《電子技術(shù)應(yīng)用》
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USB傳輸視頻的實(shí)現(xiàn)與比較
摘要: HDTV(高清晰電視)改變了消費(fèi)者對數(shù)字媒體體驗(yàn)的預(yù)期,從而永遠(yuǎn)改變了世界?,F(xiàn)在,內(nèi)容的創(chuàng)建與消費(fèi)都達(dá)到了一個(gè)轉(zhuǎn)折點(diǎn);人們不再滿足于只觀看電視節(jié)目和一流高清質(zhì)量的電影。今天,連接到一些社交媒體上的用戶有6億以上,用戶產(chǎn)生的內(nèi)容是視頻流的一個(gè)重要來源,像YouTube和Facebook這些應(yīng)用正在變得無處不在。
Abstract:
Key words :

  HDTV(高清晰電視)改變了消費(fèi)者對數(shù)字媒體體驗(yàn)的預(yù)期,從而永遠(yuǎn)改變了世界?,F(xiàn)在,內(nèi)容的創(chuàng)建與消費(fèi)都達(dá)到了一個(gè)轉(zhuǎn)折點(diǎn);人們不再滿足于只觀看電視節(jié)目和一流高清質(zhì)量的電影。今天,連接到一些社交媒體上的用戶有6億以上,用戶產(chǎn)生的內(nèi)容是視頻流的一個(gè)重要來源,像YouTube和Facebook這些應(yīng)用正在變得無處不在。

  隨著用戶移動化的提高,他們期望在運(yùn)動中也能獲得相同質(zhì)量、性能和易用性的內(nèi)容。他們希望在觀看視頻,通過攝像頭聊天,或觀看下載的HDTV時(shí),擁有更快速和更豐富的用戶體驗(yàn)。這些趨勢匯聚成對易用、可移植的通用接口的要求,它要有足夠的靈活性,能夠跨各種應(yīng)用,為所有類型的媒體提供鏈接。
        首先可以想到的就是USB(通用串行總線),它是一種用戶友好的萬能連接選擇。USB 3.0的演化進(jìn)一步鞏固了它作為視頻連接接口的選擇(見附文“英特爾的Thunderbolt I/O技術(shù)”)。

  為什么用USB傳輸視頻

  USB 3.0可以通過一個(gè)雙單工(dual-simplex)的差分信令接口,傳輸5 Gbps速率的信號。這種大帶寬能力使之成為視頻傳輸的理想選擇??紤]到8b/10b編碼帶來的協(xié)議開銷,通過USB 3.0傳輸?shù)脑纪掏铝看蠹s為500 Mb/s,因此它能夠傳輸120 Hz刷新速率的1080p(1920×1080像素、逐行掃描)視頻。對于一個(gè)刷新速率120 Hz、10 比特/像素?cái)?shù)據(jù)的1920×1080p HDTV,其帶寬要求約為2.5 Gbps。其它視頻應(yīng)用對帶寬的要求較低,如攝像頭與PC的連接,因?yàn)閿z像頭通常只需要30幀/秒的速率。

  與USB 2.0類似,USB 3.0協(xié)議也支持批量(bulk)和同步(isochronous)數(shù)據(jù)傳輸。應(yīng)用要求決定了采用哪種類型的傳輸方式。同步傳輸提供了確定性的帶寬,但可能有精度的折衷,通常用于視頻流應(yīng)用,如攝像頭。新協(xié)議中采用的“流”模型進(jìn)一步增強(qiáng)了USB 3.0的大帶寬能力。這種模型能夠通過一個(gè)USB 3.0物理接口,傳輸進(jìn)、出幾個(gè)批量端點(diǎn)的多個(gè)數(shù)據(jù)流。通過發(fā)送多個(gè)數(shù)據(jù)流,再將其經(jīng)USB集線器分發(fā)給相應(yīng)的設(shè)備,這樣一個(gè)源可以在不同設(shè)備上顯示不同的內(nèi)容。

  由于USB接口對被傳輸數(shù)據(jù)是不可知的,USB 3.0既可以傳輸壓縮視頻,也可以傳輸未壓縮視頻。這種靈活性使USB 3.0成為生產(chǎn)力型應(yīng)用、HD視頻回放,以及很多其它任務(wù)的接口選擇,例如從PC向移動設(shè)備的單向裝載,或攝像頭的流視頻等(圖1)。該接口亦支持音頻,因此USB可以與其它替代性接口平分秋色,如HDMI(高清晰多媒體接口)和DisplayPort等。此外,USB 3.0還提供更強(qiáng)大的電源管理技術(shù),以及傳輸壓縮視頻的能力,從而降低了移動設(shè)備的功耗(圖2)。

