HDMI线连接方法、Displayport线、DVI线过去现在未来
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1 关键字:DVI HDMI DisplayPort 显示器

关于DVI 、HDMI 、Displayport 过去、现在与将来研究报告。

要 点

数字接口能提供比模拟接口更多的潜在优势。

内容拥有者喜欢DRM (数字版权管理),但终端用户对它缺乏热情。

DVI (数字可视接口)在很多方面超越了时代,但对模拟连接的替代率还没有达到其开发者预期的程度。

HDMI (高清晰多媒体接口)是 DVI 的后继者,被广泛采用,推动力量是用户在起居室使用大量多媒体内容,以及内容对 DRM 的需求。

DisplayPort 现在已成为一个鲜为人知的标准,但据说英特尔公司的支持却可能助它启动。

本文链接:用DVI 、HDMI 、DisplayPort 将系统与显示器连接:怎样解决连接不通的问题

http://www.ednchina.com/ART_24045_27_20031_OA_3bec5ef5.HTM

观察一下现代家庭影院接收机的背后,你在繁多插座中会注意到占优势地位的模拟信号插 座(图 1)。这些是传送低电平模拟音频信号的 RCA 插座、香蕉插头,以及将放大后的信号连接到音箱的接线柱。RCA 插座亦用于视频传送:其中一个用于合成视频输出,另三只插座分别用于高质量的视频总线,而 S 视频端子是一种中等质量与中等复杂性的选择(参考文献 1)。RGB 视频有各种型式的插头:RCA 、RF 和 9 针与 15 针的视频插头,以及很多专用的类型。

设计非常棒的镀金头3RCA

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但仔细看 AVR-5805 背板的下两行,你会注意到 Denon 亦在准备接纳未来的数字音频。RCA 插座也可以处理 S/PDIF(索尼/飞利浦数字接口)码流,如光纤插座一样。Denon 专有的 Denon Link 和工业标准的以太网 RJ-45 互连方法都可以处理网络音频,如 IEEE-1394那样,称之火线(参考文献 2)。当然,接线已不再是绝对必需的东西了,飞速发展的各种无线连接方法正在竞争下一代的设计思想(见后续的博客文章:“在空中”)。而对视频来说,你的 注意力会被吸引在接收机背板最上面一行的 DVI(数字可视接口)和 HDMI(高清晰多媒体接口)插座上。

HDMI 高清线

在详细讨论 DVI 和 HDMI 问题前,先考虑一个“更宏观”的问题:为什么会发生从模拟向数字转换?答案要从多媒体节目源说起:历史上的音频音源来自于磁带和 LP 唱片,但现在主要来自光盘和保存在互联网上可供下载和流媒体应用的二进制文件(参考文献 3 与参考文献 4)。光盘以及通过地面天线、有线电缆、DSL (数字用户线)和卫星链接的数字码流也是常见的视频来源,所有这些都代替了较早期的模拟广播和录像带(参考文献 5)。

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接下来,看看媒体分布链的另一端,这是内容到达你的眼睛和耳朵前的最后几步。声波和图像的产生过程本质上是模拟式的,但对音频,EDN 已经大量报道过驱动换能器的新兴 D 类数字放大器(参考文献

6)。而对于视频来说,以数字为中心的方案正在替代模拟 CRT ,如 DLP (数字光处理)、LCD 、LCOS (硅基液晶)和等离子体技术,而曾经如日中天的 CRT 正在消亡(参考文献 7 和参考文献 8)。

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下面来看看音、视频从源到目标之间的多个处理步骤。数字域的处理本身(如重采样、重置大小、混合、格式转换和其它工作)会给系统的多媒体素材带来潜在的可检测的质量降级变换。减少不必要的数模和模数转换, 不仅有利于降低系统成本,亦可以尽可能保持到达终点(眼中和耳中)的节目原貌。模拟内容在通过传输介质时会受各种因素影响而降级,如电缆阻抗衰减和不恰当 的负载阻抗匹配,降级的原因还有受 EMI 耦合影响的运行环境。很难将多路模拟信号通过一根线路传输而又不产生干扰;但在数字域中,这种多路传输过程比较简单。

