數(shù)字高清時代 全面解密HDMI接口技術(shù)

HDMI的基本傳輸原理

　　HDMI（High－DefinitiON Multimedia Interface）又被稱為高清晰度多媒體接口，是首個支持在單線纜上傳輸，不經(jīng)過壓縮的全數(shù)字高清晰度、多聲道音頻和智能格式與控制命令數(shù)據(jù)的數(shù)字接口。HDMI接口由Silicon Image美國晶像公司倡導(dǎo)，聯(lián)合索尼、日立、松下、飛利浦、湯姆遜、東芝等八家著名的消費類電子制造商聯(lián)合成立的工作組共同開發(fā)的。HDMI最早的接口規(guī)范HDMI1.0于2002年12月公布，目前的最高版本是于06年6月發(fā)布的HDMI1.3規(guī)范。

　　HDMI源于DVI接口技術(shù)，它們主要是以美國晶像公司的TMDS信號傳輸技術(shù)為核心，這也就是為何HDMI接口和DVI接口能夠通過轉(zhuǎn)接頭相互轉(zhuǎn)換的原因。美國晶像公司是HDMI八個發(fā)起者中唯一的集成電路設(shè)計制造公司，是高速串行數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)領(lǐng)域的領(lǐng)導(dǎo)廠商，因為下面要提到的TMDS信號傳輸技術(shù)就是它們開發(fā)出來的，所以這里稍微提及一下。

　　TMDS（Transition Minimized Differential Signaling）也被稱為最小化傳輸差分信號，是指通過異或及異或非等邏輯算法將原始信號數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成10位，前8為數(shù)據(jù)由原始信號經(jīng)運算后獲得，第9位指示運算的方式，第10位用來對應(yīng)直流平衡（DC-balanced，就是指在編碼過程中保證信道中直流偏移為零，電平轉(zhuǎn)化實現(xiàn)不同邏輯接口間的匹配），轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)以差分傳動方式傳送。這種算法使得被傳輸信號過渡過程的上沖和下沖減小，傳輸?shù)臄?shù)據(jù)趨于直流平衡，使信號對傳輸線的電磁干擾減少，提高信號傳輸?shù)乃俣群涂煽啃浴?/FONT>

　　一般情況下，HDMI連接由一對信號源和接受器組成，有時候一個系統(tǒng)中也可以包含多個HDMI輸入或者輸出設(shè)備。每個HDMI信號輸入接口都可以依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)接收連接器的信息，同樣信號輸出接口也會攜帶所有的信號信息。HDMI數(shù)據(jù)線和接收器包括三個不同的TMDS數(shù)據(jù)信息通道和一個時鐘通道，這些通道支持視頻、音頻數(shù)據(jù)和附加信息，視頻、音頻數(shù)據(jù)和附加信息通過三個通道傳送到接收器上，而視頻的像素時鐘則通過TMDS時鐘通道傳送，接收器接受這個頻率參數(shù)之后，再還原另外三個數(shù)據(jù)信息通道傳遞過來的信息。

視頻和音頻信號傳輸

　　HDMI輸入的源編碼格式包括視頻像素數(shù)據(jù)、控制數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)包。其中數(shù)據(jù)包中包含有音頻數(shù)據(jù)和輔助信息數(shù)據(jù)，同時HDMI為了獲得聲音數(shù)據(jù)和控制數(shù)據(jù)的高可靠性，數(shù)據(jù)包中還包括一個BCH錯誤糾正碼。HDMI的數(shù)據(jù)信息的處理可以有多種不同的方式，但最終都是在每一個TMDS通道中包含2位的控制數(shù)據(jù)、8位的視頻數(shù)據(jù)和4位的數(shù)據(jù)包。HDMI的數(shù)據(jù)傳輸過程可以分成三個部分：視頻數(shù)據(jù)傳輸期、島嶼數(shù)據(jù)傳輸期和控制數(shù)據(jù)傳輸期。

HDMI數(shù)據(jù)傳輸示意圖，HDMI有三個TMDS數(shù)據(jù)信息通道

　　視頻數(shù)據(jù)傳輸期，HDMI數(shù)據(jù)線上傳送視頻像素信號，視頻信號經(jīng)過編碼，生成3路（即3個TMDS數(shù)據(jù)信息通道，每路8位）共24位的視頻數(shù)據(jù)流，輸入到HDMI發(fā)射器中。24位像素的視頻信號通過TMDS通道傳輸，將每通道8位的信號編碼轉(zhuǎn)換為10位，在每個10位像素時鐘周期傳送一個最小化的信號序列，視頻信號被調(diào)制為TMDS數(shù)據(jù)信號傳送出去，最后到接受器中接收。

