Chi si contenta non gode del colore

La banda dei quattro K

di

thumbnail

19

mag

2016

Guida per capire se tra il nuovo televisore 4K, il PC, la console e altro passa abbastanza banda per avere immagini di qualità.

Che cosa trasporta un moderno cavo audio/video? Se non stiamo parlando del vecchio analogico VGA, è certo che si tratti di un collegamento digitale, quindi sono bit in movimento, rappresentati da valori di tensione “alti” e “bassi”.

Una volta collegata una console di gioco (che potete sostituire con un computer) alla TV (che potete sostituire con un monitor/proiettore), questa genera le immagini ed i suoni che, passando dal cavo di collegamento, vengono visualizzate e sonorizzate nell’etere. Facciamo due calcoli sull’ammontare dei dati che vengono generati e canalizzati.

Concentriamoci prima sulla sola componente visiva. Gli elementi da mettere in fila, dipendenti dalle capacità della console e dalla configurazione del gioco eseguito, sono:

  1. Profondità colore per pixel.
  2. Risoluzione dell’immagine.
  3. Immagini generate al secondo.
Profondità di colore

Numero di colori rappresentabili da un singolo pixel sulla base della quantità di informazione disponibile, sempre in termini di bit.

Se disponiamo ad esempio di 16 bit di informazione per ogni pixel, possiamo decidere come suddividerli per i diversi canali RGB. Tipicamente 5 bit (32 valori) per il rosso, 5 bit per il blu e 6 bit (64 valori) per il verde – verso il quale siamo più sensibili – risultando in un totale di 32 x 32 x 64 = 65.536 colori diversi.

Se disponiamo invece di 24 bpp (bit per pixel) con canali RGB di 8 bit (256 valori), otteniamo 256 x 256 x 256 = 16.777.216 colori, valore per il quale solamente opportuni esperimenti ad hoc riescono ad evidenziare le limitazioni a occhio nudo.

Risoluzione dell’immagine

Numero di pixel che costituiscono l’immagine costruita. Solitamente espressa in larghezza per altezza in uno schermo rettangolare, questa misura è indipendente dalla densità dei pixel nello spazio ed incide proporzionalmente alla quantità di dati necessari per la sua rappresentazione. Un display 1080p ha una risoluzione di 1.920 x 1.080 pixel, un display 2610p ha una risoluzione di 3.840 x 2.160 pixel. Nel secondo caso stiamo parlando di un pannello con 8.294.400 pixel capaci di rappresentare ciascuno un colore distinto.

Immagini generate al secondo

L’occhio umano distingue fino a dodici immagini distinte al secondo. Una frequenza superiore e la sequenza di immagini viene interpretata come movimento o animazione. Il numero di immagini generate dal sistema è vincolato dalla capacità di refresh dello schermo: una caratteristica del display intrinsecamente dipendente alle sue caratteristiche e dalla qualità di costruzione.

Uno schermo a 60 hertz (Hz) riceve e aggiorna in modo sincronizzato i colori di tutti i pixel del proprio pannello fino a 60 volte al secondo. Il numero di bit necessario per descrivere una immagine su un display 24 bpp 4K 2160p è pertanto:

24 (bit) x 3.840 x 2.160 = 199.065.600 bit = 0,1990656 Gbit

Che, moltiplicato per il tempo di un secondo di animazione su un display 60 Hz, risulta in:

199.065.600 (bit) x 60 (Hz) = 11.971.929.600 bit/s = 11,943936 gigabit per secondo (Gbit/s).

