От «аналога» к «цифре»: технология HDMI

13.12.2007 | Версия для печати | Послать ссылку по почте | Комментарии | Добавить в

За годы существования цифрового видеоконтента абсолютное большинство пользователей успело привыкнуть к таким разъемам, как RCA (тюльпан), D-SUB (VGA), DVI, S-Video, SCART и т.д. Много их развелось, не правда ли? Каждый обладает своими плюсами и минусами, большинство из них в той или иной степени пытаются совместить аналоговые и цифровые способы передачи данных, но все они далеки от идеала. Так что же нового могут нам предложить современные технологии? Можно ли уже констатировать торжество «цифры»?

Аналогичные претензии

Наиболее устаревшими с моральной и технической точки зрения являются аналоговые интерфейсы, имеющие множество недостатков. Целью любого коммутационного интерфейса является передача данных, в данном случае аудио- и видеосигнала. Разумеется, чем качественнее будет передан сигнал, тем лучше. И вот тут-то у аналоговых разъемов имеются непреодолимые проблемы. Сигнал, передаваемый по «обычному» аналоговому кабелю, подвергается искажениям, связанным с наводками внешних электромагнитных полей. Кроме того, нельзя забывать и о собственных паразитных свойствах кабеля: сопротивлении, индуктивности, так называемом «скин-эффекте» (затухание электромагнитных волн по мере их проникновения вглубь проводника) и т.д.

Для уменьшения пагубного влияния аналоговых коммутаций применяют специализированные кабели. В ход идет экранирование, дополнительная изоляция, применение технически чистых металлов (например, бескислородной меди, если говорить об аудиокабелях), золочение разъемов и т.д. Все эти меры хоть и снижают в значительной степени дефекты передачи данных, но не в состоянии решить проблему глобально. Кроме того, высококачественные провода в своей стоимости могут достигать десятки, сотни и даже тысячи (!) долларов за метр.

Однако описанные выше недостатки аналогового подключения – лишь надводная часть айсберга. Все наиболее распространенные внешние носители информации (CD, DVD) являются цифровыми, то есть все, что на них записано, записано в цифровом формате. Параллельно с этим все современные мониторы, ЖК-телевизоры, HDTV-панели, плазменные экраны и им подобные также являются цифровыми устройствами. При воспроизведении аудио/видеоконтента в случае пресловутого аналогового подключения происходит вынужденная двойная конвертация из цифрового формата в аналоговый (на источнике сигнала) и затем наоборот, из аналогового в цифровой (непосредственно на устройстве воспроизведения). В результате такого взаимообратного преобразования снова страдает качество. Ибо абсолютно точно можно преобразовать только один формат цифрового контента в другой цифровой формат. На этапе перевода сигнала из цифрового в аналоговый и наоборот в той или иной степени появляются дефекты конвертации (зависит от совершенства алгоритма).

Для глобального решения вышеописанной проблемы коммутации было принято решение о создании единого универсального цифрового коммутационного интерфейса для бытовых устройств. Его имя – HDMI.

Отличительные особенности

На закате эпохи аналоговых подключений все увереннее и увереннее набирает силы HDMI. Сама аббревиатура HDMI расшифровывается как High-Definition Multimedia Interface, что в переводе на русский язык означает «мультимедийный интерфейс высокого разрешения». Этот разъем позволяет передавать цифровые видеоданные высокого разрешения и многоканальный цифровой аудиосигнал. Данный интерфейс был разработан для передачи несжатых данных между телевизором, аудиосистемой и DVD-проигрывателем.

Сегодняшним апогеем развития цифрового видео является формат HDTV High-Definition TeleVision (телевидение высокой четкости). Плотность потока HDTV настолько высока, что старые интерфейсы едва ли смогут продолжить свое существование. Разумеется, одним махом с лица Земли они не исчезнут, но будут планомерно уступать свои позиции универсальному новичку. Его универсальность заключается в возможности передавать не только видео, но и аудиоконтент. Но давай обо все по порядку.

