【避坑指南】2021年分水岭般的4K60p

2021-05-20 15:42:32 344点赞 1694收藏 146评论

创作立场声明:在实际使用过程中,发现一些知识点,与妈友分享

【前情提要】

2021年了,跟随着摩尔定律,我们的设备标准普遍更新了一茬,在显示维度上,什么4k、HDR、60hz、DP1.4、HDMI2.0,当然更有甚者超越时代发展,走向了5K甚至8K。本人最近各种迫于,一样更新了一些设备,然后在设备到位后,在各种调配上,陷入了深深的思考,最终决定把思考整理成文字,让自己的思路清晰起来,让大家能够更好的选择自己的设备,避免入坑。

为什么恰巧4K60P成了分水岭,且看文章详细叙述。

【名词解释】

工欲善其事必先利其器,咱们先捋一下各种名词,其实主要是其性能。

  • DisplayPort 1.4

DisplayPort目前按照标准,已经发展到了2.0,但设备支持上,普遍还是1.4。按照DP标准的表述,DP设置了4对数据线来进行差分数据传输,4对数据线对应着设计的4条数据通道,即4 Lanes。

DP针脚定义DP针脚定义

DP针脚定义

从DP1.0一直到DP2.0,4条数据通道按照传输方式,每一代都能传输不同的数据量,相应的标准分为RBR、HBR、HBR2、HBR3、UHBR 10、UHBR 13.5、UHBR 20,其对应的数据传输能力如表。

DP版本和数据能力DP版本和数据能力

DP版本和数据能力

我们现在只讨论DP1.4的情况,所以只看那些个绿色的,也就是只能支持到HBR3。至于之前的DP1.2,自行参照本人考虑数据能力和设备效果。其中DP1.4+HBR3,每条通道能力8.1Gbps,但按照其编码格式(仍为8bit/10bit)存在冗余校验传输位,所以实际传输能力打八折,实际传输能力为每条通道6.48Gbps,两条通道则是12.96Gbps,四跳通道则是25.92Gbps——为什么要提一嘴两通道,后问会用到。

  • HDMI 2.0

HDMI其实是早于DP接口标准制定的,而且是由一票家电厂商(不同于DP主要是由电脑厂商完成),目的是为了解决一线通的问题,视频、音频,甚至还做了一些反向回传的功能比如ARC。来到2021年,其实HDMI 2.0早几年就全面铺开了,2021年更应该讨论HDMI 2.1,但是到了2021年,更多的设备还是支持HDMI 2.0,HDMI 2.1只在家电(电视)领域更多的铺开,显示器领域普遍还是2.0。

HDMI针脚定义HDMI针脚定义

HDMI针脚定义

相较于DP,HDMI在家电领域要关注更多的事情(比如刚才提到的音频反传ARC),在数据传输量上,碍于面板分辨率等发展步伐,HDMI的发展并不像DP那样甩开包袱迈大步。在数据传输能力上,HDMI 2.0并没有DP 1.4来的猛。

HDMI版本和数据能力HDMI版本和数据能力

HDMI版本和数据能力

等同于DP,在HDMI 2.0中,虽然传输数据的最大值为18Gbps,但同样因为8/10编码,实际数据能力要打八折,也就是14.4Gbps。

  • 4K 60Hz 10bit

4K不用说了,3840*2160,亦称为2160p,四倍于FullHD/1080p;60Hz为屏幕刷新率,即每秒钟画面刷新60次前述的3840*2160个点,低于这个刷新率,比如30Hz,在电脑领域,估计大家都是肉眼可见的反应迟钝,而在电视领域,这个事情倒没有那么严重,所以命题为4k60p;10bit为色彩灰度级,大家对色彩的要求越来越高,曾经8bit已经满足不了我们的眼睛,我们要求更高级的10bit来呈现所有色彩,而面板上,过渡期的8抖10也不再成为今天的话题,10.7亿色成为了标配,那10bit和10.7亿色有什么关系呢?按照显示原理,一个颜色被分为红绿蓝三色也就是RGB,每个颜色用10个二进制位表示,也就是2¹⁰=1024,三种颜色就是2¹⁰*2¹⁰*2¹⁰=2³⁰=1 073 741 824,而8bit则是2²⁴=16 777 216即1677万或表述为16.7M。至于HDR是什么,按照HDR10标准的要求,色彩灰度级必须10bit。也许某天HDR的标准提升了,变成了HDR12、HDR16,那数据量就再说吧。

