CN113259613B - 一种改进hdmi显示数据流压缩互通互联的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种在互通互联方面的改进的HDMI传输使用的数据压缩方法，具体是：源设备对EDID内容进行解析，了解显示设备的整体能力。特别是通过对SCDS数据结构的解析，了解显示设备在DSC上面的能力，包括FRL最大速率，有多少DSC片处理单元(比如8个)；在SCDS的第8字节第4位，是DSC_422_Option，如果是1，说明显示设备在特定条件下(比如8K120)可以支持4∶2∶2 DSC，因此需要的DSC资源比4∶4∶4 DSC少；如果是0，说明显示设备在这种特定条件下不支持4∶2∶2 DSC。允许HDMI2.1设备有条件支持最多8个DSC片单元，以保障8K120 422视频流的正常工作，同时不对其它场景造成影响，保证向后兼容，解决HDMI收发端VESA DSC能力不匹配问题。

Description

一种改进HDMI显示数据流压缩互通互联的方法
技术领域
本发明涉及HDMI(High Definition Media Interface)2.1标准指定的显示数据流压缩(DSC，Display Stream Compression)技术领域，特别是一种改进HDMI显示数据流压缩互通互联的方法，这个方法改进了DSC在HDMI系统层面的互联互通，以解决现有技术导致收发端能力不匹配的问题。
背景技术
图1是基本的HDMI功能框图，包含3个TMDS(Transmission MinimizedDifferential Signal)数据通道和一个TMDS时钟通道，以及收发端通信DDC(Display DataChannel)和连接指示HPD(Hot Plug Detection)。
图2是HDMI FRL(Fixed Rate Link)模式的功能图，包含4个FRL数据通道，其中，第四个FRL数据通道复用了TMDS模式的时钟通道，DDC和HPD跟TMDS模式一样。
HDMI标准在从2.0版到2.1版的演进过程中，为了在不增加FRL带宽的前提下提高产品性能，采用了VESA(Video Electronics Standard Association)DSC(Display StreamCompress)算法。DSC应用的前提是收发端必须进行通信，保证他们的DSC能力是匹配的，否则会导致系统增加不必要的复杂度，或者降低系统效率。
图3是HDMI传输数据结构图，包含4个传输期：视频数据期、数据孤岛期、加扰控制期和加扰同步控制期。
针对每一帧/场数据，为了帧/场同步其应包含一个Vsync信号作为起始信号。每一行数据，应包含一个Hsync信号。每帧/场可以分为激活和非激活区。在激活区时，它按照水平和垂直激活范围传输显示像素数据，在非激活区时，它传输非显示数据如：数据孤岛、加扰控制数据、加扰同步控制数据。
图4是视频压缩时序图，在视频激活区传输DSC数据流，之后由FRL链路传到下游。DSC模块包含多个DSC片处理单元，每一个DSC片处理单元根据预定义参数集来处理每帧的部分视频数据。
图5是一个典型的具备DSC能力的HDMI2.1系统图，它包含一个发送设备、一个接收设备和连接线。
发送设备端功能和处理顺序：
a.视频解码器，解码节目提供商提供的视频数据流，如：AVS3 8K120视频数据内容。
b.如果解压后的视频数据超出了HDMI的物理传输能力，则需把数据送到VESA DSC做浅压缩。VESA DSC是在使能的情况下工作。
c.未编码HDMI协议模块，处理音视频和其它相关信号；
d.内容加密；
e.FRL/TMDS编码模块根据FRL/TMDS协议对数据进行编码；
g.SerDes(Serializer&De-serializer)封包FRL/TMDS数据流；
接收端功能和处理顺序：
a.SerDes解包FRL/TMDS数据流；
b.FRL/TMDS解码模块根据FRL/TMDS协议对数据进行解码；
c.内容解密；
d.非编码协议模块处理音视频和其它数据；
e.VESA DSC解压显示数据，DSC可以选择不工作；
f.视频处理模块后处理。
HDMI线缆链接HDMI发送端源设备和接收端显示设备。
HDMI2.1对VESA DSC应用进行了很好的使用定义，但是有一个问题会导致HDMI收发端DSC能力不匹配。
表1是HDMI2.1标准定义的显示能力数据结构，详见《HDMI 2.1a标准》第10.3.2章，表10-7(Sink Capability Data Structure，SCDS).这个数据结构位于显示设备的EDID(Extended Display Identification Data)里。字节8到字节10对显示设备的DSC能力做出了详细描述。
DSC_10bpc数值为1表明显示设备能够解码10bpc压缩显示数据流，否则不支持。
DSC_12bpc数值为1表明显示设备能够解码12bpc压缩显示数据流，否则不支持。
DSC_16bpc目前只能设置为0。
DSC_All_bpp数值为0表示显示设备能够解码《HDMI2.1a标准》章节7.8.3.1所规定的4∶4∶4和4∶2∶2主要格式，数值为1表示除了能够解码HDMI2.1章节7.8.3.1所规定的4∶4∶4和4∶2∶2主要格式，显示设备还能以1/16bpp为步长，解码更多的压缩显示数据流。
DSC_Native_420数值为1表明显示设备能够解码4∶2∶0格式的视频压缩传输，否则不支持。
DSC_1p2数值为1表明显示设备使用VESA DSC1.2a标准，否则不支持。
字节8的第4、5位是预留的，目前数值为0。
DSC_MaxSlices用来定义DSC处理单元的数目，可能的数值为0，1，2，4，8，12，16等。
DSC_Max_FRL_Rate用来定义DSC使用场景的最高FRL速率，可能是3Gbps，3通道6Gbps，4通道6Gbps，8Gbps，10Gbps和12Gbps.
