FullHD vs 4k и integer scaling: всегда ли 2 x 2 = 4?

_{«Лучше быть богатым и здоровым, чем бедным и больным»}
^{© Аксиома}

В статье Простой способ получения ”Flicker-Off”: «отключение» ШИМ мерцания подсветки LCD мониторов и телевизоров я обозначил несколько смежных тем, заслуживающих на мой взгляд отдельного разговора, который мы сейчас продолжим.

В этой статья с провокативным названием рассмотрим возможность подключения 4k монитора к относительно старому компьютеру без поддержки (или с неполной поддержкой) такого разрешения, более подробно поговорим о масштабировании изображения с integer scaling (цело­чис­ленным коэффи­циентом масштабирования), а также затронем другие связанные с этим вопросы.
— vs —

Конечно это весьма специфический круг вопросов, поэтому статья вряд ли будет интересна обладателям современных компьютеров, способных полноценно работать с 4k мониторами. Ну, если только убедиться в правильности своего выбора, о чём они и так наверняка знают :-)

А вот владельцев относительно старого «железа», которые собираются приобретать новый монитора «на вырост», с расчетом заменить остальное через годик-другой, или (как в моем случае) использующих с одним монитором несколько системных блоков, один из которых довольно старый — добро пожаловать под кат

Сразу оговорюсь, что статья не содержит однозначных рекомендаций по выбору и настройке в духе «делай раз, делай два...» — только информация, которая для многих может оказаться неочевидной, и из которой нужно будет сделать правильные для себя выводы, желательно до приобретения нового монитора, «чтобы потом не было мучительно больно».

Еще одна предварительная оговорка:
Да, я знаю о существовании мониторов с разрешением QHD (иногда неверно называемых 2k), но в силу ряда причин, которые будут понятны по ходу, в статье рассматривается противостояние именно FullHD vs 4k. Ну а в конце выводы можно будет сделать и для других разрешений.

Подключение LCD монитора к компьютеру

Как известно, LCD дисплеи дают качественное изображение только при разрешении сигнала, совпадающим с нативным разрешением их матрицы. В этом их отличие от аналоговых CRT дисплеев, одновременно и сильная, и слабая их сторона.

Сильная сторона в том, что при выводе изображения “пиксель-в-пиксель”* обеспечивается максимально высокое для данного монитора качество изображения, практически полностью соответствующее сигналу на выходе видеокарты. Нет никаких проблем с фокусировкой, сведением, резкостью и т.п., свойственных аналоговым CRT мониторам.

• Здесь и далее рассматривается цифровое подключение

А слабая сторона в том, что если изображение выводится не “пиксель-в-пиксель” (например, разрешение видеоинтерфейса не совпадает с нативным, имеется overscan и т.п.), то качество изображения катастрофически падает, и исправить это невозможно никакими способами. Такая вот загогулина...©

Для подключения монитора с 4k разрешением требуется цифровой видеоинтерфейс HDMI не ниже версии 2.0*, DisplayPort не ниже 1.2, или USB Type-C / Thunderbolt. Ну а подключение по DVI вообще не предусмотрено, переходников для DVI с разрешением 4k не существует.

• Можно подключить 4k монитор по HDMI 1.4, или DisplayPort 1.0, но в этом случае частота кадров будет 30Hz, но об этом чуть ниже.

И тут вылезает проблема старых (да и не очень старых) компьютеров — отсутствие соответствующих видеоинтерфейсов.

Например, некоторые видеокарты GeForce 900 Series имеют только HDMI 1.4, видеокарты AMD 2015 года тоже имеют лишь HDMI 1.4, да и на более новых высокоскоростной видеоинтерфейс не всегда распаян.

Возникает неприятная ситуация, когда не совсем старая видеокарта, вполне удовлетворяющая минимальным требованиям майнинга крипты современных игр, ну а тем более вполне пригодная для офисной работы, при приобретении 4k монитора требует замены на что-то более новое, пусть и даже более слабое в 3D, но с видеоинтерфейсом 4K@60.

