Extron 電子的總部位于美國加利福尼亞州的阿納海姆市，是專業視音頻系統集成產品的領導廠商。Extron 產品可將視頻和音頻集成到范圍廣泛的演示系統中，包括學校及大學內的教室和禮堂、公司會議室、教堂、指揮和控制中心、體育館、機場、演播室、飯店、商場以及博物館。
4K 技術簡介
4K 視頻分辨率
幾年前推出的 4K 顯示系統主要用于支持高端應用，如數字影院、科研和醫療成像的高級視頻顯示以及從軍事仿真到主題公園的虛擬式環境。如今 4K 顯示設備和信號源具有多種規格，且價格有所下降，加上 4K 所具有的高分辨率和高像素密度等優勢，成為了越來越多傳統視音頻安裝環境的首選。4K 技術現已應用于很多場合，從執行簡報中心到講堂、數字告示甚至家庭。
為了滿足這些需求，制造商推出了越來越多能夠提供高達 4096x2160的 4K 分辨率和高達 3840x2160 超高清 (UHD) 分辨率的顯示設備和投影機。如圖1所示，這些高分辨率的像素數量是 1080p 全高清的四倍。
圖1
4K 和 UHD 視頻信號的數據速率
影響視頻信號所需帶寬的主要因素是分辨率、幀率、顏色色深和色度二次采樣。如下圖所示，UHD 視頻的分辨率是全高清 1080p 信號的四倍，每個幀內的像素值也是其四倍之多。要傳輸這些數據量需要極大的帶寬，如表 1 所示，具有 60 Hz 全幀率、4:4:4 色度二次采樣和 10 位色深的 4K 視頻信號需要 22.28 Gbps 的數據速率。
4K 和 UHD 視頻信號的帶寬需求
色度二次采樣對視頻質量的影響
色度二次采樣的減少對視頻質量產生多大的影響主要取決于視頻信號的類型。人類視覺系統對亮度比顏色更加敏感，比如藍光電影的視頻質量下降則另人難以察覺。對于計算機視頻來說，其圖像質量的下降就會尤為明顯。計算機成像，如計算機輔助設計圖或地圖，通常只有單像素的線寬或過渡。降低的色度二次采樣率會導致正常的像素和線條細節變得模糊或消失。所以在設計 4K 系統以及選擇一種不影響所顯示圖像質量的傳輸方案時，請牢記這一點。
當前數字視頻信號格式的帶寬容量
在 2005 年，數字電影倡導聯盟（DCI）為 4K 數字電影機制定了4096x2160 的標準分辨率，被稱為 4K DCI。該分辨率與 2048x1080 的2K DCI 分辨率具有相同的 17:9 寬高比。支持 4K DCI 的投影機是出現在市場上的首款 4K 顯示系統。電視行業采用 3840x2160 的超高清 (UHD)分辨率，它與 1080p 高清視頻擁有相同的 16:9 寬高比。
HDMI
2009 年發布的 HDMI 1.4a 版本限定了 10.2 Gbps 的最高數據速率。它可以通過單根 HDMI 電纜支持 8 位色深/24 Hz、25 Hz 或 30 Hz 的 4K 或 UHD分辨率。將 UHD 60 Hz 信號的色度二次采樣降低到 4:2:0，理論上可以在 HDMI 1.4a 范圍規定的帶寬內實現信號顯示。但是其規范標準并不支持 4:2:0 顏色采樣。
2013 年 9 月發布的 HDMI 2.0 標準將數據速率提升至 18.0 Gbps，通過單根 HDMI 電纜傳輸 8 位色深、最高 60 Hz 的 4K/UHD 幀率或 10 位色深、30 Hz 的幀率。HDMI 2.0 還支持 4:2:0 顏色采樣。帶 4:2:0 顏色采樣的 YCbCr 信號中的亮度信號 Y 被分成兩個 TMDS 通道，色度信號 Cb 和Cr 被集合到單個 TMDS 通道上。這就使帶有 60 Hz 幀率的 UHD 4:2:0 信號以與 30 Hz UHD 4:4:4 信號相同的數據速率進行傳輸。但是為了使信號能夠成功傳送，信號源和顯示設備必須都支持這種操作模式。
DisplayPort