数字还有一个值得一提的重要 “优点”(至少对某些人来说):媒体内容版权拥有人多年来一直在致力于模拟内容的版权保护,尤其是通过像 Macrovision 这种技术。对数字域素材进行加密为更加简单易行。这种防范措施推荐用在视频源与显示器之间有着唯一致命弱点的互连上,控制各种要素,如谁在使用,可以使用的次数,第一次使用了多久,以后使用了多久,使用者可以聆听和观看的质量,以及是否可以复制内容,如果允许复制,则他们复制的次数以及质量等级。

DRM (数字版权管理)也很快使自己具备了一个内容控制系统的种种理想特性:可更新、可撤销和可升级(参考文献 9)。当出现 DRM 被侵害情况时,数字域的水印会识别出侵权的来源,有助于快速进入诉讼。但后面会谈到,DRM 缺陷是很多用户在使用现代消费电子设备时所面临问题的根源。如果一个数字互联方法不仅会导致媒体的使用限制,比“随便使用”的模拟媒体更麻烦,并且还产生 了许多使用中的小毛病,消费者的强烈反对就是不可避免的了。绿联商城(www.tiger3c.com )专注于HDMI 线、DVI 线、DP 线、VGA 线、高品质音视频线等电脑影音线材

DVI :数字初露头角

当英特尔(Intel)公司在 1998 年秋季的开发者论坛上宣布了 DDWG(数字显示器工 作组)的组成时,该公司认可的接口技术是 DVI,这是 Silicon Image 几年前提 出的基于 TMDS

4 (最小化传输差分信令)的PanelLink 拓扑技术。那时,DVI 不是城市中唯一的追求目标,事实上,VESA (视频电子标准协会)正在竞争另外两个基于 TMDS 的方案:P&D(即插即显)和 DFP(数字平板)。苹果(Apple)公司的 ADC (苹 果显示连接器)也是取自 TMDS,但连接器和电缆还可以额外承载 USB 与显示电源总线。美国国家半导体(National Semiconductor) 公司提出了另一种引人注目的竞争方案 OpenLDI(开放式 LVDS 显示接口),众所周知该公司已多年开发 LVDS(低电压差分信令),因此提出这一方案并不奇怪。

DVI 线

但英特尔公司的势力使业界转向了DVI 方向,其它方案则逐渐销声匿迹。例 如,OpenLDI 在 Silicon Graphics 的 1600SW LCD中获得了最引人瞩目的成功,它具备当时领先的功能,如17英寸宽屏、1600×1024像素分辨率、350:1对比度,以及0.23 mm (110DPI )的点距。但是,只有三块图形卡(分别来自 3Dlabs、Formac 和现已消失的 Number Nine)可以支持原生的 OpenLDI 互连。SGI 开发了一个 MultiLink 转接卡,可将 OpenLDI 转换为更通用的 VGA (模拟) 和 DVI(数字)协议。同时,鉴于 P&D 概念上与 DVI 相似,VESA 试图让它既包含模拟和数字视频,也涵盖 USB 和 IEEE 1394(火线)连接的外设,如鼠标、键盘、打印机和音频设备。DDWG 则使用它连接器上的多余部分,实现了可选的第二个并行 DVI 链接,因此能支持更高分辨率的显示器。绿联商城(www.tiger3c.com )专注于HDMI 线、DVI 线、DP 线、VGA 线、高品质音视频线等电脑影音线材

当英特尔公司公开自己对 DVI 的支持时,它已经拥有了在市场中推动事实标准的长期成功经验,如 PCI(外设部件互连)和 PCMCIA(个人计算机内 存卡国际协会)的进入市场。成功的关键因素是严格的符合性测试和定期的行业“plugfest” 集会。但是,DVI 的开发缺少一个类似的正规兼容性验证过程,这个遗憾造成了对它的伤害。(英特尔并不开发 DVI,因此对其控制较弱,这是疏忽的部分原因。)DVI 运行的最大时钟速度为 165 MHz,传输速率为 10 位/时钟。由于采用 8B/10B 编码,并且每个链接中捆绑了八根线(四对双绞线,分别对应红、绿、蓝色和时钟),这一时钟频率对应于 3.96 Gbps 的峰值单链接带宽,或1920×1200像素[(24位彩色、60帧/秒)的峰值单链接分辨率(图2)。但是,有些硅片供应商(特别是那些试图在一块较大 硅片(如图形芯片)上集成DVI 收发器的厂商]不满足于165 MHz 的设计目标。(DVI 基于I2C 的DDC‘显示数据通道’总线是图形芯片与显示器之间交流它们各自性能与限制的方法。)没有一种视频输出设备或显示 器能支持双链接 DVI 的实现,即提供高达 7.92 Gbps 带宽和 2560×1600 像素分辨率。