Разъем HDMI обеспечивает цифровое DVI-соединение нескольких устройств с помощью соответствующих кабелей. Основное различие между HDMI и его «предком» DVI заключается в том, что разъем HDMI имеет меньший размер, интерфейс оснащен технологией защиты от копирования HDCP (High Bandwidth Digital Copy Protection) и поддерживает передачу многоканального цифрового аудиосигнала. HDMI был разработан в качестве современной замены аналоговых стандартов подключения, таких как SCART или RCA.

История HDMI

История High-Definition TeleVision фактически началась в декабре 2002 года с выходом версии 1.0. Разработчиками HDMI являются Hitachi, Philips, Sony, Toshiba и некоторые другие компании. Максимальная пропускная способность по одному проводу составляла 4.9 Гбит/с, поддерживался видеопоток с графической плотностью до 165 Мпкс/с и 8-канальный звук 192 кГц/24 бит. Вскоре после опубликования окончательной редакции текста спецификации HDMI 1.0 компания Silicon Image представила первые аппаратные решения для оснащения этим интерфейсом бытовых электронных устройств. Были выпущены два чипа серии PanelLink Cinema – передатчик SiI 9190 и приемник SiI 9993, оснащенные встроенной системой защиты HDCP.

Версия 1.1 увидела свет только в мае 2004 года. Изменений было весьма немного. В основном была введена поддержка DVD-Audio. HDMI 1.2 увидел свет в августе следующего года. Здесь изменений было уже немало. Добавлена поддержка передачи однобитового аудиосигнала, такого как Super Audio CD DSD (Direct Stream Digital). Разработан HDMI-разъем типа «A» с полной поддержкой всех форматов для PC-источников и дисплеев. Добавлена возможность для PC-источников использовать родное цветовое пространство RGB (красный, зеленый, голубой) при сохранении поддержки YCbCr CE (яркость, голубой, красный). Установлено требование для дисплеев с HDMI 1.2 и более поздних версий поддерживать будущие низковольтные (то есть связанные по переменному току) источники, например, основанные на базе технологии ввода/вывода PCI Express.

Версия HDMI 1.2a вышла в декабре того же года. Единственное новшество – добавление полной поддержки всех особенностей и наборов команд протокола защиты данных CEC (Consumer Electronic Control).

Полгода спустя, 22 июня 2006 года, мир увидел HDMI 1.3. Эта версия содержала в себе массу нововведений. Частота синхронизации была поднята с 165 до 340 МГц, что позволяло увеличить пропускную способность интерфейса по одному проводу с 4.95 Гбит/с до 10.2 Гбит/с. Была добавлена поддержка «глубокого цвета» (deep color, 30-, 36-, 48-битный цвет – 10, 12 или 16 бит на каждый компонент RGB соответственно) в высоких разрешениях, вместо поддержки только 24-битного цвета у предыдущей версии. Поддержка стандарта цветопередачи xvYCC (Extended Video YCC – цветовое кодирование с расширенным диапазоном оттенков). Реализована автоматическая синхронизация видео- и аудиосигнала. Добавлена поддержка новых форматов цифрового звука Dolby HD и DTS-HD. Разработан новый мини-разъем для портативных устройств, таких как ручная камера.

Из чего состоит формат?

Работа интерфейса HDMI обеспечивается целым списком технологий и групп команд. Перечислим основные.

• TMDS (Transition-Minimized Differential Signaling) – технология высокоскоростной передачи цифровых потоков, которая используется в интерфейсах HDMI и DVI. Здесь применяются три канала, которые передают потоки аудио/видео и дополнительных данных, с пропускной способностью порядка 3.4 Гбит/с на канал.
• CEC (Consumer Electronics Control) – позволяет передавать команды и управляющие сигналы между устройствами. Функции CEC встраиваются по желанию производителя. Если все участники связи будут поддерживать HDMI CEC, то ты сможешь, например, посылать команды с пульта ДУ всей подключенной технике. Среди команд есть включение/выключение, воспроизведение, переход в режим ожидания, запись и другие.
• SCL (Serial Data Clock) – отвечает за синхронизацию передачи данных.
• SDA (Serial Data Access) – осуществляет передачу данных.
• DDC (Display Data Channel) – передает спецификации дисплея, например, название производителя, номер модели, поддерживаемые форматы и разрешения и т.п.

