随着次世代游戏主机正式发布,全新的 HDMI 2.1规格终于走向普及化。综观整个 HDMI 技术的发展史,消费者不难发现,相较于过去的小幅度改进,HDMI 2.1才是真正为下一世代的电视、家用主机、PC、家庭影院等等媒体播放设备,带来显著跃进和改变的技术。

  由于 eARC、VRR、QFT、QMS、ALLM、DSC 等等新名词,也因为 HDMI 2.1设备逐渐的增加,开始有了不少讨论话题。在这次的文章当中,我们将深入浅出的研究 HDMI 2.1这项跨世代的影音技术,让读者能够了解它的特点和优势,同时也为未来选购相关器材时,做好基础知识的准备。

  HDMI 2.1主要目标

  消费者现在非常熟悉的 HDMI,中文称之为「高清多媒体接口」,自2002年发展至今,已经有过至少十次的重大升级。目前在应用在主流的播放设备上,电视、投影机、显示器等等所采用的规格,常见都为 HDMI 2.0b 传输标准,足够应付4K、60Hz与 HDR 影音的传输需求,最大带宽则有18Gbps。但是,面对更高分辨率的信号,例如8K、10K等等超高清的影像,显然 HDMI 2.0b 依然力有不足。

  

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  ▲ 发展至今 HDMI 已经成为高画质影像传输的主流标准,虽然 HDMI 2.0系列大获成功,且获得多数装置采用,但依然有着很大的进步空间。(图片引用:Optoma)

  为8K普及化作准备

  事实上从 HDMI 1.4版本开始,4K画质传输就已经被 HDMI Forum 纳入官方标准,并于后来的2.0、2.0a、2.0b,不断提高支持刷新率,后续也加入 HDR、HLG 等等技术,不过最高分辨率依然没有提升。

  从 HDMI 2.1标准起,不仅4K画质支持的最高刷新率,已被正式拉高到120Hz,就连显示分辨率也加入了5K、8K(7680x4320)与10K(10240x4320)选项,理论上整体传输带宽上限达48Gbps。

  在8K与10K画质下,HDMI 2.1能够一口气支持到120H刷新率,解决了4K以上影像,于终端传输时的采用的标准问题,甚至还为将来近10年的影音媒体发展,预先做好了准备。

  从 FHD 到4K虽是一段缓慢的进步过程,但未来迈入8K与10K时代时却并非如此,影音标准也因此预先做好了准备。

  更先进的HDR体验

  除了画质与屏幕刷新率的提升,HDMI 2.1也终于支持了「动态元数据」(Dynamic Metadata)功能,而受惠最多的部分,自然是高动态范围(HDR)技术,它能使显示影像的明、暗、黑、白细节,变得更加丰富与清晰。

  

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  ▲ 即便 HDMI版本升级至2.1,端口形状与规格都跟以往没有差别,绝佳的向后兼容性让消费者不必重新熟悉。(图片引用:维基百科)

  现有的 HDR 标准包含 HDR10、 HDR10+、Dolby Vision 及 HLG 等等。其中,HDR10+与 Dolby Vision 其实都支持动态元数据,但由于后者是独家的格式标准,为了避免垄断与授权上的麻烦,因此升级到开放性的 HDR10+,配合 HDMI 2.1规格更新,就有了绝对的必要。

  

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  ▲市面上已经可以见到 Dolby Vision 媒体内容,例如电影、剧集等等;由于是独家标准,所以厂商配合成本较高,HDR10+即是个开放的新方案。

  全新HDMI 2.1标准的7大特色

  早在2017年底,HDMI Forum 就已经正式宣布了 HDMI 2.1完整规格,但到开始有相关产品推出、支持和升级,不过是近期的事情。HDMI 2.1为消费者带来了不少新名词,例如 eARC、VRR、QFT、QMS、ALLM、DSC 等等,各自代表了一些新技术,这是过往 HDMI 接口未曾具备的全新特性。可以说,只要媒体设备采用了 HDMI 2.1标准,就能带给消费者更好的高画质影像体验。

  特性1:动态HDR与相关升级

  如前面章节所言,HDMI 2.1所支持的最高传输带宽,已经正式翻倍至48Gbps。根据官方规格协议,在4K、5K分辨率方面,HDMI 2.1可原生支持120Hz;8K原生支持至60Hz,但若要再上升到100Hz与120Hz,则需使用 DSC影像压缩传输技术;至于10K分辨率情况下,无论刷新率如何都必须采用 DSC。

