HDMI 2.0 vs. HDMI 2.1
HDMI 2.0 versus HDMI 2.1
Die resultierende Qualität eines Videosignals nimmt immer mehr an Bedeutung zu, da die Verwendung von Videos immer mehr Anteil in unserem Leben einnimmt.
HDMI oder besser „High Definition Multimedia Interface“ wurde bereits im Jahr 2002 als Medium zur Übertragung von hochauflösenden Video- und Audiosignalen über ein einziges Kabel eingeführt. Im Laufe der Zeit wurden immer mal wieder kleinere Änderungen vorgenommen, die die Qualität leicht verbessern konnten aber erst vor kurzem wurde eine komplett neue Version vorgestellt: HDMI 2.1!
Die generellen Neuerungen von HDMI 2.1 versus HDMI 2.0
Die wesentlichste Änderung zwischen diesen beiden Formaten ist die resultierende Bandbreite. HDMI 2.0 ist mit einer zugewiesenen Bandbreite von 18 Gbit/s ausgestattet. HDMI 2.1 bietet dagegen eine 2,6mal höhere Bandbreite mit 48 Gbit/s.
Diese Steigerung ist hauptsächlich auf die erhöhte Anzahl von Kanälen und die unterstützte Bandbreite auf jedem Kanal zurückzuführen. HDMI 2.0 (klassifiziert als HD = Hochgeschwindigkeit) verwendet drei Datenkanäle mit jeweils 6 Gbit/s, wobei ein zusätzlicher Kanal das TMDS-Taktsignal unterstützt. Zusammen kann die Bandbreite auf diesen drei Kanälen bis zu 18 Gbit/s erreichen.
TMDS steht für „Transition-Minimized Differential Signaling“ und ist ein von Silicon Image entwickelter Schnittstellenstandard zur seriellen Übertragung digitaler Videosignale. Anwendung findet dieser Standard bei Schnittstellen wie „Digital Visual Interface“ (DVI) und „High-Definition Multimedia Interface“ (HDMI).
Die HDMI 2.1 Spezifikation - klassifiziert als UHD = Ultrahochgeschwindigkeit - verdoppelt die Bitrate pro Kanal auf 12 Gbit/s und ersetzt auch den TMDS-Taktkanal als zusätzlichen Datenkanal. Dies ist möglich, da diese neue HDMI-Spezifikation jetzt eine paketbasierte Datenübertragung verwendet, bei der ein eigenes Taktsignal eingebettet wird. Mit vier Kanälen, die je 12 Gbit/s übertragen, sind jetzt 48 Gbit/s möglich.
1. Fixed Rate Link (FRL) und Link Training
Da die neue HDMI-Spezifikation keine eigene Spur für das Taktsignal mehr benötigt (kein TMDS), nutzt HDMI 2.1 die sogenannte Fixed Rate Link – kurz FRL.
FRL ist erforderlich, um höhere unkomprimierte Auflösungen wie oberhalb von 4k60 sowie Ultrahochgeschwindigkeitsbandbreiten von bis zu 48 Gbit/s zu erreichen. Es ist auch für den komprimierten Videotransport erforderlich, der wiederum den Betrieb mit niedrigeren Datenraten, beispielsweise 4k60, und Videos mit ultrahoher Pixelrate wie 10K120 ermöglicht.
FRL ist die Voraussetzung, dass VRR, Link Training und Dynamic HDR genutzt werden können. Es ist abwärtskompatibel zu früheren HDMI 2.0-Signaltypen durch den Rückgriff auf die TMDS-Methode, wobei FRL nicht mehr unterstütz wird. Unter HDMI 2.1 gibt es 6 FRL-Typen, von denen jeder mehr Bandbreite und Signalvariationen unterstützt.
2. Mehr Dynamik
Aufgrund der erhöhten Bandbreite hat sich die Videoqualität mit dieser neuen Spezifikation erheblich verbessert. Während HDMI 2.0 eine 4K-Auflösung bei 60 Bildern pro Sekunde unterstützt, liefert HDMI 2.1 nun 4K bei 120 Bildern pro Sekunde, 8K bei 60 Bildern pro Sekunde sowie Auflösungen von bis zu 10K. Diese 8K-Auflösung verbessert die bekannte 4K-Qualität um ein Vierfaches – nämlich auf 7.690 x 4.320 Pixel.
3. Verbesserte Unterstützung durch HDR auf Dynamic HDR
HDR steht für „High Dynamic Range“ und ist eine Technologie, um Farben und Kontraste kräftiger darstellen zu können. HDR-Bilder bieten gegenüber normalen SDR-Bildern eine gleichmäßige Helligkeit sowie starke Kontraste und Farben.
