【技术】从HDMI 2.1与HDCP 2.3出发，思考8K能否成为超高清发展的第二阶段
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在这两个月，IMAX Enhanced认证与JVC首款8K家庭影院投影机的出现让我们再次看到了家庭影院市场又要掀起新的波澜。IMAX Enhanced认证是由IMAX与DTS共同联手在家用领域推出的新一代认证项目，从电影制作覆盖到播放端的家庭影院投影机、AV放大器、Soundbar等产品，具备了挑战杜比全景声与杜比视界两项重要音视频技术的重要实力。最初看到IMAX Enhanced认证推出的消息，确实令我感到相当兴奋，毕竟在商业电影院领域，IMAX依然备受影音爱好者的认可与追捧，如今能够切入到家用领域，确实是大家的福气。同时也高兴地看到，IMAX Enhanced认证不只是一个简单的产品认证，更是从制作端入手，联合Sony Picture与Paramount两大电影公司，共同推出IMAX级别的4K HDR与沉浸式三维音效规格电影大片。
其实，现在已经有不少采用IMAX规格拍摄的电影推出了UHD 4K蓝光的版本，但非常可惜的是，并非所有都采用16:9的全屏规格，有些仍然是2.35:1的比例。现在IMAX Enhanced认证将会使得IMAX拍摄的电影大片能够充分展现画质方面的优势，再加上在后制方面加入4K与HDR的元素，让画面在细节与动态方面的表现能媲美IMAX影院的效果。
IMAX Enhanced认证在音频方面则是由DTS带来专门针对IMAX电影与影院系统而改造的沉浸式三维音效系统，应该会采用类似于DTS:X的基于音频对象加入元数据处理的环绕音效技术。虽然暂时还不确定具体有没有关于IMAX Enhanced认证音箱系统摆位要求，但按照DTS:X灵活性摆位的方针，我们依然可以保留使用杜比全景声的环绕声系统布局方案。除了IMAX Enhanced认证之外，JVC针对家用市场带来的首款支持8K超高清显示的家庭影院投影机DLA-N11也同样令广大的影音爱好者感到相当兴奋。既然8K家庭影院投影机已经出现了，那么我们离8K的时代还远吗？接下来，我们将要透过HDMI 2.1标准与HDCP 2.3协议来深入谈谈8K超高清的发展。
单单有8K家庭影院投影机的出现并不够，我们还需要8K的节目源
现在几乎已经是2018年的尾声，还差两个多月我们就要进入2019年，那么究竟能不能赶在2020年完成BT.2020推荐规范给我们制定的目标？随着一众8K超高清平板电视的现身，再加上8K投影机开始进入到家用市场，我们似乎看到了8K已经离我们不远了。不过视频技术发展，往往是节目源跟不上显示设备的步伐。现在8K也遇到了同样的问题，不管是传统碟片还是网络流媒体逗非常缺乏8K的节目源。而我们能够找得到的某些网络的8K超高清视频节目还停留在较低码流，采用BT.709色域标准制作的片源，离高规格的8K节目源还是有着不少的距离。
在这里，我们需要讨论什么是高规格的8K节目源。首先，高规格8K节目源需要拥有8K级别的画面分辨率，也就是4320p的垂直分辨率，如果按照16:9的画面比例，就是7680×4320。第二是在色彩方面需要达到BT.2020标准，也就是色域范围最低限度也应该接近DCI-P3标准，最好能够达到BT.2020标准，而色深方面则是达到12bit，或者更进一步达到14bit。第三画面帧率方面达到60p到120p，让动态画面的流畅度大幅度提升。第四是能够支持HDR高动态范围，最好能够达到动态HDR。第五是在音频方面采用基于音频对象的沉浸式三维音效。这样高规格的8K节目源对于传输带宽的要求十分高，8K/60p、12bit色深、4:2:0规格的8K信号最起码需要达到HDMI 2.1标准的48Gps。若是8K/120p、12bit色深、4:2:2规格的8K信号所需要的带宽更是达到128Gbps。由此不难发现，想要得到高规格8K节目源，不管是通过网络流媒体的方式，还是传统蓝光碟片的方式都是很有难度。但相对而言，目前已经有128G大容量规格的蓝光碟片推出，将来搭配更高压缩比的编码规格，高规格的8K超高清电影依然有机会通过蓝光碟片的方式发行。而网络流媒体的方式并非不可能，只是受到网络传输带宽的限制，相信8K流媒体的信号规格和目前4K流媒体信号一样都要低于碟片的方式。
