By GRL team on Mar 11, 2022

显示器参数解析与带宽计算

   

Granite River Labs, GRL
杨宗霖Robert Yang

 

在使用屏幕时,您是否也曾遇过「电脑与屏幕上分别有许多不同解析度、刷新率、色彩格式可以调整,却不明白其中意思」或「明明买了4K屏幕,但搭配不同品牌的电脑却无法呈现高解析度,屏幕甚至无法显示」等问题?买了4K屏幕,当然也要有4K信号源,高解析度的要求与传送信号带宽息息相关,我们通过以下4K解析度所需要的带宽来带大家了解显示器的主要参数。

 

显示器主要参数

图1下方将为大家介绍各个显示器的主要参数。

图1: 4K解析度带宽计算

 

参数一:解析度(Resolution)

较常见的解析度有以下三种:

  • 1080p: 1920×1080
  • 2160p (4K): 3840×2160
  • 4320p (8K): 7680 x 4320

屏幕上的画面是由多个像素所组成,以现在主流的4K显示器来说,代表长边有3840个像素,宽边有2160个像素,整个画面由8,294,400(3840×2160)个像素所组成,解析度越高代表使用了更多的像素来呈现影像,可以在相同的画面上显示出更多细节。但影像品质提高了,记录的资讯量就更多,所需传送的带宽就越大。

另外,由于3840、2160 分别代表“水平”与“垂直”的有效显示值(H-active, V-active),是我们肉眼所见的区块,但实际画面在输出时,还有一部分的数据(Blanking Area)用来同步画面、传输音频数据、宣告画面信息等,并不会显示出来。所以,若要计算带宽,须采用H-Total 与V-Total 来计算影像传输所需要的带宽。

电视与电脑显示器在传送影像时,还会有不同的编码格式,常见的有VESA协会主导的CVT、CVT-RB、CVT-RB2等,以及CTA(原为CEA)协会主导的CTA-861-H。每种规格又会有不同的有效带宽使用率;我们以常应用在电脑显示器上的DisplayPort介面的CVT-RB2规格,4K解析度为例,像素有效值与实际值分别如下:

图2: 屏幕画面呈现时,其实还有一部分不可见的数据

 

参数二:刷新率(Refresh Rate)

屏幕在显示画面时,其实是以每秒数十张定格画面叠加,来让人眼感受到动态效果,以最常见的电脑设定60Hz来说,代表每秒钟有60帧画面呈现,当刷新率低于24Hz时,人眼会开始感受到画面卡顿、闪烁的情形,而刷新率越高,画面的流动就会更为顺畅;如近期iPhone 13 Pro采用的Promotion 技术即是通过最高120Hz的刷新率,让使用者在滑动页面更自如,动态内容更加流畅,未来也可以期待有手机游戏采用120Hz 的刷新率。

在电脑上,也常有高刷新率的应用,在玩一些3A游戏大作,或是即时对战的游戏,玩家常会通过独立显卡、电竞显示器来追求到120Hz、144Hz、160Hz的刷新率,以利在游戏中取得先机。

以下图为例,刷新率为30Hz时,画面每隔33毫秒才会更新一次,但采用120Hz时,会提高为每8.33毫秒更新一次,让游戏玩家观察到更多的动态变化。

图3:刷新率越高,能捕捉到的动态画面将更丰富

(图片来源:https://www.intel.com.tw/content/www/tw/zh/gaming/resources/highest-refresh-rate-gaming.html)

 

参数三:色彩格式(Color Format)

常见的有RGB、YCbCr 4:4:4、YCbCr 4:2:2、YCbCr 4:2:0,RGB与YCbCr为两种不同的色彩编码格式。 RGB编码一般用于电脑市场,由Red、Green、Blue三原色搭配不同的色阶(0~255阶)来呈现我们所看到的丰富色彩;而YCbCr编码主要被电视、电影等市场所采用,由光度(亮度)与色度两个主要元素构成。

  • Y 代表Luminance(光度)
  • C 代表Chrominance(色度)
  • Cb : 蓝与绿的色度
  • Cr : 红与绿的色度

但RGB与YCbCr两种格式是可以通过以下公式相互切换的:

  • Y=0.299R+0.587G+0.114B
  • Cb=0.564(BY)
  • Cr=0.713(RY)

在一些实验中发现,人眼对于亮度的敏感度是高于色度的,通过这个特点,我们可以进行色度抽样(保留亮度、减少色度)来减少画面所需的带宽,又能让观影者感受不到画面失真。

在YCbCr的色彩格式中,4:4:4、4:2:2、4:2:0 即为三种不同的色度抽样方式,YCbCr 4:4:4为无损的影像压缩格式,所需带宽等同于RGB,两者的编码可通过上述公式互相换算,而YCbCr 4:2:2 则是把后面两种色度的信号抽掉一半,所以只需要4:4:4 的三分之二带宽,而4:2:0 抽掉的成分更多,只需使用4:4:4 的一半带宽。