Сегодня HDMI поддерживает все основные форматы видео: PAL, NTSC, ATSC и некоторые другие. Разрешение видеоконтента может достигать 1440p, или 2560x1440 в прогрессивном формате. Для сравнения, у Blu-ray и HD-DVD оно составляет не более 1080p. Также имеется поддержка глубины цветности до 48 бит (280 триллионов цветов!) с частотой обновления до 120 Гц.

Ныне интерфейс HDMI полностью совместим со следующими аудиоформатами:

• Несжатый звук (PCM) – до 8 каналов с частотой дискретизации до 192 кГц/24 бит.
• Сжатый звук без потери качества (lossless) – недавно добавлена поддержка Dolby TrueHD и DTS-HD Master Audio.
• Сжатый звук – Dolby Digital, DTS и т.п.
• Многоканальный звук – SACD, DVD Audio.

Ну и наконец, в HDMI предусмотрена защита от нелегального копирования – без нее теперь никуда...

Защита HDCP

Так уж в последнее время повелось, что все новые форматы и интерфейсы оснащаются современными средствами защиты. Для интерфейса HDMI была разработана встроенная схема защиты цифрового контента HDCP (High-Bandwidth Digital Content Protection). Сигнал при передаче на лету подвергается шифрованию, а декодируется уже в принимающем устройстве. Главным автором HDCP является корпорация Intel.

Основной целью HDCP является предотвращение передачи нешифрованных данных аудио и видео высокой четкости для препятствования нелегальному копированию. Для этого были разработаны:

• специальный протокол аутентификации, который не позволяет несертифицированным устройствам получать контент высокой четкости;
• шифрование передаваемых по DVI или HDMI данных предотвращает как прямое копирование, так и «подслушивание» данных;
• алгоритм аннулирования ключей в HDCP позволяет сравнительно просто блокировать передачу контента HDTV на устройства нарушившие соглашения производителей.

Каждое устройство с поддержкой HDCP имеет уникальный набор ключей – 40 шт. по 56 бит. Эти ключи секретны, а любое их разглашение или вскрытие является нарушением лицензионного соглашения. Каждому набору ключей соответствуют специальный набор данных KSV (key-selection vector), вектор выбора ключа. В каждом KSV ровно 20 битов, которые имеют значение 0, и еще 20 битов, которые имеют значение 1. Во время аутентификации обе стороны (например, ТВ и ресивер) обмениваются ключами KSV. Затем каждое устройство суммирует свои секретные ключи в соответствии с битами KSV от другого устройства. Если бит KSV равен единице, то соответствующий секретный ключ используется, если нулю, то не используется. И секретные ключи, и KSV составлены таким образом, что в результате этого процесса оба устройства получат одинаковое 56-битное число. Это число далее используется для шифрования.

В HDCP шифрование производится поточным шифром. К битам каждого пикселя применяется операция XOR с некоторым сгенерированным блоком шифрования 24-битным числом. В алгоритм заложена смена ключей после каждого кадра.

В случае если некоторая модель будет считаться нарушившей соглашение, то ее KSV помещается в список аннулирования. Этот список записывается, например, на все новые диски. Каждый список аннулирования подписывается цифровой подписью на основе алгоритма DSA. Это требуется, чтобы отсечь попытки внесения в такие листы легитимных моделей злоумышленниками. Во время аутентификации, если источник сигнала обнаруживает, что KSV подключенного к нему устройства есть в списке аннулирования, то он просто не устанавливает с ним соединения и не передает данные высокой четкости.

Имеются многочисленные заявления криптоаналитиков о фундаментальной уязвимости HDCP, а также практические примеры взлома. Но так или иначе, эта технология защиты от нелегального копирования должна присутствовать на тех HD-ресиверах или плеерах/видеомагнитофонах DVD/HD-DVD/Blu-ray, которые оснащены интерфейсом HDMI. Именно из-за системы защиты от нелегального копирования все ныне выпускаемые HD-DVD и Blu-Ray устройства оснащаются исключительно HDMI-выходом. Но это не значит, что никаким другим образом с них нельзя снять аудио/видеосигнал – просто во всех других вариантах качество искусственно занижается до уровня обычного DVD, а то и ниже.