Но «если нельзя, но очень хочется, то (может быть) можно»?
На этом остановимся подробнее.

2160 / 1080 = 2, или 2 x 2 = 4?

Многие конечно обращали внимание, что разрешение 4k ровно в два раза больше, чем FullHD* (ну а общее число пикселей соответственно в 4 раза больше).

• Здесь и далее говорим о мониторах с соотношением сторон 16:9. Для мониторов с другими пропорциями ситуация аналогичная.

Так может быть если на 4k монитор подать сигнал FullHD, то получится целочисленное масштабирование ровно в два раза, каждая строка FullHD сигнала ляжет ровно на две строки 4k матрицы, по столбцам тоже пиксель ляжет ровно на два пикселя, получится вывод “пиксель-в-2x2-пикселя”, и 4k монитор получит практически нативное изображение.

Просто, как «дважды два четыре»!

BINGO? Увы, нет…

На подавляющем большинстве 4k мониторов и телевизоров FullHD сигнал масштабируется в два раза по какому-то более сложному алгоритму, чем простейший Nearest neighbor (при котором получился бы вывод “пиксель-в-2x2-пикселя”), при этом затрагиваются не только соседние пиксели в строке (это бы ещё можно было назвать «сглаживанием»), но и соседние строки (а вот это уже печально).

И в результате изображение получается замыленным, размытым.

Рассмотрим следующую картинку с примерами отображения надписи шрифтом Arial 5pt на трех разных экранах:

• В верхней строке FullHD монитор, нативное разрешение, масштаб 100%
• В нижней строке 4k монитор, нативное разрешение, масштаб 200%
• Между ними 4k монитор, FullHD подключение, масштаб 100%

Поскольку рассмотреть артефакты изображений мониторов на экране другого монитора при 100% масштабе проблематично*, рассмотрим фрагмент этого изображения при 800% масштабе** (увеличение Nearest neighbor).

• Вспоминается баян про рекламу нового телевизора на экране старого

  
• Отметим, что тут не учитывается субпиксельный рендеринг шрифтов ClearType на LCD экране с RGB пикселем (за основу картинки взят screenshot вкладки Windows 10 с соответствующим шрифтом), в действительности на реальном LCD экране изображение должно оказаться немного лучше, но общее представление ИМХО можно сделать.

Впрочем, можно попробовать сравнить и реальные мониторы.

Например, в обзоре Test Monitor LG 43UD79-B приведены макрофото шрифтов на рассматриваемом мониторе при нативном и 1/3 от нативного разрешении (картинки кликабельные):

vs
^{Farbsäume treten nicht auf (Цветной бахромы нет) — и на том спасибо...}
Gif-ка для наглядности:


На форуме forum.ixbt.com/ в теме Мониторы с мелким пикселем и масштабирование Windows (там в т.ч. обсуждается и масштабирование мониторов) есть несколько пользовательских сравнений (последняя пара снимков моя).

Несколько пар снимков оттуда: в каждой паре первый — при нативном разрешении, второй — при половинном (картинки кликабельные)

vs

vs

vs

Ну а при желании каждый сможет сам убедиться, сделав подобную проверку на своем имеющемся мониторе.

Монитор необязательно должен быть 4k (хотя и 4k тоже подойдет ;-) ), главное, чтобы на нём была поддержка половинного разрешения.

Сначала включите нативное разрешение, и посмотрите, как выглядят шрифты (при желании сделайте макрофото), а потом включите половинное (540p для FullHD монитора, 720p для QHD, ну и т.д), и посмотрите, что при этом получится.