目前想要寻找8K超高清的节目源，最快捷的方式是透过网络流媒体平台，Youtube是早在2015年就开始推出8K视频短片的平台
8K分辨率其实就是拥有4320p的垂直分辨率的画面，按照16:9的画面比例，就是7680×4320
蓝光依然是未来8K高规格电影的最佳载体，目前网络带宽仍然需要进一步发展
假设未来真得有8K超高清蓝光碟片推出，那么就一定会采用全新的HDCP(High-Bandwidth Digital Content Protection) 高清数字内容保护协议，而不是现在应用在UHD 4K蓝光中的HDCP 2.2协议。其实，不知不觉之间，HDCP在今年3月就带来了2.3版本，能够为全新的8K超高清节目源传输带来更强的保护。
新一代的HDCP2.3保护协议通过嵌入式的安全模块 (ESM)硬件保护的方式来加强超高清信号传输与播放中的安全性，ESM结构紧凑、高效节能且在经过配置后可适应各种高分辨率、未压缩的内容流，如高清和超高清内容流。同时ESM安全模块既可以集成与HDMI之中，也可以单独存在。ESM模块采用多核的规格可以用于进行密钥流生成，内容加密和解密，身份验证和密钥交换以及系统更新等。目前Synopsys已经带来了DesignWare ESM嵌入式的安全模块，并且成功应用在支持HDMI 2.1规格的8K视频处理器SC1H06AT1上。值得留意的一点，该8K视频处理芯片除了能够通过HDMI 2.1的传输介面接入8K超高清视频信号之外，还能够透过多路HDMI 2.0接口将多路4K视频信号升频处理为8K信号传输。值得留意的一点，目前已经有部分的高端平板电视开始采用HDCP 2.3协议，相信在未来有更多8K超高清平板电视与家庭影院投影机会采用HDCP 2.3协议的HDMI端口。
高规格8K节目源需要在色域方面达到BT.2020广色域
而在色深方面，高规格8K节目源要达到12bit，甚至是14bit色深
将来如果真得有8K蓝光的推出，在HDCP保护协议方面将会采用全新的HDCP 2.3协议，目前已经有相关的视频处理芯片出现
再让我们细致分析HDMI 2.1标准
高规格的8K信号传输的基础
在8K超高清规格刚刚推出之初，HDMI标准还不能支持8K视频信号传输，反而专业显示领域的DisplayPort抢先一步加入了对8K传输的支持。在那个时候，我们就曾经怀疑过，将来要进入到8K超高清显示时代的时候，HDMI是否还是主流？按照目前的情况来看，我们当时似乎是有点想太多了。去年11月HDMI论坛正式发布了新一代的HDMI2.1标准，明确指出新一代HDMI传输介面能够支持8K/60的信号传输，同时将带宽扩展为48Gbps。目前，HDMI论坛成员已经达到92家，全面覆盖了消费电子领域的众多品牌，影响力越来越大，相信即使到了8K超高清的年代，HDMI依然拥有毫无疑问的统治力。