  由于壓縮有明顯的成本優(yōu)勢,因此現(xiàn)在內(nèi)容供應(yīng)商們都以壓縮格式,通過光物理介質(zhì)或高速寬帶連接,分發(fā)二維和三維視頻內(nèi)容。例如,藍(lán)光光盤就采用了多種壓縮格式選項(xiàng)。一些有意思的使用模型也正在興起,如將一部手機(jī)、一臺上網(wǎng)本或平板電腦連接到一臺或多臺大屏幕顯示器上(圖3)。USB生態(tài)系統(tǒng)能夠在不做任何修改的情況下,將游戲機(jī)連接到起居室電視機(jī)上。USB 3.0在這些應(yīng)用領(lǐng)域中的采納將大大增強(qiáng)其使用度,并保持易用性。

  USB在消費(fèi)者和家庭中評分很高。很容易想到將相同的即插即用式連接接口擴(kuò)展到媒體豐富的應(yīng)用上,如從PC將HD視頻下載到手機(jī),以及將一臺PC連接到多臺顯示器上。另外,可以用相同的USB電纜為設(shè)備充電。不過,現(xiàn)實(shí)可用的還有其它的成熟接口。那么它們各有什么優(yōu)點(diǎn)呢?

  HDMI

  HDMI是一種連接高清晰產(chǎn)品的標(biāo)準(zhǔn),并且是一種全數(shù)字接口。在一個(gè)連接上,HDMI支持任何格式的無壓縮視頻傳輸,以及多達(dá)八個(gè)通道的無壓縮音頻,以及一個(gè)CEC(消費(fèi)電子控制)連接。HDMI還與DVI(數(shù)字視覺接口)反向兼容。

  HDMI支持大多數(shù)的音視頻格式,能通過一根電纜傳輸所有格式的數(shù)字音頻與視頻,替換掉多達(dá)13根老式技術(shù)所需要的電纜,解決成堆凌亂電纜的問題。HDMI還簡化了其它設(shè)備到家庭影院的插接工作,PC、游戲機(jī)和攝像機(jī)都可以獲得相同的一插即得便利性。HDMI架構(gòu)還使人們易于安裝或升級一個(gè)全數(shù)字化的家庭娛樂系統(tǒng),因?yàn)樗蠬DMI版本都與前代版本反向兼容。

  HDMI提供的帶寬容量高達(dá)10.2 Gbps,是傳輸未壓縮1080p信號所需帶寬的兩倍以上。這個(gè)容量能夠?yàn)橄M(fèi)者傳輸更高觀看質(zhì)量的電影、更快的游戲,以及更豐富的音頻。HDMI的帶寬還意味著它已準(zhǔn)備好接納一些新興的技術(shù),如三維電影、更高清晰度的游戲,以及支持1080p以上的分辨率,如1440p或Quad HD。帶寬的富??臻g還能 實(shí)現(xiàn)更高的刷新速率,如120 Hz,以及更高深度的色彩,使HDTV調(diào)色板從百萬種顏色達(dá)到萬億種顏色。

 

  HDMI是一種智能的雙向連接,設(shè)備之間能夠相互通信和交互,改進(jìn)了家庭影院的整體體驗(yàn)。采用HDMI連接的設(shè)備可以掃描其它設(shè)備的性能,自動配置某些設(shè)置。例如,一臺HDTV和藍(lán)光播放機(jī)可以自動地“協(xié)商”各種設(shè)置,如分辨率和屏幕比例,從而使輸入的內(nèi)容格式完美地匹配于HDTV的最佳性能。CEC可在多個(gè)鏈接部件上提供一體化的“一鍵式”指令。當(dāng)制造商實(shí)現(xiàn)CEC時(shí),就能實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)級的性能,如一觸播放或一觸記錄;在遙控器上按下一個(gè)鍵,就能調(diào)用一系列相關(guān)指令。

  HDMI 1.3還提供影音同步延時(shí)(lip synch)能力,從而使音頻與相關(guān)視頻做到高度精確的同步。盡管HDMI最適合于起居室中的應(yīng)用,但在高性能PC顯示器的廣泛適用性方面有缺陷,因?yàn)橄拗屏丝s放能力,事實(shí)上它主要的市場目標(biāo)就是消費(fèi)電子之間的連接。

  DisplayPort

  VESA(視頻電子標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會)掌管著DisplayPort,其目標(biāo)應(yīng)用是PC及其顯示器,而HDMI則主要面向消費(fèi)設(shè)備和起居室。VESA認(rèn)為,DisplayPort將取代VGA(視頻圖形卡)和DVI。由于所有主流GPU(圖形處理單元)和集成GPU芯片現(xiàn)在都整合了DisplayPort技術(shù),因此DisplayPort插口正開始出現(xiàn)在大多數(shù)新型臺式機(jī)和筆記本PC上。DisplayPort克服了HDMI的某些局限性,提供了一種統(tǒng)一內(nèi)外顯示器信號傳輸?shù)拈_放標(biāo)準(zhǔn)。DisplayPort還有充足的帶寬,能應(yīng)付未來性能的擴(kuò)展。