DSC_TotalChunkKBytes定义DSC处理单元的线宽，以1024字节为单位。
表1.显示能力数据结构(SCDS)
Figure BDA0002387708000000031
当HDMI收端连接到发端，收端使能HPD信号后，发端读取收端的能力参数，包括DSC解压缩能力(表1字节8-10)。发端根据收端这些参数，决定怎么配置发端DSC压缩参数，以使系统性能最好和资源利用最优。
中国最新的音视频标准AVS3支持8K120。当前HDMI2.1标准规定，针对8K120应用场景，因为需要的数据吞吐量超出目前FRL的上限，所以必须使用DSC压缩传输。发端传输需要至少4通道10Gbps FRL，也必须使用12个DSC片单元，以4∶4∶4或者YCbCr 4∶2∶2格式压缩显示数据；但是目前的HDMI2.1标准允许收端自行设定DSC能力参数(表1字节8-10)，如果DSC_Max_FRL_Rate数值设定为5(表示在显示数据流压缩的应用中，FRL速率为10Gbps)，DSC_MaxSlices数值设定为5(表示具备8个DSC处理单元)，这样的组合能力最多解压8K120YCbCr 4∶2∶2显示数据。允许显示设备自行设定DSC能力参数实际上让8K120444在显示设备上成为了选项，制造商可能根据产品使用场景选用，比如具备强大游戏功能的显示器比普通电视更可能使用12个DSC片处理单元，支持流畅的画面。
这个在HDMI发送端和接收端的不匹配会在系统层面造成混淆，引起互联互通性冲突，导致发端设备产生不必要的复杂度，在AVS3 8K120这样的使用场景下，DSC资源利用率只有75％。也就是说，发端有12个DSC片单元，只有8个用于视频压缩传输，这非常不合理。
不匹配问题不仅仅在8K120上有，对于其它格式，如8K100，8K60，8K50，8K48，10K30，10K25，10K24等，都会有这个问题。可以说这个问题具有普遍性。
工业界为了解决这个不匹配问题，需要引入新的特性和机制，修正HDMI2.1标准，开发对应的产品，新的方法必须能够向后兼容。
发明内容
本发明的目的在于提供一种改进HDMI显示数据流压缩互通互联的方法，在互通互联方面改进HDMI传输使用的显示数据压缩算法，该方法可以解决HDMI收发端VESA DSC能力不匹配问题。
本发明主要技术方案是：
步骤1：设备连接；
步骤2：源设备送出+5V；
步骤3：显示设备返回HPD高电平；
步骤4：读取EDID；
步骤5：EDID内容解析；
步骤6：综合判断；
步骤7：软硬件设置；
步骤8：发送内容；
步骤9：显示端解压缩，其他信号处理及显示。
对于视频流场景，比如AVS3，由8个DSC片单元完成的8K120 422解压缩性能在很长一段时间内是令人满意的。但在游戏场景并非如此，游戏为了避免在色彩上的瑕疵，更愿意使用RGB444格式，就算是8K120这样的高分辨率和高帧率，情况也如此，所以需要使用12个片单元。这两种8K120压缩场景都需要4通道FRL速率至少在10Gpbs.
