Granite River Labs, GRL
楊宗霖 Robert Yang
在使用螢幕時，您是否也曾遇過「電腦與螢幕上分別有許多不同解析度、更新率、色彩格式可以調整，卻不明白其中意思」或「明明買了4K螢幕，但搭配不同品牌的電腦卻無法呈現高解析度，螢幕甚至無法顯示」等問題？買了4K螢幕，當然也要有4K訊號源，高解析度的要求與傳送訊號頻寬息息相關，我們透過以下4K解析度所需要的頻寬來帶大家了解顯示器的主要參數。
顯示器主要參數
圖1下方將為大家介紹各個顯示器的主要參數。
圖1: 4K解析度頻寬計算
參數一：解析度（Resolution）
較常見的解析度有以下三種：
- 1080p: 1920×1080
- 2160p (4K): 3840×2160
- 4320p (8K): 7680 x 4320
螢幕上的畫面是由逐個像素所組成，以現在主流的4K顯示器來說，代表長邊有3840個像素，寬邊有2160個像素，整個畫面由8,294,400（3840×2160）個像素所組成，解析度越高代表使用了更多的像素來呈現影像，可以在相同的畫面上顯示出更多細節。但影像品質提高了，記錄的資訊量就更多，所需傳送的頻寬就越大。
另外，由於3840、2160 分別代表“水平”與“垂直”的有效顯示值（H-active, V-active），是我們肉眼所見的區塊，但實際畫面在輸出時，還有一部分的資料（Blanking Area）用來同步畫面、傳輸音訊資料、宣告畫面資訊等，並不會顯示出來。所以，若要計算頻寬，須採用H-Total 與V-Total 來計算影像傳輸所需要的頻寬。
電視與電腦螢幕在傳送影像時，還會有不同的編碼格式，常見的有VESA協會主導的CVT、CVT-RB、CVT-RB2等，以及CTA（原為CEA）協會主導的CTA-861-H。每種規格又會有不同的有效頻寬使用率；我們以常應用在電腦螢幕上的DisplayPort介面的CVT-RB2規格，4K解析度為例，像素有效值與實際值分別如下：
圖2: 螢幕畫面呈現時，其實還有一部分不可見的資料
參數二：更新率（Refresh Rate）
螢幕在顯示畫面時，其實是以每秒數十張定格畫面疊加，來讓人眼感受到動態效果，以最常見的電腦設定60Hz來說，代表每秒鐘有60幀畫面呈現，當更新率低於24Hz時，人眼會開始感受到畫面卡頓、閃爍的情形，而更新率越高，畫面的流動就會更為順暢；如近期iPhone 13 Pro採用的Promotion 技術即是透過最高120Hz的更新率，讓使用者在滑動頁面更自如，動態內容更加流暢，未來也可以期待有手機遊戲採用120Hz 的更新率。
在電腦上，也常有高更新率的應用，在玩一些3A遊戲大作，或是即時對戰的遊戲，玩家常會透過獨立顯卡、電競螢幕來追求到120Hz、144Hz、160Hz的更新率，以利在遊戲中取得先機。
以下圖為例，更新率為30Hz時，畫面每隔33毫秒才會更新一次，但採用120Hz時，會提高為每8.33毫秒更新一次，讓遊戲玩家觀察到更多的動態變化。
圖3：更新率越高，能捕捉到的動態畫面將更豐富
（圖片來源：https://www.intel.com.tw/content/www/tw/zh/gaming/resources/highest-refresh-rate-gaming.html）
參數三：色彩格式（Color Format）
常見的有RGB、YCbCr 4:4:4、YCbCr 4:2:2、YCbCr 4:2:0，RGB與YCbCr為兩種不同的色彩編碼格式。RGB編碼一般用於電腦市場，由Red、Green、Blue三原色搭配不同的色階（0~255階）來呈現我們所看到的豐富色彩；而YCbCr編碼主要被電視、電影等市場所採用，由光度（亮度）與色度兩個主要元素構成。
- Y 代表Luminance（光度）
- C 代表 Chrominance（色度）
- Cb : 藍與綠的色度
- Cr : 紅與綠的色度
但RGB與YCbCr兩種格式是可以透過以下公式相互切換的：
- Y=0.299R+0.587G+0.114B
- Cb=0.564(B-Y)
- Cr=0.713(R-Y)
在一些實驗中發現，人眼對於亮度的敏感度是高於色度的，透過這個特點，我們可以進行色度抽樣（保留亮度、減少色度）來減少畫面所需的頻寬，又能讓觀影者感受不到畫面失真。
在YCbCr的色彩格式中，4:4:4、4:2:2、4:2:0 即為三種不同的色度抽樣方式，YCbCr 4:4:4為無損的影像壓縮格式，所需頻寬等同於RGB，兩者的編碼可透過上述公式互相換算，而YCbCr 4:2:2 則是把後面兩種色度的訊號抽掉一半，所以只需要4:4:4 的三分之二頻寬，而4:2:0 抽掉的成分更多，只需使用4:4:4 的一半頻寬。
