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超能课堂(257)：4K144Hz到底需要多少带宽？

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要说这两年在外设产品中，显示器应该算是在性能上进步最大的了，特别是华硕在18年推出的PG27UQ，其3840 x 2160的分辨率、144Hz刷新率的特性在发布的时候也是话题性产品，这个参数打游戏那自然是非常爽，但在连接上，4K、144Hz模式下这款显示器只能使用DP接口，用HDMI的话只能开到4K、120Hz，而且即便是DP接口也是用上了色度抽样和显示流压缩技术之后才做到的，这里面的主要原因就是显示器连接线的带宽被占满，所以不得不作出功能上的取舍。

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显示器带宽怎么算

那么想要弄清楚显示器显示画面需要多大的带宽，就得弄清楚显示器显示一幅画面所需要的数据量，目前总带宽主要由显示器上的分辨率、刷新率、子像素和色深等要素决定，简单来说，可以通过下面这样的方式来计算：

总带宽 = 每秒显示的总像素点 × 单个像素点的数据量 + 其它开销

在这里每秒显示的总像素点是由分辨率和刷新率决定的，而单个像素点的数据量自然就是由子像素和色深决定的。

分辨率相信大家已经很熟悉了，就是指显示器横纵方向上的像素点数，目前常见的有1080（1920×1080）、2K（2560×1440）、4K（3840×2160），分辨率越高，画面自然越清晰。

刷新率这个指标最近在手机圈炒的很火热，因为大多数硬件玩家都是游戏爱好者，对这个概念应该也很了解，在电脑显示器商就是每秒能显示多少幅画面，越高的话画面就看起来越流畅。

子像素在电脑上显示器上主要就是光学三原色（RGB）红、绿、蓝。目前的电脑显示器主要还是三原色液晶面板的产品，在一些电视产品上，出现过加入黄色的四原色产品。

最后的色深则复杂一点，首先我们要知道因为即便是同种颜色也存在不同的亮度，就是所谓的灰阶，从理论上讲即便是同一个颜色在最亮与最暗之间应该有无数多的亮度变化，为了能在我们的电脑上显示，我们将中间的变化分为若干份。以便进行信号输入来显示同一种颜色的不同亮度。我们用色深来表示该颜色的2进制位数，把2的一次方看成是1bit，它可以表示一个颜色的两个色阶，在这个色彩出现不同亮度的过度时候会出现两个阶梯。2的二次方看成2bit，这个颜色在亮度过度时就会有四个色阶。依此类推，我们所说的8bit就是2的八次方，就可以显示同一种颜色的256个色阶，色彩过渡的时候会有256个色阶。所以这个数值越大，同一个颜色在明亮过度时就越顺滑。

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所以从理论上讲，显示器显示画面所需带宽就是以上要素的乘积，即：总像素×刷新率×子像素×色深=总带宽。

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那么以华硕的PG27UQ为例，这款显示器在144Hz刷新率8bit色深模式下，需要的带宽为例：3840×2160分辨率、144Hz刷新率、3个子像素，8bit色深模式下需要的带宽（每秒数据量）为3840×2160×144×3×8≈28.66Gbit/s，在10bit模式下需要的带宽为3840×2160×144×3×10≈35.83Gbit/s。

如果能到这一步，我们就已经很接近真相了，众所周知理论和实际总是有差距的，实际应用还需要考虑别的因素，因为传输信号的标准不同，实际的传输过程中需要相当一部分冗余用来确认信号的准确，所需的实际带宽总是比理论数值再多一点，而不同的传输标准需要的冗余程度也各不相同。

以HDMI为例，在采用CTA-861-G标准的情况下，在传输4K信号时实际上需要占用（3840+560）*（2160+90）的带宽，要比实际显示的像素稍多一点，这样真实占用的带宽就是（3840+560）×（2160+90）/ 3840×2160≈119%，然后再乘上8bit色深和三原色，结果要比理论数值高出约25%。

