White Paper
Особенности коммутации 4K видео
Содержание Особенности коммутации 4K видео Вступление
1
Обзор технологии 4K
2
Особенность #1: Несоответствие разрешений
3
Особенность #2: Новые требования к частоте кадров
4
Особенность #3: Сложности обеспечения целостности сигналов
5
Особенность #4: Новые ограничения по длине кабелей
8
Особенность #5: Совместимость источников/дисплеев
8
Программа сертификации Crestron 4K Замечания по применению
9 10
Обновление существующей системы DigitalMedia до 4K
10
Смешивание 4K и не-4K источников и дисплеев
10
Масштабирование для не-4K дисплеев
11
Увеличение необходимости в устройствах передачи на большое расстояние
11
Примите к сведению “промежуточные” 2K-4K устройства
11
Заключение
12
Особенности коммутации 4K видео
Вступление 4K видео обеспечивает превосходное изображение с высочайшим разрешением. Но, как и большинство новых технологий, оно ставит новые требования, которые необходимо обеспечивать. Для передачи видеосигнала 4K необходима огромная пропускная способность (10Гбит/с). Это предъявляет новые требования к инфраструктуре. Для успешной работы в реальных условиях, система коммутации 4K сигналов должна быть спроектирована с учётом следующих пяти особенностей: Несоответствие разрешений Новые требования к частоте кадров Сложности обеспечения целостности сигналов Новые ограничения по длине кабелей Совместимость источников/дисплеев Производители 4K источников и дисплеев должны серьёзно подходить к тестированию своих продуктов, чтобы гарантировать готовность к работе в составе интегрированных 4K решений, освобождая проектировщиков и интеграторов от необходимости самостоятельно проверять устройства на соответствие требованиям. В этой брошюре мы объясним, как вы можете обеспечить выполнение требований по работе с разрешениями 4K. Вы узнаете об уникальных особенностях этого невероятного нового разрешения и почему DigitalMedia стала лидером в системах коммутации 4K.
1
Обзор технологии 4K Термин “4K” обычно используется для обозначения видеосигналов с разрешением по горизонтали близким к 4.000 пикселей. Предыдущие поколения видеосигналов описывались значениями их разрешения по вертикали (например, 1080p обозначает сигнал, имеющий размерность 1080 линий). Если бы наименование сохранялось по аналогии с SD и HD сигналами, то 4K видео обозначалось бы как “2160p”. Увеличение разрешения, обеспечиваемое 4K очень велико, что показано на рисунке ниже:
4K UHD
Рисунок 1. Сравнение видео разрешений.
1080p 720p 480i
Так же наблюдается увеличение числа “промежуточных” устройств, разрешение которых попадает между 1080p и 4K. Даже если подобные системы не были предназначены для работы с 4K контентом, оборудование, разработанное для 2K сигналов не сможет обрабатывать такие высокие разрешения. Таким образом принципы, изложенные в данном документе должны применяться в любых системах, в которых может потребоваться работа с разрешениями подобными тем, которые показаны на Рисунке 2.
4K UHD Apple Cinema Display (2560x1440)
Рисунок 2. Распространённые “промежуточные” разрешения
1080p
Maximum resolution for 2K switchers 2
Особенности коммутации 4K видео
Особенность #1: Несоответствие разрешений Все 720p, 1080i и 1080p видеосигналы имеют общее соотношение сторон 1.78:1 (16:9). Так как практически все источники и дисплеи использовали это соотношение сторон, то мы имели период относительной простоты. Необходимость подстраиваться под различные соотношения сторон не возникала на протяжении целого ряда лет. С приходом 4K это меняется, так как возникает необходимость работы с двумя стандартами соотношения сторон.
Разрешение
Соотношение сторон
Название
3840x2160
1.78:1 (16:9)
Ultra HD
4096x2160
1.90:1 (17:9)
4K DCI (Digital Cinema Initiatives)
4K UHD 3840x2160
Рисунок 3. 4K разрешения.
