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延長 4K 訊號之前:頻寬、色度取樣與 HDCP

作者 FS Vision

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延長器的規格表常寫「支援 4K」,但這三個字沒有說明是 4K30 還是 4K60,是全彩還是降色,也沒有說明能不能通過 HDCP。選型前先弄清楚這幾件事,可以省下許多現場除錯的時間。

1. 先算頻寬

HDMI 以 TMDS 傳送畫面,每個像素時脈會在三個資料通道上各送出 10 位元(含 8b/10b 編碼),所以 8 位元 4:4:4 的資料率約等於像素時脈乘以 30。幾個常見格式的數字如下。

格式TMDS 時脈資料率(含編碼)
1080p60,8 位元 4:4:4148.5 MHz約 4.46 Gbps
4K30,8 位元 4:4:4297 MHz約 8.91 Gbps
4K60,8 位元 4:2:0297 MHz約 8.91 Gbps
4K60,8 位元 4:4:4594 MHz約 17.82 Gbps
4K60,10 位元 4:4:4742.5 MHz約 22.28 Gbps,超出 HDMI 2.0
HDMI 1.4 上限340 MHz10.2 Gbps
HDMI 2.0 上限600 MHz18 Gbps

HDMI 2.0 的 18 Gbps 已包含編碼負擔,實際承載的畫面資料約 14.4 Gbps。4K60 全彩的 17.82 Gbps 只比上限低約 1%,鏈路中只要有一個環節停在 HDMI 1.4 等級的 10.2 Gbps,就跑不到 4K60 全彩。HDR 常用 10 位元,4K60 10 位元 4:4:4 已超過 HDMI 2.0,因此一定要降為 4:2:2 或 4:2:0。

2. 色度取樣

影像可以表示成亮度與色差。人眼對亮度比對顏色敏感,所以可以降低色彩資訊的解析度來節省頻寬。4:4:4 每個像素都有完整的色彩;4:2:2 的色彩在水平方向減半;4:2:0 在水平與垂直方向都減半,整體資料量約為 4:4:4 的一半。

影片與照片幾乎看不出差異,但電腦桌面不同。細字、細線、彩色文字與試算表在 4:2:0 下會出現邊緣暈色或模糊,紅字配深色背景最明顯。以電腦為來源的場合,應優先維持 4:4:4,並在驗收時用實際畫面確認。

3. 為什麼有些延長器要壓縮或降為 4:2:0

傳統 HDBaseT 的頻寬約在 10 Gbps 等級,放不進 4K60 全彩的 17.82 Gbps,所以許多延長器把畫面降為 4:2:0,或先壓縮再傳送。較新的規格與部分光纖產品能提供更高的頻寬,但仍要逐一查證型號的規格書。AV over IP 與 KVM over IP 也一樣:4K60 全彩的像素資料約 11.9 Gbps,連 10 GbE 都放不下,因此需要壓縮。

壓縮本身不是缺點。輕量、低延遲的視覺無損壓縮,在多數內容上看不出差異。差別出現在細字與快速變動的畫面,各家演算法的表現不同,所以要用自己的內容測試,不要只看規格表。

4. EDID:讓來源知道該送什麼

EDID 是顯示器告訴來源「我支援哪些解析度、色彩格式與音訊格式」的資料,來源透過 DDC 讀取。矩陣、延長器與分配器夾在中間,也會讀寫 EDID。常見的問題有三種:多台顯示器的 EDID 不同,來源只能選一種,結果以最低能力輸出;切換時 EDID 暫時消失,來源以為顯示器被拔掉,視窗位置因此跑掉;EDID 宣告了多聲道或位元流音訊,電腦就輸出會議室喇叭無法處理的格式,結果沒有聲音。

做法是在矩陣的輸入端固定一組 EDID。需要相容性時固定 1080p60 與 2 聲道 PCM,需要 4K 的來源則固定 4K 的 EDID,並把這個設定寫進文件與驗收項目。

5. HDCP:版本與握手

HDCP 是受版權內容的保護機制,來源與顯示器接上後會先握手驗證。常見的版本是 HDCP 1.4 與 HDCP 2.2,另有 2.3。受保護的 4K 內容通常要求 HDCP 2.2 貫穿整條鏈路。只要有一個裝置只支援 HDCP 1.4,來源可能降低解析度、停止輸出受保護內容,或乾脆黑畫面。

矩陣與延長器扮演中繼器,必須先向下游驗證,再向上游回報下游的裝置,所以每次切換與每次顯示器開機都會重新握手,切換後黑畫面數秒是常見現象。串接的層數與裝置數量越多,失敗的機會也越大,規範對兩者都設有上限。跨網路的方案要確認 HDCP 2.x 的支援,因為 HDCP 2.x 限制往返時間,網路延遲過大時驗證會失敗。

可行的做法是:整條鏈路統一為支援 HDCP 2.2 的設備,把需要播放受保護內容的來源與一般簡報來源分開,避免多層串接,並對只支援 HDCP 1.4 的舊顯示器接受來源以 1080p 輸出。

6. 導入前的檢查清單

  1. 列出每一條訊號路徑的來源、顯示器、解析度、更新率、色彩格式(4:4:4 或 4:2:0、8 或 10 位元),以及是否有 HDR。
  2. 逐一核對延長器、矩陣與線材的規格是否真的支援該格式,而不是只寫「支援 4K」。
  3. 用實際來源測試,包含細字、彩色文字與快速移動的畫面,而不只是測試圖樣。
  4. 決定 EDID 與 HDCP 的處理方式,並寫進文件。
  5. 距離與線材保留餘裕,實測的距離應短於規格書標示的最大值。

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