Bei Dynamic HDR kann das Display seinen Kontrast und seine Helligkeit Bild für Bild ändern. Anstelle vom statischen HDR (HDMI 2.0 verwendet hier HDR10 – hier werden die Metadaten einmal angewendet, um das Display entsprechend anzupassen), wendet Dynamic HDR die Metadaten nun Bild für Bild und damit immer wieder aktualisiert an.
4. HDMI 2.1 – der Traum aller Gamer
Im Gegensatz zu HDMI 2.0-Kabel verfügt HDMI 2.1 über weitere Funktionalitäten, die die Bild- und Videoleistung – speziell für Gamer – deutlich verbessern. HDMI 2.1 enthält beispielsweise „VRR“. VRR steht für „Variable Refresh Rate“ und hat die Aufgabe die Bildverzögerung zu verringern, während ein 3D-Grafikprozessor das Bild zum Zeitpunkt der Wiedergabe anzeigen kann, um so ein flüssigeres Bilderlebnis zu erzielen. Mit VRR kann der Bildschirm angepasst werden, wie oft das Bild aktualisiert wird, um es an die Bildrate des angezeigten Inhalts anzupassen.
Der neue Fixed Rate Link-Modus garantiert eine wesentlich stabilere Videoübertragung über Kabel, idem auf eine stabile Vorwärtsfehlerkorrektur zusammen mit einem Link-Training-Protokoll, das gegebenenfalls die Link-Rate anpasst, zurückgegriffen wird.
Link Training ist nichts Neues, es wird bereits in der Ethernet- und DisplayPort-Welt eingesetzt. Link Training trifft Entscheidungen über die Leistung des HDMI-Signals, es erkennt beispielsweise, wenn ein angeschlossenes Gerät das Signal nicht weiterleiten kann. In diesem Fall verringert Link Training das HDMI-Signal, damit es erfolgreich weitergeleitet werden kann.
FRL definiert Signale anhand der Anzahl der Lanes und ihrer kombinierten Lane-Raten und verfügt über sechs mögliche FRL-Raten, bestehend aus drei bis vier Lanes mit einer Lane-Rate von 3–12 Gbit/s (siehe nachfolgende Tabelle). Insbesondere wird FRL immer versuchen, den Durchsatz basierend auf den Senken-Kapazitäten und letztendlich der maximalen Kapazität der Verbindung (Kabel) mithilfe von Link-Training zu maximieren und jede Spur behält eine feste Datenrate bei, anstatt bei den vorherigen HDMI-Versionen TMDS-Kanäle mit variierender Datenrate. Außerdem bettet FRL den TMDS-Taktkanal direkt in das HDMI-Signal ein und ermöglicht so Funktionen wie variable Bildwiederholfrequenz, dynamisches HDR und mehr. Allerdings ist HDMI 2.1 nicht völlig anders, da FRL abwärtskompatibel mit niedrigeren Datenraten ist und auf herkömmliches TMDS zurückgreift, wenn FRL nicht unterstützt wird. Im Fallback-Modus ist TMDS in der Lage, alle Signale bis FRL2 zu verarbeiten. Obwohl ein Gerät möglicherweise eine bestimmte FRL-Rate unterstützt, unterstützt es möglicherweise nicht alle möglichen Videosignale.
Sehr interessant sind auch die resultierenden Ergebnisse der „High Frame Rate“ – kurz HFR! Die Aktualisierung gibt an, wie oft ein Signal in einer Sekunde neue Daten empfängt. Die meisten Filme und Fernsehsendungen werden 24 bis 30-Mal pro Sekunde aktualisiert. Dies wird als FPS (Frames per Second) bezeichnet.
Film- und Spieleentwickler können dank VRR im Handumdrehen von 24 Bildern pro Sekunde auf 60 oder sogar 120 Bilder pro Sekunde - beispielswiese in einer sich schnell bewegenden Actionszene - umschalten. So wird ein zusätzliches dynamisches Erlebnis für den Zuschauer geschaffen. Mit VRR können nun die Bilder pro Sekunde während eines Spiels oder eines Films mehrfach geändert werden, während HFR für gestochen scharfe Bilder sorgt. HDMI 2.1 ermöglicht 120 FPS und verdoppelt damit die Fähigkeiten von HDMI 2.0
5. Verbesserte Audioübertragung Dank eARC
HDMI 2.0 nutzt die Funktion „Audio Return Channel“ (ARC), die Audiosignale über einen Anschluss sendet und empfängt, sodass ein Kabel beispielsweise das Audiosignal vom Display/Fernseher zurück an einen Receiver oder ein anderes Lautsprechersystem senden kann. Dadurch ist die Audioqualität deutlich eingeschränkt, da die Bandbreite für die Audioübertragung minimiert ist.