DisplayPort 數據速率也在進一步提高，以支持 60 Hz 幀率的 4K 視頻。DisplayPort 1.1a 具有 10.8 Gbps 的數據速率，可通過單根電纜支持30 Hz 幀率的 8 位 UHD 信號。在 2009 年，DisplayPort 1.2 將數據速率加倍到 21.6 Gbps，實現通過單根電纜支持帶 4:4:4 色度二次采樣的 10位/60 Hz UHD 信號。這種性能級別表明 DisplayPort 1.2 非常適用于需要高幀率、準確的色彩還原能力以及可以顯示極高質量圖像細節的 4K 應用環境。
3G-SDI
3G-SDI 的限定帶寬無法實現單根電纜傳輸 4K 或 UHD 視頻。它的最高數據速率為 2.97 Gbps，所以根據目前的標準需要多通道傳輸。一些廠商也開始提供運行 6 或 12 Gbps 的產品。然而，支持這些數據速率的正式 SMPTE 標準仍在制定中。使用不同傳輸標準傳輸 4K/UHD 的能力在表 2 中有所概括。
系統設計和集成的挑戰
支持多種分辨率
根據應用需求以及技術用戶指定的功能性來看，在一個系統中有多個終端是很常見的。有可能是多個監視器、流媒體編碼器、視頻處理器、記錄設備或與額外的信號分配系統連接的設備。出現這種情況時，在處理這么多終端設備的不同分辨率問題上一定要小心。
HDMI、DisplayPort 和 3G-SDI 的帶寬容量
從以往經驗來說，圍繞 720p、1080i 或 1080p 分辨率的系統布署相對比較容易。這些分辨率之間的寬高比控制和圖像解析度轉換不需要大量的升頻或降頻轉換。隨著將 4K 和 UHD 視頻引入當今的系統設計，必須要仔細確保所有的信號都能成功地路由到所有終端。
這些分辨率的變化可以追溯到廣播和電影應用的差異。廣播環境通常是基于 1920x1080 像素的信號。這就在提到逐行掃描或 1080p 信號時開始了 FULL HD (全高清) 一詞的使用。另一方面，數字電影應用是以帶 2048x1080 有效像素的信號為基礎的，它指的是 2K 視頻信號。
4K vs.UHD
隨著 4K 視頻向不同地域最終用戶的推出，必須要仔細了解他們實際需要的視頻格式。我們通常用四倍高清、UHD 甚至 2160p 來表示四象限 1080p 的分辨率，總分辨率達 3840x2160。電影則與之不同，它是四象限 2K 分辨率，相當于總分辨率為 4096x2160。美國電影電視工程師協會(SMPTE) 使用 UHDTV1 代表至少 3840x2160 有效像素的信號，UHDTV2 表示 7680x4320 的信號，從而達到更容易區分的目的，這就是目前正處在研發階段的 8K 分辨率，2014 索契冬奧會就使用 8K 技術來進行錄制。
4K 和 UHD 之間的不同可能會帶來寬高比方面的問題，還可能會對整個系統的 EDID 管理機制產生影響。
長距離延長 4K 和 UHD 信號
要延長、切換、矩陣切換或分配 4K/UHD 信號，系統設計師必須考慮相關的信號源、終端和距離。對于不超過 100 m (328') 的中等距離來說，雙絞線傳輸是方便、經濟的選擇。當涉及到更遠的距離時，可應用光纖或流媒體技術。根據選擇的產品，主要有三種分配拓撲結構可以應用，包括單根線纜/方式、兩根線纜/方式和四根線纜/方式。
單根線纜/方式
如使用單根電纜的方式，設計解決方案必須要兼容 3840x2160 或4096x2160 視頻信號。由于現有傳輸方案的帶寬限制，幀率和/或顏色編碼必須去消隱。如果擴展的色域或高幀率并不是系統的設計標準，這也許就是最理想的方式了。最近頒發的 HDMI 2.0 或類似標準還無法解決這些限制問題，除非等到集成電路 (IC) 廠家向供應鏈提供新的芯片組。
兩根線纜/方式