那么4K 60Hz 10bit需要多大的数据传输量呢?原则上可以这么计算,3840*2160*60*30=14 929 920 000≈14.93Gbps,但实际上给屏幕的传输数据并不是单纯的3840*2160个点,每秒钟60次这么多点,每个点一共30位二进制数据,还要传输一些其他同步数据。具体这个事情我就不详细描述了,上追的历史太多,总之一个4k 60p 10bit需要15.84Gbps的数据能力。详细各个档次如下表。

各分辨率数据需求表各分辨率数据需求表

各分辨率数据需求表

其中我将4K30和4K60做了高亮,一会用到。

  • DSC

按照DP和HDMI的原始标准,数据传输都是原始数据,不经过压缩的,跟别说像MP3、JPG这种取巧扔掉一些人无法感受到信息的有损压缩。但是随着画面越来越大,数据量越来越大,从DP 1.4和HDMI 2.1开始,引入了压缩算法,即Display Stream Compression 1.2,最高压缩比例大概3:1。有了DSC的加持,DP 1.4+HBR3得以支持到8K75p10bit,否则只能期待DP 2.0解决问题(甚至DP 2.0都无法解决所有问题),而最新的HDMI 2.1则只能干到8k30p10bit。在此,注意一下,从DP 1.4开始,才支持DSC。

  • RGB/YCbCr

又是一个跟数据需求量计算中有关的视频行业历史脉络问题的事情。我们大多数理解了三基色RGB混合所有颜色,但是这个世界还有其他颜色的描述方式,比如印刷行业使用CMYK,以及这里提到的YCbCr,好像亦称YUV,本人对这个行业不是那么熟悉,具体的大家自己查阅资料,这里只说一键事情,还是与色彩灰度级有关。一般情况下电脑体系使用RGB传输数据,8bit的话8bitR+8bitG+8bitB,这个事情其实也没得动,否则那一个颜色点就无法表述了,而YCbCr/YUV则不同,他允许“插值”描述每个颜色点,即YUV 4:4:4、YUV 4:2:2、YUV 4:2:0。昨晚恶补了一下,大致实现原理是,“以时间换空间”,将某些数据加上时间维度,一次传一次不传,减少了数据传输量。过程请各位自行学习,大抵就是YUV 4:4:4=RGB,YUV 4:2:2=⅔RGB,而YUV 4:2:0=½RGB,那么显然,在数据能力不足的情况下,要么DSC压缩数据,要么用YUV 422或420减少数据。但是这就得看显卡、接口、显示器等多方的能力了。按照我的Intel显卡来看,只有在HDMI接口的情况下,才能设置YUV及其数据格式,而A家N家好像都是能够轻易配置的。

  • 递色/抖动/Dithering

同前述YUV 422/420一样,以时间换空间的一种手法,之前大家耳熟能详6抖8,就是6bit的面板通过“抖动”实现8bit,于是出现了16.2M颜色的面板。然后同样的事情在现在还在发生,只不过不再是面板软硬件机构上的抖动,而是数据传输上的抖动,等同于前述,通过8bit抖动到10bit,在与SDR同样的数据传输量下,实现10bit HDR的支持。而抖动的原理是个啥呢,大概是:以8抖10来说,用0-255这8位二进制数来表示0-1023这10位二进制数,比如0还是0,但不仅是0,还代表1、2、3,1呢则代表4、5、6、7,依序下去,255代表1020、1021、1022、1023,那真正的1怎么才能表述出来呢,在时间维度上,可以安排四个连续时间片来承载,0还是0000,1就是0001,2就是0011,3则是0111,其0代表不亮,1代表亮到1。这里跟PWM调光的原理是一样的,亮度50%其实就是一半时间全灭一半时间全亮。同时前述的YUV也是类似原理,只不过讲解起来没有这个简单。所以为啥叫抖动,我觉得很形象,达不到中间状态,只能靠左右蹦跶,来“抖”成中间状态。

  • DP Alt Mode

说到现在的DP,不能不提USB Type-C这个接口形式。一些厂商搞事,想在USB Type-C接口上承载视频输出,于是乎东鼓捣西敲打,最终整出了一个叫DP Alternate Mode的东西,在Type-C上承载DP数据流。

