Granite River Labs, GRL
Robert Yang
"컴퓨터와 모니터에서 조정할 수 있는 해상도, 업데이트 속도 및 색상 형식은 다양하지만 그 의미를 이해하지 못한다" 또는 "4K 모니터를 구입했지만 다른 브랜드의 컴퓨터에서는 작동하지 않고 화면에 고해상도가 표시되지 않는다"는 문제를 겪은 적이 있나요? 4K 모니터를 사용하려면 4K 신호 소스가 필요합니다. 고해상도에 대한 요구 사항은 전송되는 신호의 대역폭과 밀접한 관련이 있으므로 4K 해상도에 필요한 대역폭을 살펴보면서 모니터의 주요 매개 변수를 안내해 드리겠습니다.
주요 디스플레이
각 디스플레이의 주요 파라미터는 아래 그림 1에 설명되어 있습니다.
그림 1: 4K 해상도 대역폭 계산
파라미터 1: 해상도 (Resolution)
보다 일반적인 세 가지 유형의 해상도는 다음과 같습니다:
- 1080p: 1920×1080
- 2160p (4K): 3840×2160
- 4320p (8K): 7680 x 4320
화면의 영상은 픽셀 단위로 구성됩니다. 오늘날의 주류 4K 디스플레이의 경우, 이는 긴 쪽에 3840픽셀, 넓은 쪽에 2160픽셀이 있으며 전체 영상은 8,294,400(3840 x 2160) 픽셀로 구성된다는 것을 의미합니다. 그러나 이미지 품질이 높을수록 기록할 정보가 많아지고 전송할 대역폭도 늘어납니다.
또한 3840과 2160은 각각 육안으로 보이는 블록인 "수평" 및 "수직" 유효 표시 값(H-active, V-active)을 나타내므로 실제 화면에서 데이터를 출력하는 데 사용되는 부분(블랭킹 영역)이 여전히 존재합니다. (블랭킹 영역은 화면 동기화, 오디오 데이터 전송, 화면 정보 안내 등에 사용되며 표시되지 않습니다. 따라서 대역폭을 계산하기 위해 이미지 전송에 필요한 대역폭을 계산하기 위해 H-Total과 V-Total을 사용합니다.
또한 TV와 PC 모니터 간의 비디오 전송을 위한 코딩 형식에는 VESA 협회에서 주도하는 CVT, CVT-RB, CVT-RB2 등과 CEA(이전 CEA) 협회에서 주도하는 CTA-861-H 등 다양한 코딩 형식이 있습니다. 예를 들어 4K 해상도의 CVT-RB2 사양의 유효 픽셀 값과 실제 픽셀 값은 다음과 같습니다.
그림 2: 화면에 일부 보이지 않는 데이터가 표시됩니다.
파라미터 2: 새로고침 빈도（Refresh Rate）
가장 일반적인 컴퓨터 설정은 초당 60프레임을 의미하는 60Hz입니다. 업데이트 속도가 24Hz 이하로 떨어지면 사람의 눈은 화면이 끊기거나 깜박이는 것을 느끼기 시작합니다. 업데이트 속도가 높을수록 화면의 흐름이 더 부드러워집니다. 예를 들어, 최신 iPhone 13 Pro는 모션 기술을 사용하여 사용자가 최대 120Hz의 업데이트 속도로 페이지를 더 자유롭고 부드럽게 넘길 수 있습니다.
컴퓨터에서도 높은 업데이트 속도가 자주 사용됩니다. 3A 게임이나 실시간 게임을 할 때 게이머는 게임에서 앞서 나가기 위해 개별 그래픽 카드와 게이밍 모니터를 사용하여 120Hz, 144Hz 및 160Hz의 업데이트 속도를 달성하는 경우가 많습니다.
예를 들어 30Hz에서는 화면이 33밀리초마다 업데이트되지만 120Hz에서는 8.33밀리초마다 업데이트되므로 게이머는 보다 역동적인 변화를 관찰할 수 있습니다.
그림 3: 업데이트 속도가 높을수록 캡처된 모션이 더 풍부해집니다.
(이미지 출처: https://www.intel.com.tw/content/www/tw/zh/gaming/resources/highest-refresh-rate-gaming.html）
파라미터 3: 색상 포맷（Color Format）
RGB, YCbCr 4:4:4, YCbCr 4:2:2 및 YCbCr 4:2:0은 서로 다른 두 가지 색상 코딩 형식입니다. YCbCr 코드는 주로 TV 및 영화 시장에서 사용되며 휘도(밝기)와 크로미넌스의 두 가지 주요 요소로 구성됩니다.
- Y는 휘도
- C는 색차
- Cb : 파란색과 녹색의 크로마
- Cr : 빨간색과 녹색의 색차
그러나 다음 공식을 사용하여 RGB와 YCbCr 형식을 서로 전환할 수 있습니다:
- Y=0.299R+0.587G+0.114B
- Cb=0.564(B-Y)
- Cr=0.713(R-Y)
일부 실험에서 사람의 눈은 색차보다 휘도에 더 민감하다는 사실이 밝혀졌습니다. 이 기능을 통해 색도 샘플링(휘도 유지 및 색차 감소)을 수행하여 시청자에게 영상을 왜곡하지 않고 영상에 필요한 대역폭을 줄일 수 있습니다.
YCbCr 4:4:4는 RGB와 동일한 대역폭을 필요로 하는 무손실 이미지 압축 포맷으로, 위의 공식을 사용하여 두 코드를 서로 변환할 수 있습니다. 4:4:4는 4:2:0보다 더 많은 구성 요소를 제거하고 4:4:4의 절반의 대역폭만 사용합니다.