  EDP(嵌入式DisplayPort)是針對內(nèi)置顯示面板的新標(biāo)準(zhǔn),意欲替代LVDS(低壓差分信令)成為面板的接口。移動顯示接口的激戰(zhàn)猶酣,而DisplayPort也推出MDP(Mini DisplayPort)接口,在手持系統(tǒng)中尋找用武之地。蘋果計(jì)算機(jī)公司在2008年推出了MDP,它將繼續(xù)與USB 3.0競爭筆記本以及小型通信與計(jì)算設(shè)備的市場。

  DisplayPort的顯示帶寬為17.28 Gbps,可支持60幀/秒和24 比特/像素的高達(dá)4000×2000像素的分辨率。24 比特/像素1080p視頻的刷新率可達(dá)240幀/秒,即使在60幀/秒的2560×1600像素分辨率下,色彩深度也可達(dá)48比特/像素。5.4 Gbps的鏈路速率將視頻數(shù)據(jù)流的帶寬提高到2160 Mb/s。DisplayPort可處理3維游戲應(yīng)用的高幀率。DisplayPort 1.1a源設(shè)備支持1080p的120 Hz性能水平,而這一數(shù)值在DisplayPort 1.2源設(shè)備中又增加了一倍。另外還可以用DisplayPort增加PC的電視顯示能力,特別是三維游戲應(yīng)用。

  DisplayPort實(shí)現(xiàn)了顯示器級聯(lián)功能,可處理多達(dá)63個(gè)音頻/視頻流。它支持的監(jiān)視器數(shù)量取決于分辨率,從兩臺2560×1600像素WQXGA(寬屏四倍擴(kuò)展圖形陣列)監(jiān)視器,到10臺1280×768像素的WXGA(寬屏擴(kuò)展圖形陣列)顯示器。一個(gè)TDM(時(shí)分多址)機(jī)制可支持多個(gè)流,建立源-目標(biāo)之間的虛擬連接。DisplayPort 1.2版還有一個(gè)720 Mbps的輔助通道,能夠通過一根DisplayPort電纜做批量數(shù)據(jù)傳輸。其應(yīng)用包括USB存儲盤的數(shù)據(jù)移動、音頻流,以及攝像頭-視頻傳輸。

  各標(biāo)準(zhǔn)的比較

  盡管連接標(biāo)準(zhǔn)各有其優(yōu)勢,例如HDMI對起居室,DisplayPort對監(jiān)視器,但USB天生就對兩個(gè)市場都有吸引力(表1)。USB用于視頻的主要動力是它無處不在,以及成本低。USB已用于所有PC平臺和幾乎所有移動平臺(圖4)。它的裝機(jī)量高于任何其它標(biāo)準(zhǔn)。將USB用于視頻流不會給系統(tǒng)帶來額外的成本。USB還有一點(diǎn)與其它標(biāo)準(zhǔn)不同,那就是它沒有相關(guān)專利成本。

  USB實(shí)現(xiàn)者論壇正在致力于推出新的Audio Video類別, 因此有很多理由將USB作為接口的選擇。隨著筆記本電腦變得更薄和更時(shí)尚,人們將需要一種可以支持多種外設(shè),包括顯示器和視頻設(shè)備的接口。

  附文:

  英特爾的Thunderbolt I/O技術(shù)

  英特爾公司的Thunderbolt控制器用于連接PC和其它設(shè)備,發(fā)送和接收采用PCIe(外設(shè)部件快速互聯(lián))和DisplayPort協(xié)議的分組數(shù)據(jù)流。Thunderbolt技術(shù)同時(shí)使用雙向的數(shù)據(jù)流,因此用戶可以用到一根電纜上的完全帶寬。通過兩個(gè)獨(dú)立通道,該技術(shù)可為第一臺設(shè)備和下游的其它設(shè)備都提供完全的10 Gbps帶寬。

  這個(gè)雙通道、10 Gbps/端口的雙向技術(shù)兼容于DisplayPort設(shè)備,允許設(shè)備的菊花式鏈接,并可用電纜或光纜。它有低的延遲時(shí)間和精確的時(shí)間同步,采用原生的協(xié)議驅(qū)動軟件,并能通過電 纜為總線供電設(shè)備提供電源。

 

  用戶采用Thunderbolt后,能在不到30秒時(shí)間內(nèi),傳輸一部全長的HD(高清晰)電影,而備份全年的MP3連續(xù)播放內(nèi)容也只要10分鐘多一點(diǎn)時(shí)間。由于這種性能,它應(yīng)能用于高端應(yīng)用中。

  你可以獲取專利Thunderbolt控制器的許可,而PC和外設(shè)兩端都需要許可。因此,最終決定權(quán)將是這種互聯(lián)方式是否獲得廣泛的接受。該技術(shù)不是一個(gè)開放標(biāo)準(zhǔn),也沒有大量的裝機(jī)數(shù)。

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