在視頻顯示領域中的視頻傳輸技術規范中，技術發展焦點依然停留在HDR高動態范圍與8K UHD超高清視頻顯示領域，盡管目前我們已經能夠找到8K HDR的節目源、8K HDR的平板電視與家庭影院投影機以及支持8K HDR的傳輸線材，但是更大的問題在于如何讓8K HDR的優勢最大程度的發揮出來。尤其是HDR方面，面對各種根據不同亮度參數制作的片源，如何能夠讓不同的顯示設備都能展現出不同HDR片源在亮度、細節與色彩方面的優勢確實不是一件容易的事情。下面我們就從即將登場的HDMI 2.1a技術標準入手，深入探討2022年我們在HDR高動態視頻傳輸與顯示處理方面的各種可能性。
2022年初值得期待的技術標準與規范(HDMI 2.1a篇)
● HDMI 2.1a希望能在源頭解決困擾已久的色調映射問題
● 回顧HDMI 2.1技術規范之傳輸帶寬提升至48Gbps
● 回顧HDMI 2.1技術規范之更加重視高幀率
● 回顧HDMI 2.1技術規范之支持動態HDR技術
● 回顧HDMI 2.1技術規范之對游戲方面的優化功能
● HDMI 2.1實際上并沒有觸碰HDR高動態范圍的關鍵點
● 為什么HDR會存在節目源與顯示設備方面的色調匹配難題
● SBTM(Source-Based Tone Mapping)基于信號源的色調映射功能
增加SBTM(Source-Based Tone Mapping)基于信號源的色調映射功能，HDMI 2.1a希望能在源頭解決困擾已久的色調映射問題
每年在CES展會之前，我們都會發現會有某些重量級的技術或產品推出的消息泄漏出來。而今年最為重磅的莫過于在CES2022展前溝通會上，HDMI Licensing Administrator組織確認將會很快發布HDMI 2.1a的技術規范，只是具體沒有說會在什么時間段推出，希望能夠在CES展會期間正式發布。從名稱上來看，從HDMI 2.1到2.1a，我們不難發現這次升級的幅度并不大，也就是說技術規范中的核心內容不會有太大的變化，它主要的升級內容放在了如何增強和優化HDR高動態范圍顯示方面，增加了SBTM(Source-Based Tone Mapping)基于信號源的色調映射功能，期望從源頭解決困擾我們已久的HDR片源與HDR顯示設備之間的色調映射問題。
回顧HDMI 2.1技術規范之傳輸帶寬提升至48Gbps
考慮到HDMI2.1a在核心部分還是沿用HDMI2.1，在進一步探討SBTM功能之前，讓我們先來回顧一下HDMI 2.1所包含的主要技術規范細則。首先HDMI 2.1在傳輸帶寬上相比HDMI 2.0b有了明顯的躍進，從原來的18Gbps大幅度提升至48Gbps，從而讓我們能夠通過HDMI 2.1實現8K/60p，4:2:0，12bit超高清視頻信號傳輸。可以說，HDMI 2.1技術規范是專門為8K/60p或4K/120p超高清傳輸而特別設計的，充分考慮過高規格超高清視頻信號傳輸的要求。為了解決48Gbps信號傳輸的問題，HDMI論壇特別推出了新一代Ultra High Speed HDMI線材規范，能夠全面支持4Kp50/60/100/120與8Kp50/60，并且還加入了eARC與VRR等新的HDMI 2.1的技術特點。同時Ultra High Speed HDMI線材特別強調擁有超低的EMI(電磁干擾)，可減少對附近無線設備的干擾。畢竟目前越來越多的播放設備、平板電視以及AV放大器開始加入了無線傳輸的功能，隨著無線傳輸帶寬的不斷提高，對于電磁干擾的要求就更高。目前，國內外越來越多的HDMI線材取得了Ultra High Speed HDMI線材認證，我們可以從線材包裝盒或包裝袋上的UHS認證二維碼找到該款HDMI線材的認證信息。
不過，由于長年以來的消費習慣，不少朋友在選擇HDMI線材的時候，還是會以2.0、2.1的版本來尋找。但其實HDMI論壇早已不再采用HDMI版本來標識，而是采用另外一套與傳輸帶寬相關的標準來定義，例如前面所提到的UHS線材版本。具體來說，對于1080/24p、4:2:2、8bit，帶寬為2.23Gbps以下的信號傳輸，可以采用Standard HDMI線材；對于4K/24p、4:2:2、8bit，帶寬為8.91Gbps以下的信號可以采用High Speed HDMI線材；對于4K/60p、4:2:2、10bit，帶寬為17.82Gbps以下的信號可以采用Premium HDMI線材；至于48Gbps帶寬以下的4K/8K/10K信號傳輸可以采用Ultra High Speed HDMI線材傳輸。