그림 4: 색상은 루마(휘도)와 크로마(색도)로 구성됩니다.
(이미지 출처: https://www.rtings.com/tv/learn/chroma-subsampling)
파라미터 4: 색심도（Color Depth）
일반적인 설정은 6, 8 및 10비트입니다(화면에 연결된 컴퓨터의 기본 설정은 8비트입니다). 색 심도는 컴퓨터가 각 픽셀 색상을 렌더링하는 데 사용하는 비트 수입니다. 세 가지 기본 색상을 일치시키기 위해 10비트를 사용하는 경우 각 기본 색상은 2^10(1024개의 음영)으로 표시되어 총 1,073,741,824개의 색상이 표시됩니다.
그림 5: 색 심도가 높을수록 렌더링할 수 있는 색상이 더 풍부해지고 색이 깨질 가능성이 줄어듭니다.
(이미지 출처: https://today.line.me/tw/v2/article/kLEv50)
기타 일반적인 화면 기능(HDR10, Dolby Vision 등)
HDR(하이 다이나믹 레인지)은 이미지의 밝은 영역과 어두운 영역 사이의 대비를 나타냅니다. SDR(표준 다이나믹 레인지)에 비해 사진의 밝은 영역과 어두운 영역 사이에 더 큰 차이를 허용하여 사람의 눈으로 보는 실제 이미지에 더 가까운 더 풍부한 색상 범위를 제공합니다. 아래 그림과 같이 HDR을 켜면 밤하늘이 흑백으로 더욱 선명해지고 별 하나하나가 또렷하게 보입니다.
일반적인 HDR 사양에는 HDR10, HDR10+, Dolby Vision 등이 있습니다. HDR10: 미국소비자기술협회(CTA)에서 도입한 인터페이스로 라이선스 비용이 들지 않아 현재 시중에서 가장 인기 있는 제품입니다. HDR10+는 HDR10의 고급 버전으로 최대 12비트 색 심도를 지원합니다.
돌비 래버러토리스에서 개발한 돌비 비전은 HDR10의 주요 경쟁자이며 최대 12비트의 색 심도를 지원합니다. 또한 HDR10은 정적 HDR을 지원합니다. 사용자가 HDR10을 켜고 영화를 시청할 때 전체 영화에 동일한 데이터를 적용하여 화질을 향상시키지만 Dolby Vision은 각 프레임을 다양한 수준의 명암, 밝기 및 어두움으로 향상시켜 시청자의 시각적 경험을 풍부하게 하는 동적 HDR 효과를 제공합니다.
그림 6: HDR을 활성화하면 밝은 영역과 어두운 영역의 대비를 더욱 극적으로 경험할 수 있습니다.
(이미지 출처: https://www.benq.com/zh-tw/knowledge-center/technology/what-is-hdr-tv.html)
대역폭 계산
디스플레이 를 알고 나면 다양한 해상도에 필요한 대역폭을 어떻게 계산할 수 있을까요? 다음 매개변수를 곱하기만 하면 됩니다. 다음은 표준 4K@60Hz 해상도의 예입니다:
- 해상도: 3840 x 2160(H총계=3920, V총계=2222)
- 업데이트 속도: 60Hz
- 색심도: 8비트
- 색상 형식: RGB(RGB에 3을 곱한 값, YC422에 2를 곱한 값, YC420에 1.5를 곱한 값)
위의 네 가지 관련 파라미터를 곱하면 필요한 대역폭을 얻을 수 있습니다:
그림 7: 4K 해상도 대역폭 계산
필요한 대역폭을 구한 후 컴퓨터 또는 그래픽 카드의 인터페이스 대역폭이 해상도를 지원하기에 충분한지 어떻게 알 수 있을까요? 다음 표는 DisplayPort 사양을 예로 들어 전송 속도와 채널의 다양한 조합에서 사용 가능한 총 대역폭을 보여줍니다:
표 1: DisplayPort 사양의 유효 대역폭
이전 계산을 통해 표준 4K 해상도에는 12.543Gbps의 대역폭이 필요하며, 위의 표와 비교했을 때 최소 HBR2와 4채널의 대역폭 또는 HBR3와 2채널의 대역폭이 필요하다는 것을 알 수 있습니다.
동일한 방정식을 사용하여 현재 시장에 출시된 최신 8K 디스플레이(7680 x 4320 @ 30Hz)에는 24.478Gbps의 대역폭이 필요하며, 이를 표시하려면 최소 HBR3(DP1.4)와 4개 채널이 필요하다는 것을 추론할 수 있습니다.
-참고1: DisplayPort는 데이터 전송에 8b/10b 인코딩을 사용하므로 유효 대역폭은 전체 대역폭의 80%에 불과합니다.
-참고2: DisplayPort는 대부분의 경우 4채널을 사용하지만 USB Type-C 인터페이스가 DP Alt-Mode의 핀 할당 D 모드에 있는 경우와 같이 일부 경우에는 2채널만 디스플레이에 사용되고 나머지 2채널은 USB 3.2 데이터 전송에 사용됩니다.
References
- VESA Coordinated Video Timings (CVT) Standard Version 1.2, February 8, 2013 : https://vesa.org
Author
GRL Taiwan, Robert Yang
디스플레이포트, 썬더볼트, HDMI, USB 등 다양한 테스트 사양에 전문으로 현재 GRL의 대만 상호호환성 테스트 부서를 담당하고 있으며 고객이 원활하게 인증을 획득할 수 있도록 다양한 문제 해결을 지원합니다.
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Release Date 2022/03/11 AN-220311-TW