  HDMI 2.1完整支持 BT.2020色域,且无论动态或静态 HDR 解决方案都能使用。动态 HDR 为「动态元数据」的技术应用,可以改善之前单部影像作品种,只能应用一种附加元数据的做法,进而使内容中的每一帧、每一幕,都能用上最理想的景深、细节、明亮度、反差跟宽广色域数据,呈现更细腻与真实的画面细节。

  

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  ▲ 当影像应用了动态 HDR 后,在不同场景下,可以呈现比过往静态 HDR 跟 SDR 画面,更为鲜明细腻的对比。(图片引用:HDMI Forum,以下皆同)

  特性2:超高速HDMI线材

  虽然接头形状没有任何改变,但若要用上 HDMI 2.1超高的48Gbps完整带宽,则消费者必须要选购,通过官方或合作机构认证的「超高速」(Ultra High Speed) HDMI 线材。

  HDMI Forum 表示,只有 UHS 等级的线缆,才能保证支持全部 HDMI 2.1标准功能,若使用老款仅18Gbps的 Premium High Speed 连接线,则只能同时使用部分新特色。新的 USH 线材具备超低电磁干扰(EMI),避免邻接设备于 HDMI 高速工作或重度负载时,受到影响而中断自身或接口设备的传输。

  

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  ▲ 要体验完整的 HDMI 2.1规格,必须使用「超高速」(UHS)等级传输线,而且跟过往一样,制造厂商必须提交产品进行认证。

  特性3:eARC增强版音频回传通道

  在 HDMI 1.4时加入的 Audio Return Channel 功能,到了 HDMI 2.1进化成增强版的 eARC,这次升级主打连接简化、高度兼容性、更高格式支持与超高质量。

  eARC 传输带宽高达37Mbps,比起 ARC 高出30倍,当游戏主机、播放器等等设备,将音频传送至电视时,eARC 功能就可以将未经压缩的5.1、7.1,甚至于32声道信号,回传到如功放、回音壁之类的音响设备,既可以降低用户接线数量,还能保持高质量的声音。

  高比特率格式 DTS-HD、Dolby TrueHD,以及沉浸格式 Dolby Atoms、DTS:X 等等数十种规格,全都纳入了支持 HDMI 2.1的 eARC 支持范围。

  

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  ▲ 简单比较光纤(TOSLINK)、ARC 与 eARC;简单来说,eARC 带宽更大,而且将唇形同步纳为强制标准,避免影像与声音失去同步。

  特性4:VRR可变刷新率

  HDMI 2.1不仅仅是把画面刷新率支持范围拉高,全新的可变刷新率(Variable Refresh Rate)特性,对于游戏玩家来说更是一项福利。

  VRR 最主要的用途,就是解决画面在高刷新率下的撕裂问题,同时让停顿、不连贯的影像变得流畅,原理如同推出已久的 FreeSync 或 G-Sync,当 GPU 运算得到画面后,VRR 能够实时呈现到电视上,通过保持跟影像来源同步,避免固定更新率所造成的延迟。虽然说 VRR 功能需要输出端、输入端皆有支持,才能得到理想中的效果,但比起过往的「垂直同步」(V-Sync)功能,仅可强迫画面帧率压在某一上限,VRR 在避免画面撕裂的能力上,显然更加具有弹性。

  

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  ▲ 经由 VRR 功能,GPU 所运算完成的影像,不再受到屏幕更新率限制,随时可以输出到画面上,因此影像能够保持完整避免撕裂。

  特性5:QMS快速媒体切换

  如果用户家中的电视,已经连了很多 HDMI 设备,那么在切换讯号源时,肯定会出现时间不短的黑画面或定格,HDMI 2.1标准所增加的 Quick Media Switching 功能,就是为了解决这种烦人的问题。

  透过 QMS 支持,HDMI 2.1连接的设备在进行影像切换时,无论输入信号的分辨率、刷新率有任何改变或差异,都能够立即显示到屏幕上而无需等待,借此达到多设备间的无缝切换,这非常实用。

  

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  ▲ 过往切换 HDMI 装置时,电视或屏幕不免会出现黑屏,但只要信号源跟显示器都支持 HDMI 2.1的 QMS 功能,就可以立刻显示画面。