HDMI сегодня и завтра

Доминирование интерфейса HDMI в современных устройствах обусловило появление нового поколения целого ряда устройств, например, ресиверов (многоканальных усилителей мощности звука, оснащенных цифро-аналоговыми преобразователями). Наличие HDMI-разъема на ресивере дает следующие преимущества:

Подключение одним кабелем как видео-, так и аудиотрансляционных каналов. До применения HDMI приходилось использовать два подключения – отдельно аудио, отдельно видео.

В случае оснащения ресивера несколькими портами HDMI (обычно их несколько) позволяет одновременно подключать несколько источников аудио/видеосигнала.

Подключение к ресиверу старых HDTV-телевизоров, так или иначе не поддерживающих полноценно 480p (деинтерлейсинг видео с 480i на 480p). Кроме того, топовые модели современных ресиверов умеют работать с форматами 720p, 1080i/1080p. Это позволяет получить хорошее качество изображения в случае использования устаревшего источника сигнала совместно с современным HDTV-телевизором.

Новый интерфейс нашел свое место и в индустрии персональных компьютеров. Современные графические ускорители оснащаются HDMI-разъемом. При этом производители видеокарт вынуждены покупать лицензию. Кроме того, отдельные производители, такие как Blackmagic Design Intensity, разработали специализированные карты, предназначенные для видеозахвата по HDMI. Устройство предназначено для стандартной шины PCI-E x1, оборудовано двумя разъемами HDMI и способно на работу с видео в различных разрешениях вплоть до HD-разрешений 1080i (1920x1080 точек, чересстрочная развертка) и 720p (1280x720 точек, прогрессивная развертка). К сожалению, поддержка перспективного режима 1080p (1920x1080 точек, прогрессивная развертка) в данной плате не предусмотрена. Blackmagic Design заявляет о совместимости Intensity (так назвали устройство) с такими популярными программами, как Adobe Premiere Pro, Apple Final Cut Pro, Adobe After Effects, Adobe, а также практически со всем софтом, который использует DirectShow или QuickTime.

Одной их самых примечательных новинок на поприще завоевания рынка новым интерфейсом стал фотоаппарат Samsung Digimax L85. Поддержка HDMI встроена в процессор камеры Zoran COACH. Обладая 8-мегапиксельным сенсором, камера способна снимать видео со звуком в MPEG-4 со скоростью 30 кадров в секунду. Интерфейс HDMI позволяет подключить фотоаппарат к телевизорам с высоким разрешением и просматривать на них фотографии и видеозаписи без дополнительных посредников.

Выше мы отмечали, что современные устройства зачастую обеспечиваются несколькими портами HDMI. В случае нехватки оных можно применить так называемый «хаб». Общий принцип его действия достаточно схож с хабами аналогичного назначения для USB с той лишь разницей, что ввиду существенно более высокой «продвинутости» и сложности интерфейса HDMI устройства-разветвители нового поколения на данный момент значительно дороже – их стоимость составляет сотни евро.

Увеличить длину коммутационного кабеля с разъемами HDMI можно с помощью такого устройства, как HDMAX 121 Extender. Оно оснащается HDMI-входом и выходом, а также внешним блоком питания мощностью 6-15 В/2 Вт. Устройство поддерживает фирменные технологии усиления, буферизации и корректировки сигнала. Видеосигнал разрешением 1080р в этом случае может передаваться на расстояние до 50 (!) метров.

Таким образом, на сегодняшний день новый цифровой интерфейс HDMI обеспечивает:

• превосходное качество цифрового аудио и некомпрессированного видео;
• один простой удобный кабель заменит кучу проводов;
• интегрированное дистанционное управление;
• передачу контента высокой четкости, что откроет ворота для продукции нового качества;
• гибкую возможность обеспечения соответствующим разъемом широкого перечня устройств;
• поддержку хабов и удлинителей.

Разумеется, ставить точку в летописи развития HDMI еще рано. В будущем мы наверняка увидим новую версию этого интерфейса, и, скорее всего, не одну. Журнал «Железо» обязательно ознакомит тебя со всеми новостями с коммутационного фронта.

КОММЕНТАРИИ:

Keywords: zPOSTz zARTICLEz, zVIDEOz z11495z
Для Авторов: edit delete