4K DCI
4096x2160
3840x2160, обычно обозначаемое как Ultra HD, является ровно в четыре раза увеличенным разрешением 1080p, получающимся за счёт удвоения горизонтального и вертикального размеров от 1920x1080. Как следствие, оно имеет точно такое же соотношение сторон, как и - 16:9. Большинство 4K дисплеев (но не все) имеют “родное” разрешение 3840x2160. 4096x2160, обычно обозначаемое как 4K DCI, используется при производстве фильмов, и встречается в системах коммерческих кинотеатров. Таким образом, встречаются дисплеи, для которых “родным” разрешением является 4096x2160, а не более распространённое 3840x2160. Многие 4K камеры и источники сигнала могут быть настроены на работу с любым из этих двух разрешений. Ветераны AV индустрии могут вспомнить компьютерное разрешение SXGA 1280x1024, которое имело нестандартное соотношение сторон 5:4 в то время, как большинство остальных сигналов имели соотношение 4:3. В данном случае, получается аналогичная проблема — дисплеи и источники сигнала требуют тщательного подбора и конфигурирования для отображения информации без нежелательных обрезок или растяжений.
3
Особенность #2: Новые требования к частоте кадров Для передачи 1920x1080 видео с частотой 60 кадров в секунду необходима пропускная способность 4.46Гбит/с. Из этого вытекает, что четырёхкратное увеличение числа пикселей увеличит необходимую пропускную способность в 4 раза. В то же время, наиболее распространённая версия HDMI® 1.4 поддерживает максимальную пропускную способность 10.2Гбит/с, включая дополнительную информацию. В следствии этого современные 4K устройства ограничены максимум 30 кадрами в секунду. Для фильмов это не существенное изменение, так как исходный материал имеет частоту 24 кадра в секунду. Тем не менее, для видео и компьютерных приложений важно отметить, что частота кадров понижается вдвое. Т.е. возникает необходимость проектировать системы, в которых может потребоваться работа с контентом с частотой 24, 25, 30, 50 и 60 кадров в секунду. Необходимо заметить, что технология, известная как chroma subsampling (цветовая субдискретизация) позволяет обеспечить передачу 4K видео на частоте 60 кадров в секунду при пропускной способности 9Гбит/с, за счёт сжатия цветовой информации до 4:2:0. Формат кодирования цвета 4:2:0 используется в технологии Blue-ray Discs®. Цветовая субдискретизация передаёт информацию о яркости в полном разрешении, а информацию о цветности в меньшем разрешении (в данном случае 1920х1080). Поскольку человеческий глаз менее чувствителен к цветовой составляющей, чем к яркостной, это обеспечивает оптимальное восприятие информации в условиях доступной полосы пропускания. Остаётся посмотреть, как данная технология будет принята производителями дисплеев и источников. DigitalMedia поддерживает передачу 4K контента с частотой 50 и 60 кадров в секунду с применением 4:2:0 цветовой субдискретизации.
480i 60 fps 4:4:4 720p 60 fps 4:4:4 1080p 60 fps 4:4:4
4
1.62 Gbit/s 2.23 Gbit/s
Рисунок 4. Необходимые полосы пропускания, включая дополнительную информацию в HDMI.
4.46 Gbit/s
4K 24 or 30 fps 4:4:4
8.91 Gbit/s
4K 50 or 60 fps 4:2:0
8.91 Gbit/s
Особенности коммутации 4K видео
DigitalMedia поддерживает полную полосу пропускания для всех форматов представленных в HDMI 1.4, а так же 4K на 50 и 60 кадров в секунду с 4:2:0 цветовой субдискретизацией, которая является форматом, представленным в HDMI 2.0
Цветовое кодирование
4K – 24 или 30 к/c
4K – 50 или 60 к/c
Спецификация HDMI
4:4:4
Да
Нет
1.4
4:2:0
Да
Да
2.0
HDMI 2.0 стандарт всё ещё находится в начальной стадии развития, так как спецификация была утверждена только в сентябре 2013. Микросхемы, требующиеся для передачи сигналов с полосой пропускания необходимой для такого HDMI 2.0 формата как 4K60 4:4:4 на данный момент недоступны для коммерческого использования.
Особенность #3: Сложности обеспечения целостности сигналов Другой сложностью, которую необходимо учитывать при проектировании, являются более высокие требования по обеспечению целостности сигналов в 4K системах, чем в системах HD. В нижеприведённых тестовых примерах мы использовали совершеннейшее тестовое оборудование, такое как высокоточный осциллоскоп Agilent 12Гц, и коммерчески доступные источники и дисплеи. На рисунке 5 показана чистая диаграмма 1080p сигнала, имеющая форму “глаза”. “Глаз” широко открыт, так как тестовая система имеет более чем достаточную полосу пропускания для поддержки 1080p.
Рисунок 5. 1920х1080 60 к/с видео, результат на стороне дисплея с использованием 90см кабеля.
5
На рисунке 6 разрешение источника повышено до 4K. Остальные условия оставлены без изменений. Можно отметить, что “глаз” значительно закрылся, в следствии влияния джиттера, который отмечен голубой гистограммой.
