一文搞懂HDMI/DP/DVI/VGA顯示器接口歷史演進

1 前言

顯示器（Display screen），是一種將特定格式排列的數據通過特定的傳輸設備顯示到屏幕上的顯示工具。比如現在常見的電腦液晶顯示器LCD、還有陰極射線管顯示器CRT、電視屏幕、手機屏幕，對了還有等離子顯示器PDP（你什么檔次和《狂飆》里的徐江用一樣的）。 顯示器接口作為連接顯示信息生成/播放設備與顯示器之間的信息傳遞的通路，隨著顯示技術的發(fā)展也在不斷發(fā)展著，迄今為止產生了很多不同的接口。

你知道上面這些顯示器接口嗎？下面這些早期的顯示器接口有沒有聽說過？

F-connectorBelling-Lee、RCA Connector、S-Video(S端子)、YPBPR端子。

2 早期顯示器接口

最開始時電視機是黑白色的，視頻數據只包含明暗信息，為灰度（Gray）信號。后來隨著技術的發(fā)展，出現了彩色電視機后，為了兼容黑白電視機，在視頻數據里面保留了明暗信息，并且加入了顏色信息，這種視頻數據被稱為復合信號Composite Video。

2.1 F Connector或Belling-Lee接口

早期電視機同軸線纜接口 早期電視機接口，采用F型連接頭F Connector或Belling-Lee接口，主要用于連接天線、有線電視、衛(wèi)星電視信號。

2.2RCA 端子 RCA Connector

RCA 蓮花頭

RCA(Radio Corporation of America)，俗稱蓮花頭，這種接口最早是用來傳輸音頻信號，因為設計簡潔、成本低廉，后來也逐漸用來傳輸模擬復合視頻信號。在早期的錄像機、DVD、攝像機以及游戲機上應用廣泛。 把明暗信息和顏色信息混合在一起傳輸，在頻率不高的情況下，干擾不太明顯，但是畢竟模擬信號抗干擾能力差，比如白色的雪花點（好像鬼故事）、圖像水波紋等現象會影響用戶觀看體驗。 另外，隨著家庭娛樂需求的爆發(fā)、人們對畫質的要求越來越高，自然而然地把這兩種信號分開傳輸的技術也就出現了。按照明暗信息和顏色信息分開傳輸的信號，被稱作分量信號Component Video。 而且把兩種信號分開處理，還有一個好處，那就是人眼對于明暗的敏感程度高于對顏色的感知。在不影響用戶觀看體驗的前提下，可以對顏色數據進行有損壓縮，能夠大大減少視頻數據的存儲和傳輸成本。

2.3 S-Video端子

S-Video端子

S-Video其實就是Separate Video，由于S端子（S-Video）不再進行Y/C混合傳輸，因此無需再進行亮色分離和解碼工作。而且使用各自獨立的傳輸通道，在很大程度上避免了視頻設備內信號串擾而產生的圖像失真，極大地提高了圖像的清晰度。在家庭影音設備種很常見。

2.4 色差端子YPbPr

YPBPR端子

這種接口在S端子的基礎上進一步的對顏色信號進行分拆，使用三條線RCA線，實現了更好傳輸質量。線的數量的增加使得傳輸信息的帶寬也得到了大幅提高，甚至可以傳輸高清HD的畫面。 三條線中，Y線代表明暗，是RGB三種顏色的和： Y = 0.2126 R + 0.7152 G + 0.0722 B Pb線負責傳輸藍色與明暗之差（B-Y），Pr線負責傳輸紅色與明暗之差（R-Y）。 YCbCr更多的是指數字方式，YPbPr用來指模擬方式。也可以用YUV來統稱所有類似的方式。（計劃后續(xù)再寫一篇介紹視頻格式的帖子，敬請關注硬件花園的微信公眾號哦?。?/p>

3 流行的VGA

之前介紹的幾種接口都是為了電視或者家庭影音場景下開發(fā)，實際上并不適合個人計算機領域。 在早期的顯示技術生態(tài)環(huán)境里，視頻內容主要由電視屏幕顯示的。而計算機不同，計算機常使用的CRT電視/顯示器里電子槍本身使用的就是RGB信號。如果仍舊接收明暗或顏色信息后，還要再轉化為RGB信號，何必多此一舉呢？不如直接傳輸RGB信號。 而且還有一個重要因素。在電視信號中，除了明暗和顏色信號，還要有同步SYNC信號，用于告訴電視屏幕將明暗和顏色信號在屏幕的哪一行、哪一列顯示。 而到了計算機這里，由VGA端子把SYNC信號分離出去，分為行、場同步信號。進一步減少了信號之間的干擾，提高了畫質，也提高了明暗信號的傳輸速率。