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设计困难导致了另外的 DVI 缺陷,它在性质上更偏重于财务方面。为了交换英特尔的许可,Silicon Image 郑重宣称要以免权利金方式提供它的基础技术专利。但是,该公司保留了对 DVI 实现专利的控制,因此 Silicon Image 获得了一个有利可图的收益流,不仅来自买它 DVI 芯片的其它公司,也来自与它有重叠的 DVI 电路设计。由于英特尔是 Silicon Image 的一个投资方,因此增加了业界对 DVI 的不安;Silicon Image 与 DVI 相关收入的一部分最终会进入英特尔的金库。

当 DVI 进入市场时,它面临的是用户手中大量现存的 VGA 显示器。图形卡可以增加对DVI 的支持,但至少在短期内,去掉 VGA 功能简直就意味着自杀。作为印证,最常用的 DVI 连接器选项 DVI-I 就同时包含了模拟与数字接口,通过加密卡,就可以变成传统的 15 针 VGA 插头。英特尔早期对 DVI 的推广材料称,计算机业正在接近一个转折点,迅速增长的显示器分辨率加上更精细的点距,使模拟接口无法提供足够质量的图像。将近 10 年过去了,这个转折点还没有成为现实。抛开英特尔的公正性不谈,至少一部分的延迟原因是由于超出了该公司的控制;微软的操作系统也没有可靠实现与分辨率无 关的 GUI 元素渲染,如字符和图标。(Windows Vista 应在这方面有相当大的改进。)并且这些元素在精细点距的显示器上也是难以分辨的。硅片供应商还对模拟视频发送器和接收器的 SNR、切换速度和其它属性做了一些实际改进,这些都推迟了 DVI 的优势。

6 HDMI :发展中的派生物

DVI 连接器的形状因子适合于计算机应 用,但消费电子供应商需要更小、更用户友好的连 接器,例如不需要螺钉。但我们不应把 HDMI 简单地看作一个缩小的 DVI 端口(图 3)。如其名称所示,它的开发者(其中主要是 Silicon Image )采用了一种与 DVI 反向兼容的方式,能够通过一根电缆同时传输视频和 8 通道音频数据(压缩与非压缩、24位采样、192 kHz 采样率)。(从图 1中可以理解到这种改进的吸引力。)最初的 HDMI 草案是将音频信息调制在时钟信号上,但现在音频数据的传输发生在“数据岛”的间隔内,即在水平显示和垂直显示消隐期间。PC 以外的 HDMI 不仅支持 RGB,而且还包括支持 4:4:4 和 4:2:2 的视频分量格式。HDMI 支持三种编码协议:8B/10B 用于可容忍偶然掉位的视频;4B/10B 用于音频,而 2B/10B 则用于最关键的控制信息。

HDMI 线材多种时尚设计

自从2002年12月推出1.0版本规范以来,HDMI 按照反向兼容方法作了定期的改进(表

1)。例如,值得注意的1.2a 版正式支持CEC (消费电子 控制),这是一种采用AV Link协议的遥控方案,它在HDMI 源与目标的实现中都是可选的,但需要电缆中的接线支持。最新的

1.3版HDMI

将 最大单链接时钟速率增加到340 MHz,这种增强不仅要求HDMI 链接的两端都符合1.3版本,并且终端用户还要使用经过Category 2速度认证的电缆才能获得这种优势。这些通过10.2 Gbps带宽获得的优势还包括误差检测与校正编码,或者包括增加每链接图像分辨率、提升每链接图像帧率,以及将图像彩色深度增加到24 位/像素以上。这种深度的增加将使HDMI 支持RGB 和分量视频格式下 30位、36位和 48位彩色(相当于10、12和16位/分量)。