如果一个发端设备设计12个DSC片单元但是实际应用只使用8个片单元，多余的4个片单元将增加发端设备实现的复杂度，但是没有任何性能提升。
为了解决这个问题，本发明提出对HDMI2.1的文本进行修正，在源设备端有条件允许DSC YCbCr 4∶2∶2应变模式。比如，可以在HDMI2.1未来的修订版本第7.8.3章节中增加这样的描述：
“在FRL速率不超过12Gbps/通道的情况下，针对像速率超过3200MHz的视频格式，如果HDMI设备只具备最多8个DSC片处理单元，或者DSC功能最多只使用10Gbps/通道的FRL速率，这样的功能组合将无法支持4∶4∶4DSC压缩传输。有鉴于此，HDMI2.1允许4∶2∶2DSC压缩传输。”
这样的HDMI2.1标准修订可以在架构和系统的高度为HDMI互联设备的能力匹配增加弹性。
同时，本发明的方法是在HDMI2.1协议中增加一个新的可选项，允许HDMI2.1显示设备明确标志其有条件支持YCbCr 4∶2∶2应变模式，以保障互联设备在某些模式下(比如AVS3 8K120)能使用4∶2∶2应变模式传输显示数据流，确保系统正常工作，这样不匹配的问题可以得到解决。
表2为改进后的SCDS(Sink Capability Data Structure)表定义，即：本发明的HDMI2.1a表10-7：显示能力数据结构(Sink Capability Data Structure，SCDS)，
表2：改进后的显示能力数据结构(SCDS)
Figure BDA0002387708000000051
Figure BDA0002387708000000061
表2中：DSC_422_Option[1位]
＝1表示在特定情况下，显示设备可以应变4∶2∶2DSC压缩，这样可以对接无法进行4∶4∶4DSC压缩的源设备，改用4∶2∶2DSC压缩，发送对应显示数据。
＝0表示在特定情况下，显示设备不接受应变4∶2∶2DSC压缩，换句话说，源设备需要对视频内容进行降级处理，比如使用4∶2∶0编码，使用较低帧率或者较低分辨率。
表2是基于表1进行了改进。在HDMI设备连接成功之后，SCDS通过DDC传输提供给源设备，这样源设备在了解了下游显示设备的能力之后，可以对资源进行最合理的配置。
改进的部分是在PB8的第4位，原本是预留的，现在新增功能DSC_422_Option，用于描述在一定条件下(如：FRL速率，DSC片单元个数，像素率，等等)，申明能够支持应变4∶2∶2DSC模式，当这个特性被使能并提供到发端，发端发送相应的4∶2∶2视频流(比如AVS38K120)，这个时候视频源设备的DSC资源使用率可以达到100％。
由于采用本发明的方法，与现有技术相比具有如下有益技术效果：
1、降低了视频产品的设计复杂度，提高了系统资源利用率，在比如AVS3 8K120422压缩传输的场景下，DSC片处理器数目可由目前要求的12个降到8个，其利用率可以达到100％。
2、这个新的功能是可选项，确保了向后兼容。向后兼容可以确保现有合规的产品，在工业标准增加了新特性之后，将来会继续保持合规。
3、新功能可以由软件实现，便于产品升级和维护。
以下结合附图通过具体实施例对本发明进行详细说明。
附图说明
图1是传统HDMI框图(Legacy HDMI Block Diagram)
图2是HDMI2.1FRL模式(
Figure BDA0002387708000000071
FRL Mode)
图3是HDMI数据传输示意图(HDMI Data Transport Overview)
图4是HDMI压缩视频传输示意图(HDMI Compressed Video Transport)
图5是具备DSC功能的HDMI系统示意图(HDMI System with DSC Functionality)
图6是本发明的详细流程图(HDMI System Initialization Flow Chart)
具体实施方式
图6是本发明方法的详细流程图，该方法在互通互联方面改进了HDMI显示数据压缩算法的使用，包括9个步骤，下面阐述本发明如何帮助HDMI设备更好地沟通和匹配。
步骤1：源设备与显示设备通过HDMI线缆进行物理链接；
步骤2：源设备向显示设备送出+5V信号；
步骤3：显示设备在收到+5V信号后，开始启动，首先准备EDID内容，并在EDID准备好之后向源设备返回HPD高电平；
步骤4：接收端收到HPD高电平信号之后，开始通过DDC读取显示设备的EDID内容；
步骤5：源设备对EDID内容进行解析，了解显示设备的整体能力。特别是通过对SCDS数据结构的解析，了解显示设备在DSC上面的能力，包括FRL最大速率，有多少DSC片处理单元(比如8个)；
在SCDS的第8字节第4位，是DSC_422_Option，如果是1，说明显示设备在特定条件下(比如8K120)可以支持4∶2∶2DSC，因此需要的DSC资源比4∶4∶4DSC少；如果是0，说明显示设备在这种特定条件下不支持4∶2∶2DSC。