HDMI 2.1 nutzt im Gegensatz dazu „eARC“, diese Abkürzung steht für „enhanced Audio Return Channel“. Hier ist die Audioqualität deutlich verbessert, da die zugewiesene Bandbreite nun 37 Mbit/s beträgt. Mit der HDMI 2.1-Spezifikation können nun mehr Audioinhalte durch das Kabel geroutet werden und die Qualität wird somit deutlich verbessert. eARC unterstützt auch Atmos und DTS-X.
6. Der “Auto Low Latency Mode” (ALLM)
Ist dann vor allem sehr von Vorteil, wenn man mit Signalen arbeitet, die mit möglichst geringer Latenz zur Anzeige gelangen müssen. Das Quellenmaterial teilt dann dem angeschlossenen Display/Fernseher automatisch mit, dass ALLM aufgerufen wird und ändert so die Einstellung der Anzeige, um die niedrigste Latenz zu bewältigen. Dann wechselt das Display automatisch in den „Spielemodus“, bei dem genau diese extrem geringe Latenz benötigt wird. Wenn man mit dem ALLMode durch ist, wechselt das Display/Fernseher wieder in den vorherigen Anzeigemodus. Im Spiele-Modus gibt es keine Farb- und auch keine Kontrastkorrektur.
Die Entwicklungsgeschichte von HDMI
Jede neue HDMI-Evolutionsstufe ist zumeist drei bis vier Jahre voraus. Die ersten Geräte, die diese neue Technologie nutzen sind üblicherweise professionelle Kameras und Animationssoftware. Erst danach geht diese Technologie auch langsam auf die Consumer-Geräte über.
Obwohl die HDMI 2.1-Spezifikation bereits im Jahr 2017 veröffentlicht wurde, gab es bis zur ersten Veröffentlichung der xBOX Series X und der Playstation 5 (kurz PS5) – beide im November 2020 - noch keine Consumer-Geräte, die diese Technologie nutzten. Und dennoch wurden diese Konsolen beispielsweise im Jahr 2022 mehr als 25 Millionen-Mal verkauft.
HDMI 1.4
HDMI 2.0
HDMI 2.1
Mehr Daten bedeuten höhere Bandbreiten!
Der Wunsch ist es, dass das Videobild dem menschlichen Sehen so nahe wie möglich kommt. Dazu sind aber viele Daten notwendig, damit dies nur annähernd funktioniert. Die resultierende Videoqualität wird durch die folgenden Metriken bestimmt und diese in der Summe benötigen mehr Bandbreite:
1. Großer Dynamikbereich
Dynamikbereich nennt man den Bereich von dunkel bis hell. HDR hat beispielsweise diesen resultierenden Bereich um den Faktor 10 oder mehr verbessert und das menschliche Sehen auf dem Videodisplay so optimiert nachgeahmt. HDR ist der Unterschied zwischen Schwarz und Weiß. Je größer dieser ist, umso wirkungsvoller ist das Resultat. Heutige Kameras sind in der Lage volle Farben und Kontraste einzufangen, doch durch die Nachbearbeitung und den angeschlossenen Displays geht viel vom Originalbild verloren.
Welche HDR-Formate gibt es?
Es gibt viele verschiedene Arten von HDR-Metadaten, aber sie alle bewirken das Gleiche: Sie aktivieren die HDR-Farben in einem Bild, um die möglichen Farben auf dem Bildschirm von Millionen auf Milliarden zu erweitern. Folgende HDR-Formate gibt es aktuell: HDR 10, HDR 10+, Dolby Vision und HLG.
HDR/HDR10
HDR steht wie schon gesagt für „High Dynamic Range“. Vereinfacht gesagt, stellen Displays oder Fernseher durch die Technologie einen überdurchschnittlich hohen Kontrast und ein breiteres Farbspektrum dar. Dadurch wirken Filme natürlicher und in besonders dunklen oder hellen Bereichen sind mehr Details sichtbar.
Das Verfahren HDR10 überträgt die Metadaten für HDR nur einmal für den gesamten Film (also statisch). Wenn in dem Film zum einen sehr helle und zum anderen sehr dunkle Szenen vorkommen, dann stellt die Voreinstellung nur einen Kompromiss dar.
HDR10 arbeitet mit einer maximalen Helligkeit von 1.000 Nits und hat eine Farbauflösung von 10 Bit – daher auch der Name. Eine Milliarde Farbtöne lassen sich auf diese Weise darstellen. Beim klassischen HDTV waren es noch 16 Millionen.
HDR10 ist frei zugänglich und deshalb auch am weitesten verbreitet. Es wird auch von Streaming-Diensten wie Netflix oder auch Amazon Video unterstützt.