Рисунок 6. 3840х2160 30 к/с видео, результат на стороне дисплея с использованием 90см кабеля.
На рисунке 7 длина кабеля увеличена до 9 метров. Можно отметить, что глаз закрылся ещё больше, в следствии влияния джиттера и потерь сигнала. Наблюдается значительное смещение сигнала в зону “глаза”. Вероятнее всего, такая система окажется неработоспособной.
Рисунок 7. 3840х2160 30 к/с видео, результат на стороне дисплея с использованием 9м кабеля.
6
Особенности коммутации 4K видео
На рисунке 8 для передачи на 9м расстояние используется DigitalMedia. Благодаря предусилению и другим улучшающим технологиям, в результате получается хорошая форма диаграммы. “Глаз” выглядит открытым, это показывает, что DigitalMedia скомпенсировала возможные потери качества сигнала, обеспечив наилучший возможный сигнал. Можно отметить, что джиттер был практически полностью устранён, что видно по узкой форме голубой гистограммы.
Рисунок 8. 3840х2160 30 к/с видео, результат на стороне дисплея с использованием 9м кабеля и DigitalMedia.
Фактически, улучшения сигнала настолько значительны, что прошедший по 9м кабелю 4K сигнал на Рисунке 8 выглядит лучше, чем 1080p сигнал по 90см кабелю на Рисунке 5.
Рисунок 5.
Рисунок 8.
7
Особенность #4: Новые ограничения по длине кабелей Crestron Digital Media обеспечивает передачу аудио, видео и управляющих сигналов по кабелям медной витой пары и оптоволоконным кабелям, и осуществление сетевой потоковой передачи в рамках единой платформы. Первым типом инфраструктуры, который будет поддерживать 4K, является медная витая пара. Передача DigitalMedia по медным кабелям соответствует спецификации HDBaseT® Alliance для совместимости с другими HDBaseT устройствами и обычными CAT5e кабелями. Даже с понижением частоты кадров и преимуществами использования цветовой субдискретезации, передача 4K видео требует большой полосы пропускания. В следствии этого максимальная длина кабелей медной витой пары ощутимо ниже, чем привычные для индустрии длины для HD видео, что ставит новые задачи перед проектировщиками. После многочисленных тестов в DigitalMedia Lab, инженеры Crestron DM рекомендуют следующие максимальные длины кабелей:
1080p
4K
DM 8G кабель
100м/330ft
70м/230ft
Неэкранированный CAT5e
100м/330ft
50м/165ft
В аналоговых системах, передача по слишком длинным кабелям приводит к ухудшению качества изображения, которое может быть приемлемо, или неприемлемо для показа. В современных цифровых системах передача на большое расстояние может привести к тому, что изображения не будет вообще. Более того, плохая совместимость между источниками и дисплеями усугубляется при передаче по длинным кабелям. То, что система с протяжёнными кабельными трассами хорошо работает с какими-либо устройствами, не означает что это будет верно для других устройств, которые могут быть подключены в дальнейшем. На практике, длины HDMI кабелей могут быть более ограничены на большей полосе пропускания, необходимой для 4K.
Особенность #5: Совместимость источников/дисплеев Как обычно бывает с новаторами, приносящими новейшие технологии на рынок, компании разрабатывающие первые 4K источники и дисплеи сталкиваются с проблемой “курицы и яйца”. Как проверять работоспособность с другими 4K устройствами, если на стадии становления технологии на рынке доступно слишком мало подобных устройств? Как результат, когда такие устройства появляются на рынке, совместимость между ними часто несовершенна. Иногда возможна несовместимость даже между устройствами одного производителя. Это представляет ещё одну сложность при проектировании систем.
8
Особенности коммутации 4K видео
Программа сертификации Crestron 4K Чтобы убедиться, что инсталляции будут проходить гладко, Crestron представил систему сертификации 4K. В рамках первой в индустрии программы сертификации, производители отправляют свои 4K источники и дисплеи в Crestron, чтобы убедиться, что они: О беспечивают реальную пропускную способность 10Гбит/с, чтобы доставить сигналы до точки назначения
Взаимодействуют с DigitalMedia для работы с длинами кабелей, встречающимися в интегрированных AV системах
Работают с другими продуктами в системе DigitalMedia
Программа сертификации Crestron 4K это ваша гарантия, что сертифицированные источники и дисплеи соответствуют требованиям распределённых 4K систем. Инженеры Crestron в DigitalMedia Lab старательно тестируют 4K продукты, чтобы убедиться, что они работают в составе матрично-коммутируемой среды. Только те, что соответствует этому, получают логотип Crestron 4K certified. Теперь найти базу 4K совместимых продуктов стало просто, достаточно посетить сайт www.crestron.eu/4K.