步骤6：综合其它条件，具备有限资源(比如8个DSC片处理单元)的视频源设备端可以做出判断：在DSC_422_Option＝1的情况下，针对8K120的视频内容进行4∶2∶2DSC压缩；在DSC_422_Option＝0的情况下，表示8K120的视频内容无法用4∶2∶2DSC压缩，那么源设备需要对8K120进行降级处理，比如转化4∶2∶0格式，或者降低分辨率(比如降到4K120)，或者降低刷新率(比如降到8K60)。
具备更多资源(比如12个DSC片处理单元)的游戏类源设备端也可以做出判断：如果显示端有同样的DSC资源(比如12个DSC片处理单元)，在DSC_422_Option＝0的情况下，针对8K120的显示数据进行4∶4∶4DSC压缩。如果显示端具有较少的DSC资源(比如8个DSC片处理单元)在DSC_422_Option＝1的情况下，表示8K120的显示数据可以用4∶2∶2DSC压缩，那么源设备既可以进行4∶2∶2DSC压缩，也可以对8K120进行降级处理，比如转化4∶2∶0格式，或者降低分辨率(比如降到4K120)，或者降低刷新率(比如降到8K60)。考虑游戏类设备在4∶2∶2编码上有明显的瑕疵，这类设备会更倾向于降级处理。
步骤7：判断形成之后，源设备根据图一描述的功能，进行软硬件设置。
步骤8：设置就绪之后，源设备根据图一描述的功能，通过HDMI线缆向显示设备发送内容，比如DSC压缩后的8K1204∶2∶2格式。
步骤9：显示设备在收到HDMI视频流之后根据图一描述的功能，包括DSC解压缩，之后进行显示，比如8K120，实时使用4通道10Gpbs的FRL传输速率，吞吐量为40Gbps。
根据不同HDMI系统的复杂度，完成上述9个步骤的时间大概在200ms到2s之间，其中在步骤5和6使用了本方法。因为本方法的简洁性，在系统层面的响应时间不会产生明显额外开销。
需要说明的是：
本说明书对HDMI2.1的修订文本提出了建议，其核心是在设备资源有限的情况下做出折衷。HDMI2.1的最后文本可能在具体的折衷条件或者其他细节上使用不同的描述。只要原理相同，本发明方法应该保持其有效性。
本说明书多次使用8K120，并不代表8K120是唯一出现不匹配问题的视频格式。在不同组合条件下，其它的视频格式，比如8K60，8K50等等，都有可能出现这样的系统不匹配。由于本发明使用8K60和8K50等视频格式时，方法原理基本相同和相似，在此不在赘述。
本说明书指出了是因为显示设备独立设定DSC片处理单元最大数目(DSC_MaxSlices)这个参数，从而引起系统不匹配。但是引起系统不匹配的原因不仅限于这个参数，类似的独立设定参数都有可能造成系统不匹配，本发明方法普遍适用。
本说明指出HDMI在使用显示数据压缩(DSC)算法上的系统不匹配问题，并提出发明方法，也适用于在非HDMI(比如Display Port)技术中使用非DSC压缩算法可能导致的系统不匹配问题。
本申请公布实施例的目的在于帮助进一步理解本发明，但是本领域的技术人员可以理解：在不脱离本发明及所附权利要求的精神和范围内，各种替换和修改都是可能的。因此，本发明不应局限于实施例所公开的内容，本发明要求保护的范围以权利要求书界定的范围为准。
本发明中技术术语的含义是：
HDMI：高清音视频接口；
TMDS：传输差分信号；
FRL：固定速率连接；
DSC：一种数字视频流压缩算法；
DDC：HDMI收发端通信通道；
HPD：热拔插检测；
EDID：扩展显示表示数据；
AVS3：中国第三代数字音视频编解码标准；
CEC：消费类设备用户控制消息通信协议。

Claims (1)

1.一种改进HDMI显示数据流压缩互通互联的方法，包含如下步骤：
步骤1：源设备与显示设备通过HDMI线缆进行物理链接；
步骤2：源设备向显示设备送出+5V信号；
步骤3：显示设备在收到+5V信号后，开始启动，首先准备EDID内容，并在EDID准备好之后向源设备返回HPD高电平；
步骤4：接收端收到HPD高电平信号之后，开始通过DDC读取显示设备的EDID内容；
步骤5：源设备对EDID内容进行解析，包括：通过对SCDS数据结构的解析，了解显示设备在DSC上面的能力，包括FRL最大速率，有多少DSC片处理单元；
所述的DSC片处理单元是在SCDS的第8字节第4位，是DSC_422_Option，如果是1，说明显示设备在特定条件下可以支持4:2:2 DSC，因此需要的DSC资源比4:4:4 DSC少；
如果是0，说明显示设备在这种特定条件下不支持4:2:2 DSC；
步骤6：在DSC_422_Option=1的情况下，针对8K120的视频内容进行4:2:2 DSC压缩；
在DSC_422_Option=0的情况下, 表示8K120的视频内容无法用4:2:2 DSC压缩，那么源设备需要对8K120进行降级处理，包括：转化为4:2:0格式，或者降低分辨率，或者降低刷新率；
步骤7：设置源设备视频、音频和TMDS通道的参数；
步骤8：设置就绪之后，源设备通过HDMI线缆向显示设备发送HDMI视频流内容；
步骤9：显示设备在收到HDMI视频流之后进行显示。
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