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。

文章发布于什么值得买 - 【避坑指南】2021年分水岭般的4K60p

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

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

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

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

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,38402160,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38402160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2¹⁰2¹⁰2¹⁰=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,384021606030=14 929 920 000≈14.93Gbps,但实际上给屏幕的传输数据并不是单纯的38402160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

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-C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

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,😎)

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。