---

Эти, а также многие другие вопросы, связанные с целочисленным масштабированием при отображении на 4K-мониторах и 4K-теле­визорах, подробно рассматриваются статье Марата Таналина MTonly
Целочисленное масштабирование без размытия (integer scaling)
^{(статья от 2017-04-17, постоянно обновляется, нынешняя редакция о 2021-12-02)}
Картинки оттуда: — vs —
К этой статье мы еще будем возвращаться.

---

Ну а теперь традиционная рубрика, анонсированная пару веков классиками русской философии "Кто виноват?" и "Что делать?"

Кто виноват?

Во многом проблема похожа на имевшуюся 5-10 лет назад с FullHD телевизорами, которые при подключении к компьютеру умудрялись выводить изображение не “пиксель-в-пиксель” со всеми вытекающими из этого проблемами при попытке использовать их в качестве монитора.

Но если там это можно было объяснить конспирологическими заговорами изготовителей, производящих как мониторы, так и телевизоры («Зачем вам подключать телевизор к компьютеру, если мы вам можем предложить купить у нас еще и отдельный монитор?»), то в случае с 4k мониторами с подключением FullHD подобная логика не срабатывает. Скорее наоборот — многие потенциальные покупатели, готовые купить 4k монитор к своему старому компьютеру вынуждены ждать или апгрейда своего компьютера, или появления 4k мониторов с целочисленным масштабированием.

Возможно, что как и в случае с FullHD телевизорами, производители мониторов в один прекрасный момент зададутся вопросом как в анекдоте: «А что, так можно было?», и научат свои 4k мониторы integer scaling.

Впрочем, постепенно такие мониторы уже появляются. В статье Марата Таналина есть специальная рубрика Прогресс: Мониторы, которая постепенно начинает наполняться, пока к сожалению слишком медленно, но обычные пользователи могут попробовать это ускорить.

Что делать?

Но это всё в будущем, а что делать, если уже сейчас хочется приобрести 4k монитор, а имеющийся компьютер не имеет соответствующего видеоинтерфейса.

Попробуем рассмотреть несколько возможных сценариев действий (список открытый):

---

• Приобрести 4k монитор одновременно с новым компьютером (или после его приобретения)

Это конечно идеальный вариант, соответствующий эпиграфу статьи «Богатым и здоровым быть лучше, чем бедным и больным», но увы, не всегда реализуемый по экономическим причинам.

---

• Приобрести 4k монитор, одновременно поменяв видеокарту в имеющемся компьютере на современную (путь и не самую мощную)

Это безусловно дешевле, чем предыдущий сценарий, но при нынешних ценах стоимость средней игровой видеокарты может составлять как минимум треть, а то и половину стоимости нового домашнего компьютера, и вполне сопоставима с ценой 4k монитора (а то и существенно больше).
Так что единовременные затраты хоть и окажутся несколько меньше, чем в предыдущем сценарии, но всё равно весьма существенными, практически вдвое больше стоимости собственно самого 4k монитора.

Кроме того, новая видеокарта, которую хотелось бы иметь на будущем компьютере, в который она со временем могла бы перейти, может оказаться несовместимой с имеющимся системным блоком, и поэтому придется искать какое-то компромиссное решение, и этот компромисс потом перекочует в новый компьютер.

Конечно можно временно взять видеокарту-“затычку” для PCI-E, и какое-то время использовать её.

Но во-первых такая “затычка” тоже небесплатная (нам ведь нужна достаточно современная “затычка”, с 4k видеоинтерфейсом).

Во-вторых если имеющаяся старая видеокарта относительно мощная, то по сути такой ugrade в отношении 3D приложений получится downgrade-ом. А если перспектива приобретения нового компьютера ограничивается не несколькими месяцами, а годом/годами, то всё получается совсем печально…

Ну а в третьих, после приобретения нового компьютера эта “затычка” окажется не нужна, т.е. по сути это дополнительные расходы (да, я знаю о существовании Avito, но «это другая история»).
Словом, тут есть над чем подумать…

---

• Вместо 4k монитора приобрести QHD монитор, который сможет работать с имеющимся компьютером

Это наверное был бы оптимальный сценарий в данной ситуации, если исходить только из рациональности решения.