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而DP协议制定者VESA（Video Electronics Standards Association）视频电子标准协会则提供了一份公式来计算，3840×2160、144Hz、8bit模式下实际上是需要大约31.32Gbit/s的带宽，要比理论数值高出约10%，我们可以看到因为标准的各不相同，多出来的部分也不一样，当然了这一部分越小越好。

但同时拥有4K分辨率144Hz刷新率的PG27UQ带宽要求已经部分超过了目前主流的DP1.4提供的25.92 Gbit/s带宽，所以即便使用DP接口，也是在使用了色度抽样（Chroma Sampling）和显示流压缩技术（Display Stream Compression）降低带宽需求后，才能满足需求。

1080P、2K、4K分辨率60hz、144hz所需带宽
分辨率刷新率带宽需求1920 × 108060hz3.20 Gbit/s1920 × 1080144hz8.00 Gbit/s2560 × 144060hz5.63 Gbit/s2560 × 1440144hz14.08 Gbit/s3840 × 216060hz12.54 Gbit/s3840 × 2160144hz31.35 Gbit/s超 能 网 制 作

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而且通过上面的几份图表我们也能发现，目前主流的DP1.4也只是支持到8K、30Hz，这也就是为什么众多RTX 3090测试时需要接两根DP线才能到8K、60Hz帧。

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在这里还需要强调， 目前主流的DP1.0、1.4a和HDMI1.0、2.0的版本使用的都是8b/10b编码，编码里还有20％适用于校验的。因此，这些版本的DP和HDMI的理论最大带宽还需要再乘上80%才是可用于传输视频数据的带宽。而最新的DP2.0和HDMI2.1都采用了更新的编码方式，进一步提高了效率。

DP和HDMI带宽之争

目前我们使用的主流的、我们能接触到的、传输协议已经对使用有一定影响的，其实就是HDMI和DP了，因为说白了：更低分辨率的显示器，一般用VGA和DVI也就应付过去了，如果是真正的高分屏上，一般也只会有DP和HDMI，

这些年来，两家在最大带宽上你追我赶，互不相让，提升幅度和速度都是比较可观的，更高端的显示器带来更多的像素，更快的刷新率，更高的色深，这些都需要更快的传输速度来支持，但其实带宽问题还只是单纯的数学问题，解决起来其实还算是比较简单的。在实际需求的倒逼下，制定标准的机构会推出更新更强的标准协议。实际上，我们熟知的大部分硬件产品都有类似的关系，硬件性能有所提升，软件和系统厂商将提升的性能用在实际的使用中，随后不断发展的软件对性能提出更高的要求。两者相依相存，相互促进、相互发展。

新特性更麻烦

真正困难的地方在更新的特性上面，就比如HDR（高动态范围），HDR本身的标准就错综复杂，主要有HDR10（CEA消费电子协会制定）、Dolby Vision（杜比视界）和Display HDR（VESA）这几种，最后一种就是由拥有DP标准的VESA推出的，所以大多数带有HDR功能的电脑显示器，本身支持的HDR标准就是Display HDR，在使用时也需要配合DP线材使用，DP的1.4a和1.3主要区别就是在HDR的支持上。

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除此之外可变刷新率（VRR）技术在DP1.2a时被加入到标准中，AMD的FreeSync技术和英伟达的G-Sync都必须使用DP接口，但目前最新的HDMI2.1也开始支持VRR，但目前还很少有显卡显示器搭载，不知道对这两项技术的支持怎么样。

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其实说白了，HDMI和DP就是电视和电脑两个不同利益集团制定的。HDMI的制定者都是传统电视和影音媒体产品公司，DP标准的参与者大都是电脑和显示器领域的企业，所以有关电脑显示的新技术绝大多数都依赖DP线材，

而目前我们能接触到的绝大多数高端显卡和高分屏的显示器，都是1个HDMI2.0和3个DP1.4a的配置，所以在电脑上端总体上更建议使用DP接口。


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