4K UHD即時非壓縮傳輸的物理挑戰

作者\陸向陽

2006年跨2007年的台北101煙火,歷時188秒、3200萬台幣,贊助商Sony打出「Full HD 1080」的霓虹字樣,宣示視訊從720p(HD)進入1080p(Full HD/FHD),此也表示若無壓縮處理,且每像素均為True Color(24-bit)與垂直畫面更新率達不用交錯掃描的60張(60fps),則即時的視訊傳輸率需自1.3Gbps(1280 x 720)提升至3Gbps(1920 x 1080)。

4K的的超高畫質享受,背後的代價就是視訊需要更高的傳輸率,即時無壓縮的傳輸率需增至12Gbps。
4K的的超高畫質享受,背後的代價就是視訊需要更高的傳輸率,即時無壓縮的傳輸率需增至12Gbps。

而去年至今年,4K的2160p(Ultra HD/UHD)開始炒熱,甚至連8K的4320p也被一併討論,視訊解析度再度躍進一個世代,但也意味著傳輸率要再提升,同樣以即時無壓縮而言,傳輸率需增至12Gbps(4K)與47.7Gbps(8K)。

姑且不論更高遠的8K視訊,光4K即夠讓現有產業頭痛,如何傳遞12Gbps?現有HDMI 1.4版恐力有未逮,HDMI 1.4的3條傳輸巷(Lane),每條傳輸率達3.4Gbps,加總可得10.2Gbps,DisplayPort(DP)亦是相同傳輸率。

10.2Gbps明顯低於12Gbps,嚴格而論HDMI 1.4無力即時傳輸4K UHD,但還是勉強變通出一個方式:降低畫面垂直更新率,自60fps降至24fps,如此即可傳輸4K UHD。

傳輸表現

降垂直更新率屬權宜之計,終究要提升傳輸表現,正在研擬且即將發表的HDMI 2.0,將傳輸巷的傳輸率提升至6Gbps,如此加總可得18Gbps,便可以應付4K UHD,且維持60fps畫面更新率。

無獨有偶的,今年4月NAB展期間,Intel宣布Thunderbolt(TBT)提升一倍傳輸率,自10Gbps增至20Gbps,嚴格而論只是打破原有傳輸限制,使TBT的2個傳輸通道(Channel),不再限定其中1個單獨配置給DP,因而獲得倍增傳輸率,但也因此讓TBT(倍增後於6月改稱Thunderbolt 2)能夠即時非壓縮傳輸4K UHD。

增至18Gbps或20Gbps後,即可因應4K UHD傳輸,但依然無法應付傳輸率需求更大的8K UHD,甚至是連3D版的4K UHD都無法因應,3D版的視訊內容是2D版的2倍,12Gbps增至24Gbps,如此無論HDMI 2.0、Thunderbolt 2都無法應付。

若想應付更高傳輸率,以物理方式而言的作法有2種,一是增加平行傳輸數,另一是改變傳輸介質。所謂增加平行傳輸數,即是對TBT/TBT 2有2個各10Gbps的傳輸通道,以及HDMI 1.4/2.0有3個各3.4/6Gbps的傳輸巷,進行巷道、通道的擴增,2線道變3線道、4線道等,即可增加傳輸量。

另一是改變傳輸介質,銅線的物理極限約10Gbps,HDMI目前為3.4/6Gbps,仍有提升空間,但TBT已經到10Gbps,後者若想增傳輸率,恐怕只能改用光纖,無法再用銅線。

兩種作法都會增加成本,銅線換光纖會增加線路成本,拓增傳輸巷/通道也會因增加線路數而增加成本,且若現有連接器的接腳已經定義差不多,無法容納新增加的傳輸巷/通道的定義,就要增訂新標準,此將牽一髮動全身,連接器要改、纜線要改,甚至韌體軟體也要改,整個產業都要因應調整。

除HDMI與TBT外,MHL也值得討論,8月份MHL 3.0標準出爐,可支援4K UHD,但也是以降低畫面垂直更新率至30fps,才得以即時非壓縮傳輸,尚無法到60fps。

至於DP幾乎不用討論,DP的未來已經倚仗TBT,除保有DP原有傳輸協定外,物理面的纜線、連接器都會靠攏TBT,但MyDP會面臨與現有MHL 3.0同樣的挑戰。不過,如前所言,銅線極限約10Gbps,MHL與MyDP都用Micro USB介面來傳輸,僅使用1條傳輸巷(MHL是3巷併1巷,DP是4巷併1巷),如此想達12Gbps,幾乎是不可能。

有線的提升如此痛苦,無線更不在話下,無論5G Wi-Fi(11ac)或WiGig(11ad)均只有7Gbps傳輸率,離12Gbps甚遠,加上無線傳輸必須加密,傳輸耗佔更多,幾乎難支援4K UHD,以上且都還未考慮HDCP的防拷耗佔,以及零星的控制協調傳輸、7.1聲道傳輸、數據語音應用傳輸等。

除了硬體努力外,軟體演算也正在加把勁,MPEG-4、H.264(AVC)已經不敷使用,業界有意提升至H.265(HEVC),壓縮率可以再增強,盡量避免非壓縮性即時傳輸,盡可能改用壓縮(Compress)與具串流(Streaming)緩衝(Buffer)的傳輸,恐怕是目前的應急之道。

不同解析度的格式一覽表

長解析度(像素)

寬解析度(像素)

每像素出色(位元)

畫面垂直更新率

非壓縮即時傳輸率

1280

720

24

60

1.32Gbps

1920

1080

24

60

2.98Gbps

3840

2160

24

60

11.94Gbps

7680

4320

24

60

47.77Gbps


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