HDMI2.1的技術分析－雷克斯の生活日誌

1. HDMI2.1新增功能
(1.) 可支援的解析度更高 => 在DSC下最高可達10K@120Hz。

(2.) 支援Dynamic HDR => 優化HDR下的畫面色彩表現。

(3.) 超高速HDMI傳輸線 => 可支援高達48Gbps的頻寬。

(4.) 支援eARC => 支援最先進的高位元率家庭劇院音訊格式。

(5.) 更新率功能增強 => VRR、QMS、QFT等功能可確保遊戲和電影的畫面更加流暢。

圖. 快速媒體切換(QMS)功能可以藉由VRR變動更新率，避免黑畫面的情況發生。

2. FRL
在HDMI 1.4 跟2.0 的時代，HDMI的物理層(Physical layer)傳輸格式，一直是依循TMDS (Transition-minimized differential signaling, 最小化傳輸差分訊號)模式。在這種模式下信號是由data 0, data 1, data 2三組data lane與一組 clock lane組合而成。這種模式是來自於早期YUV或RGB三組Video 訊號並加上Sampling Clock的組合。
這種組合以現在有線傳輸的技術來看，在有限的傳輸線組下自然是比較浪費的，因為clock lane上並未載入任何data。
在HDMI 2.1這個版本，為了支援更大的頻寬，導入了FRL (Fix Rate Link) 模式，把四組差分的傳輸線均定義為data lane，分別為Lane 0, Lane 1, Lane 2, Lane 3；而clock必須由data中分離出來，利用類似Display port(DP)中的CDR (clock data recovery) 技術，clock可以從data中分離出來的，這樣的設計可以把total throughput 增加1/4，使傳輸效率提升。
由於HDMI 2.1 挪用原本用來傳輸clock 的clock lane 來傳輸資料。使得HDMI接收端Rx 無法透過偵測TMDS clock 的方式來獲知data rate，因此HDMI 2.1 只能使用固定data rate的方式進行傳輸，並需要進行Link Training決定link rate。
雖然字面上FRL mode是指fix rate，可是應用上data rate不是真的只有一種頻率，根據不同的解析度可以分為3GHz, 6GHz, 8GHz, 10GHz跟12GHz；而不同的頻率則分別可以安排3個lane或4個lane。

表. HDMI2.1下分為FRL mode和TMDS mode兩種傳輸方式。

表. 傳輸速率與使用通道數的對照表(其中3L是為了支援TMDS模式)

3. DSC
在HDMI FRL mode下可以支援DSC，以支援更高的解析度(搭配DSC最高可以支援到10K120Hz)。

影像壓縮傳輸（Display Stream Compression）簡稱 DSC，是將影像數據壓縮後進行傳輸，達成低頻寬就可輸出高解析度內容，並且經壓縮後畫面表現上視覺無失真、低延遲的技術。

一個完整的 DSC 系統需要一個編碼器(encoder)及解碼器(decoder)。編碼器配置在傳送端(Tx)，傳輸影像數據前將影像壓縮; 解碼器則配置在接收端(Rx)，將接收到的影像數據解壓縮、還原並顯示。下圖為一個例子，若要傳輸8K的影像，可以透過HBR3或HBR2搭配DSC的方式傳輸。

圖. 傳送端及接收端兩者在硬體上都必須要支援 DSC 才能使用DSC功能。

4. Dynamic HDR
HDMI 2.1支援最新的動態HDR(dynamic HDR）技術，比起HDMI 2.0的靜態HDR(static HDR)，動態HDR可以確保影像的每一幕，甚至是每一影格畫面(frame)都進行重新調整，從而每一影格畫面都能夠顯示出景深、細節、亮度、對比度的理想值以及更寬廣的色域。
在HDMI 2.0a 的規範中，已經帶入HDR的應用，其中傳輸的環境參數metadata 是稱作static metadata (靜態的元數據)，也就是影片中所攜帶的HDR效果只有一種，從播放開始到結束都不會有變化。
HDMI 2.1則導入dynamic metadata，可以針對每一個影格(frame)變動HDR效果，理論上這種模式可以更精確地還原HDR的影片，不過在實際的調校上仍有一定的困難度，目前市面上應該還沒有真正支援此功能的顯示器。

圖. 動態HDR能夠根據每個場景、甚至每一幀畫面進行色彩調整。