尽管此前我们曾经简单讨论过HDMI 2.1标准的一些细节，但在那个时候8K平板电视与8K家庭影院投影机仍是遥不可及，并没有对HDMI 2.1标准有更深的理解。下面我们再来谈谈HDMI 2.1标准的重要特点。首先最为关键的一点在于支持传输带宽的大幅度跃升。从HDMI 2.0b标准的最高18Gbps骤然提升至48Gbps，直接的影响是HDMI线材需要更新换代，而长距离传输HDMI光纤线的优势将更加明显。为什么HDMI 2.1标准是48Gbps最高传输带宽规格？因为当我们要传输8K/60p，4:2:0，12bit超高清信号的时候，我们就需要48Gbps的传输带宽。换句话来说，HDMI 2.1标准是专门为下一代的超高清8K传输而特别设计的，充分考虑过8K信号传输的要求。为了解决48Gbps信号传输的问题，HDMI论坛特别推出了崭新的Ultra High Speed HDMI线材规范，能够全面支持4Kp50/60/100/120与8Kp50/60并且还加入了eARC与VRR等新的HDMI 2.1的技术特点。同时Ultra High Speed HDMI线材还特别强调拥有超低的EMI(电磁干扰)，可减少对附近无线设备的干扰。毕竟目前越来越多的播放设备、平板电视以及AV放大器开始加入了无线传输的功能，随着无线传输带宽的不断提高，对于电磁干扰的要求就更高。
值得留意的一点，对于传输线材标准，HDMI论坛已经不再采用HDMI版本来标识，而是采用另外一套与传输带宽相关的标准来定义。对于1080/24p，4:2:2，8bit，带宽为2.23Gbps以下的信号传输，可以采用Standard HDMI线材；对于4K/24p，4:2:2，8bit，带宽为8.91Gbps以下的信号可以采用High Speed HDMI线材；对于4K/60p，4:2:2，10bit，带宽为17.82Gbps以下的信号可以采用Premium HDMI线材；至于48Gbps带宽以下的4K/8K/10K信号传输可以采用Ultra High Speed HDMI线材传输。而根据HDMI论坛的相关资料，下一代的HDMI标准很可能直接就支持8K/120p，4:2:2，12bit，带宽为128.3Gbps的超高清信号传输，而这也将会是BT.2020标准中最高规格的8K信号传输标准。因此，随着HDMI传输的带宽越来越高，未来还需要突破至128Gbps，对于HDMI线材的传输要求更高，同时这也意味着HDMI线材在技术上还需要不断突破。
而从目前的情况来看，想要实现48Gbps高带宽的10米以上的长距离传输，HDMI光纤线是一种不错的解决方案，同样也可以考虑采用HDMI转高速网线如(7A类线)的方式。但是未来，传统的HDMI合金线是否能够通过技术的改革，加入性能更为强大的放大器实现48Gbps的8K超高清信号长距离传输，让我们拭目以待吧。另外，对于HDMI 2.1标准所支持的画面分辨率，除了8K之外，还能支持10K超高清显示。其实10K就是8K的2.35:1版本，垂直分辨率依然是4320，只不过画面的水平分辨率提升到10240。同样，HDMI 2.1标准也支持4K的宽屏版5K超高清显示，也就是5120×2160。
HDMI 2.1标准是目前HDMI方面的最高标准，所支持的最高带宽达到了48Gps，对于长距离传输有了更高的要求，并提出了Ultra High Speed HDMI线材规范
接下来谈谈帧率与HDR的提升，HDMI 2.1标准为8K超高清奠定了坚实的基础
在HDMI 2.1标准之中，我们可以看到8K方面的技术指标并不会单独存在，往往在后面都会加上60这个数字。其实这个数字就是帧率，或者说是屏幕的刷新频率。帧率越高，我们所能看到的动态影像细节就越多。在1080p蓝光电影的年代，基本上电影大片都是采用最低的24p的帧率，画面的流畅性非常一般，特别是面对高速转换的镜头，很容易会出现卡顿的问题。可惜的是，在如今的UHD 4K超高清蓝光电影的时代，绝大部分的电影大片还是沿用了24p的帧率，动作大片卡顿的问题依然存在。不过我们也终于看到第一部采用60p帧率的电影，来自李安的《比利林恩的中场战事》，画面流畅性相信给不少影音爱好者留下了深刻的印象。其实，帧率是非常重要的衡量画面优异性的指标。而电脑显示器在这方面就比平板电视和家庭影院投影机要走得快许多，目前144Hz刷新率的显示器已经成为了电子竞技类游戏屏幕的标配，想想我们许多蓝光碟片还是可怜的24p的帧率，只能透过平板电视与投影机上的插帧功能将其提升至60p。在BT.2020标准之中，对于8K超高清信号是需要达到120p的帧率，而在HDMI 2.1标准之中最高也可以支持8K60的传输要求，对于以往仅是24p的帧率已是不少的提升，为进入下一阶段的8K/120超高清信号传输打下基础。
