转:4K@144Hz到底需要多少带宽?DisplayPort 2.0标准怎么样?看了不错 转过来科普用

要说这两年在外设产品中,显示器应该算是在性能上进步最大的了,特别是华硕在18年推出的PG27UQ,其3840 x 2160的分辨率、144Hz刷新率的特性在发布的时候也是话题性产品,这个参数打游戏那自然是非常爽,但在连接上,4K、144Hz模式下这款显示器只能使用DP接口,用HDMI的话只能开到4K、120Hz,而且即便是DP接口也是用上了色度抽样和显示流压缩技术之后才做到的,这里面的主要原因就是显示器连接线的带宽被占满,所以不得不作出功能上的取舍。

显示器带宽怎么算

那么想要弄清楚显示器显示画面需要多大的带宽,就得弄清楚显示器显示一幅画面所需要的数据量,目前总带宽主要由显示器上的分辨率、刷新率、子像素和色深等要素决定,简单来说,可以通过下面这样的方式来计算:

总带宽 = 每秒显示的总像素点 × 单个像素点的数据量 + 其它开销

在这里每秒显示的总像素点是由分辨率和刷新率决定的,而单个像素点的数据量自然就是由子像素和色深决定的。

分辨率

分辨率相信大家已经很熟悉了,就是指显示器横纵方向上的像素点数,目前常见的有1080(1920×1080)、2K(2560×1440)、4K(3840×2160),分辨率越高,画面自然越清晰。

刷新率

刷新率这个指标最近在手机圈炒的很火热,因为大多数硬件玩家都是游戏爱好者,对这个概念应该也很了解,在电脑显示器商就是每秒能显示多少幅画面,越高的话画面就看起来越流畅。

三原色

子像素在电脑上显示器上主要就是光学三原色(RGB)红、绿、蓝。目前的电脑显示器主要还是三原色液晶面板的产品,在一些电视产品上,出现过加入黄色的四原色产品。

色深

最后的色深则复杂一点,首先我们要知道因为即便是同种颜色也存在不同的亮度,就是所谓的灰阶,从理论上讲即便是同一个颜色在最亮与最暗之间应该有无数多的亮度变化,为了能在我们的电脑上显示,我们将中间的变化分为若干份。以便进行信号输入来显示同一种颜色的不同亮度。我们用色深来表示该颜色的2进制位数,把2的一次方看成是1bit,它可以表示一个颜色的两个色阶,在这个色彩出现不同亮度的过度时候会出现两个阶梯。2的二次方看成2bit,这个颜色在亮度过度时就会有四个色阶。依此类推,我们所说的8bit就是2的八次方,就可以显示同一种颜色的256个色阶,色彩过渡的时候会有256个色阶。所以这个数值越大,同一个颜色在明亮过度时就越顺滑。

所以从理论上讲,显示器显示画面所需带宽就是以上要素的乘积,即:总像素×刷新率×子像素×色深=总带宽。

那么以华硕的PG27UQ为例,这款显示器在144Hz刷新率8bit色深模式下,需要的带宽为例:3840×2160分辨率、144Hz刷新率、3个子像素,8bit色深模式下需要的带宽(每秒数据量)为3840×2160×144×3×8≈28.66Gbit/s,在10bit模式下需要的带宽为3840×2160×144×3×10≈35.83Gbit/s。

如果能到这一步,我们就已经很接近真相了,众所周知理论和实际总是有差距的,实际应用还需要考虑别的因素,因为传输信号的标准不同,实际的传输过程中需要相当一部分冗余用来确认信号的准确,所需的实际带宽总是比理论数值再多一点,而不同的传输标准需要的冗余程度也各不相同。

以HDMI为例,在采用CTA-861-G标准的情况下,在传输4K信号时实际上需要占用(3840+560)*(2160+90)的带宽,要比实际显示的像素稍多一点,这样真实占用的带宽就是(3840+560)×(2160+90)/ 3840×2160≈119%,然后再乘上8bit色深和三原色,结果要比理论数值高出约25%。

而DP协议制定者VESA(Video Electronics Standards Association)视频电子标准协会则提供了一份公式来计算,3840×2160、144Hz、8bit模式下实际上是需要大约31.32Gbit/s的带宽,要比理论数值高出约10%,我们可以看到因为标准的各不相同,多出来的部分也不一样,当然了这一部分越小越好。

