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NOVOTS KMS .: 硬件 .: 支持5K更轻松 DisplayPort 1.3技术解析

支持5K更轻松 DisplayPort 1.3技术解析

在2K视频源都还没达到全面普及程度的现在,厂商已经推出了5K显示器。VESA组织也及时发布了DisplayPort 1.3新标准,完美匹配5K分辨率,好像商量好了一样。于是就把上哪儿找5K视频这个问题留给了内容提供商。我们想起了印第安人有一句谚语:身体不要走得太快,让灵魂跟上来。但现在不行了,硬件和接口标准已经走得相当快,等不到内容和灵魂什么的跟上来,毕竟竞争太激烈了,抢占技术高地才能拓宽未来的生存空间。那么DisplayPort 1.3有什么让人兴奋的特性吗?

支持5K更轻松 DisplayPort 1.3技术解析
支持5K更轻松 DisplayPort 1.3技术解析

赢在起跑线上的标准

DisplayPort是由VESA(Video Electronics Standards Association,视频电子标准协会)在2006年5月提出的一种数字影音传输接口规范,旨在取代VGA、DVI等已经垂垂老矣的视频接口。毕竟VGA输出模拟信号早已无法满足高清和3D的需求,DVI又不利于接口扩展和兼容,而且它们共同的特点都是个头太大,用在小体积的移动设备上力不从心。显然DisplayPort接口的出发点和HDMI一致。但DisplayPort接口诞生的2006年,此时HDMI已经4岁。HDMI在索尼、松下等业界大腕儿的力推之下,通过PS3、蓝光播放器、高清电视等已经完成了产业布局,所以如果DisplayPort接口不拿出点真功夫是很难立足的。

DisplayPort接口也绝非浪得虚名。它是首个采用微封包数据传输(Micro-Packet Architecture)的接口标准,这种传输技术在以太网、USB和PCI Express中都有应用。DisplayPort将时钟信号嵌入数据包中,使得它以很少的引脚就能传输很大的数据量,并提供了良好的扩展性能而不用改变物理接口形态。DisplayPort可同时或单独传输音频和视频。视频信号中每个颜色通道可以有6到16位,音频路径可以有多达8通道24位192kHz的非压缩的PCM音频,或可以在音频流中封装压缩的音频格式。

DisplayPort由主链路、辅助信道和热插拔信号检测(HPD)三部分组成。其中主链路是一条单向、高带宽、低延迟的传输链路,用于传输未压缩的频率同步视频、音频串流;辅助通道是一对交流耦合差分线组成的双向半双工通道,可用来传输主链路用的设备管理和控制信号如VESA EDID(Extended Display Identification Data,扩展显示标识数据)、MCCS(VESA Monitor Control Command Set,显示器控制指令集)和DPMS(VESA Display Power Management Signaling,显示器电源管理信号),最重要的是还可以用来传输USB信号。辅助通道在15米的传输距离上提供1Mb/s的传输速率;热插拔信号则实现了终端设备中断请求。

DisplayPort的组成
DisplayPort的组成

微封包架构有利于简化平板电视的接口设计

微封包架构有利于简化平板电视的接口设计

主链路由4条通道组成,每一条通道都是一对差分线,主链路可以使用其中1条、2条或者全部的通道,这意味着DisplayPort没有单独的时钟通道。DisplayPort的主链路采用的是8b/10b编码,时钟信号是从数据串流中撷取出来的。主链路上所有的视频、音频流都被封包化为微封包,这些微封包称为传输单元,每一个传输单元都由64个字符组成。如果被传输的数据串流小于64个字符,DisplayPort会自动将它补足为64个,于是数据完整性得到了大幅提升。而以HDMI为代表的传统接口均采用类似交换式传输方式,即视频以实时方式传输。相比之下,封包式传输只要与适当的带宽、流量管理配套,就能比交换式传输提供更多功能和更广的上升空间。事实上,主链路的每条通道在自时钟运行于162MHz、270MHz、540MHz上时,原始比特率为1.62Gb/s、2.7Gb/s、5.4Gb/s。按照8b/10b的80%的有效带宽计算,每个通道的有效数据传输速率是1.296Gb/s、2.16Gb/s、4.32Gb/s。对于DisplayPort 1.2而言,4条线路则可以实现最高21.6Gb/s的传输速率。在这种高带宽的支持下,DisplayPort可以满足各种数据传输特别是视频应用的需求。任何色深、分辨率和画面刷新频率都可以自由转换。而HDMI带宽扩展能力有限,无法满足需要更高带宽和传输速度的PC接口,例如多联屏输出的需求。