Но вот эмоционально… А что если все-таки хочется именно 4k монитор. Все-таки такие приобретения должны приносить и эмоциональное удовлетворение.

Кроме того, в некоторых случаях QHD монитор даст только количественное, но не качественное улучшение восприятия.

Например, как я уже цитировал себя в первой статье

Мониторы для чувствительных глаз (часть 2), #4702
...Samsung LT T32E310EX… С рабочего расстояния порядка 55-65см (вытянутой руки) пиксель 0.36 вижу, но «не замечаю»...

Но если приглядываться, то на 32" экране QHD монитора я тоже могу разглядеть пиксельную решетку (впрочем, ее я тоже «вижу, но не замечаю»).

Но при приобретении нового монитора мне хотелось бы качественного изменения, чтобы и не видеть, и не замечать…

Но повторяю, это очень индивидуально, и то, что нравится/не-нравится мне (ну, или кому-то еще) совершенно необязательно должно нравиться/не-нравится всем.

То же и с усталостью глаз.

Для меня например более комфортны были неслаженные шрифты Windows XP, и я с трудом переходил на сглаженные, когда последние версии браузеров под Windows XP стали некорректно отображать свои шрифты при отключенных настройках сглаживания.

Но если уж сглаженные, то ClearType с субпиксельным рендерингом (тут я разницу замечаю).

Но именно сглаженные, а не размытые, как в случае 4k монитора без integer scaling при FullHD сигнале* — тут я разницу и вижу, и замечаю.

• Отметим, что на 4k мониторах с integer scaling обычный субпиксельный рендеринг шрифтов ClearTupe работать не будет из-за «нестандартной» структуры суммарного “2x2-пикселя”

И тут мы переходим к четвертому сценарию:

---

• Приобрести 4k монитор, подключив его к старому компьютеру по FullHD интерфейсу

Ну что же, такой сценарий тоже имеет право на существование.

В этом случае главное — заранее убедиться, что Вы действительно «не замечаете» замыливание шрифтов (воспринимаете его, как сглаживание), и САМОЕ ГЛАВНОЕ — убедиться, что у Вас при этом не устают глаза.

У меня при работе на таком мониторе глаза начинают уставать буквально через полчаса-час (хотя тут может играет роль чужой монитор с чужими непривычными для меня настройками), но замыленные шрифты на нём я и вижу, и замечаю.

Проверять это конечно желательно до приобретения монитора, и не за 5 минут в демонстрационном зале магазина на неизвестно как настроенном мониторе. Я понимаю, что с этим могут быть проблемы, ведь не у каждого юзверя есть свободный доступ к 4k монитору, на котором он мог бы несколько часов свободно поработать, экспериментируя с настройками, разрешениями и т.п., но тут уже каждый должен искать сам.

Ну а если изображение на 4k мониторе при FullHD сигнале Вас не устраивает, и устают глаза, то не всё еще потеряно — есть пятый сценарий:

---

• Приобрести 4k монитор, подключить его к старому компьютеру по 4k видеоинтерфейсу с частотой кадров 30 FPS

Как мы уже говорили в самом начале, старые версии HDMI и DisplayPort в принципе официально поддерживают вывод 4k сигнала, но только с частотой кадров 24-25-30 Hz.

Главное, чтобы видеокарта компьютера согласилась отдать, а 4k монитор согласился работать с сигналом такой частоты. Хотя теоретически проблем с этим быть не должно, но…

Конечно 25 Hz или 30 Hz это уже может быть заметно даже при офисной работе или веб-сёрфинге (например, при скроллинге) — ощущение, что ваш компьютер резко постарел, но тут уже выбирать не приходится.*

Ну а в играх в можно переключиться на меньшее разрешение и соответственно большую частоту.