除了帧率之外，这两年来火热的HDR高动态范围相信也将会成为未来8K超高清传输不可或缺的重要因素。目前主流的HDR技术主要分为两大类，一是属于静态HDR技术的HDR10，一是采用元数据的动态HDR技术的Dolby Vision。HDR10与Dolby Vision已经成为了现阶段UHD 4K超高清蓝光的主流HDR技术规格，只是在家庭影院方面，家庭影院投影机暂时只支持HDR10，还不能支持Dolby Vision，如果想要感受Dolby Vision的优势，就需要通过平板电视来实现了。HDR高动态范围的好处是扩大了整个画面的明暗对比，使得画面中的黑色更深沉，高光更具能量感，从而让整个画面的细节更为丰富，高光部分的色彩更加接近于我们所看到的实际色彩亮度。动态HDR技术的优势，在于其动态范围优化的方式从整部电影，调整为每一帧的画面，也就是说对于画面动态范围的处理更为细致，所得到的每一帧画面的明暗对比更为强烈，更能凸显HDR高动态范围的优势。未来的8K超高清显示必然会结合更为出众的动态HDR技术，这也是HDMI 2.1标准所具备的另外一个重要特点。
在HDMI 2.1标准之中，特别支持8K/60规格的超高清信号传输，尽管在BT.2020标准中应该需要达到8K/120，但也是不少的提升
对于动态HDR高动态范围的正式支持，也是HDMI 2.1标准中一个令人关注的焦点
最后再讲讲其余的HDMI 2.1标准增加的功能，eARC、VRR、QMS、QFT、ALLM
为了优化画面与声音方面的表现力，HDMI 2.1标准之中加入了不少有趣的功能，尽管不像8K/60、动态HDR技术、48Gbps带宽那么引人注目，但是却同样十分有用，包括了eARC、VRR、QMS、QFT、ALLM功能。其中eARC增强型音频回传讯道功能，能够支持目前前沿的基于对象的音频规格，包括Dolby Atmos与DTS:X，以及未压缩的5.1、7.1以及最高32通道的未压缩音频信号的回传，可以确保音频设备与HDMI 2.1设备之间的完整的兼容性。VRR可变刷新频率是一种专门针对电子游戏的功能，通过不断改变刷新频率将视频源与显示设备同步，从而带来更加流畅的与最佳质量的影像再现，可以实现在渲染的同时发送并显示帧，不会受到任何限制，有效减少或消除游戏画面延迟、卡顿与撕裂的问题。QMS快速媒体切换功能可以瞬间切换显示内容的分辨率或帧率，而不会有任何显示中断，换句话来说就是彻底解决了我们在切换不同信号源令人讨厌的黑屏等待的问题，实现快速的节目源切换。这个也是HDMI 2.1标准中最为实用的功能之一。QFT快速帧传输功能也是一个减少游戏和交互式虚拟现实显示延迟问题的实用性功能。ALLM自动低延迟模式可以为各种不同的娱乐应用显示的时候，自动设置理想的延迟设置，同时不会干扰观看与交互性应用，主要也是为游戏与VR显示而设的功能。
eARC、VRR、QMS、QFT、ALLM功能大大增强了HDMI传输介面在观看与玩游戏方面的实用性
总结与展望
尽管目前8K超高清显示离我们还有不少的距离，但是随着8K显示设备的不断出现，HDMI标准与HDCP协议的不断完善，当8K超高清节目源能够进入到我们身边之时，8K超高清时代就会到临。但是究竟是否能够在2年后的2020年就实现呢？如果只是从分辨率的角度，应该难度并非太大，但是又要加上120p帧率、动态HDR高动态范围技术、BT.2020广色域、12bit色深，恐怕就有不少的压力了，起码HDMI标准需要升级以满足高达128Gbps高带宽的传输要求。最后，让我们期待家用视频技术的再一次升级与蜕变吧！