Полоса пропускания HDMI для различных параметров видео

Чтобы было понятно, о чем эта статья, начнем ее с банальных вопросов. Почему 4K @ 120 Гц / 10 бит / 4:4:4 не работает на PlayStation 5? Почему цветность 4K @ 60 Гц / 10 бит / 4:4:4 не работает на игровом ПК с интерфейсом HDMI 2.0? В обоих случаях ответ: слишком малая полоса пропускания HDMI! А какая полоса пропускания HDMI требуется для воспроизведения, например, видеосигнала 4K с частотой кадров 120 Гц, 10-битной глубиной цвета и цветовой субдискретизацией 4:4:4?

Какая полоса пропускания нужна для соответствующих комбинаций разрешения, частоты кадров, глубины цвета и недостаточной цветности? Все ответы о пропускной способности HDMI есть в этой статье. Другими словами, это небольшое руководство на тему, какие факторы влияют на требуемую пропускную способность.

Полоса пропускания HDMI для 4K, 8K, 120 Гц

Прежде всего, хотелось бы отметить, что тема о HDMI и его пропускной способности зависит от нескольких параметров. То, что в телевизоре есть несколько интерфейсов HDMI 2.1 со скоростью 40 Гбит / с, не означает, что все комбинации, перечисленные в таблице, должны работать ниже 40 Гбит / с.

Производители, по какой-либо причине, часто ограничивают свои конечные устройства или добавляют определенные функции, такие как воспроизведение с частотой 120 Гц через обновление прошивки. Яркий пример тому — Sony XH90. В этой статье не будем перечислять исключения, а приведем только общую информацию.

Сравнение разрешений Full HD, 4K, 8K и 10K

Требуемая полоса пропускания видеосигнала обычно складывается из четырех факторов: разрешения, частоты кадров, глубины цветности и недостаточной дискретизации цветности. Разрешение видеосигнала складывается из вертикальных и горизонтальных рядов пикселей. С сигналом 4K UHD мы имеем 3840 вертикальных рядов пикселей и 2160 горизонтальных рядов.

Умножение этих чисел дает общее количество пикселей: 8294400. При разрешении 8K это будет 7680 x 4320, то есть 33177600 пикселей, с 1440p (например, на Xbox Series X | S) это будет 3686400 пикселей (2560 x 1440p). Для Full HD: 2073600 пикселей (1920 x 1080) и т.д. Обычно можно воспроизводить более низкие разрешения на дисплее с более высоким разрешением (например, 4K на дисплее 8K) благодаря масштабированию экрана.

Частота обновления

Частота кадров (Гц или FPS) указывает, сколько отдельных изображений воспроизводится или отображается за период в одну секунду. Это значение обычно указывается в Герцах или кадрах в секунду. Телевизор 4K, который в настоящее время работает в режиме 30 Гц, выдает 30 полных кадров в секунду, при 60 Гц — вдвое больше (начиная с 30 Гц), а при 120 Гц — в четыре раза больше.

В России, из-за стандарта PAL, часто выводится на телевизоры или мониторы частота 50 Гц и 100 Гц. Частота обновления напрямую влияет на качество изображения, то есть на то, насколько «плавно» воспроизводится контент. Это может иметь решающее значение, особенно в играх, поскольку видеосигнал с частотой 30 Гц создает изображение только каждые 33 мс, сигнал 120 Гц — каждые 8,33 мс.

В конкурентных играх (шутеры, гонки) эта величина может означать разницу между победой и поражением. Просматривая фильм или сериал, записанный со скоростью 24 кадра в секунду, можно увидеть более подробную картину, особенно в динамичных сценах. При 50 / 60 кадрах в секунду футбольный матч наблюдается гораздо приятнее, чем при частоте 24 кадра в секунду.

Цветность

Глубина цвета указывает, сколько градаций цветового канала может быть воспроизведено дисплеем. При 1-битном цвете будет только 2 градации. В 2-битном формате имеется 4 уровня, в 4-битном — 16 уровней, а в 8-битном — 256 уровней. Как правило, современные телевизоры 4K или 8K имеют 10-битный дисплей. Поэтому они могут воспроизводить 1024 градации цвета на канал.

Чем выше скорость передачи данных, тем качественнее уменьшение эффектов полос и переходов в цветовых градиентах. 10-битный дисплей является обязательным условием для воспроизведения контента HDR (High Dynamic Range). В этом режиме изображение воспринимается как более естественное с увеличением глубины цвета и большей глубины изображения.

Цветовая субдискретизация

Цветовая субдискретизация (или подвыборка цветности), возможно, является наиболее эффективным средством экономии полосы пропускания. Как правило, для каждых 4 × 4 пикселей информация означает насыщенность цвета и его яркость. При режиме 4: 4: 4 вся информация о яркости и цвете предоставляется для всех пикселей 4 × 4.

В формате 4: 2: 2 цветовое сканирование в горизонтальном направлении вдвое меньше, чем в вертикальном. При 4: 2: 0 для блока из четырех пикселей доступна только одна информация о цвете. Однако во всех сценариях каждому пикселю предоставляется собственная информация о яркости. Физиология глаза устроена так, что люди воспринимают разную яркость намного лучше, чем разные цвета.

Максимальная пропускная способность HDMI

Большинство наборов микросхем HDMI 2.1, в том числе для телевизоров, консолей и AV-ресиверов, обеспечивают пропускную способность 40 Гбит / с. Все вышеперечисленные факторы вместе приводят к полосе пропускания видеосигнала, который может быть воспроизведен только в том случае, если соединение HDMI способно его обрабатывать.

Но и здесь следует отметить, что спецификации HDMI, по крайней мере для HDMI 2.1, в настоящее время довольно неточны. HDMI 2.1 может поддерживать максимум 48 Гбит / с. Однако большинство чипсетов обеспечивают только 40 Гбит / с. PlayStation 5, например, имеет только 32 Гбит / с. Приставка может воспроизводить все важные разрешения 4K, но 8K при 60 Гц и 8-бит с цветностью 4: 2: 0 не будет работать.

Функции 8K в PS5 даже не активированы. В таблице пропускной способности HDMI перечислены встречающиеся комбинации со скоростями передачи данных. В последнем столбце указано, какой стандарт HDMI требуется для обработки соответствующих скоростей передачи данных. Таким образом, это некий калькулятор пропускной способности HDMI для параметров видео.

Пропускная способность HDMI. Таблица

Неорлинарные моменты в таблице обозначены: *
* Поддержка 4K при 120 Гц в HDMI 2.0 не предусмотрена, но в некоторых случаях работает, например, на ПК с GTX 2080 TI.
** Поддержки 8K в HDMI не предусмотрено.
*** Работает только с активированным сжатием изображения Digital Stream Ccompression (DSC) стандарта HDMI 2.1. Однако для этого оба подключенных устройства должны поддерживать DSC.
**** 8K при 120 Гц пока не поддерживается ни одним телевизором, монитором или стриминговым каналом.

Источник: https://ultrahd.su/video/propusknaya-sposobnost-hdmi.html