VGA端子

這種接口也就D-Sub(D-Subminiature)，由當時計算機界的帶頭大哥IBM在1987年推出VGA顯示標準的時候而廣泛應用。

VGA是非常適合當時個人計算機對顯示的需求的，它為個人電腦的普及做出了很大的貢獻，而且隨著用戶需求的提高而一直在得到更新和改進。

雖然VGA標準本身沒有任何帶寬上的限制，理論上也可以傳送高清甚至4K畫面，但是因為模擬信號不抗干擾，隨著分辨率和色深的提高，數據量越大的，畫質就越差，不能承擔傳輸更好畫面的任務。

4數字化的顯示接口

與此同時，以液晶顯示器LCD為代表的的平面顯示器開始興起！

LCD顯示器內部采用的是數字方式來處理視頻信號（只有最后發(fā)送到每個像素的電壓信號是模擬的），所以實際上對液晶顯示器來說，多次模/數轉換（ADC），數/模轉換（DAC）反復的轉化對畫質的影響很大，使得液晶顯示器無法發(fā)揮自己的潛力。

所以，業(yè)界急需一種新的數字信號的標準，顯示接口來到數字時代。

DVI（Digital Visual Interface）

DVI接口

雖然業(yè)界對于數字接口的需要非常迫切，但是當時世界上還存在大量的CRT顯示器，顯卡公司也不敢貿然只提供數字信號不提供模擬信號。這就要求新的數字接口要兼容VGA模擬信號，從而也導致DVI接口的種類非常多。 DVI接口有DVI-A、DVI-D、DVI-I，又可分為單通道與雙通道。 DVI-A（DVI-Analog）接口只傳輸模擬信號，實質就是VGA模擬傳輸接口規(guī)格，常用于轉接顯卡的DVI-I輸出到VGA顯示器接口。 DVI-D（DVI-Digital）接口是純數字接口，不兼容模擬信號。 DVI-I（DVI-Integrated）接口，兼容DVI-I和DVI-D兩種插頭，兼容數字和模擬信號。它們的接口形狀不同，如果接口不匹配就無法插入使用。



DVI種類 DVI成功的應用，使得電腦顯示技術進入數字時代、高清（HD)時代。 然而DVI也有不少缺點：

子標準太多，互相兼容性不好。

沒有嚴格的產品認證，產品質量參差不齊

不支持音頻，YUV，只能傳輸視頻信號，無法滿足電影、電視以及家庭影音的需求。

接口太大。

利益分配不公平。

5終將統一的顯示接口

電腦界業(yè)內終極夢想，希望能使用統一的接口，連接所有的外設（鼠標、鍵盤、打印機、音響）。在1994年由Intel、IBM、Compaq、Digital、微軟、NEC和Nortel一起制定了USB標準。USB標準現在得到廣泛的應用。 VESA(Video Electronics Standards Association)作為顯示領域的聯盟，同樣也希望有這一個統一的顯示標準。





當時常見的電腦桌面

不過，理想很豐滿，現實頗曲折。VESA這幫人想做而沒做成的事情，由Intel做到了。 更清晰的畫質，需要高清的視頻內容。視頻信號數字化以后，很容易復制拷貝。所以視頻內容生產商，比如好萊塢、?？怂埂h(huán)球、華納等公司非常擔心盜版的問題。因此，Intel振臂一呼，引入了HDCP(High-Band Digital Content Protection)機制。該機制可以防止內容被非法錄制、播放器和顯示器都必須支持HDCP才可以播放有版權保護的內容。 5.1HDMI（High-Definition Multimedia Interface）



標準HDMI接口

HDMI接口在2002年被提出，現在已經發(fā)展到HDMI 2.1標準，而且隨著行業(yè)發(fā)展，HDMI 2.1標準已經能夠支持4K 120Hz及8K 60Hz，支持高動態(tài)范圍成像（HDR），可以針對場景或幀數進行優(yōu)化，向后兼容HDMI 2.0、HDMI 1.4。最重要的是，HDMI支持視頻、音頻同時傳輸！