DisplayPort的微封包架构可在同一条通道内传输多组视频信号,因此能轻易在既有传输中追加新的协议内容例如防拷协议。微封包架构让DisplayPort超越了单纯的视频、音频传输,进而提升成可汇聚、整合各种音视频应用的传输方式。反之HDMI的交换式传输就限定一条链路只能传输一组视频信号。在视频端,DisplayPort的数字信号可以直接输出,而不用像HDMI、DVI那样需要经过TMDS信号转换。对于平板电视而言,现有的电路结构中,要求主板和输入单元之间架设多条独立的连接线,以传输DVI、HDMI、S端子等不同的信号。而DisplayPort接口通过一条连接线即可将所有的信号传入主板上的视频处理器—DisplayPort并不兼容DVI或HDMI,但双模式DisplayPort通过适配器可以传输单链路DVI或HDMI 1.2/1.4的协议。因此,这样既降低了主板的设计难度,也大大削减了成本。

苹果的雷电接口其实是一种复合型的Mini DisplayPort接口
苹果的雷电接口其实是一种复合型的Mini DisplayPort接口

DisplayPort 1.3的两大飞跃:更快的速度和更高的分辨率支持
DisplayPort 1.3的两大飞跃:更快的速度和更高的分辨率支持

综上所述,可以看出DisplayPort接口优点多多:

一是高带宽。DisplayPort原始规范的带宽就高达10.8Gb/s。要知道,HDMI 1.3所提供的带宽也才10.2Gb/s。DisplayPort 1.2的带宽已经达到了21.6Gb/s,保证了各种大尺寸显示设备对更高分辨率的需求。

二是最大程度整合周边设备。DisplayPort的辅助通道,可以直接作为语音、视频等低带宽数据的传输通道,另外也可用于无延迟的游戏控制。

三是内外接口通吃。DisplayPort除了实现设备与设备之间的连接外,还可用作设备内部的接口,甚至是芯片与芯片之间的数据接口。
四是简化相关产品的设计。DisplayPort直接输出数字信号而不需要TMDS转换电路;可直接驱动面板进行显示,精简了LVDS转换电路;可以在平板电视上用一根线输入各种视频信号从而降低设计难度和物料成本。

五是具备高度的可扩展特性。一条DisplayPort连接线可支持6条1080i或3条1080p视频流。画中画、分屏、多联屏正是DisplayPort大显身手的地方。

六是内容保护技术更可靠。DisplayPort更多用在专业显示领域,而HDMI主要用于消费电子领域,这个领域对版权的保护十分敏感,如果没有相应的内容保护技术,即使其优势再大也很难获得影片供应商的青睐。DisplayPort并不像HDMI那样采用HDCP,而是使用飞利浦为DisplayPort制订的一套内容防拷协议。该技术基于128位高速加密引擎,采用标准密钥交换方法,支持标准的RSA认证,提供高达2048位的密钥长度,保护技术比HDMI的HDCP更加可靠。当然,鉴于DisplayPort架构的可扩展性,厂商也可根据需要选择其他内容保护协议。

最后,还有最最重要的一点是,DisplayPort完全开放授权,芯片厂商不用再另外支付授权费用。而HDMI则需要高昂的授权费。不过,鉴于越来越多的显示设备配备了DisplayPort接口的现实,HDMI联盟也终于宣布HDMI 2.0将开放授权。

Tips:关于4:2:0像素采样

在谈4:2:0像素采样之前,我们需要先谈谈色度采样。我们知道,视频信号会分解为亮度和色度,这两个是组成色彩的元素,类似于图像可以分解为红、绿、蓝三原色。亮度和色度元素被称为YUV(模拟信号)或YCbCr(数字信号)。由于人眼对色度的敏感度不及对亮度的敏感度,图像的色度分量不需要有和亮度分量相同的清晰度,因此色度分辨率会通过色度采样被降低。这样在不明显降低画面质量的同时降低了视频信号的总带宽。因抽样而丢失的色度值用内插值,或者前一色度值来替代。以4:2:2 YCbCr为例,它只需R'G'B'(4:4:4)三分之二的带宽。带宽的减少在肉眼上几乎没有影像上差别。

这是8×8图像在色度采样后的样子。色度采样有效的减少了色彩分辨率,在色彩过渡较锐利的边缘体现较明显。
这是8×8图像在色度采样后的样子。色度采样有效的减少了色彩分辨率,在色彩过渡较锐利的边缘体现较明显。

4:2:0又称I420,是YUV格式的一种。它是指对每行扫描线来说,只有一种色度分量以2:1的采样率存储,相邻的扫描行存储不同的色度分量。也就是说,如果某一行是4:2:0的话,下一行就是4:0:2,再下一行是4:2:0以此类推。对每个色度分量来说,水平方向和竖直方向的采样率都是2:1,所以可以说色度的采样率是4:1。PAL和SECAM制式的色彩系统特别适合于用这种方式来存储。绝大多数视频编解码器都采用这种格式作为标准的输入格式。

DisplayPort 1.3有哪些新特性?