但同时拥有4K分辨率144Hz刷新率的PG27UQ带宽要求已经部分超过了目前主流的DP1.4提供的25.92 Gbit/s带宽,所以即便使用DP接口,也是在使用了色度抽样(Chroma Sampling)和显示流压缩技术(Display Stream Compression)降低带宽需求后,才能满足需求。

1080P、2K、4K分辨率60hz、144hz所需带宽
分辨率 刷新率 带宽需求
1920 × 1080 60hz 3.20 Gbit/s
1920 × 1080 144hz 8.00 Gbit/s
2560 × 1440 60hz 5.63 Gbit/s
2560 × 1440 144hz 14.08 Gbit/s
3840 × 2160 60hz 12.54 Gbit/s
3840 × 2160 144hz 31.35 Gbit/s

而且通过上面的几份图表我们也能发现,目前主流的DP1.4也只是支持到8K、30Hz,这也就是为什么众多RTX 3090测试时需要接两根DP线才能到8K、60Hz帧。

在这里还需要强调, 目前主流的DP1.0、1.4a和HDMI1.0、2.0的版本使用的都是8b/10b编码,编码里还有20%适用于校验的。因此,这些版本的DP和HDMI的理论最大带宽还需要再乘上80%才是可用于传输视频数据的带宽。而最新的DP2.0和HDMI2.1都采用了更新的编码方式,进一步提高了效率。

DP和HDMI带宽之争

目前我们使用的主流的、我们能接触到的、传输协议已经对使用有一定影响的,其实就是HDMI和DP了,因为说白了:更低分辨率的显示器,一般用VGA和DVI也就应付过去了,如果是真正的高分屏上,一般也只会有DP和HDMI,

这些年来,两家在最大带宽上你追我赶,互不相让,提升幅度和速度都是比较可观的,更高端的显示器带来更多的像素,更快的刷新率,更高的色深,这些都需要更快的传输速度来支持,但其实带宽问题还只是单纯的数学问题,解决起来其实还算是比较简单的。在实际需求的倒逼下,制定标准的机构会推出更新更强的标准协议。实际上,我们熟知的大部分硬件产品都有类似的关系,硬件性能有所提升,软件和系统厂商将提升的性能用在实际的使用中,随后不断发展的软件对性能提出更高的要求。两者相依相存,相互促进、相互发展。

新特性更麻烦

真正困难的地方在更新的特性上面,就比如HDR(高动态范围),HDR本身的标准就错综复杂,主要有HDR10(CEA消费电子协会制定)、Dolby Vision(杜比视界)和Display HDR(VESA)这几种,最后一种就是由拥有DP标准的VESA推出的,所以大多数带有HDR功能的电脑显示器,本身支持的HDR标准就是Display HDR,在使用时也需要配合DP线材使用,DP的1.4a和1.3主要区别就是在HDR的支持上。

除此之外可变刷新率(VRR)技术在DP1.2a时被加入到标准中,AMD的FreeSync技术和英伟达的G-Sync都必须使用DP接口,但目前最新的HDMI2.1也开始支持VRR,但目前还很少有显卡显示器搭载,不知道对这两项技术的支持怎么样。

其实说白了,HDMI和DP就是电视和电脑两个不同利益集团制定的。HDMI的制定者都是传统电视和影音媒体产品公司,DP标准的参与者大都是电脑和显示器领域的企业,所以有关电脑显示的新技术绝大多数都依赖DP线材,

而目前我们能接触到的绝大多数高端显卡和高分屏的显示器,都是1个HDMI2.0和3个DP1.4a的配置,所以在电脑上端总体上更建议使用DP接口。

 

我们接触到的视频设备越来越多,在使用过程中,这些设备的接口也是五花八门。视频传输接口的主要作用是将视频信号输出到外部设备,或者将采集的视频信号收集起来。各种各样的视频设备接口按照视频信号类型可以分为模拟接口和数字接口,至于我们常见的接口,BNC、VGA、HDMI、USB、DisplayPort等这些都是相当熟悉。每种接口的诞生都有其独特的意义,随着科技的创新和进步,总会出现新的技术代替原有的技术。就像是无线网络技术从4G向5G进行升级普及,视频传输的规格标准也在逐步发展,从2K到4K,再到如今被广泛宣传的8K,视频规格和清晰度不断增加。视频规格和清晰度的提升,随之而来的就是视频传输接口标准的推陈出新。