如今很多顯示器內置音箱，僅使用一根HDMI線，就可以完成圖像和聲音的傳輸。

HDMI在物理接口上，主要有標準HDMI接口、Mini HDMI接口和Micro HDMI接口。

HDMI常見接口分類

不過，HDMI也存在一個問題，那就是HDMI和DVI一樣都是由業(yè)內少數公司主導的標準，使用HDMI需要繳納較高的授權費。而且由于HDMI是一個封閉的組織，并沒有整個業(yè)界達成共識，沒有VESA這樣的行業(yè)組織認證。 從技術叫來說，HDMI和DVI都是基于TMDS技術，以幀為傳輸單位，還是沒有真正的數字化，沒有完全脫離傳統模式視頻傳輸的思維模式。 要想完成顯示接口與其他設備接口的完全統一，必須要讓視頻信號像普通數據一樣傳輸。換言之，一旦把視頻信號完全數據化后，再把顯示接口和USB接口統一，理論上來說就實現了所有外設的大一統了！

5.2 DP（Display Port）

歷史證明，要想實現統一的接口來連接所有設備，首先需要行業(yè)內的主流公司都參與其中，其次需要統一的通信方式，最后標準是開放的。（這種情形和改革開放、閉關鎖國有點類似喲）

DP接口

2003年，DELL基于LVDS技術研發(fā)了一種Display Port的協議，并于2005年提交給VESA，此時的VESA已不再是顯卡公司的組織了，而是包括蘋果、戴爾這樣的主機廠商已加入其中。2006年VESA正式發(fā)布了DP標準。

DP不需要TMDS或者LVDS特殊的邏輯協議，DP標準把信息打包成一個個小的數據包進行傳送，實現了視頻信號的完全數據化！

Display Port技術

除了技術的優(yōu)勢外，DP還有其他很多優(yōu)點：

DP是免費的，除了一個很低的入門會員費外，不收取任何專利費。

DP顯卡兼容現有的HDMI和DVI接口，只需要簡單的轉換頭。

DP得到行業(yè)的普遍支持，其標準可以得到持續(xù)更新。

DP傳輸的是純數據。

DP可以從顯示器獲取數據。

DP也支持HDCP。

目前最新版的DP是1.4版，最高支持每秒25.92G的傳輸速率、10位色深、BT.2020色域、8@60Hz、動態(tài)HDR。預計最新DP標準可以達到每秒64.8G的速率。

5.3 Thunderbolt雷電接口

Mini DP接口

因為DP與生俱來的可擴展性，很多電腦主機廠都非常積極地擁抱DP標準。蘋果在2008年開發(fā)了mini DP標準，替換DVI接口，使蘋果自家筆記本產品更輕薄。

不過，蘋果的目的不僅僅是讓筆記本變輕薄這么簡單，很快，由Intel主導、蘋果協助的Thunderbolt雷電接口標準發(fā)布，接口外形采用Mini DP，但實際上是借鑒DP與PCI Express(Peripheral Component Interconnect Express)兩種技術。

雷電協議

DP用于顯示，能夠同步傳輸1080P、最多8聲道音頻乃至4K視頻； PCI Express用于數據傳輸，可以很方便地擴展任何類型設備（包括但不限于外部存儲、聲卡、網卡甚至外接顯卡） 還有更重要的一點是，兩個通道獨立傳輸，互不干擾。 雷電接口已經發(fā)展到第三代。雷電1的速度達到10Gbps，雷電2的速度達到20Gbps，現在的雷電3達到40Gbps。 不過讓人容易混淆的是，雷電1和雷電2接口外形上是Mini DP，而雷電3采用的是USB Type-C。具備雷電傳輸功能的USB Type-C接口旁邊都會單獨標注閃電標志，以作區(qū)分。

雷電3（USB-C）

5.4 “大一統”的USB-C

各種USB接口

從2014年開始，DP、MHL、Thunderbolt、HDMI與USB-C兼容的協議陸續(xù)被發(fā)布，也就是說可以用USB-C外形的接口來傳輸DP、MHL、Thunderbolt和HDMI數據了。

2015年末，Intel發(fā)布了新的Thunderbolt 3標準，這個標準采用了USB-C的物理外形，可以傳送PCI Express信號、DP信號、USB信號。

USB-C接口

隨著移動設備的蓬勃發(fā)展，越來越多的終端采用USB-C接口，所以最終很有可能各家廠商不得不接受USB-C作為大一統接口了。