终端用户从 1.3 版中得到的另一个优点是通过支持下一代 xvYCC 彩色空间标准,从而扩展了图像色谱范围。HDMI 1.3 版还扩展了对音频传输的支持,以便包含支持杜比实验室和 DTS 最新的高保真无损耗压缩格式。只有当传输设备不具备解码这些格式能力时,这种增加才有意义,如果设备可以解码这些格式,则它可以支持早期 HDMI 版本中的未压缩音频传输,以及多声道模拟音频连接。音画同步(Lip-synch)校正可以对通过家庭影院设备链处理音、视

7 频的不同延迟作出补偿,小型 C 型连接器的开发者设计它是针对微型数码静止相机和摄像机的多媒体数据传输。

HDMI 1.4标识图

持怀疑态度的人会提出疑问,HDMI 1.3 版较高的带宽能力在实际生活中是否有意义,因为以前的 HDMI 版本已经能处理传统的视频信号源,包括标准和高清晰光盘,以及通过有线电缆、IPTV (互联网协议电视)、地面和卫星服务商提供的标准清晰度电视和高清晰 度电视。对这种置疑只需三个词作回答:相机、计算机和游戏机。显然,台式游戏机和计算机游戏机爱好者们最关心的是高的帧速,因为这样游戏玩家才能实现快速 的反应(参考文献 10)。现代相机很容易捕捉到高分辨率的 HDR(大动态范围)图像,而现代计算机也可以轻易地表现并输出它们。各种显示创新正在不断为观看者提供内容丰富的图像,如深黑功能、LED 背光、多色背光阵列、BrightSide 技术公司的逐 LED 逐帧控制白光与多色 LED 阵列(参考文献 11)。显示器已不再只是承担传统的视频显示任务,有了 HDMI 1.3 版,系统与显示器之间的链接将不再是质量的瓶颈。绿联商城(www.tiger3c.com )专注于HDMI 线、DVI 线、DP 线、VGA 线、高品质音视频线等电脑影音线材

不提 DRM 就不算对HDMI 线材的完整讨论。有一种常见的误解,认为所有带 HDMI 的设备都实现了 DRM,实际上,HDCP (大带宽数字内容保护)支持是可选的,不过它在 HDMI 中的实现与 DVI 一样是采用 DVI-HDCP 形式,并且它的实现要向 HDCP 知识产权版权拥有者支付额外专利金。尽管 HDMI 创始人组织吸取了 DVI 的教训,并实现了一个正式的批准过程,但这个批准还没有扩展到包括可选 HDCP。于是(也许并不令人惊讶),现在多数消费者对于今天 HDMI 的问题可以追溯到创建 HDCP 的根源。

著名消费电子配件供应商 Monster Cable 的一篇文章简单地谈过这些 HDMI 灾难及其与 HDCP 的关系(参考文献 12)。消费者经常提出的抱怨包括:当带 HDMI 的 DVD 播放机和显示器之间有一台音频/视频接收机时,就无法实现 DVD 机与显示器之间的通信,而两者直接连接时却工作正常。消费者还抱怨不能让各种设备正常工作,除非用户按照某个特定的次序启动这些设备;还有当消费者将显示 器上的某个视频源切换走,再转回来时就无法恢复

8 原有的稳定运行。

所有这些问题都不可避免地造成源与目标之间 HDCP“信息交换”的中断,视频源不能正确的解析一个 DRM 中断,因而禁止其输出。解决问题的“糟糕”方法有设备重新上电,或拔下插头再重新插上,以恢复正常功能。绿联商城(www.tiger3c.com )专注于HDMI 线、DVI 线、DP 线、VGA 线、高品质音视频线等电脑影音线材。即使 DRM 功能如预期一样正常无误,通常带 DVI 和 HDMI 的视频源在出厂时是关闭数字输出的,因此使用者需要先将它们通过模拟方式连接到一台显示器上,在设置菜单里重新配置,然后再用数字方式重新连接。并且 Monster Cable 报告说,消费者一般都会放弃尝试,干脆将电缆和设备都送回商店要求退款,这种情况下,供应商、零售商和终端用户三方都成为受害者。

DisplayPort :不符合标准?