圖4: 色彩由Luma（光度）、Chroma（色度）所組成
（圖片來源：https://www.rtings.com/tv/learn/chroma-subsampling）
參數四：色彩深度（Color Depth）
常見的設定為6, 8, 10 bit（一般電腦連接螢幕時預設為8bit），色彩深度為電腦在呈現每個像素顏色所用的位元數，色彩深度越高，可呈現的顏色就越豐富；以8位元搭配三原色來說，每一原色會以 2^8（256色階）來呈現，全部共有16,777,216 種色彩。以10位元來搭配三原色，每一原色會以2^10（1024色階）來呈現，全部共有1,073,741,824種色彩。
圖5: 色彩深度越高，能呈現的色彩越豐富，不易有色彩斷層
（圖片來源：https://today.line.me/tw/v2/article/kLEv50）
其他螢幕常見功能（HDR10、Dolby Vision等）
HDR全名為High Dynamic Range（高動態範圍），這裡的範圍指的是圖像的明暗對比度，相較於SDR（Standard Dynamic Range 標準動態範圍）可以讓畫面上的亮部與暗部有更顯著的差異，進而達到更豐富的色彩範圍，以趨近於人眼所見的真實影像。如下圖，開啟HDR功能後，夜晚的天空變得黑白分明，每顆星星變得清楚可見。
常見的HDR規格有HDR10、HDR10+、Dolby Vision等。HDR10：由消費者技術協會（CTA）所推出的介面，因不需授權金，目前在市場上被最多產品所採用，其“10”代表運用10bit的色彩深度來呈現更好的光影變化。HDR10+則為HDR10的進階版，可支援到12bit的色彩深度。
而Dolby Vision（杜比視界）是由杜比實驗室所開發，為HDR10的主要競爭對手，可支援到最高12bit 的色彩深度。另外，HDR10 所支援的HDR是靜態的，當使用者開啟HDR10觀賞電影時，整部影片會套用相同的數據來增強畫面，但Dolby Vision可以提供動態的HDR效果，為每一幀畫面做不同程度的對比度、明暗度強化，使觀影者的視覺體驗更加豐富。
圖6: 在開啟HDR功能後，使用者可以感受更顯著的亮部、暗部對比
（圖片來源：https://www.benq.com/zh-tw/knowledge-center/technology/what-is-hdr-tv.html）
頻寬計算
了解各項顯示參數後，我們該如何算出不同解析度所需要的頻寬呢？很簡單，將以下各項參數乘起來即可。下面以一個標準4K@60Hz的解析度為例：
- 解析度: 3840×2160（Htotal=3920、Vtotal=2222）
- 更新率: 60Hz
- 色彩深度: 8bit
- 色彩格式 : RGB（RGB乘以3，YC422乘以2，YC420乘以1.5）
將以上四個相關參數乘起來，即可得到所需頻寬：
圖7: 4K解析度頻寬計算
那得到所需頻寬後，我們又該如何知道電腦或顯示卡上傳輸介面的頻寬是否足以支援該解析度呢？下方表格以DisplayPort的規格為例，列出在各個傳輸速度、傳輸通道的組合下所提供的總頻寬：
表1: DisplayPort規格的有效頻寬
經過前面的運算，我們知道一個標準4K 的解析度所須的頻寬為12.543 Gbps, 再對應上表可知，至少需要HBR2 且四通道的頻寬，或HBR3且兩通道的頻寬才能滿足。
透過同樣的算式，我們也能推導出，現在市面上最新的8K顯示器（7680×4320@30Hz），所需要的頻寬為24.478 Gbps，至少需用到HBR3（DP1.4） 且四通道的規格才能夠顯示。
－Note1: 由於DisplayPort 的資料傳輸採用8b/10b 的編碼，有效頻寬只有總頻寬的80%。
－Note2: DisplayPort 多數時間都是用4個通道傳輸，但在某些狀況下，如USB Type-C介面在DP Alt-Mode 的Pin Assignment D模式，只會有兩個通道用於顯示，另外兩通道將用於USB 3.2 的資料傳輸。
參考文獻
- VESA Coordinated Video Timings (CVT) Standard Version 1.2, February 8, 2013 : https://vesa.org
作者
GRL 台灣測試工程師 楊宗霖 Robert Yang
具五年測試經驗，熟悉DisplayPort、Thunderbolt、HDMI、USB 等多種測試規範，目前負責GRL台灣相容性測試部門，樂於協助客戶的各種問題，以順利取得認證。
本文件中規格特性及其說明若有修改恕不另行通知。
發佈日期 2022/03/11 AN-220311-TW
