技術(shù)參數(shù)還有待后續(xù)更新。不過(guò)，通過(guò)播放設(shè)備來(lái)解決節(jié)目源與顯示設(shè)備的色調(diào)匹配難題確實(shí)是一種絕佳的解決方案，只要顯示設(shè)備向信號(hào)源提供相關(guān)的顯示亮度信息與色調(diào)匹配的參數(shù)，播放設(shè)備就能向顯示設(shè)備輸出經(jīng)過(guò)色調(diào)映射的HDR高動(dòng)態(tài)范圍視頻信號(hào)，從而極大程度低降低了不同HDR顯示設(shè)備在處理HDR信號(hào)時(shí)的差異性，簡(jiǎn)化用戶對(duì)于HDR高動(dòng)態(tài)范圍顯示方面的調(diào)校，并能進(jìn)一步推動(dòng)HDR10+與Dolby Vision這類動(dòng)態(tài)HDR技術(shù)規(guī)格的普及。只不過(guò)，從現(xiàn)階段HDMI 2.1在市場(chǎng)中的普及速度以及影音市場(chǎng)各種不定因素，即使是只需要固件升級(jí)就能支持，想要全面普及HDMI 2.1a恐怕還要花上一段較長(zhǎng)的時(shí)間。