　　島嶼數(shù)據(jù)傳輸期，TMDS通道上將出現(xiàn)音頻數(shù)據(jù)和輔助數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)每4位被一組，構(gòu)成一個上面提到的4位數(shù)據(jù)包，數(shù)據(jù)包和視頻數(shù)據(jù)一樣，被調(diào)制為10位一組的的TMDS信號后發(fā)出。視頻數(shù)據(jù)傳輸期和島嶼數(shù)據(jù)傳輸期均開始于一個Guard Band保護頻帶，Guard Band由2個特殊的字符組成，這樣設(shè)計的目的在于在明確限定控制數(shù)據(jù)傳輸期之后的跳轉(zhuǎn)是視頻數(shù)據(jù)傳輸期。

　　控制數(shù)據(jù)傳輸期，在上面任意兩個數(shù)據(jù)傳輸周期之間，每一個TMDS通道包含2位的控制數(shù)據(jù)，這一共6位的控制數(shù)據(jù)分別為HSYNC（行同步）、VSYNC（場同步）、CTL0、CTL1、CTL2和CTL3。每個TMDS通道包含2位的控制數(shù)據(jù)，采用從2位到10位的的編碼方法，在每個控制周期最后的階段，CTL0、CTL1、CTL2和CTL3組成的文件頭，說明下一個周期是視頻數(shù)據(jù)傳輸期還是島嶼數(shù)據(jù)傳輸期。

　　島嶼數(shù)據(jù)和控制數(shù)據(jù)的傳輸是在視頻數(shù)據(jù)傳輸?shù)南[期，這意味著在傳輸音頻數(shù)據(jù)和其他輔助數(shù)據(jù)的時候，并不會占據(jù)視頻數(shù)據(jù)傳輸?shù)膸?，并且也不要一個單獨的通道來傳輸音頻數(shù)據(jù)和其他輔助數(shù)據(jù)，這也就是為什么一根HDMI數(shù)據(jù)線可以同時傳輸視頻信號和音頻信號的原因。

HDMI的高音視頻帶寬

　　HDMI的數(shù)據(jù)信息的處理可以有多種不同的方式，也就是說HMDI支持多種方式的視頻編碼，通過對3個TMDS數(shù)據(jù)信息通道的合理分配，既可以傳輸RGB數(shù)字色度分量的4：4：4信號，也可以傳輸YCbCr數(shù)字色差分量的4：2：2信號，最高可滿足24位視頻信號的傳輸需要。

　　HDMI每個TMDS通道視頻像素流的速率一般在25MHz～165MHz之間，HDMI1.3規(guī)范已經(jīng)將這一上限提升到了225MHz，當(dāng)視頻格式的速率低于25MHz時，將使用像素重復(fù)法來傳輸，即視頻流中的像素被重復(fù)使用。以每個TMDS通道最高165MHz的頻率計算，3個TMDS通道傳輸R/G/B或者Y/Cb/Cr格式編碼的24位像素視頻數(shù)據(jù)，最高帶寬可以達到4.95Gbps，實際視頻信號傳輸帶寬接近4Gbps，而現(xiàn)在最高規(guī)格的高清視頻格式1080p所需的帶寬僅僅為2.2Gbps，因此HDMI擁有的充足帶寬不僅可以滿足現(xiàn)在高清視頻的需要，在今后相當(dāng)長一段時間內(nèi)都可以提供對更高清晰度視頻格式的支持。

HDMI接口的高傳輸速度使得今后的擴展性大大提高

　　除了高的視頻信號帶寬之外，HDMI還在協(xié)議中加入了對音頻信號傳輸?shù)闹С?，形成了業(yè)界首個單線纜多媒體接口協(xié)議。HDMI的音頻信號不占用額外的通道，而是采用和其他輔助信息一起組成數(shù)據(jù)包，利用3個TMDS通道在視頻信號傳輸?shù)南[期，以島嶼數(shù)據(jù)的形式傳送。即使在傳輸1080p（60Hz）的視頻信號的時候，還可以提供最高8路，每路采樣頻率192kHz的高質(zhì)量音頻信號，相比之下，CD音頻制式44.1kHz的兩聲道信號，以及最新的DVD－Audio音頻格式96kHz的6聲道信號，就相形見絀了。

HDMI的數(shù)據(jù)保護技術(shù)

　　HDMI接口推出以后，受到了眾多消費類電子制造商的支持，具備HDMI接口的產(chǎn)品不斷上市，現(xiàn)在已經(jīng)稱為數(shù)碼產(chǎn)品的標(biāo)準(zhǔn)配備的接口，其原因不僅僅在于HDMI性能上的優(yōu)越性，而且包括HDMI對數(shù)據(jù)先進完備的保護技術(shù)。自從DVD內(nèi)容保護技術(shù)不堪一擊，盜版光盤全球泛濫以來，很多影音內(nèi)容制造商和數(shù)碼產(chǎn)品制造商都對數(shù)字化有很大的疑慮，能否找到有效的版權(quán)保護機制，將直接影響到高清晰視頻技術(shù)的發(fā)展。HDMI能否順利推廣也必須要解決這一問題，為了阻止計算機利用數(shù)字接口對受保護的數(shù)字視頻內(nèi)容進行非法復(fù)制，HDMI采用了HDCP技術(shù)。

