USB傳輸視頻的實現(xiàn)與比較

HDTV（高清晰電視）改變了消費者對數(shù)字媒體體驗的預(yù)期，從而永遠(yuǎn)改變了世界?，F(xiàn)在，內(nèi)容的創(chuàng)建與消費都達(dá)到了一個轉(zhuǎn)折點；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，擁有更快速和更豐富的用戶體驗。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。對于一個刷新速率120 Hz、10 比特/像素數(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，因為攝像頭通常只需要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USB 3.0物理接口，傳輸進(jìn)、出幾個批量端點的多個數(shù)據(jù)流。通過發(fā)送多個數(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。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)實可用的還有其它的成熟接口。那么它們各有什么優(yōu)點呢？

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)八個通道的無壓縮音頻，以及一個CEC（消費電子控制）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全數(shù)字化的家庭娛樂系統(tǒng)，因為所有HDMI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。這個容量能夠為消費者傳輸更高觀看質(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。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可在多個鏈接部件上提供一體化的“一鍵式”指令。當(dāng)制造商實現(xiàn)CEC時，就能實現(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（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，因為限制了縮放能力，事實上它主要的市場目標(biāo)就是消費電子之間的連接。

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實現(xiàn)了顯示器級聯(lián)功能，可處理多達(dá)63個音頻/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TDM（時分多址）機(jī)制可支持多個流，建立源-目標(biāo)之間的虛擬連接。DisplayPort 1.2版還有一個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還有一點與其它標(biāo)準(zhǔn)不同，那就是它沒有相關(guān)專利成本。

USB實現(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。