A HDMI, a DisplayPort és az adatátviteli korlátok

A kétségtelenül legsikeresebb két digitális csatolófelület a 2003-ban bevezetett HDMI és a 2006-os DisplayPort. Sikerüket a folyamatos fejlesztésnek, új verziók és alverziók megjelenésének (is) köszönhetik. Ebben az írásban a képátvitel sebességével foglalkozunk. Az egyre nagyobb felbontások megjelenésével rohamosan növekszik a nagyobb adatátviteli sebességek iránti igény, amit tovább fokoz a nagyobb dinamikatartomány (HDR), a szélesebb színtér (WCG) és a nagyobb képfrekvencia (HFR) alkalmazása. Képes-e ezt követni a HDMI és a DisplayPort?

Rögtön az elején eláruljuk, hogy a válasz az, hogy (legalábbis egyelőre) képesek. Mind az inkább a szórakoztatóelektronika igényeihez igazodó HDMI, mind az elsődlegesen számítástechnikai, illetve professzionális felhasználásra szánt DisplayPort szabványok már közzétett legújabb verziói teljesíteni fogják a ma felmerülő legmagasabb igényeket is. A HDMI fejlesztésének gazdája a HDMI Forum, a DisplayPort-é a VESA szervezet. (A szintén jelentős, az Intel és az Apple által fejlesztett, de későbbi Thunderbolt interfésszel egy másik írásban foglalkozunk.)

Az első verziókkal szembeni követelményeket az akkor legnagyobb Full HD (1920 x 1080 pixel) és WUXGA (1920 x 1200 pixel) felbontásokhoz és 60 Hz képfrekvenciához/frissítési frekvenciához szabták, ámbár ezeket az abban az időben már sikeres digitális DVI csatolófelület is kielégítette. Az új interfészek első változatait így nem a felbontási korlát, hanem a hangátvitelhez, a komponens digitális (YCbCr) jel átviteléhez, a digitális tartalomvédelemhez stb. kapcsolódó új igények kényszerítették ki. Ez utóbbiakkal azonban ebben az írásban nem foglalkozunk.

A HDMI és a DisplayPort részletes fejlődéstörténete sok helyen olvasható az Interneten, pl. angol nyelven a https://en.wikipedia.org/wiki/HDMI és a https://en.wikipedia.org/wiki/DisplayPort oldalakon egészen a mai állapotokig, magyar nyelven kb. 2013-ig, lásd pl. https://prohardver.hu/tudastar/hdmi.html és https://prohardver.hu/tudastar/hdmi.html

Mivel azonban a legújabb verziók egy részét még csak idén publikálták (vagyis konkrét készülékeken még nem találkozunk velük) nagyon is fontos áttekinteni, hogy a MOST használatos verziók mire alkalmasak, és a bevezetendő új verziók mi mindent tesznek lehetővé, remélhetőleg nagyon hamar. Ismét hangsúlyozzuk, hogy jelen írásban csak a képátvitellel foglalkozunk.

A HDMI mai verziói

A ma (még) legelterjedtebb HDMI verzió a HDMI 1.3 és 1.4 (vagy a többféle 3D átvitelhez az 1.4a és 1.4b), de sok készülékeken szerencsére (már) megjelent a még 2013-ban publikált HDMI 2.0 is. Nézzük ezeket közelebbről, különösen abból a szempontból, hogy mennyire alkalmasak a 4K felbontású jel kezelésére. (A továbbiakban 4K felbontáson legtöbbször a 4K-UHD, röviden UHD (3840 x 2160 pixel) felbontást értjük.)

Az 1.3/1.4-es verziók teljes maximális adatátviteli sebessége 10,2 Gbit/s, ennél azonban a hasznos adatátviteli „keresztmetszet” kisebb, az ún. „kódolási overhead” miatt, ami a széles körben – pl. a DisplayPort esetében is – alkalmazott 8b/10b eljárást takarja (a 8-bites szavak 10-bites “szimbólumokká” vagy “karakterekké” való sajátos leképezése a DC-kiegyenlítés érdekében, és egyéb célokra). Fontos tudni, hogy egy adott interfész specifikációjában megadott maximális bitrátát (esetünkben ez 10,2 Gbit/s) ezért mindig meg kell szoroznunk egy 0,8-es faktorral ahhoz, hogy megkapjuk a ténylegesen igénybe vehető maximális adatátviteli sebességet.

A maximális pixelsebesség (pixel rate) 330 Mpixel/s, illetve a maximális „pixelfrekvencia” (pixel clock rate) 330 MHz (a HDMI 1.0-nak a kétszerese). Ez elegendő a 4K-UHD felbontású, 4:4:4 mintavételezésű jel átvitelére, de CSAK 30 Hz képfrekvencia mellett, és 8-bites színmélységet feltételezve.