电子业一直在努力判断行业标准组织的争斗产物与单个 公司或多家公司联盟的事实标准之间的差异,并试图在两者间作出决策。最近有一个这种紧张局势的实例,就是HDMI 与 VESA 回应的 DisplayPort 标准之间令人纠心的争斗。尽管 VESA 在 2006 年 5 月就批准了 DisplayPort 1.0版规范,但我多年前在英特尔的开发者论坛上看过它前身(IBM 的 Digital Packet Video Link )的演示。正如其前身的名称所示,DisplayPort 没有采用 DVI 和 HDMI 那种原始视频流的技术方案,而代之以将音频、视频和控制信息包装在数据包内,类似于数据网 络中的情况。

Displayport 接口

每个 DisplayPort Main Link(主链接)包括一、二或四个双端接的差分信号对,没有专用的时钟信号;而采用嵌入时钟的8B/10B编码数据流(图4)。交流耦合方式使 DisplayPort发送器和接收器能运行在不同的共模电压下,因此两者可以采用不同的光刻工艺制造。DisplayPort 1.0版可以在每个差分对通道下,减掉8B/10B开销后,以270Mb/S带宽实现

2.7Gbps 链接速率;也能以每通道162Mb/S带宽,提供 1.62Gbps 链接速率。主链接不仅高速度,而且和HDMI 一样是单向的,并且是低延迟(虽然未给出具体值)。链接速率和像素速率可以互相退耦,可以自由地在像素深度、分辨率、帧速率和附加数据量(例如链接流中的 音频和 DRM 信息)等方面做出折衷。

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举例来说,使用单通道 2.7 Gbps 链接时,能够以 60 场/秒实现一个 1920×1080 像素隔行分辨率、4:4:4 YCrCb 的30 位/像素视频流,或者以 18 帧/秒实现 1680×1060 像素逐行扫描分辨率的 18 位/像素 RGB 视频流。而四通道 DisplayPort 链接能够以 96 帧/秒实现 1920×1080 像素逐行扫描分辨率的 36 位/像素 4:4:4 YCrCb 视频流,或以 120 帧/秒实现 1920×1080 像素逐行扫描分辨率的 24 位/像素 4:4:4 YCrCb 视频流,或以 60 帧/秒实现 2560×1536像素逐行扫描分辨率的 30 位/像素 RGB 视频流。一、二和四通道主链接的配置有无数种组合,包括混合音频、视频、DRM 和其它信息。一个 1 Mbps 带宽和最大 500 ms 延迟的独立半双工、双向辅助通道用于处理源/目标信息交换任务,交换双方各自的性能信息,并有一个补充的检测热插拔中断请求信号。

我 观看了在奥兰多波特兰(Portland,OR)召开的 ADEAC(美国显示工程与应用会议) 2005 SID (信息显示协会)上的 DisplayPort 详细技术演示,那时规范还处于草案阶段。最近在加州好莱坞举办的 SMPTE(运动图像及电视工程师协会)技术研讨会和展览上有一个最新的演示,看了这两场演示后,我最大的感触是,DisplayPort 大量的技术资料与缺乏业界的任何实际支持之间形成了鲜明的反差。很多公司(多数不甘心支付 DVI 和 HDMI 的专利金)都希望向新闻界表达对 DisplayPort 方案的信心。但到本文发表时,Analogix 是唯一一家公开 DisplayPort 线硅片的公司。

DRM 不久前也为争斗中的显示器接 口方案提供了一点作料。DisplayPort 最初计划有选择地实现 Certicom,这是飞利浦开发的一种无名的 DRM 技术。与之相比,HDMI 和 DVI 支持的 HDCP 已经有近十年的实现历史,并且背后有好莱坞和其它地区所有重量级的内容版权拥有者。也许这就是 VESA 在 2006 年 11 月初宣布未来 DisplayPort 1.1 规范将增加对 HDCP 支持的原因。