  特性6:ALLM自动低延迟模式

  目前许多电视在画面设置中,都有一个「游戏」模式,除了改变色彩空间、色温、明亮度之外,更重要的是降低游戏中的延迟──不管是计算机还是家用主机到电视的输出。

  Auto Low Latency Mode 改善了过去用户需要手动切换的麻烦,让电视或显示器自行检测所接入的 HDMI 2.1设备,自动判断是否需要启动低延迟模式,这可以省下了不少时间。

  此外,HDMI 2.1所支持的快速画面传输(Quick Frame Transport,QFT),虽然原理类似于 VRR,但实际上也能减少延迟,减少用户跟显示设备互动的时间差。VRR、QFT、ALLM加上 QMS,HDMI 2.1使家庭娱乐体验有了革命性的升级。

  

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  ▲现今大部分电视都配备「游戏模式」,很多消费者以为它只有色调上的差异,但事实确实能降低游戏主机、计算机画面输入时,跟玩家操作之间的延迟。\

  特性7:DSC视频串流压缩

  前面提到,HDMI [email protected],但必须通过视频串流压缩(Display Stream Compression)技术才能实现。虽然说不压缩下的原生图像,显示会更加细致,但经过DSC压缩后,48Gbps带宽的 HDMI 2.1,能够输出最高10K、120Hz的超高质量视频画面。

  过去,HDMI 家族从来没有将 DSC 功能纳入标准,因此过渡到次世代影音内容时,造成了一些时间差与落后。当有了 DSC 技术加持,有限的带宽能发挥出无限的可能,在下一世代的 HDMI 能以原生支持10K影像前,通过 DSC 也是个不错的解决方案。

  

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  ▲ 从Full HD到10K,HDMI包揽了所有高画质影像分辨率,[email protected]能实现。

  对抗 HDMI 2.1的竞争技术

  市面上的高画质影像显示规格,除了本文主题的 HDMI 外,DisplayPort 也是一个强大对手。

  DisplayPort 由 VESA 协会推出,开发时间比 HDMI 要晚,目前消费产品上常见的版本,大多都是 DP 1.4a,规格上已经支持到 DSC [email protected],但真正能跟 HDMI 2.1竞争的标准,却是改为借助 Thunderbolt 物理层技术的DP 2.0。

  

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  ▲一直以来 DisplayPort 的带宽上限,都会超越同世代的 HDMI 标准很多,到了 DP 2.0由于物理层大幅改动,有效带宽比例甚至拉高到了97%。(图片引用:VESA,以下皆同)

  高达80Gpbs理论传输带宽

  如果你觉得 HDMI 2.1的48Gbps传输速度已经很惊人,那么根据 VESA 所制定的规范,DP 2.0的有效传输带宽高达77.37Gbps,绝对让人目瞪口呆。

  在连接单个显示器的情况下,DP 2.0能够原生输出,未压缩的10K(10240x4320)分辨率、60Hz刷新率影像;若用上 DSC 压缩,那么即便将画质提升到16K(15360×8460),依然没有任何问题,甚至还能附加60Hz刷新率与 HDR 功能,十足强悍。

  多输出成DP最大优势

  相较于 HDMI 大多被用在电视、投影机等家用产品上,而DisplayPort更常应用于显示器、计算机显示,所以多画面输出能力就成了 DP 跟 HDMI 间,在消费市场上的最大差别。

  DP 2.0套用 DSC 技术后,[email protected],若不进行信号压缩,[email protected],这对于消费者搭建双屏幕环境,并且更多的去选择高刷新率产品,从这点来说有着十足的吸引力。

  假设更极端的状况,例如大型活动或工业要求,DP [email protected] DSC 输出,[email protected],比起 HDMI 2.1具备更大的扩展性。

  整合USB-C替代模式

  在发展自己的接口上,DP 的发展一向不是很成功,VESA 记取了这项教训,宣布将 DP 2.0与 USB、Thunderbolt 进行整合,纳入 DisplayPort Alt Mode 2.0成为正式规范。在未来,采用 USB 4协议的 Type-C 端口,包含 Thunderbolt 4在内,应该都能直接支持DP 2.0画面输出。

  虽然 HDMI 也在1.4b版本加入了替代模式,但市面上几乎没有任何产品实践,甚至到2.0以后的版本,HDMI Alt Mode 支持也都没有下文,所以 USB-C 上实用的影像输出规格,短期内仍然只会是 DisplayPort。

  整合 USB-C 的最大好处,就是当消费者通过 DP 2.0连接显示设备后,还可以透过显示屏上的 USB 端口,继续连接其他设备,并且以高速传输数据,对于硬件接线的简化有着相当大的提升。

  