图4: 色彩由Luma(光度)、Chroma(色度)所组成

(图片来源:https://www.rtings.com/tv/learn/chroma-subsampling)

 

参数四:色彩深度(Color Depth)

常见的设定为6, 8, 10 bit(一般电脑连接屏幕时预设为8bit),色彩深度为电脑在呈现每个像素颜色所用的位元数,色彩深度越高,可呈现的颜色就越丰富;以8位元搭配三原色来说,每一原色会以2^8(256色阶)来呈现,全部共有16,777,216 种色彩。以10位元来搭配三原色,每一原色会以2^10(1024色阶)来呈现,全部共有1,073,741,824种色彩。

图5: 色彩深度越高,能呈现的色彩越丰富,不易有色彩断层

(图片来源:https://today.line.me/tw/v2/article/kLEv50)

 

其他显示器常见功能(HDR10、Dolby Vision等)

HDR全名为High Dynamic Range(高动态范围),这里的范围指的是图像的明暗对比度,相较于SDR(Standard Dynamic Range 标准动态范围)可以让画面上的亮部与暗部有更显著的差异,进而达到更丰富的色彩范围,以趋近于人眼所见的真实影像。如下图,开启HDR功能后,夜晚的天空变得黑白分明,每颗星星变得清楚可见。

常见的HDR规格有HDR10、HDR10+、Dolby Vision等。 HDR10:由消费者技术协会(CTA)所推出的规范,因不需授权费,目前在市场上被最多产品所采用,其“10”代表运用10bit的色彩深度来呈现更好的光影变化。 HDR10+则为HDR10的进阶版,可支持到12bit的色彩深度。

而Dolby Vision(杜比视界)是由杜比实验室所开发,为HDR10的主要竞争对手,可支持到最高12bit 的色彩深度。另外,HDR10 所支持的HDR是静态的,当使用者开启HDR10观赏电影时,整部影片会套用相同的数据来增强画面,但Dolby Vision可以提供动态的HDR效果,为每一帧画面做不同程度的对比度、明暗度强化,使观影者的视觉体验更加丰富。

图6: 在开启HDR功能后,使用者可以感受更显著的亮部、暗部对比

(图片来源:https://www.benq.com/zh-tw/knowledge-center/technology/what-is-hdr-tv.html)

 

带宽计算

了解各项显示参数后,我们该如何算出不同解析度所需要的带宽呢?很简单,将以下各项参数乘起来即可。下面以一个标准4K@60Hz的解析度为例:

  • 解析度: 3840×2160(Htotal=3920、Vtotal=2222)
  • 刷新率: 60Hz
  • 色彩深度: 8bit
  • 色彩格式: RGB(RGB乘以3,YC422乘以2,YC420乘以1.5)

          将以上四个相关参数乘起来,即可得到所需带宽:

图7: 4K解析度带宽计算

 

那得到所需带宽后,我们又该如何知道电脑或显示卡上传输接口的带宽是否足以支持该解析度呢?下方表格以DisplayPort的规格为例,列出在各个传输速度、传输通道的组合下所提供的总带宽:

表1: DisplayPort规格的有效带宽

 

经过前面的运算,我们知道一个标准4K 的解析度所须的带宽为12.543 Gbps, 再对应上表可知,至少需要HBR2 且四通道的带宽,或HBR3且两通道的带宽才能满足。

通过同样的算式,我们也能推导出,现在市面上最新的8K显示器(7680×4320@30Hz),所需要的带宽为24.478 Gbps,至少需用到HBR3(DP1.4) 且四通道的规格才能够显示。

-Note1: 由于DisplayPort 的数据传输采用8b/10b 的编码,有效带宽只有总带宽的80%。

-Note2: DisplayPort 多数时间都是用4个通道传输,但在某些状况下,如USB Type-C介面在DP Alt-Mode 的Pin Assignment D模式,只会有两个通道用于显示,另外两通道将用于USB 3.2 的数据传输。

 

参考文献

  1. VESA Coordinated Video Timings (CVT) Standard Version 1.2, February 8, 2013 : https://vesa.org
 

作者

GRL 台湾测试工程师杨宗霖 Robert Yang

具五年测试经验,熟悉DisplayPort、Thunderbolt、HDMI、USB 等多种测试规范,目前负责GRL台湾兼容性测试部门,乐于协助客户的各种问题,以顺利取得认证。

 

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本文件中规格特性及其说明若有修改恕不另行通知。

发布日期2022/03/11 AN-220311-TW

Published by GRL team Mar 11, 2022

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