Ne risulta che, senza considerare i flussi audio o qualsiasi altro flusso di informazioni aggiuntivo connesso al servizio, abbiamo bisogno di un cavo di connessione capace di supportare almeno dodici Gbit/s di banda passante. Ecco una tabella per valutare a colpo d’occhio la banda passante richiesta da alcuni setup casalinghi in 16:9 (valutando costanti i 24 bpp di profondità colore):

Banda passante richiesta
Costante
24 bpp
Risoluzione
Frequenza di
aggiornamento
720p
(1.280 x 720)
1080p
(1.920 x 1.080)
2160p
(3.840 x 2.160)
30 Hz 0,663552 Gbit/s 1,492992 Gbit/s 5,971968 Gbit/s
60 Hz 1,327104 Gbit/s 2,985984 Gbit/s 11,943936 Gbit/s
90 Hz 1,990656 Gbit/s 4,478976 Gbit/s 17,915904 Gbit/s
120 Hz 2,654208 Gbit/s 5,971968 Gbit/s 23,887872 Gbit/s

 
Esaminando i numeri che troviamo sulle specifiche degli standard DVIHDMI e DisplayPort (e omettendo volutamente i dettagli dei singoli casi) troviamo che:

  • DVI single-link: 4,95 Gbit/s
  • DVI dual-link: 9,90 Gbit/s
  • HDMI 1.2: 4,95 Gbits/sec
  • HDMI 1.4: 10,2 Gbits/sec
  • HDMI 2.0: 18,0 Gbits/sec
  • DisplayPort 1.2: 17,28 Gbit/sec
  • DisplayPort 1.3: 32,4 Gbit/sec

Questo significa che per utilizzare appieno il televisore 4K a 60 hertz sarebbe necessario disporre di almeno di un collegamento HDMI 2.0 oppure DisplayPort.

Tuttavia, se appieno non rappresenta un requisito essenziale, esiste un escamotage per aumentare la compatibilità del collegamento rinunciando alla precisione del colore. Questo trucco è talmente comune da essere quasi sempre adottato automaticamente dai driver video quando il tipo di collegamento non prevede abbastanza banda passante per la configurazione selezionata. La tecnica prende il nome di sottocampionamento della crominanza.

Sottocampionamento della crominanza

L’occhio è più sensibile ai cambi di luminanza che alle variazioni di colore. Ridefinendo il segnale RGB nei suoi componenti di luma (Y’) e differenze colore (chroma), si può risparmiare informazione (compressione con perdita) ricercando un compromesso fra precisione cromatica e banda occupata.

Banda passante richiesta
Costanti
24 bpp – 60 Hz
Risoluzione
Sottocampionamento
crominanza
720p
(1.280×720)
1080p
(1.920×1.080)
2160p
(3.840×2.160)
4:4:4 (100% RGB) 1,327104 Gbit/s 2,985984 Gbit/s 11,943936 Gbit/s
4:2:2 (66%) 0,884736 Gbit/s 1,990656 Gbit/s 7,962624 Gbit/s
4:2:0 (50%) 0,663552 Gbit/s 1,492992 Gbit/s 5,971968 Gbit/s

 
Per scoprire se state utilizzando il un display a crominanza piena (4:4:4) o un qualsiasi sottocampionamento, è sufficiente osservare sul pannello incriminato l’immagine sottostante, al cento percento delle sue dimensioni. Come leggete le due ultime righe?

Test di visibilità a monitor

Le ultime due righe dell’immagine svelano se la banda passante è truccata.

Se manca qualche segmento (o vedete delle distorsioni cromatiche), allora state rinunciando a precisione del colore. Se avete come me collegato il TV 4K ad una presa DVI dual-link in attesa di tempi migliori, beh, dovete decidere se vedere un 4K 24 bpp 4:4:4 a 30 Hz oppure un 4K 24 bpp 4:2:0 a 60 Hz.

Per concludere, dato che esistono adattatori da e per DVI / HDMI / DisplayPort, capire se un display funzionerà o meno significa individuare il collo di bottiglia generato dall’interfaccia più debole.




Giacomo Cappellini (@Arkanoid) è da cinque anni analista programmatore e tool-maker di applicazioni per smartphone e tablet, da dieci anni deviato nel multidisciplinare mondo dello sviluppo di videogiochi cross-platform. Nonostante una grave e particolare forma di ossessione verso lo how-it’s-done, trova ancora tempo e modo per parlarne.

Letto 2.497 volte | Tag: , , , , , , , ,

Lascia il tuo commento