A frissítési frekvencia csak a színfelbontás rovására növelhető, de ez bizonyos esetekben nem okoz problémát, hiszen az optikai lemezek, a televízió és streaming média világában általános a komponens 4:2:0 mintavételezési séma. Ebben az esetben a HDMI 1.3/1.4 verzió 60 Hz frissítési frekvencián is alkalmas a 4K felbontású jel átvitelére.

Összefoglalva: a HDMI 1.3 és 1.4 interfész-verziók maximum vagy 4K30 4:4:4, vagy 4K60 4:2:0 jel átvitelére használhatók, 8 bit színmélység mellett. Sajnos azonban, ha már felmerül a nagy dinamikatartomány (HDR – high dynamic range) és a széles színtartomány (WCG – wide color gamut) igénye a 4K-val kapcsolatban, sőt az ezekhez kapcsolódó kiegészítő metaadatok átvitele is, az 1,3/1.4 verzió adatátviteli sebessége elégtelen a továbbításhoz.

Azt a hiányosságot, hogy a HDMI interfész a számítástechnikában sürgető követelményként megjelenő 4K60 4:4:4 jel átvitelére is használható legyen, a HDMI 2.0-ás verzió (erre HDMI UHD néven is szoktak hivatkozni) küszöbölte ki, a maga 18 Gbit/s maximális overall adatátviteli sebességével, amely, mint tudjuk, a 8b/10b kódolási „overhead” miatt 20%-kal kisebb, azaz 14,4 Gbit/s hasznos maximális bitsebességet jelent. A 4K60 4:4:4-hez szükséges pixelsebesség 594 Mpixel/s, ami így nem jelent gondot a HDMI 2.0 számára (594 x 24 bit = 14,256 Gbit/s). Korlátként azonban itt is megmaradt a 8-bites színmélység, amelyet a színfelbontás (mintavételezés) 4:2:0-ra csökkentésével lehet 10 bitre növelni (YCbCr komponens jelet feltételezve).

Ez azért érdekes, mert a már említett HDR és WCG bevonulóban van a 4K Blu-ray lemezek és a streaming 4K tartalmak eszköztárába is, márpedig ezek tipikusan 10 bit színmélységgel és 4:2:0 mintavételezéssel készülnek.

Külön vizsgálat tárgya lehetne a PC-játékok kérdése, ahol a nagy felbontás mellett szintén napirenden van a HDR és a WCG használata, emellett az egyre nagyobb (változó) frame rate, amelyről idáig nem is beszéltünk.

A HDR és WCG miatt született meg a HDMI 2.0a alverzió, amely támogatja a HDR10 szabvány statikus metaadatok továbbítását, illetve a HDMI 2.0b alverzió a HDR10 mellett a HLG HDR formátum statikus metaadat-átvitelének támogatására. (Ez utóbbi alverziók 2015-ben és 2016-ban lettek bejelentve.)

Összefoglalva: a HDMI 2.0 adatátviteli sebessége elegendő a 4K60 4:4:4-hez (8 bit színmélység mellett) vagy a 4K60 4:2:0-hoz (10 bit színmélység mellett). Amennyiben a képfrekvenciát/frissítési frekvenciát tovább szeretnénk növelni 100, 120 Hz-re vagy még feljebb, a HDMI 2.0 nem használható.

HDMI 2.1

A HDMI legújabb verziója, amelyet idén januárban jelentett be a HDMI Forum. Teljes adatátviteli kapacitása drámai mértékben megnőtt: 48 Gbit/s. Ez jelenleg még a leggyorsabb DisplayPort-nál is gyorsabb. A HDMI 2.1-es természetesen minden eddig említett 4K formátumot kezel, sőt az 5K (5120 x 2880 pixeles) formátumot is, méghozzá egészen 16 bit színmélységig és 120 Hz frissítési frekvenciáig, a HDMI 2.1a alverzió pedig alkalmas nemcsak a statikus, hanem a dinamikus HDR/WCG metaadatok átvitelére és felismerésére. Egyéb újdonságok: a maximális támogatott felbontás 8K-ra (7680 x 4320) nőtt, 60 Hz képfrekvencia mellett (bizonyos források szerint 10K-ra, 120 Hz mellett). A PC-játékosok számára fontos információ, hogy a HDMI 2.1 támogatja a változó frissítési frekvenciát (Game Mode VRR).

Amiről eddig nem beszéltünk: létezik egy Display Stream Compression (DSC) nevű tömörítő eljárás (egy 2014-es VESA szabvány), amely lehetővé teszi a „vizuálisan veszteségmentes”, azaz szemmel észrevehetetlen tömörítést az UHD kijelzők számára. Igazából a VESA ezt a legújabb DisplayPort-tal felszerelt készülékekhez hozta létre, de a HDMI 2.1-es is támogatja a DSC-t, amely az 1.2 verziónál tart. A tömörítés mértéke a jel formátumától függően tipikusan 3:1, ill. 2:1, ami valóban csekély kompressziót jelent, és tényleg észrevehetetlen. Ugyanakkor felezi vagy harmadolja a szükséges adatátviteli sebességet.

A HDMI 2.1-es várhatóan 2018 második felében fog megjelenni a készülékeken.