• Однако существуют твики, о который следующий сценарий

---

• Приобрести 4k монитор, подключить его к старому компьютеру по 4k видеоинтерфейсу, и с помощью твиков увеличить частоту кадров более 30 FPS

Тут мы вступаем в область шаманства, усидчивости, прямизны рук, и везения.

Но результат может стоить того.

Например в статье Используем высокие разрешения на неподдерживающих их видеокартах ValdikSS подробно описывает, как ему удалось подключить 4k монитор Dell P2415Q к старому лаптопу Lenovo ThinkPad X220 в режиме 4k@44.1, что уже подходит для комфортной работы.

Но для этого и 4k монитор должен согласиться с такой частотой работать (хотя и не обязан).
В общем, тут много неизвестных…

Можно ли заранее рассчитывать на такой сценарий при покупке 4k монитора?

Если вы знаете, как работать с таймингами, и вы готовы попрактиковаться с этим на имеющемся мониторе, то может быть…

В конце концов в случае неудачи у вас останется предыдущий сценарий.

---

• Есть ещё одно паллиативное решение, которое может позволить еще несколько поднять частоту кадров — попробовать переключить видеоинтерфейс из цветовой субдискретизации 4:4:4 в 4:2:2.
  
  Конечно в обычных условиях это КРАЙНЕ НЕЖЕЛАТЕЛЬНО, поскольку при этом вдвое снижается цветовое разрешение по горизонтали, но зато это существенно снижает необходимую полосу пропускания видеоинтерфейса, и в сочетании с вышеописанным методом теоретически это может позволить еще несколько поднять частоту кадров.
  
  Моя статья, посвященная обратной задаче Тест для проверки цветового разрешения монитора или телевизора при подключении к компьютеру по цифровому видеоинтерфейсу (в данном случае «прочитай, и сделай всё наоборот»).
  
  Тестовая картинка оттуда
  
  
  
  
  Если же ничего не получится, то обязательно нужно вернуть эту настройку назад, поэтому повторю еще раз, что в общем случае режим 4:2:2 крайне нежелательный, при этом вдвое снижается цветовое разрешение по горизонтали, и кроме того на цветных шрифтах/фонах могут возникнуть цветные ореолы, но на мониторах с очень мелким пикселем это может оказаться не очень заметным, зато может помочь несколько поднять частоту кадров.
  
  Во всех остальных случаях должен быть исключительно режим 4:4:4

Ну и наконец последний сценарий поведения:

---

• Отложить на какое-то время приобретение 4k монитора, и ждать

• Ждать, когда рано или поздно Вы поменяете свой компьютер на новый, с современным видеоинтерфейсом;

или

• Ждать, когда Вы в своем имеющемся системном блоке проведете плановую замену видеокарты на более современную;

или

• Ждать, когда у Вас отпадет необходимость использования одного из старых системных блоков, который пока сохраняется в Вашем (и в частности моём) зоопарке;

или

• Ждать, когда появится подходящий 4k монитор с Integer scaling, который вы сможете более-менее безболезненно подключить в FullHD режиме к вашему старому компьютеру.

Что я собственно пока и делаю...

---

₽.$.

Всё вышесказанное носит дискуссионный характер, надеюсь на конструктивное обсуждение…

---

^{Автор благодарит MTonly за помощь в подготовке этого материала}

---

_{Другие мои публикации из этого цикла:
🖥️ Оптимальное расстояние до рабочего монитора vs экрана телевизора (мультимедийного монитора)
🖥️ Освещённость рабочего места, backlight, яркость экрана vs усталость глаз
🖥️ Простой способ получения ”Flicker-Off”: «отключение» ШИМ мерцания подсветки LCD мониторов и телевизоров
🖥️ Тест для проверки цветового разрешения монитора или телевизора при подключении к компьютеру по цифровому видеоинтерфейсу
🖥️ Метод самостоятельного определения времени отклика LCD экрана монитора или телевизора}