4K视频分配的五大挑战

Crestron公司

挑战1：分辨率不匹配

720p、1080i和1080p视频共享相同高宽比1.78：1（16：9）。由于基本上所有信号源和显示器都使用此高宽比，我们经历了一个相对简单的时代。若干年内无需为适应各种高宽比而进行调整。但是对于4K，这一切将发生变化，它带来了管理两种不同标准分辨率的挑战。

分辨率 屏幕高宽比 常用名称

3，840×2，160 1.78：1（16：9） 超高清

4，096×2，160 1.90：1（17：9） 4K DCI（数字电影倡导联盟）

3，840×2，160，通常称为超高清，分辨率正好是1080p的四倍，是将1，920×1，080的水平和垂直像素数翻倍而形成的。因此，它的高宽比是与高清相同的16：9。但是大部分（并非全部）4K显示设备的本机分辨率为3，840×2，160。

4，096×2，160，通常称为4K DCI，用在电影生产和商业电影院的电影放映中。有一些显示设备的本机分辨率为4，096×2，160，但是不如3，840×2，160的分辨率那么普遍。

许多4K摄像头和信号源设备可以设置为以上两种分辨率中的任何一种。经验丰富的AV专家会回忆起SXGA计算机的1，280×1，024分辨率，它具有5：4的非标准高宽比，而几乎所有其他信号都是4：3。这导致了类似的问题，必须小心地匹配并正确地配置显示器和信号源，以便在显示所有信息时不会发生意外的遮幅或拉伸。

挑战2：新的帧速率的相关事项

为了以60帧/秒的速率传输1，920×1，080视频，需要4.46Gbit/s的数据速率。因此，像素增加至4倍将需要4倍的数据速率是合理的。然而，接受度最广的HDMI1.4版只支持10.2Gbit/s（包括透射）的最大数据速率。

因此，如今的4K设备被限制为30帧/秒或更少。这对电影而言并无变化，因为原始信号源是24帧/秒。然而对于视频和计算机应用，帧速率降低了一半，这一点非常重要。因此，现在的挑战是设计可能需要管理24、25、30、50和60帧/秒内容的系统。

值得注意的是，通过将色彩信息压缩至4：2：0，被称为色度二次采样的技术能够在9Gbit/s的数据速率下，以60帧/秒传输4K视频。请注意，4：2：0是蓝光光盘使用的色度编码。色度二次采样能够传输全分辨率的亮度信息和较低分辨率时的色度（在本例中为1，920×1，080）。由于人眼对色差的敏感度低于对亮度的敏感度，这对从可用带宽获得最佳感知图像而言是一种优化。此技术是否会被显示器和信号源制造商采纳，仍有待分晓。DigitalMedia通过4：2：0的色度二次采样，支持以50或60帧/秒传输4K内容。

DigitalMedia支持HDMI1.4中采用的所有格式的全带宽，并通过4：2：0的色度二次采样支持以50或60帧/秒传输4K视频，这是一种在HDMI2.0中引进的格式。

色度编码 4K-24或30fps 4K-50或60fps HDMI规格

4：4：4 是 否 1.4

4：2：0 是 是 2.0

2013年9月获得规格批准的HDMI2.0仍然是一个年轻的生态系统。分配更高带宽的HDMI2.0格式（例如4K60 4：4：4内容）所需的芯片在市场上尚未出现。

挑战3：信号完整性问题

系统设计者必须应对的另一挑战是4K视频的信号完整性要求远高于高清视频的要求。在下面的测试示例中，我们使用了一流的测试设备（例如Agilent 12GHz高性能示波器），以及市售标准信号源和显示器。

图3所示为清晰的1080p可视区域。可视区域开度很大是因为测试中的系统拥有充裕的带宽支持1080p。

在图4中，信号源分辨率增加至4K，其余的设置不变。我们注意到可视区域开度因抖动而明显变小，如青色直方图中所示。

在图5中，缆线长度为30英尺。请注意，可视区域因更多抖动和信号丧失而进一步闭合。信号对可视区域的刺激很明显。因此，该系统不可能成功。

在图6中，使用了快思聪DigitalMedia将相同4K信号源传输30英尺。由于输出预加强和其他性能增强，产生了这张明显改善的可视图。请注意可视区域已打开，证明该DM系统补偿了信号降级。DigitalMedia提供了可能有的最佳信号。我们注意到抖动已基本消除，如青色直方图中所示。

事实上，改善如此明显以至于图6中所示传输了30英尺的4K信号明显优于图3中传输了3英尺HDMI线缆的1080p信号。

挑战4：新的线缆长度限制

快思聪DigitalMedia可以通过双绞铜缆和光缆分配音频、视频和控制信号，并在一个平台上进行流式传输。支持4K的第一种基础设施类型是双绞铜缆。DigitalMedia的铜缆传输支持HDBaseT联盟设定的规格，因而兼容其他HDBaseT设备和普通CAT5e缆线。

即使帧速率降低且色度二次采样可能产生增益，传输4K视频仍需要大量带宽。因此，双绞铜缆的最大长度将显著小于业界惯常对高清视频使用的长度，这对系统设计者提出了新的挑战。在DigitalMedia实验室中进行了长时间测试后，快思聪DM工程师们建议使用以下最大缆线长度：

1080p 4K

DM 8G缆线 100米/330英尺 70米/230英尺

非屏蔽CAT5e 100米/330英尺 50米/165英尺

在模拟系统中，过长的缆线传输可能导致观众可接受或不可接受的图像降级。然而，在如今的数字系统中，过长的缆线传输可能导致根本没有图像。更糟糕的是，长距离缆线传输会加剧信号源与显示器之间的不兼容。某些设备使用较长电缆传输时测试正常，不代表系统后续采用的每个设备都会正常。事实上，4K所需的更高带宽对HDMI缆线的长度带来了更多限制。

挑战5：信号源/显示器的兼容性

如同首次将任何新技术带入市场的许多创新者一样，最先开发4K信号源和显示器的公司也面临着“鸡与蛋”的窘境：在此项技术处于萌芽期时，其他可供使用的4K设备非常少，如何在这种情况下使用它们测试可操作性？因此，当这些新的4K信号源和显示器进入市场后，它们之间的兼容性通常不理想。甚至同一公司的产品之间也存在兼容性问题。这为系统设计者带来了另一项新的挑战。