USB针脚定义图USB针脚定义图

USB针脚定义图

从USB-C的针脚定义上,最关键承载大通量数据的是A2/3、B2/3、A10/11、B10/11,同时USB-C是支持正反插的,所以这四个位置是对称布局的。那么DPAM就是通过相关握手信号数据,在着四对数据线上混合承载DP信号和USB3信号。这也就是如何实现一个口既能输出USB又能输出DP,甚至DP和USB同时用。这四条数据线,又分成两对,三种情况:4条USB3(实现USB3 Gen 2*2 20Gbps),4条DP,和2USB3(USB3 Gen 2 10Gbps)+2DP。然后最后一种情况,就是既能USB又能DP,但是,注意但是,DP只有两条数据链路传输,所以为什么前文会提到一个两通道DP的事情。

  • 雷电3/4

雷电1、2不说了,历史的车轮碾压过了。雷电3开始,统一到了Type-C接口,做到了40Gbps的总带宽,同时也支持视频、数据等一股脑的数据传输。不同于前文的DPAM,他是怎么做到视频和数据的一线通呢?因为雷电芯片。不同于DPAM在线路上做文章,雷电芯片直接将所有数据都汇集到芯片上,然后混合打包,再塞给端芯片,端芯片解包,最后各回各家各找各妈。雷电4在雷电3的基础上,并没有太多改进,总带宽保持了40Gbps,但是内部在PCIe总线上,带宽增加,具体的,我也没怎么研究,不瞎说了。

  • 扩展坞

最后说这个。有形的,台式机不说,笔记本方面,都会搞一个外置的扩展坞,想办法把视频和数据分离出来,当然还有USB-PD这种东西,一线搞定所有事情。然而这个市场乱象,除了价格高位的雷电3/4扩展坞,普通扩展坞从百十块钱的到一千以内的,花样百出,更有甚者“花了一个肾的钱去填扩展坞的坑”这样的事情。为什么要说扩展坞,就是结合DP Alt Mode,实现扩展坞上既能DP又能USB,那就只能是2+2的模式,于是带宽就成了问题。其实本文所有内容,都是基于这个扩展坞展开的。而搞清楚本文之后,你的扩展坞选择,业务就不那么盲目了。

当然,还有一个叫DisplayLink的东西,这个是在软件层面压缩了数据,然后到扩展坞上解压缩,并且塞给DP输出,所以电脑端需要安装一些驱动,而且还出现了Mac系统不好用的故事。

【数据说话】

上边了解了基本知识,开始放大招,把所有东西汇集到一起来避坑。

数据对比数据对比

数据对比

选取了部分分辨率格式,2k分辨率下的60、120、144三种刷新,以及4k下30Hz和60Hz,再高那就自己查数据对比去吧,四条柱状分别是SDR 8bit、SDR 8bit+DSC、HDR 10bit、HDR 10bit+DSC,这些数据都是基于RGB展开,如果结合YUV 422/420,那继续计算。画了三条杠杠,分别对应着DP 1.2/3/4可以使用的HBR2数据格式,红色是2Lane也就是两条数据线,蓝色4Lane,绿色则是DP 1.4中引入的HBR3的2Lane情况,还有4Lane因为能够达到25.92Gbps,一切通吃,就不在图上画了。

那怎么看这个图呢,这就得加上DP Alt Mode这个事情了。前文书说,基于Type-C口的话,不用雷电3/4的话,只有2+2这种模式,那么上边那条蓝杠杠你就不用考虑了,么有自行车。所以分水岭出现了4k30和4k60,一个红线以上一个红线以下。为什么以红杠杠(HBR2/2Lane)作为分水岭呢,因为此时此刻,受限于部分显示器、部分扩展坞、部分笔记本,甚至部分线缆,红线以上要小心翼翼,红线以下可以不用带脑子随便搞。当然了,2k120/140和2k60也是分水岭,只不过这样的显示器普遍都是高刷游戏显示器,笔记本玩游戏么,我个人觉得还是台式机和等矿难更舒爽些。

所以结论出现,如果想做到妥妥的4k60(SDR),HBR3/2Lane是底线,而这个HBR3则严格需要DP 1.4来支持。而这种情况下,还有杯具发生,它不支持4k60 HDR,如果希望支持,只能靠DSC把数据量压下来,或者前边提到的8bit抖10bit(Windows 10 较新版本的显示高级设置中会有所显示)。