视频接口经历了从模拟视频接口到数字视频接口的过程,模拟视频接口因为数据传输速率有限,不能满足传输高清视频的需要,已经被数字视频接口替代。视频接口经过市场大浪淘沙,大部分视频接口已经被淘汰,当前在电子设备上面比较常见的是HDMI接口和DisplayPort接口。在视频传输接口中,毫无疑问HDMI接口依然占据着很大一部分比例。从普及度来看,HDMI要优于DisplayPort,而DisplayPort接口在PC领域比较盛行,为了保证高端显示的画面输出,DP接口的优势还是十分明显的。
什么是DisplayPort接口
DisplayPort(简称DP)是一个由PC及芯片制造商联盟开发,视频电子标准协会(VESA)标准化的数字式视频接口标准。该接口免认证、免授权金,主要用于视频源与显示器等设备的连接,并也支持携带音频、USB和其他形式的数据。DisplayPort的设计是为了取代传统的VGA、DVI和FPD-Link(LVDS)接口,通过主动或被动适配器,该接口可与传统接口(如HDMI和DVI)向后兼容。DiplayPort采用先进的数字协议,提供可扩展的基础,以实现惊人的数字显示技术,同时提供与现有设备的兼容性。专为空间受限的应用而设计。它常常应用在超薄笔记本电脑,上网本和显卡中,减少占用空间的同时提供了强大的显示性能。与旧式的VGA、DVI等接口标准相比,DisplayPort可实现更高的分辨率,更快的刷新率和更深色深。
目前的最新规格DisplayPort 2.0
事实上,DisplayPort 2.0传输标准并非什么新鲜事,早在2019年6月美国视讯电子标准协会(VESA)就发布了该标准。而上一代DisplayPort 1.4标准是于2016年推出的,两者在规格上有何不同?
先看看上一代的DisplayPort 1.4,此标准带宽速度最高可达32.4Gbps(HBR3),编码后有效带宽为25.92 Gbps,还加入了显示压缩流(Display Stream Compression)技术、前向错误更正(ForwardError Correction)、高动态范围数据包(HDR meta transport),声道也提升到32声道1536KHz采样率,将为笔记本电脑、智能手机及AIO一体机带来8K级别(7680×4320)的60Hz输出,4K则可以上升到120Hz。上一代的DisplayPort 1.4都能支持8K视频输出,最新一代的DisplayPort 2.0必然是更上一个台阶。

DisplayPort 2.0向下兼容之前所有版本的DisplayPort,并集成了DisplayPort 1.4的所有关键特性,包括支持DisplayPort 2.0的视觉无损显示流压缩(DSC)、HDR元数据传输和其他高级特性。如前面介绍,DisplayPort 1.4a提供了32.4Gbps的最大带宽,四个通道中的每一个都以8.1Gbps/lane的速率运行,使用8b/10b信道编码,相当于最大有效载荷为25.92Gbps。DisplayPort 2.0不但与雷电3、USB Type-C紧密结合,甚至满足了8K(7680×4320)乃至16K(15360×8460)的高质量显示输出需求。DP 2.0将理论带宽一举提升到了80Gbps,并且采用全新的编码机制128b/132b,将有效率提升至97%,实际可用高达77.4Gbps,相当于DP 1.3/1.4的整整三倍,远远超过目前广泛使用的HDMI 2.1。值得一提的是,HDMI 2.1理论带宽为48Gbps。这样一来,DP 2.0可以轻松支持8K/60Hz HDR、大于8K/60Hz SDR、4K/144Hz HDR、2×5K/60Hz等输出格式,不仅能支持任何8K显示器且不需要压缩,还可以支持到30bit色深(超过10亿色),实现8K HDR。据VESA预计,首批基于DP 2.0的零售产品将在2020年晚些时候问世,不得不说,有成熟的雷电3接口作为基础,DP 2.0接口的出产还是相当快速的。
同时支持DisplayPort端口和USB Type-C端口,利用Thunderbolt3物理接口层DisplayPort 2.0的优点之一在于同时支持DisplayPort端口和USB Type-C端囗,其中USB Type-C端口通过DisplayPort Alt模式传输DisplayPort音频/视频信号。DisplayPort 2.0提高的视频带宽性能通过USB Type-c端囗,实现高速USB数据传输,而不会影响显示性能。除此之外,DisplayPort 2.0还利用了Thunderbolt3物理接囗层,同时保持DisplayPort协议的灵活性,以提高数据带宽,促进业界领先的℃标准之间的融合。英特尔公司客户联络部总经理Jason Ziller表示,“英特尔将Thunderbolt物理接口层规范提供给VESA,以用于DisplayPort 2.0,这是一个重要的里程碑,使当今最简单、最通用的端口也成为显示性能最高的端口。通过与VESA的合作,我们使共同的通用模块构建技术能够跨多种设备集成在一起,并增强兼容性,为消费者提供更好的体验。”