Ezek után nézzük meg közelebbről a DisplayPort jelenlegi, és a közeli jövőben bevezetendő változatait!

A DisplayPort

DisplayPort 1.2

Az előd 1.0 és 1.1 viszonylag gyors finomítása után 2009 végén hagyták jóvá a mai napig stabilan alkalmazott DisplayPort 1.2-est, így amikor manapság csak úgy általában beszélünk a DisplayPort-ról, akkor erre a verzióra gondolunk. Az 1.2-es életében annyi változás történt csupán, hogy megjelent a DisplayPort 1.2a alverzió, amely opcionálisan tartalmazza a VESA Adaptive Sync bővítését. Ehhez kapcsolódóan az oldalunkon már esett szó az AMD FreeSync „dinamikus szinkron” megoldásáról, amely bizonyos határok között a számítógépes játékok változó bemeneti képfrekvenciájához igazítja a kijelző (monitor) frissítési frekvenciáját.

A DisplayPort 1.2-es maximális névleges adatátviteli sebessége 21,6 Gbit/s, így a legnagyobb effektív adatátviteli sebesség 17,28 Gbit/s (21,6  Gbit/s x 0,8), ami bőven elegendő a 4K60 4:4:4, 10 bit színmélységű jel átviteléhez. Mint láttuk, a jelenleg használatos legmagasabb verziójú HDMI 2.0 esetében 18 Gbit/s a névleges maximális bitsebesség, de ebből csak 14,4 Gbit/s vehető igénybe a hasznos jel tényleges átvitelére, ami viszont kevés a 10 bit színmélységhez a 4K60 4:4:4 esetében. (Ezen a HDMI 2.1 fog segíteni.)

Mellesleg a DisplayPort 1.2 fel van készítve több független videostream továbbítására (daisy-chain, azaz láncba kapcsolt több monitorral) – ezt nevezik Multi-Stream Transport-nak.

DisplayPort 1.3 és 1.4

Ezek (lesznek) az új verziók, az egyiket még 2014-ben, a másikat 2016-ban hagyták jóvá, de őszintén szólva én még az DisplayPort 1.3-assal sem találkoztam készüléken (bár lehet, hogy van ilyen).

A teljes (névleges) maximális adatátviteli sebesség mindkettőnél 32,4 Gbit/s, azaz az effektív adatátvitelre rendelkezésünkre áll 25,92 Gbit/s. A 4K/60 4:4:4 jelet 16 bit színmélységig képesek kezelni, és az 1.4 verzió újdonsága, hogy a 4K/60 4:2:0 jelet is át tudja vinni, szintén 16 bit színmélységig. A másik újdonsága a HDR támogatás.

Mindkét új verzió támogatja a Display Stream Compression „vizuálisan veszteségmentes” tömörítést, amely – mint említettük – a VESA fejlesztése.

Kalkulátor az interfész választásához

A szükséges adatátviteli sebesség kiszámítására jól használható az Extron Electronics 4K adatsebesség kalkulátora (4K Data Rate Calculator): http://www.extron.com/product/videotools.aspx

Nevével ellentétben a kalkulátor nemcsak 4K felbontáshoz használható. A számítás menete a következő:

Először meg kell adnunk az átvinni kívánt jelre vonatkozó szabványt (SMPTE/CEA vagy VESA), amit azért kell a kalkulátornak tudnia, mert az eltérő szabványos kioltási idők alapján csak így tudja kiszámolni a TELJES (lényegében fiktív) pixelszámot, ami nem azonos a látható pixelszámmal (pl. az UHD esetében nem 3840 x 2160, hanem ennél lényegesen nagyobb). Ezután egy listából ki kell választani a kívánt felbontást, majd a frissítési frekvenciát és a színmélységet, végül meg kell adni a színfelbontást (a legtöbb esetben 4:4:4, némelyik kombinációhoz 4:2:0). A Calculate gombot megnyomva megkapjuk a szükséges teljes (névleges) adatátviteli sebességet, amelyet összevetve a fentebb megadott, az egyes verziókra vonatkozó maximális névleges adatátviteli sebességgel, el tudjuk dönteni, hogy a feladathoz melyik interfész alkalmas.

Probléma akkor van, ha a kalkulált adatátviteli sebesség meghaladja a legújabb HDMI vagy DisplayPort verziók maximális bitrátáját (de nagy könnyítést jelenthet, hogy ezek a DSC-t is támogatják, így plusz 3:1 vagy 2:1 tömörítéssel számolhatunk!), vagy ha megfelelnének is, de még a készülékeken nem találhatók meg. Ekkor egy vagy több paraméter értékéből engednünk kell, hogy a rendelkezésre álló csatolófelületek maximális bitsebessége alá tudjunk menni.

Strongpulse

Legyen Ön az első hozzászóló

Várjuk hozzászólását!

Az Ön email címe nem kerül nyilvánosságra.


*


This site uses Akismet to reduce spam. Learn how your comment data is processed.