当然了,这都是基于一根线上你既要熊掌(显示)又要鱼(USB)而且还没钱(不买雷电)的结果。如果一根线就搞显示、另一根线就搞USB,或者砸银子上雷电,那一切都好说,只要支持DP 1.4,就算是HBR2数据格式,都能轻松完成4K 60 HDR——对了,2K 144P HDR可能还是不够的,但是我觉得这样的显示器,肯定能完美支持DP 1.4/HBR3,所以仍然不是问题。

接下来提一嘴HDMI的问题,我们知道HDMI 2.0其实是一个很早的标准了,现在执行的也都很好。但是对于扩展坞来讲,普遍还是以DP信号输入的,也就是2+2的模式,那么其带宽上线还是受制于2 Lane问题。然后扩展坞本身一般会安排一个芯片把DP信号转换为HDMI信号,所以HDMI 2.0所提的14.4Gbps的数据量,一般不会是瓶颈。

最终总结避坑之点,你要明白你的源设备有哪些输出,type-c?hdmi?甚至DP?你用到哪些中间设备,扩展坞?雷电3/4?这些扩展坞中的相关芯片是否支持DP 1.4?你的显示设备能支持到什么?DP 1.2?准DP 1.4?全DP 1.4?(什么叫“准”,什么叫“全”,我强迫你看完我的文章,【避坑指南】2021年分水岭般的4K60p

【我的实战】

开篇说我换了设备,换了什么暂且保密,马上要发一个首发文,详细去聊。但是这个设备比较标准,牙膏厂11代,一个雷电口一个USB3.2口,都混合了PD和DP,额,USB-PD和DisplayPort 1.4。在选购机器前,比选了一圈买了一款扩展坞。此前自己有笨球的PD2700U,旁边后来还发现一台戴尔U2720QM。

好,开始讲述我这几天来的纠结。通过新设备和新扩展坞,PD2700U只能4k30p8bit,抖到10bit,扩展坞上有HDMI,能到4k60p8bit,Windows不识别显示器的HDR。绕过扩展坞,直接走Type-C to DP到PD2700U,什么毛病都没有,4k60p10bit妥妥的。然后我心说机器明确了DP 1.4,扩展坞也明确说支持4k60p了,怎么个情况?我陷入了深深的思zhua考kuang。查wiki,算数据,怎么想也不可能啊,结果一个偶然一查,PD2700U特喵的不支持HBR3,人家官网冠冕堂皇地说,这是市场常规,当然了,你也无法对一款2018年的设备苛责太多,只能是我掉坑里了。这就是我所说的“准DP 1.4”,『VESA authorized certification agency certifies monitors with HBR2+HDR10 as DP1.4』。爬出这个坑,对数据规模也稍微有了了解,而旁边的U2720QM再入一坑。首先说,我个人还是期望用扩展坞的方式,一根线搞定一切,拔了线直接走人——将来那篇文章会详细讲这个习惯怎么来的,而买新扩展坞也是花了不少钱的,再花钱买雷电扩展坞,哎,哎,还是哎。然后拿到U2720QM,三个接口,DP、HDMI、USB-C,机器自带的USB扩展坞,三个A一个C,显示器支持设置高显示效果还是高数据传输(对应着DP4+USB0还是DP2+USB2)。测试了扩展坞搞DP,4k60p8bit没问题,10bit需要抖,显示器报告数据模式是HBR3,那实际正好是绿杠杠;测试了直接USB-C+高显示,4k60p10bit没问题,显示器报告用的HBR2,也就是蓝杠杠;测试了直接USB-C+高数据,与通过扩展坞结果一样。接下来,我再纠zhua结kuang怎么才能在有限的条件下实现无限的可能?我把目光投到了YUV和DSC上,结果前边说了,Intel的只有在显卡直接连接HDMI接口的情况下,才能调配YUV,而扩展坞也好,直接C-DP线也好,显卡都认为走了DP;而DSC上,搜了好多,反正U2720QM没说支持,坑在此,你快跳,最后什么叫“全DP 1.4”你知道喽。