　　HDCP（High Band-width Digital Content Protection）即高寬帶數(shù)字內(nèi)容保護技術(shù)，是Intel下屬的全資子公司DIGItal Content Protection LLC負(fù)責(zé)研究開發(fā)的，主要是保護基于Interne的數(shù)字多媒體視頻版權(quán)，本質(zhì)就是數(shù)字信號加密和解密技術(shù)，在發(fā)送端為信號添加特定的加密，而接收端通過一定的算法技術(shù)去除信號的加密部分，并還原真實的影音效果，目前也只有DVI和HDMI兩種接口受到HDCP技術(shù)的保護。HDCP的保護系統(tǒng)由三個部分組成，一是授權(quán)認(rèn)證協(xié)定，二是數(shù)據(jù)加密解密，三是自我更新。

　　授權(quán)認(rèn)證協(xié)定是指每臺帶有HDCP技術(shù)的的設(shè)備都一套由Digital Content Protection LLC統(tǒng)一分發(fā)的設(shè)備鑰匙集，它由一組設(shè)備私有密匙（DPKs）和一個與之配套的密匙選擇向量（KSV）組成，其中DPKs是40個不同的56位二進制數(shù)，設(shè)備外不可見，嚴(yán)格保密，而KSV是一個40位的二進制數(shù)，無須保密。兩臺帶有HDCP技術(shù)的的設(shè)備傳送數(shù)據(jù)之前，根據(jù)授權(quán)認(rèn)證協(xié)定，雙方要先讀取對方的KSV，然后根據(jù)對方的KSV在自己的DPKs當(dāng)中選取一部分密鑰，由特定的算法計算得出各自的共享密值，如果是雙方提交的都是經(jīng)過授權(quán)的KSV，這計算出的共享密值應(yīng)該相等，由此來判定連接設(shè)備的合法性。

HDCP高寬帶數(shù)字內(nèi)容保護技術(shù)示意圖

　　數(shù)據(jù)加密解密是指當(dāng)設(shè)備合法性驗證成功之后，設(shè)備間開始傳送內(nèi)容數(shù)據(jù)，HDCP的密碼模塊會通過特定的算法根據(jù)在授權(quán)認(rèn)證中產(chǎn)生的共享密值得到24位的偽隨機加密數(shù)據(jù)。該數(shù)據(jù)要經(jīng)由HDMI的3個TDMS通道傳輸?shù)絋DMS編碼器中生成TMDS信號，然后傳送出去，在TMDS接收器中，由相同的機構(gòu)和共享密值產(chǎn)生響應(yīng)的24位偽隨機解密數(shù)據(jù)，用于還原數(shù)據(jù)內(nèi)容。由于共享密值含有設(shè)備身份識別標(biāo)志DPKs和KSV，任何設(shè)備的變換或轉(zhuǎn)接都將破壞已建立的現(xiàn)有連接，從而終止數(shù)據(jù)傳送，因此可以有效的防止監(jiān)聽設(shè)備非法竊取HDCP保護的數(shù)據(jù)內(nèi)容。

　　除此之外，HDCP技術(shù)還有一個最大的特點就是自我更新。為了防止授權(quán)設(shè)備適于密鑰DPKs泄漏后被用于制造非法設(shè)備，竊取HDCP保護數(shù)據(jù)，HDCP協(xié)議中定義了系統(tǒng)更新信息（SRMs），其中包含又公司收集發(fā)布的已泄漏的設(shè)備KSV列表，SRMs跟隨光盤、電視信號等內(nèi)容數(shù)據(jù)傳播，隨時隨地都能更新。所有帶有HDCP技術(shù)的設(shè)備在收到該信息后都會將已廢棄的KSV值記錄下來，以備與其他設(shè)備連接并檢驗合法性的時候查閱。當(dāng)某設(shè)備提交了已被廢棄的KSV值之后，就會被另一臺設(shè)備判定為非法設(shè)備而被拒絕連接，從而阻止了非法設(shè)備的擴散。

　　由此我們可以發(fā)現(xiàn)，HDCP技術(shù)在對版權(quán)內(nèi)容的保護程度上有了很大的進步，應(yīng)該說是一套切實有效的辦法。不過HDMI組織并沒有將HDCP系統(tǒng)作為其必須要強制搭載的設(shè)備，而是把它作為一個可選部件，不過隨著HDMI的推廣，現(xiàn)在已經(jīng)越來越多的國家開始強制部分帶有HDMI接口的設(shè)備強制搭載HDCP系統(tǒng)，這一技術(shù)也在逐漸為消費者和數(shù)碼產(chǎn)品制造商所認(rèn)可。