除了分辨率,还有什么提升?
随着DisplayPort 2.0支持的带宽的增加,VESA提供了高度的通用性和更高的显示分辨率和刷新率的配置。除了上述支持HDR/60Hz的8K分辨率外,DisplayPort 2.0还支持多个超过8K分辨率。不仅如此,DisplayPort 2.0还支持VESA新的PanelReplay功能,该功能旨在优化具有更高分辨率显示器的小型终端设备(如一体机和笔记本电脑等)的功率电路和热力性能。与嵌入式显示端口(eDisplayPort)中的面板自刷新功能类似,PanelReplay包含了局部更新功能,允许GPU只更新自视频帧更新以来已更改的显示部分,从而节省了系统电源。它的优势包括能够在使用设备的同时更快地给设备充电。数据线方面,DP 2.0引入了三种不同机制,按照带宽分别叫做UHBR 10、UHBR 13.5、UHBR 20。UHBR 10的原始带宽为40Gbps,有效带宽38.69Gbps,被动型铜线材即可,即通过8K认证的DP数据线就符合要求。UHBR 13.5、UHBR 20原始带宽54Gbps、80Gbps,有效带宽52.22Gbps、77.37Gbps,被动线材只能用于极短距离传输,比如笔记本扩展坞,长一点就需要主动线材,也就是植入相应控制和放大芯片。
将有何应用?
虚拟显示(VR)设备不断面世,而DisplayPort 2.0的面世,让不少厂商看到了高质量视频传输的一种解决方案。VR很酷,但是它从诞生之日起,就存在着先天不足。重度VR沉浸体验,多由PC提供支持,需要使用线缆连接头显和PC,当然,业界也存在着使用无线传输的解决方案,但这种方案为了保证延迟率往往会降低视频的传输质量。为了保证高品质的视频传输,DP 2.0甚至是更优秀的传输方式必须更上脚步。在现实环境中实现无差别图像视频识别需要极其庞大的数据规模,如一条街道上,需要街景、人脸、服装等各种数据;目前数据的采集、存储、传输、分析技术都有需要解决的难题:仅海量数据的清洗、录入,本身就是浩瀚的工程。而更重要的是,如何无时无刻保持这种动态的数据传输,让VR使用者体验到“真实”,超高带宽的传输是最为重要的基础。DisplayPort 2.0的速度非常快,可以支持8K显示器而不需要任何压缩(包括色度子采样),还可以以30位颜色格式输出8K视频,即使在高分辨率下也能支持HDR。同样,还可以在没有压缩的情况下以24位颜色输出10K分辨率,在压缩时可以输出16K分辨率。

新标准,有何重要意义?
VESA董事会主席、DisplayPort任务组主席Alan Kobayashi表示,作为一个开放的标准机构,VESA拥有超过280家成员公司,遍布整个电子产业涟,这使VESA拥有一个独特的优势,可以预测未来几年显示市场的需求,并在需求之前为VESA的标准添加新的功能。DispIayPort 2.0代表了VESA在DisplayPort历史上最重要的里程碑之一,它是几年的努力和对这个普遍存在的标准增强的结果。就像之前众多DisplayPort版本一样,为视频技术的重大拐点铺平了道路,比如UHD、4K、5K、HDR等等。DisplayPort 2.0将通过启用更高帧率和超过8K的分辨率帮助不同行业更上一层楼,在显示设备配置包括多个监控器设置方面具备更大的灵活性,而且能提高电源效率。

HDMI凭借先发优势,在消费级别设备占据了绝对的优势,而DisplayPort 依靠技术上的优势,在一些电脑与专业设计的领域攻城略地。HDMI和DisplayPort两大视频接口标准,不断提高带宽和传输速率,可以预见在未来相当长的时间内会继续双雄的局面,给广大消费者带来更好的高清视频体验。HDMI 2.1标准虽然发布在前,但DisplayPort 2.0一下将支持带宽提升至惊人的78Gbps,足以令整个行业瞩目。由此我们不禁想到,这场博弈之下,DisplayPort 2.0标准是否已经动摇了视频接口的最终选择归属?
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