從目前的情況來看，想要實現48Gbps高帶寬的10米以上的長距離傳輸，HDMI光纖線是一種不錯的解決方案，同樣也可以考慮采用HDMI轉高速網線如(7A類線以上規格)的方式。另外，對于HDMI 2.1標準所支持的畫面分辨率，除了8K之外，還能支持10K超高清顯示。其實10K就是8K的2.35:1版本，垂直分辨率依然是4320，只不過畫面的水平分辨率提升到10240。同樣，HDMI 2.1標準也支持4K的寬屏版5K超高清顯示，也就是5120×2160。
回顧HDMI 2.1技術規范之更加重視高幀率
隨著傳輸帶寬的大幅度提升，HDMI 2.1技術規范讓我們看到了高幀率的重要性。長久以來，我們在幀率方面的關注點都會放在電影方面，很長的一段時間都只是延用古老的24p的幀率，畫面的流暢性非常一般，特別是面對高速轉換的鏡頭，很容易會出現卡頓的問題，不過也有導演或用戶喜歡這樣的顯示效果，將其稱為菲林感。而到了近年來，數字拍攝技術的飛躍，慢慢地我們看到了60p甚至120p制作的電影出現，目前4K UHD藍光電影出現的最高幀率為4K/60p，例如李安執導的《比利林恩的中場戰事》與《雙子殺手》，畫面流暢性相信給不少影音愛好者留下了深刻的印象。因此，幀率是衡量畫面優異程度的其中一個關鍵指標，只是在電影領域，我們都忽略了這一點。但是在電競游戲顯示領域，高幀率或顯示設備的高刷新率很早就獲得了高度重視，現在不少電競顯示器不僅僅是120Hz的刷新率，更是高達144Hz、165Hz甚至是240Hz、300Hz，而且刷新率也并非固定不變，還會隨著游戲場景的變化而高低起伏。HDMI 2.1技術規范最高可以支持4K/120p與8K/60p的高幀率，并且也能夠支持VRR可變刷新頻率。
回顧HDMI 2.1技術規范之支持動態HDR技術
除了高幀率與高刷新之外，HDMI 2.1還特別加強了對動態HDR技術的支持。目前主流的HDR技術主要分為兩大類，一是屬于靜態HDR技術的HDR10，一是采用元數據的動態HDR技術的Dolby Vision、HDR10+。HDR10與Dolby Vision已經成為了現階段國內外視頻流媒體平臺與UHD 4K超高清藍光的主流HDR技術規格，只是目前家庭影院投影機僅僅支持HDR10，還不能支持Dolby Vision，如果想要感受Dolby Vision的優勢，就需要通過激光電視和平板電視來實現了。HDR高動態范圍的好處是擴大了整個畫面的明暗對比，使得畫面中的黑色更深沉，高光更具能量感，從而讓整個畫面的細節更為豐富，高光部分的色彩更加接近于我們所看到的實際色彩亮度。動態HDR技術的優勢，在于其動態范圍優化的方式從整部電影，調整為每個場景或每一幀的畫面，也就是說對于畫面動態范圍的處理更為細致，所得到的每一幀畫面的明暗對比更為強烈，更能突顯HDR高動態范圍的優勢。對于未來的8K超高清顯示必然會結合更為出眾的動態HDR技術。這也是HDMI 2.1標準所具備的另外一個重要特點。
回顧HDMI 2.1技術規范之對游戲方面的優化功能
除了上面所提到的主要技術特點之外，HDMI 2.1也開始強化了在電競游戲方面的功能，以增加對DisplayPort的競爭力。其中包括了前面所提到的VRR可變刷新頻率功能。另外還包括了QMS快速媒體切換功能可以瞬間切換顯示內容的分辨率或幀率，而不會有任何顯示中斷，換句話來說就是徹底解決了我們在切換不同信號源令人討厭的黑屏等待的問題，實現快速的節目源切換的問題。這個也是HDMI 2.1標準中其中一個最為實用的功能。
222QFT快速幀傳輸功能也是一個減少游戲和交互式虛擬現實顯示的延遲問題的實用性功能。ALLM自動低延遲模式可以為各種不同的娛樂應用顯示的時候，自動設置理想的延遲設置，同時不會干擾觀看與交互性應用，主要也是為游戲與VR顯示而設的功能。
HDMI 2.1實際上并沒有觸碰HDR高動態范圍的關鍵點