未来预测

英特尔支持的 UDI(统一显示接口)作为第三个竞争者而加入 DisplayPort 与 HDMI 的争斗,争夺下一代数字接口。UDI 工作组在 2005 年 12 月正式亮相,其中亦包括了 Silicon Image 、苹果计算机、 LG、三星和 Nvidia 等公司,但其后的进展较慢,虽然第 1 版规范在 2006 年 7 月获得通过。UDI 是 HDMI 的派生物,并且反向兼容 HDMI,但可提供高达 16 Gbps 的原生每链接带宽。维基(Wikipedia)的说明是:“连接器采用单行 26 触点,相互间距为 0.6 mm ,非常类似于英特尔创建的 USB 插头,不过后者只有单行 4 触点。26 个触点中 3 个未接线,但保留给未来可能的升级用。传送与接收插头略有不同,UDI 电缆只能沿一个方向使用。双向通信时,数据速率比单向视频数据流要低得多”(参考文献 13)。并且,在最近旧金山的一个新闻简报上,HDMI 代表将 UDI 定位在一个面向商务级 PC 的补充性质的第二代 DVI ,它为更高的单链接分辨率提供了更大带宽,但缺少 HDMI 所拥有的音频和其它增强特性。

那么,UDI 是什么情况?英特尔不会泄漏规范的状态,但几个匿名而地位特殊的业内信

10 息人士认为,英特尔已经将 UDI 置于次要地位,并将注意力转向 DisplayPort。这些人为英特尔的心思转变提出了几个理由。一是业界长期敌视的 HDMI 线专利金要求,这种专利金的受益者显然是 Silicon Image,而英特尔也依靠投资关系而间接获利。另一个原因是对单一标准的要求,这种 标准能同时服务于外接和集成化图形子系统与显示器的互连方案,VESA 称这是 DisplayPort 领先于 HDMI 的一个领域,似乎英特尔也同意这一点。最后一个原因可能是 VESA 对 HDCP 迟到的拥护(英特尔也拥有对 HDCP 的知识产权)。

如果英特尔从源自 HDMI 的 UDI 转向 DisplayPort 的传言属实,则会大大增加 VESA 的好运气。但是,我们仍然不能漠视 HDMI 显著的市场领先地位。带有 HDMI、DVI 接口并有 HDCP 使能的图形卡已经进入量产,并能满足 Windows Vista 的 DRM 需求(参考文献 14)。HDMI 端口已在 HDTV(高清晰电视机)上普及,包括最新推出的爱普生家

庭影院投影机,并开始出 现在计算机监视器上。而装有 HDMI 1.3 的消费电子视频设备也正在进入零售渠道,著名的有索尼 PlayStation 3 和东芝的第二代 HD DVD 播放机,它们采用 Silicon Image 和其它供应商的芯片。由于没有立即对 HDMI 取得明显技术优势,并且缓慢的发展妨碍了市场的认知,DisplayPort 将处境困难,要在未来的争夺战中取得任何进步,还需要做大量的工作。

参考文献

1. Dipert, Brian, "A crash course in color conversion," EDN, June 7, 2001, pg 46.

2. Dipert, Brian, "CAT5 tracks: Audio goes the distance, reliably and on time," EDN, July 7, 2005, pg 47.

3. Dipert, Brian, "Upward spiral: optical storage," EDN, Aug 7, 2003, pg 38.

4. Dipert, Brian, "Song wars: striking back against the iPod empire," EDN, June 9, 2005, pg 52.

5. Dipert, Brian, "Subpar wars: high-resolution-disc formats fight each other, consumers push back," EDN, March 2, 2006, pg 40.

6. Israelsohn, Joshua, "Class D Gen 3," EDN, April 15, 2004, pg 49.

7. Dipert, Brian, "Master of some: direct-view-display technology," EDN, March 3, 2005, pg 38.

8. Quinnell, Richard A, "Microdisplay technologies: Projections systems lose contrast," EDN, April 14, 2005, pg 35.

9. Dipert, Brian, "Media security thwarts temptation, permits prosecution," EDN, June 22, 2000, pg 101.

10. Dipert, Brian, "Got game? Living-room consoles grapple for consumers' eyes, wallets," EDN, Dec 16, 2005, pg 51.

11. Wilson, Ron, "Motion video blurs picture for big panels at SID," EDN, June 14, 2006.

12. Hall, Greg, "Monster Speaks Out on HDMI Incompatibilities," Widescreen Review , May 2006, pg 52.

13. "Unified Display Interface".

14. Dipert, Brian, "Deception by omission," EDN, May 23, 2006.

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