9
Замечания по применению Обновление существующей системы DigitalMedia до 4K С самого начала, все модульные коммутаторы DigitalMedia от 8x8 до 128x128 построены с достаточной для поддержки 4K полосой пропускания. С использованием DigitalMedia обеспечение передачи 4K это просто вопрос обновления карт расширения, передатчиков и приёмников на модели поддерживающие 4K. Новые 4K компоненты DigitalMedia обратно совместимы с существующими DM продуктами. Не поддерживающие 4K системы могут быть расширены, или частично обновлены с использованием 4K компонентов. Так же новые 4K компоненты могут свободно устанавливаться на место предшествующих моделей. Например, DM-RMC-4K-100-C может быть использован вместо DM-RMC-100-C.
Смешивание 4K и не-4K источников и дисплеев На практике, мы скорее всего, будем сталкиваться с совмещением HD и 4K компонентов в интегрированных системах на протяжении некоторого периода времени. Когда в системе совмещаются 4K и не-4K источники, важно убедиться, что передатчики и входные карты расширения на 4K входах поддерживают работу с 4K. При этом нет необходимости обновлять карты расширения на входах, не связанных с 4K источниками. Карты расширения и приёмники для выходов, на которые будут выводиться 4K сигналы (включая те, на которых 4K будет масштабироваться в меньшее разрешение), требуется обновлять. Если требуется отображать 4K источники на не-4K дисплеях, то на таких выходах необходимо использовать 4К скейлеры, для осуществления масштабирования. Если нет необходимости просматривать 4K контент на не-4K дисплеях, необходимо предусмотреть ограничения в программе системы управления, предотвращающие возможность коммутации 4K источников на не 4K дисплеи.
Что добавляем
10
Необходимые 4K обновления
4K источник
Передатчик / карта расширения входов
4K дисплей
Карта расширения выходов / приёмник
Поддержку вывода масштабированного 4K контента на HD дисплей
Карта расширения выходов / приёмник со скейлером
Особенности коммутации 4K видео
Масштабирование для не-4K дисплеев За прошедшие годы скейлеры зарекомендовали себя как критически важные компоненты систем DigitalMedia. Они обеспечивают быстрое переключение, устраняют “подрыв” изображения и сообщения об отсутствии сигнала на дисплеях, позволяют делать видеостены из обычных ТВ панелей, и гарантируют, что даже старые SD источники выглядят на HD дисплеях наилучшим образом. В то же время, в 4K системах наиболее востребованным использованием скейлеров будет задача понижающего разрешение масштабирования. Неизбежно HD дисплеи будут оставаться частью систем отображения видео по нескольким причинам: они уже имеются; они дешевле; для некоторых задач нужны меньшие размеры дисплеев. Как следствие, клиентам потребуется отображать их новые 4K источники не только на 4K, но и на HD дисплеях. Кроме того, есть такие компоненты как AV ресиверы и процессоры окружающего звука, которые тоже могут не поддерживать 4K. Системы DigitalMedia решают эти проблемы за счёт обеспечения скейлеров на выходах, позволяя конвертировать сигнал от 4K источников для соответствия возможностям каждого дисплея, или устройства. Все локальные HDMI выходы на DigitalMedia 4K коммутаторах будут оснащаться скейлерами. Скейлеры являются опциональными для приёмников и других модульных продуктов.
Увеличение необходимости в устройствах передачи на большое расстояние Учитывая уменьшение максимальной длины кабелей, необходимость использования устройств для передичи сигнала на большие расстояния увеличится. Возьмём для примера инсталляцию, в которой необходим кабель 12м. С сигналом 1080p для этого в общем случае достаточно простого кабеля. С 4K скорее всего потребуется использовать устройство, увеличивающее дистанцию передачи.
