Full HD的AV技术挑战 - 音频/视频/显示 - 电子工程师俱乐部

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在今年的CES中，数字家庭的影音娱乐仍是本次活动的一大主轴，各大厂商仍致力于在TV和PC之间串起一套沟通网络，而这套家庭网络中的中间设备繁多，包括机顶盒( STB)、家庭网关(Residential Gateway，RG)、数字媒体适配器(Digital Media Adaptor，DMA)等等，甚至连Xbox、PS3也来插一脚，让整个架构显得复杂难解。
　　
不过，在显示端的发展态势就相当明显。CES的会场到处可见强打“ Full HD”或“HDTV/1080p”的产品设备，包括上述的种种设备，HD DVD/Blu-ray、PVR播放器，以及液晶电视(LCD TV)、等离子电视(PDP)和投影机等。很显然地，大家都已有共识要在今年内将视频品质从“HD Ready”再推到更高的一个层次。 　　
何谓Full HD？
　　
今日的电视画面已进入HDTV的阶段，而依ITU(ITU-R BT.709)的定义， HDTV又可分为720p、1080i 和1080p三种，宽屏模式比例皆为16:9；HDTV在音频方面使用Dolby Digital(AC-3)格式，支持5.1环绕音效。在三种规格中，“i”表示交错扫描(interlace)，“p”表示循序扫描(Progressive)，以60Hz的视框速率来说，1080i的HDTV每秒会显示30个完整画面，1080p则每秒显示60个完整画面，所以1080p的画面显示会比1080i更流畅、稳定、不闪烁。

　　图1各种显示器分辨率比较　　
在过去几年中，能做到HD Ready的产品已算得上是高级产品了。所谓HD Ready是指LCD、PDP等显示器产品至少能支持1280x720的分辨率；在视频接口上则要能支持模拟YpbPr及DVI或HDMI的接口，同时也要支持HDCP的版权保护措施。这些规格已愈来愈普遍，如今在家庭娱乐的境界要进一步走到Full HD的阶段了。
　　
所谓的Full HD的影像分辨率为1920×1080，也就是垂直线为1920，水平扫描线数则达到1080条，组成16：9的黄金视觉比例。一般映像管电视(CRT)的扫描线数480条，市面液晶电视最常见的规格扫描条数为768条(1366×768)，而Full HD(1920×1080)扫描条数为1080条，画素达2,073,600，这是720级(1,049,088)的2倍，画质当然更为细腻，展现的细节层次自然也更为丰富。目前包括HD DVD、Blue-ray、X box或PS3等的格式均可以达到1080i，1080p则是新一代产品的支持目标。
　　
LCD TV朝倍频发展
　　
Full HD会受到注目的原因，一方面是HDTV、HD DVD、Blu-ray Disc、HDV、Xbox或PS3等设备或应用逐渐发展成熟，另一方面则来自于平面显示技术的进步与价格的平民化，尤其是LCD TV的迅速普及。在今年CES中，包括Samsung、Panasonic、Sharp、Philips、LG等大厂纷纷展示其新一代的LCD TV，其中由Sharp所展出的108英寸产品，更是让全场惊艳。这款产品的推出不但创下全球最大尺寸LCD TV的纪录，而且也打破了LCD TV在尺寸上与等离子电视(PDP)的差距，让LCD TV站稳了在大尺寸电视的主流地位。
　　
LCD TV能在众多显示技术中脱颖而出，其原因在于其具有高画质、薄型化和量产成本下降空间大等利基。不过，进入高画质的时代，LCD TV在亮度、对比、反应时间、色彩饱和度、视角等技术上所面对的设计挑战仍然不小。以今日LCD TV的市场趋势来看，要达到Full HD的品质，在画面更新的速率上必须从原先的60Hz提升到120Hz的倍频(Double Frame Rate)速率，以让快速的移动呈现更为顺畅。
　　
此外，在画质的调校与改善上，牵涉到许多因素，以阶调的呈现来说，采用更高的位数能获得更宽广的灰阶度，进而能提供更细腻的色彩深度，为了要达到此目标，LCD TV的驱动IC已开始采用10-bit以上的技术。与画质提升相关的因素还包括亮度(brightness)、对比(contrast)、色调调整(Hue & Saturation)、噪声消除、黑阶延伸(black-level extension)、锐利度调整(peaking/sharpness)及Gamma修正等等。