前面我們回顧了HDMI 2.1的主要技術功能，可以清楚地看到HDMI 2.1屬于HDMI技術規范的大幅度升級版本。2021年，我們看到了越來越多的家用顯示設備開始采用HDMI 2.1版本的傳輸接口，以更好地與PS5、XSX這類具備了HDMI 2.1輸出接口的游戲主機或PC電腦相匹配，只是需要特別留意的一點，并不是所有采用HDMI 2.1接口的顯示設備都能實現8K超高清顯示，不少4K顯示設備也采用了HDMI 2.1接口，但往往目的是為了與PS5、XSX有更好地兼容性，支持HDMI 2.1關于游戲優化方面的眾多技術特點，以提升在游戲方面的流暢體驗。總的來看，HDMI 2.1其實關注點并不在HDR高動態范圍之上，實際上早期的HDMI 2.0b版本就已經能夠支持動態HDR技術了，HDMI 2.1只是在這個基礎上特別強調動態HDR技術的重要性，并沒有深入地觸碰用戶在HDR高動態范圍電影觀看與游戲體驗方面的痛點，也就是下面所要提到的Tone Mapping色調匹配問題。
HDR會存在節目源與顯示設備方面的色調匹配難題的原因
為什么HDR會存在節目源與顯示設備方面的色調匹配難題？最主要的原因在于創作者在制作端所采用的亮度制作參數普遍高于現階段消費領域的顯示設備，尤其是亮度普遍偏低的家庭影院投影機，HDR節目源的制作亮度與投影機的顯示亮度有著明顯的差異性。目前，主流的電影后期制作室在制作HDR影片的時候，普遍都會采用1000nit甚至4000nit或以上的高亮度監視器，而制作出來的HDR影片的普遍峰值亮度都在1000nit以上，部分電影的內容最高亮度可達4000nit以上，最高甚至接近10000nit。但家庭影院投影機現階段所能達到的亮度往往100-250nit之間，即使是亮度稍高的激光電視平均也在400nit左右，這就需要進行色調映射的處理，選擇合適的亮度曲線“裁切點”，在亮度與畫面細節之間取得平衡，以確保投影機呈現出充足的畫面亮度的同時也不會丟失高光的細節層次。
SBTM(Source-Based Tone Mapping)基于信號源的色調映射功能能夠解決HDR顯示中的痛點
但是需要留意的一點，并不是每一部HDR電影都采用相同的峰值亮度信息，如果顯示設備對所有的HDR電影都采用相同的色調映射處理肯定是不行，我們就需要根據不同的HDR影片手動調整投影機HDR處理的等級。為此，一些顯示設備品牌開始加入基于顯示設備的自動色調映射處理，讓顯示設備自行判斷每一部HDR影片的亮度信息，包括內容峰值亮度與平均幀峰值亮度，實現更好的HDR高動態范圍顯示。不過，想要所有的顯示設備都具有自動色調映射處理功能，終究不是一個很好的辦法。
于是，HDMI 2.1a就帶來了SBTM(Source-Based Tone Mapping)基于信號源的色調映射功能，讓信號源設備來處理色調映射，不再需要依賴顯示設備自身的處理，從而讓每一臺HDR高動態范圍的顯示設備都能顯示出基于不同亮度制作的影片的高動態范圍影像細節，而不再需要手動調整顯示設備的HDR處理等級。SBTM功能還能實現在畫中畫、獨立視頻窗口等同時顯示HDR、SDR視頻或游戲畫面。
不過，想要充分發揮SBTM功能，顯示設備需要支持動態HDR格式，如HDR10+與Dolby Vision這類本身就具備了每一幀或每一個場景亮度信息的HDR內容。如果僅僅支持HDR10這類靜態HDR技術，即使通過SBTM功能實現信號源設備的色調映射處理，但仍然局限在整部HDR影片的亮度信息，并不能細致地處理影片中每一幀或每一個場景的畫面亮度，還是有機會出現某些畫面高光過曝或亮度不足的問題。不過，若是你所采用的家庭影院投影機、激光電視或平板電視能夠支持Frame Adapt HDR逐幀適配HDR功能，讓顯示設備自動判別每一個幀畫面或每一個場景畫面的亮度信息并進行即時處理就另當別論了。
總結
最后，由于目前HDMI論壇暫時還沒有透露更多關于HDMI 2.1a相關的技術信息，關于SBTM功能的細節技術參數還有待后續更新。不過，通過播放設備來解決節目源與顯示設備的色調匹配難題確實是一種絕佳的解決方案，只要顯示設備向信號源提供相關的顯示亮度信息與色調匹配的參數，播放設備就能向顯示設備輸出經過色調映射的HDR高動態范圍視頻信號，從而極大程度低降低了不同HDR顯示設備在處理HDR信號時的差異性，簡化用戶對于HDR高動態范圍顯示方面的調校，并能進一步推動HDR10+與Dolby Vision這類動態HDR技術規格的普及。只不過，從現階段HDMI 2.1在市場中的普及速度以及影音市場各種不定因素，即使是只需要固件升級就能支持，想要全面普及HDMI 2.1a恐怕還要花上一段較長的時間。