HD:
40’ HDMI cable switcher
4K:
transmitter
40’ DM cable switcher
Примите к сведению “промежуточные” 2K-4K устройства Разрешения экранов, встроенных в целый ряд устройств включая все продукты с экранами Apple® Retina® и многие новые ноутбуки попадают между 2K и 4K. Хотя такие устройства и не позиционируются их производителями как 4K, эти “промежуточные” устройства требуют дополнительной пропускной способности, обеспечиваемой 4K-совместимыми коммутационными устройствами, для вывода таких разрешений, как 2560x1600. Компьютеры с дисплеями высокого разрешения, такими как Apple Cinema Display® и разрешениями 2560x1440 так же требуют большой полосы пропускания, если требуется передавать их через систему коммутации. Проектируя систему коммутации убедитесь, что она поддерживает полный спектр разрешений современных планшетов и ноутбуков.
4K UHD Apple Cinema Display (2560x1440)
1080p
2K Barrier (2048x1440)
11
Заключение Многие возможные комбинации доступных на данный момент источников и дисплеев ставят сложные задачи по управлению 4K в больших и сложных коммутационных системах. Проектировщики и интеграторы должны детально анализировать предоставляемые ими решения, для достижения хорошего конечного результата. Перед тем как вы выберете систему коммутации HDMI, важно полностью понимать возможности решения, и определить его ограничения. Это сейчас даже важнее, чем выбор компонентов, на которые привыкли полагаться проектировщики систем. Только пройдя тщательное тестирование в рамках сертификационной программы Crestron 4K, источники и дисплеи могут подтвердить своё место в системах 4К коммутации. Использование в системах отдельных дешёвых устройств удлинения сигнала и прочей не сертифицированной периферии может отрицательно сказаться на целостности всей системы. Опираясь на многолетний опыт работы с SD и HD системами очень легко принять решения, которые окажутся просто неверны для условий 4K. К примеру, выбирая набор 4K источников и дисплеев кажется логичным предположить, что они заработают совместно в рамках единой интегрированной системы. Однако это может оказаться неверным, если эти источники и дисплеи не прошли систему сертификации Creston. Кроме того, большинство 4K коммутаторов не могут обеспечить масштабирование 4K сигналов для не-4K дисплеев, или преобразование многоканального звука для вывода в зоны, работающие со стереосигналом. Очень важно иметь детальную спецификацию коммутатора, и точно удостовериться, что цифровое решение которое вы запрашиваете или приобретаете соответствует всем вашим требованиям.
12
Особенности коммутации 4K видео
Продукты линейки Crestron DigitalMedia разработаны для создания лучших цифровых систем распределения и коммутации для видео и аудио сигналов. Тысячи часов разработки и проектирования были вложены в создание системы, которая устраняет сложности объединения различных разрешений HD и 4K видеосигналов и аудио в одной системе. В результате получена сеть распределения сигналов, которая позволяет надёжно передавать изображение высочайшего качества, обеспечиваемого 4K, от различных источников, таких как ноутбуки, Blu-Ray проигрыватели и 4K медиаплееры к устройствам отображения, включающим и HD, и 4K дисплеи. Будьте уверены, что решение включает все следующие возможности:
Обеспечение программы сертификации источников и дисплеев, чтобы вы не просто надеялись на работоспособность, а были уверены в ней
Масштабирование SD и HD источников до разрешения 4K
Масштабирование 4K источников до разрешения HD
Быстрое переключение
Поддержка масштабирования изображения для создания видеостен от 2x2 до 8x8
Сертификация от HDBaseT Alliance
DSP downmixing (передача многоканального аудио потока и преобразование его в 2-х канальный одновременно для одного и того же источника)
Использование EDID для корректного выбора режима аудио
Поддержка независимой коммутации аудио сигналов
13
World Headquarters 15 Volvo Drive Rockleigh, NJ 07647 800.237.2041 201.767.3400 crestron.com
Latin America Headquarters Blvd. Manuel Avila Camacho No 37-1A Col. Lomas de Chapultepec CP 11560 México DF Phone: +55.5093.2160 crestron.com.mx
EMEA Headquarters Oude Keerbergsebaan 2 2820 Rijmenam Belgium Phone: +32.15.50.99.50 crestron.eu
Australia Headquarters Level 7 130 Pitt Street Sydney NSW 2000 Phone: 612.9737.8203 crestron.com.au ООО “Крестрон Рус” Россия, г.Москва, Колодезный пер., д. 3, стр. 25, офис 5309 Тел. +7 (495) 363 63 92 crestron.ru
All brand names, product names, and trademarks are the property of their respective owners. Certain trademarks, registered trademarks, and trade names may be used in this document to refer to either the entities claiming the marks and names or their products. Crestron disclaims any proprietary interest in the marks and names of others. Crestron is not responsible for errors in typography or photography. ©2014 Crestron Electronics, Inc., Rockleigh, New Jersey