兩根線纜的解決方案是一種有趣的方式，能夠傳輸更高的幀率如 60 Hz以及增強的色深。但是尋找與這種獨特的分辨率相兼容的信號源和終端是比較困難的。要支持這種分配方式，信號鏈路中的所有產品都必須能夠傳輸 1920x2160 或 2048x2160 信號。其中基本左右各半的兩類信號會通過顯示設備集成到一起，從而創建 4K/UHD 的圖像。
四根線纜/方式
支持專業視音頻系統中高幀率 4K/UHD 視頻的最常用方法是使用 4 路平行信號。通過使用 4 路 1920x1080 或 2048x1080 信號，整體的 4K/UHD信號可分成四象限進行處理。這就能夠傳輸 60 Hz 或更高的幀率，同時還能保持優質的色深。在廣播應用中，由于 SDI 信號具有固定的分辨率尺寸，所以四根線纜是信號分配的主要方式。使用這種方法時，通道間的時間掌握非常重要。分配和處理設備必須能夠保持一定程度的同步，從而在終端設備將四個象限合成到一起時防止圖像失真。
4K 信號源和顯示設備
支持 4K 或 UHD 視頻的信號源和顯示設備正以驚人的速度進行增長。它們使用多種信號格式和連接類型。消費級 4K 電視機通常支持單個HDMI 1.4a 連接器，可提供 30 Hz 的 UHD 3840x2160 分辨率或 24 Hz 的4K 4096x2160 分辨率，都只限于 8 位色深。
在專業的 4K 視音頻系統中，要選擇與應用需求相匹配的顯示設備。系統要求如果在 HDMI 1.4a 能力之內，可使用單線纜方案。更高要求的應用環境，如醫療成像或仿真顯示，則需要深色和更高的幀率。對于超出 HDMI 1.4a 標準限制的專業級媒體播放器、顯示器和投影機，可通過將 2 路或 4 路 DisplayPort、HDMI/DVI 或 3G-SDI 信號進行合并，以達到在 60 Hz 全幀率下運行的深色 UHD 和 4K 分辨率。此外，它們還常常能將 1080p 信號升頻轉換為 4K 分辨率。表 3 概括了制造商實現帶深色和60 Hz 幀率的 4K 和 UHD 內容所使用的方法。除了提供解決方案和支持外，Extron 還提供相應的培訓來幫助您使用恰當的方式實施當前 4K 系統的應用。
顯示不同幀率和色深 4K 信號的方法
Extron 4K 解決方案
Extron 4K 視頻解決方案為 4K 和 UHD 數字視頻信號提供了高性能的信號延長、路由和分配。廣泛的 4K Ready 產品解決方案包括拼接墻處理器、流媒體編碼器和解碼器、媒體播放器以及光纖和雙絞線信號分配產品。Extron 4K 解決方案支持各種不同的顯示設備，您的設計不會被局限在少量可用的顯示設備上。 • 支持來自多個生產廠商、范圍廣泛的顯示器、投影機和信號源 • 支持 60 Hz 全幀率 4K 和 UHD 視頻 • 通過 CATx 電纜可在 100 m (330') 遠的距離上延長、切換和分配 4K和 UHD 視頻 • 通過光纖可在 30 km 遠的距離上延長、切換和分配 4K 和 UHD 視頻 • XTP DTP 24 電纜可在 4K 和 UHD 分辨率下實現最遠 100 m (330') 的傳輸距離，無電纜長度限制 • 密鑰管理器 (Key Minder®) 持續地驗證 HDCP 標準，用于快速、可靠的切換 • EDID 管理器 (EDID Minder®) 自動地管理已連接設備之間的 EDID 通信 • SpeedSwitch® 技術為 HDCP 加密內容提供了超快的切換速度 • 符合 HDCP 標準的可擴展拼接墻處理器經優化可與 4K 顯示設備配合使用，窗口能夠跨屏顯示大量標清、高清和分辨率高達 3840x2160或以上的 UHD 信號源 • 可流傳輸 4K 內容，具有低延遲和視覺無損的圖像質量 • 播放電影和視頻制作的媒體播放器可用于 UHD 3840x2160 和 4K4096x2160 分辨率的數字電影顯示設備
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