编译码规格向上升级
　　想看HDTV节目，不外乎两大管道，一是通过外部的广播或网络来接收HDTV内容，一是通过光盘媒介来储存播放。这两种方式都会遭遇一个主要的问题，那就是HDTV的原始内容太过庞大，很难有足够的频宽来传送，或有足够的空间来做储存。这时唯一的解决方式就是采用压缩编译码技术来降低档案的内容。
　　
目前HDTV的制作及广播格式，仍以MPEG-2为主要选择，但已有越来越多的电视及广播公司开始采用或试用H.264/MPEG-4 AVC的先进压缩技术。以MPEG-2和H.264来比较，在传输HDTV内容时，前者需要20Mbps频宽，后者只需8Mbps频宽就能提供相同的画质，两者差了2.5至3倍，而更大的压缩比意味着能储存更多的容量；此外，新的规格也提供了对象导向的互动功能，以及子母分割画面等加值功能。
　　
市场上的视频压缩技术包括MPEG-2、MPEG-4、H.264/MPEG-4 AVC和VC-1等，机顶盒(STB)或数字媒体适配器(DMA)等视频译码器若要提供Full HD的播放能力，就得在译码规格上做到进一步的提升，例如H.264的支持格式需升级到HP@L4.1，VC-1为AP@L3，MPEG-4为ASP@L5，MPEG-2则为MP@ ;HL。其中在@符号之前的是各种格式的Profile，后者为Level，不同的Profile和Level规格适合不同的视频内容类型。以H.264来说，不同profile的特性请参考(表1)。
　　
HDMI的更新版本
　　
在不久前，数字广播电视在接收后还得转换成模拟讯号，才能播放。为了解决此问题，高分辨率多媒体接口(High-Definition Multimedia Interface；HDMI)因应而出。提供全面数字化接口的HDMI，能通过单一缆线来传输未压缩的高画质视频与未压缩的多轨音频。在进入Full HD的阶段，HDMI更是HDTV不可或缺的一项接口。
　　
以720p的HDTV内容传输来说，至少需要1.485 Gbps的传输率才能收看未经压缩的影音内容，这是一般接口无法做得到的。但通过HDMI连接，就能以每秒165 Mpixels的速度传输高达24位的影音内容，所提供的频宽可以高达将近4 Gbps，不仅可以满足1080p分辨率的HDTV，还能支持DVD Audio等最先进的数字音频格式，以192kHz取样频率传输高达8轨的24位音频。
　　
目前HDMI已进入1.3的版本，其传输率从原先的4.96 Gbps倍增到10.2 Gbps，能够以一条缆线来完整容纳未压缩的高画质视频与多轨音频，因此可减少整个家庭剧院系统所须要的缆线数量。此外，新一代的HDMI将色深支持从24-bit提升到30-bit、36-bit以及48-bit(RGB或YCbCr)，具有输出一亿色以上的能力，并大幅增加对比的阶层。
　　
1394-over-coax 打造家庭影音网络
　　
在HDTV的视频接口上，另一个值得注意的技术则是1394-over-coax。目前美国联邦通讯委员会(FCC)强制规定未来的HDTV、STB必须支持1394-over-coax的技术规格，也就是通过在同轴电缆上发送1394 基频信号，进而能将各个房间的设备整合连接到1394总线上，如此一来，就能利用1394的网络功能来建立一套能共享HD影音节目的家庭网络。此外，1394也能提供内容保护的功能。
　　
为了推动这一发展，由三星电子(Samsung Electronics)发起成立了HANA(High Definition Audio-Video Network Alliance)联盟，其目标在于制定出AV家电间传送HDTV影像的网络规格。在今年的CES中，HANA主席兼三星执行副总裁Heemin Kwon指出，HANA对高画质内容的传输接口，将不只基于1394，而会进一步延伸支持同轴电缆、无线和电源线等。HANA发展蓝图请见图2。
　　
图2HANA规格推动发展蓝图
HD 无线影音的技术竞争

另一个重要的发展趋势，则是HD影音内容的无线化传输应用。在这类的应用上，诉求的是实时连结的可靠性(reliability)和可用性(AVailability)，这要从频宽保证、降低封包错误率，以及提升电波干扰的稳定性上来达成。
　　
目前有两项竞争中的技术，一是 Wi-Fi，一是 UWB。目前Wi-Fi已被普遍使用在家庭当中，主要的用途是用来传递非实时性的数据档案，虽然有许多厂商标榜利用802.11g来传送串流视频节目，但影像的传输品质仍然受到相当的诟病。Wi-Fi虽然已制定了802.11e的服务品质保证(QoS)标准，但其应用上的评价仍不是很被肯定，尤其是用在大量且实时的视频传送上。不过，802.11n能将传输速度大幅提升，在影音方面的应用已被赋与很大的期待，例如苹果计算机新出的Apple TV即采用了802.11n 草案的技术。
  
UWB则在短距离内能提供高达480Mbps以上的速度，如果能克服传输稳定性的议题，就能成为HD无线影音的极佳解决方案。目前市场上有Tzero、WiQuest、Pulse~LINK、Focus和Sigma Design等公司锁定这个应用领域，分别以独到的技术来达到高稳定性(Tzero)、高频宽(WiQuest)、远距离及低功耗(Focus)的HD无线影音传输需求。

图3WiQuest提出WiDV技术，以更高无线频宽来提供更佳影像传输表现　　
结语
　　
数字化、网络化的发展脚步仍在大步的向前迈进。在电视的领域上，数字电视即将全面取代模拟电视，加上显示技术的突飞猛进，设备价格也不断下滑，让HDTV成为家庭中越来越普及的产品。据CEA(Consumer Electronics Association)在今年CES中指出，在美国市场中，到2006年为止全美已有三分之一的家庭拥有HDTV，另有55%表示将会在今年添购HDTV。Sharp公司总裁Toshihiko Fujimoto也对媒体指出，预计今年LCD TV的出货将可达6千9百万台，到了2009年时更可望超过1亿台的出货量。
　　
其实人们对于电视画质的追求永无止境，今日的HDTV能显示1080p的画质，再下来还会挑战下一代的2540p和4320p的UHDV。在此情况下，包括显示、有线/无线传输、压缩及储存等技术，都得持续向上提升才行。有一天，我们将会发现，眼前的影像终于会达到虚拟实境的境界。