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  ▲ 未来 USB-C 将成为 DP 2.0的标准连接接口之一,并且同时支持数据传输与PD充电,但原来的DP接头并不会消失,因为替代模式仍有一定限制。

  附表简单比较了 HDMI 2.1与 DP 2.0的规格区别,带宽上的差距直接造就最高显示能力的不同,但两种规格都还有待普及。

  技术名称HDMI 2.1DisplayPort 2.0

  正式发表2017年2019年

  最大带宽(理论)48Gbps80Gbps

  最高输出(DSC)[email protected]@60Hz

  最高输出(未压缩)[email protected]@60Hz

  USB-C Alt Mode有(仅支持到1.4b)有

  动态 HDR元数据首次支持自1.4起支持

  主要应用产品电视、投影机个人计算机、显示器

  哪些东西会采用HDMI 2.1?

  从趋势来看,HDMI 2.1标准将从今年开始进入爆发成长期,主要原因莫过于次世代游戏主机上市,以及全新架构显卡产品也加入支持行列。既然如此,哪些东西现在能够体验到,HDMI 2.1带来的优势跟好处呢?让我们来简单盘点一下!

  次世代游戏主机

  推动科技领域改朝换代的关键,始终都是电子游戏,这道理已经被印证了不下数十次。无论是 Sony 推出的 PlayStation 5,或者微软推出的 Xbox Series X 与 Xbox Series S,全都将 HDMI 端口规格提升到2.1,大大增加消费者更换电视等影音产品的动力。

  游戏主机搭配 HDMI 2.1,[email protected],毕竟 HDMI 2.0最高只能支持到60Hz,所以想要更加流畅的游戏画面,那么采用 HDMI 2.1连接与对应的电视,自然成了唯一的解决方案。

  其次,若要使用游戏主机配备的 ALLM、VRR、eARC 等等功能,那么升级 HDMI 2.1自然也有其必要。但要特别提醒,这三项功能也搭载 在部分HDMI 2.0规格的电视上,通过后续的固件更新,能够得到一些支持,具体还是要看各厂家的实际产品跟发布计划。

  

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  ▲ 许多人认识 HDMI 2.1的缘由,几乎都是从如 PS5或 Xbox Series X/S 游戏主机而来,毕竟在此之前,确实没有一定要使用 HDMI 2.1规格的理由。

  全新架构显卡

  虽然说在计算机显示器领域,DisplayPort 依然有着绝对的影响力,但实际上 HDMI 反而是更多消费者注重的部分,假设没有多屏幕输出的需求,普遍都会选择HDMI。

  NVIDIA 全新的 GeForce RTX 30系列,以及 AMD 近期推出的 Radeon RX 6000系列,两家主要的显示芯片制造商,也将 HDMI 2.1列入为标准规格,消费者只要能买到就可以用上。

  对于显卡来说,HDMI 2.1所关注的重点就不是 ALLM、VRR 等特色功能,反倒是能够追求最极限的分辨率与刷新率。举例来说,GeForce RTX [email protected] HDR 的环境下玩游戏,若要将分辨率再拉高也不成问题。

  

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  ▲ NVIDIA GeForce RTX 30系列显卡的目标,是要将4K游戏普及化,而 RTX 3090则看得更远,要把玩家带到8K时代,连接接口自然也得进行革新。

  电视与显示器

  随着影像输入端准备好了,接收端的 HDMI 2.1规格电视、显示器也陆续推出。目前几个大型的电视制造商,如 Sony、Samsung、LG、Panasonic 等等,都于近期推出了 HDMI 2.1规格的产品,画面大小都在55寸以上,如此一来体验4K、8K分辨率时,才能感觉到影像的震撼与逼真。

  

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  ▲ 目前支持 HDMI 2.1的电视产品,主要都是大尺寸,且在4K或8K分辨率以上,因此售价并不便宜,例如售价24.5万的LG SIGNATURE OLED 8K。

  至于计算机显示器,目前具备 HDMI 2.1接口的屏幕则相对稀少,LG 与 ROG 有部分产品发布。但由于计算机屏幕并不追求大尺寸,所以厂家把重点规格放在刷新率的提升,[email protected],玩家想入手 HDMI 2.1规格显示器,相较于电视来说并不太容易。

  

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  ▲计算机屏幕还没有必须的理由要支持 HDMI 2.1,现有 DP1.4a也足够;不过在 DP 2.0成熟之前,相关产品应该都会陆续升级规格以保持自己优势。