HDMI的最新規(guī)范HDMI1.3

　　HDMI最早的接口規(guī)范HDMI1.0于2002年12月公布，2004年5月升級到HDMI1.1，2005年8月推出了HDMI1.2，今年6月，HDMI規(guī)范再次升級到1.3版本。HDMI1.3比以前的版本做了很多改進，首先是將帶寬升級到225MHz，而以前的HDMI規(guī)范是165MHz，如果有需要，最高可以達到450MHz的帶寬。

　　“Deep Color”深色技術(shù)，帶寬的提升使得HDMI支持這種技術(shù)成為可能。深色讓HDTV和其它顯示設(shè)備由幾百萬種色彩發(fā)展到數(shù)億種色彩，消除屏幕上的色帶，使音調(diào)轉(zhuǎn)換更平滑，色彩之間的漸變更細(xì)微，增加對比度，在黑色和白色之間展現(xiàn)更多倍的灰色陰影，使消費者能夠欣賞色彩更加的空前逼真和精確的畫面。HDMI1.3可以支持36位RGB色彩處理60Hz的1080i畫面，或者36位色彩處理90Hz的1080p畫面，最高可以達到48位色深畫面。

　　支持“xvYCC”色彩標(biāo)準(zhǔn)，xvYCC是指視頻應(yīng)用擴展YCC比色法，該新標(biāo)準(zhǔn)是現(xiàn)有HDTV信號色彩的1.8倍。xvYCC讓HDTV顯示色彩更精確，更加自然逼真，并且去除了現(xiàn)有色空間的限制并使得人眼可以觀看任何色彩的顯示。

左：普通HDMI接口；右：HDMI1.3規(guī)范推出的HDMI小型接口

　　唇型同步，通常視頻處理較音頻處理要花更多的時間，因此有時候會造成畫面和配音不同步的情況，也就是通常所說的唇型不同步。HDMI1.3提供一種新方法：自動音頻同步的功能，通過自動調(diào)整設(shè)備中的音頻處理時間，使畫面和聲音能完全精確地同步播放。

　　此外HDMI1.3還加入了對新型無損音頻格式Dolby TrueHD和DTS-HD Master Audio的支持。同時為了能夠配備于數(shù)碼攝像機和便攜AV終端，還HDMI1.3首次規(guī)定了小型接口，和原來的HDMI接口相比，新的小型接口十分小巧，這種新型的迷你接口適合攝影機與照相機等小型便攜式裝置應(yīng)用。

　　不過最大的遺憾就是，目前已經(jīng)支持之前HDMI版本的設(shè)備，無法通過更新BIOS、固件或者升級驅(qū)動程序來支持到HDMI 1.3規(guī)范，而新的HDMI1.3規(guī)范接口可以完全向下兼容所有之前的HDMI版本以及DVI兼容設(shè)備。使用HDMI1.3功能的產(chǎn)品最早會在今年的PS3上開始使用，而顯示器、DVD和平板電視等相關(guān)產(chǎn)品估計要到2007年才會上市。

寫在最后

　　隨著數(shù)字家電產(chǎn)品的不斷發(fā)展，對數(shù)據(jù)傳輸速度和穩(wěn)定性等要求的不斷提高，數(shù)字化的高速傳輸接口已經(jīng)成為今后的首選。雖然HDMI和DVI接口都是基于TMDS信號傳輸技術(shù)，都可以解決無壓縮數(shù)據(jù)傳輸?shù)膯栴}，但是由于DVI的數(shù)據(jù)傳輸只有一個或者兩個TMDS通道，對于快速發(fā)展的高清晰度視頻而言，現(xiàn)在的傳輸速度在幾年以后可能就會捉襟見肘，而且DVI不支持音頻信號傳輸，需要額外的音頻傳輸接口，另外DVI不支持?jǐn)?shù)字色差分量信號的傳輸，因此當(dāng)HDMI接口出現(xiàn)以后，業(yè)界普遍認(rèn)為HDMI接口代替DVI已經(jīng)是大勢所趨，不過好在兩者本是同根生，可以通過轉(zhuǎn)接頭連接。

　　目前在市面上已經(jīng)有大量HDMI接口的數(shù)碼產(chǎn)品上市，HDMI接口的出現(xiàn)不僅可以適應(yīng)現(xiàn)在數(shù)字家電數(shù)據(jù)傳輸?shù)男枰?，而且在今后很長一段時間之內(nèi)都可以滿足更高要求的高清晰度視頻的信號傳輸，HDMI也為新一輪數(shù)字產(chǎn)品革命提供了堅實的基礎(chǔ)。