【学习路上】

在此做一些鸣谢吧,看了几篇文章,跟牛人讨论了几下,使劲翻看Wikipedia,学习各种知识,最终得来本文。

  • 知乎Leaves的《Type-C 扩展器 方案指南(DP Alternative Mode 篇)》,关于DPAM,这篇文章学习了很多内容,而且还可以了解到很多扩展坞方面的芯片问题,从根本上解答百十元到小千元各类扩展坞该如何选择,当然他还写了很多其他文章,有需要的可以借鉴

  • 少数派JohnHarrod的《为了买一个完美的雷电 3 扩展坞,我累计花掉了一台 iPhone 11 的钱》,比较调侃地说明了扩展坞这个坑,到底有哪些,经历了什么,还好我不是Mac用户,有些坑天然绕过

  • B站山东德州仪器厂的《「Q&A 02」显示器“8抖10”的抖动原理》,深入浅出地描述了什么是抖,精神抖擞的抖

  • 还有一些无名英雄,文章看完之后,有帮助,但是记不住了

  • 最后是牛X的Wikipedia,对了,一定要看英文,中文过滤了很多信息

  • 以上文章请自行查找

展开 收起

Loctek 乐歌 DLB502 显示器支架 黑色

Loctek 乐歌 DLB502 显示器支架 黑色

139元起

NANCH 22合1螺丝刀套装

NANCH 22合1螺丝刀套装

79元起

Lenovo 联想 LEGION Gears 屏幕挂灯

Lenovo 联想 LEGION Gears 屏幕挂灯

119元起

HONGDAK USB视频采集卡 1080P

HONGDAK USB视频采集卡 1080P

65元起

JONSBO 乔思伯 VC-4 幻彩版 显卡支撑保护架

JONSBO 乔思伯 VC-4 幻彩版 显卡支撑保护架

99元起

COLORFUL 七彩虹 CVN X570 GAMING PRO 主板+AMD 锐龙9 3900X CPU 板U套装

COLORFUL 七彩虹 CVN X570 GAMING PRO 主板+AMD 锐龙9 3900X CPU 板U套装

4498元起

NB F100 电脑支架 显示器支架 桌面免打孔支架 伸缩可调挂架旋转上下升降多功能支架 17-27英寸

NB F100 电脑支架 显示器支架 桌面免打孔支架 伸缩可调挂架旋转上下升降多功能支架 17-27英寸

149元起

Apple 苹果 11 英寸 iPad Pro (二代) 键盘式智能双面夹

Apple 苹果 11 英寸 iPad Pro (二代) 键盘式智能双面夹

955元起

ASUS 华硕 TUF B450M-PRO GAMING 电竞特工 主板 + AMD 锐龙 R7 3700X处理器 板U套装

ASUS 华硕 TUF B450M-PRO GAMING 电竞特工 主板 + AMD 锐龙 R7 3700X处理器 板U套装

2249元起

ORICO 奥睿科 迷你 mSATA 固态硬盘盒

ORICO 奥睿科 迷你 mSATA 固态硬盘盒

54元起

Brateck站立办公升降台式电脑桌 坐站交替办公写字书桌子 折叠家具学习桌 家用笔记本显示器支架DWS06-01黑色

Brateck站立办公升降台式电脑桌 坐站交替办公写字书桌子 折叠家具学习桌 家用笔记本显示器支架DWS06-01黑色

499元起

Loctek 乐歌 F8A 液晶电脑显示器支架 17-35英寸 黑色

Loctek 乐歌 F8A 液晶电脑显示器支架 17-35英寸 黑色

279元起

aigo 爱国者 ES650 金牌(90%)全模组ATX电源 650W

aigo 爱国者 ES650 金牌(90%)全模组ATX电源 650W

389元起

TAFIQ 塔菲克 经典款 USB蓝牙适配器4.0 白色

TAFIQ 塔菲克 经典款 USB蓝牙适配器4.0 白色

13.8元起

RAZER 雷蛇 战核X 基础版 显卡扩展坞

RAZER 雷蛇 战核X 基础版 显卡扩展坞

2499元起

Lenovo 联想 拯救者 M600 RGB 无线游戏鼠标

Lenovo 联想 拯救者 M600 RGB 无线游戏鼠标

219元起
146评论

发表评论请 登录
  • 最新
  • 最热
评论举报

请选择举报理由

相关好价推荐
查看更多好价

相关文章推荐

更多精彩文章
更多精彩文章
最新文章 热门文章