尽管DisplayPort接口起点很高,但既然各种接口标准都在发展,DisplayPort自然也不能例外。DisplayPort 1.0的实际传输速度8.64Gb/s,允许线缆长度2米。DisplayPort 1.1允许使用光纤之类的其他传输媒介,并加入了HDCP支持。

2009年12月,DisplayPort 1.2诞生,实际传输速度提高到17.28Gb/s,可支持更高的分辨率、帧速和色深。DisplayPort 1.2支持MST (Multi-Stream Transport),单个DisplayPort可连接到多个显示屏。这个版本比较重要的一点就是收录并认可了苹果自行研发的Mini-DisplayPort接口,该接口正是苹果当前采用的雷电接口的原型。2014年5月,VESA发布DisplayPort 1.2a,增加了对自适应同步的支持。
2014年9月,VESA发布DisplayPort 1.3。总带宽提升到了32.4Gb/s,主链路的四条通道各能分配8.1Gb/s,是1.1版标准的三倍,也比1.2/1.2a增大了50%。排除各种冗余、损耗之后,DisplayPort 1.3可以提供的实际数据传输率也达了25.92Gb/s。这样的速度下,传输各种无损高清音频视频都完全不是问题,DisplayPort 1.3可以用两条通道连接60Hz刷新率、24bit色深的4K超高清显示器,同时用另外两条通道应付其他数据比如USB 3.0、DockPort底座等。只需一条数据线就能轻松支持5120×2880的5K级别高分辨率显示设备。

DisplayPort 1.3提供了对4:2:0像素采样格式的支持。这种格式利用人眼对色度的敏感度不及对亮度的敏感度,而对色度进行低采样以降低带宽占用。4:2:0像素采样多运用在消费数字电视领域,也可支持未来8K以及以后更加高清的显示。

DisplayPort 1.3继续兼容VGA、DVI、HDMI三大传统接口,并增加了对HDCP 2.2、HDMI 2.0 CEC扩展功能的支持,可以让DisplayPort用于播放电视内容以及受拷贝保护的4K视频。同样地,最新版本继续开放授权。
总之,规格是先进的,前途是美好的。

高端显卡配备了多个DisplayPort接口以适应不同的场合,但高端显卡并非人人需要。
高端显卡配备了多个DisplayPort接口以适应不同的场合,但高端显卡并非人人需要。

依然阳春白雪

虽然DisplayPort的起点很高,但很长一段时间内,DisplayPort都处于阳春白雪曲高和寡的位置。原因是首先HDMI诞生较早,产品线布局已经趋于完善,就算连机顶盒都配备了HDMI接口。其次在普通应用场合,DisplayPort和HDMI相比没有重要的差异化功能。例如目前,HDMI 2.0和DisplayPort 1.2最高都能支持4K@60fps的分辨率,更高的分辨率在普通家用场合实在罕见。因此在消费市场上,DisplayPort和HDMI并没有明显的差异化特性。

然而,从成本上讲,虽然DisplayPort免费,但显示器端的驱动板需要增加电路成本,算起来也没什么优势,何况HDMI从2.0起也免授权费了。而且HDMI在绝大多数场合下已经够用,对于设备厂商而言,多一个同质化的接口并不明智,所以它们并不会很积极。虽然显卡设备为了兼顾不同应用场合而大多配备了DisplayPort接口,但显示终端有DisplayPort接口的依然很少,一个巴掌拍不响。除非VESA能采取有力措施推动DisplayPort接口普及,最有力的措施莫过于金钱—给设备厂商补贴以促使他们增加DisplayPort方案,但这明显不现实。

所以,在消费市场需求不高(2K都还没完全普及),并且已经有了HDMI这个成熟方案的情况下,DisplayPort还需要走出一条差异化的路线才能进一步提升份额。毕竟DisplayPort现在站得还是有点高,依然曲高和寡。

写在最后

其实,DisplayPort现在的状况,并非因为规格太超前,而是高清内容严重滞后。尽管如此,DisplayPort 1.3依然在发展,以最简单的传输方式支持5K视频,站在了标准的前沿。现如今,技术和标准领域的竞争太激烈,每个人都必须拼命奔跑,而无暇顾及软硬件的同步。今天超前的规格也许就换来了明天的市场话语权。我们相信,当4K普及之后,当真正的智能化家居实现之后,DisplayPort标准必将迎来春天。


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