Dolby Vision
Wie der Name bereits verrät, ist Dolby Vision ein Eigenprodukt von Dolby Laboratories, welches grundsätzlich ebenfalls auf HDR (High Dynamic Range) aufbaut. Allerdings sind die Zusatzinformationen bei Dolby Vision dynamisch. Das heißt: Der Bildingenieur kann die Steuersignale von Szene zu Szene anpassen – wenn es sein muss sogar von Bild zu Bild. Hier müssen u.a. dunkle und helle Bereiche keinen Kompromiss eingehen. Dolby Vision ist aber abwärtskompatibel zu aktuellen SDR-Geräten.
Dolby arbeitet mit 12 Bit, was einem Sprung auf 68 Milliarden Farben entspricht. Zudem ist eine maximale Helligkeit von 10.000 Nits möglich. Ein Display bzw. Fernseher mit Dolby Vision interpretiert die Metadaten so, wie es für den Bildeindruck am besten ist – ganz gleich, wie viele Nits oder Farben sein Display schafft.
Da Dolby nicht umsonst arbeitet, müssen Hersteller für TVs oder Set Box Geräten eine Gebühr zahlen, die Studios hingegen aber nicht.
HDR10+
HDR10+ bzw. HDR10 Plus ist ein Format von Samsung und Amazon Video. Das Format wurde als Kontrast zu Dolby Vision entwickelt, anders als jenes ist HDR10+ allerdings lizenzfrei. Lediglich ein administrativer Beitrag muss gezahlt werden. Im Prinzip erweitert es HRD-10, das statische Metadaten enthält, um dynamische Metadaten. Auch hier ist das Signal 10 Bit. Genau wie Dolby Vision ist auch HDR10+ abwärtskompatibel.
HLG - Hybrid-Log Gamma
Bei Hybrid-Log Gamma (HLG) handelt es sich um ein lizenzfreies HDR-Format, das in erster Linie einen neuen Übertragungsweg für HDR beschreibt: Es wurde speziell für das Ausstrahlen von Kabel- und Satellit-Programmen geschaffen. Das Ziel ist es, die Inhalte verschiedener Streaming-Portale sowie HDR-Inhalte über Kabel in bestmöglicher Qualität auszustrahlen. Entwickelt wurde dieses Format von der britischen BBC und dem japanischen Sender NHK.
Wie von anderen Formaten bekannt ist auch bei HLG das Ziel, Bildinformationen möglichst natürlich und authentisch wiederzugeben, hier wieder mit einem 10 Bit-Signal. Weiterhin werden die Metadaten so erstellt bzw. den Ultra HD-Sendern ein Videostream der Art bereitgestellt, dass die Inhalte von SDR- und HDR-Geräten empfangbar sind. Somit lassen sich die HLG-Bilder von HDR/4K-Fernsehern als auch von SDR-fähigen Modellen abspielen.
2. Mehr Farbe
BT.2020 ist das Ziel! BT.2020 ist eine ITU-R Empfehlung und definiert verschiedene Aspekte für Ultra-High-Definition TV wie Bildschirmauflösung, Bildfrequenz, Farbunterabtastung, Farbtiefe und der wichtigste Aspekt die Farbraumabdeckung. Die gebräuchlichsten Farbräume innerhalb des CIE 1931 Farbraumes sind, geordnet nach ihrem Umfang, sRGB, Adobe RGB und DCI-P3. Der BT.2020 Farbraum ist noch umfangreicher und erlaubt besonders natürliche Farben.
Was ist der CIE 1931 Farbraum?
Hierbei handelt es sich um einen Farbraum, welcher in einem Koordinatensystem angelegt ist. Seine äußersten Punkte liegen im blauen, roten und grünen Bereich. Dabei sind Blau und Rot als Ecken angelegt, während Grün eine Kurve beschreibt. Die hat eine physikalisch begründete Bedeutung. Die Übergänge zwischen den verschiedenen Farben des Lichts sind fließend und richten sich nach seiner Wellenlänge. Die Kurve von Blau über Grün zu Rot folgt genau den Spektralfarben, also den Wellenlängen des natürlichen Lichts, wie es in einem Regenbogen sichtbar wäre. Der CIE 1931 Farbraum deckt somit zumindest in der Theorie alle Farbwerte ab, die das menschliche Auge wahrnehmen kann.
3. Bessere Farbe
HDR erfordert laut Spezifikation eine tiefe Farbsättigung. Dies führt zu sanfteren Farbverläufen und beseitigt Streifenbildung, was zu einem realistischeren Ergebnis führt. Je höher die Bitrate, desto bessere Farben kann man auf dem Bildschirm anzeigen. Die BT.2020 empfiehlt eine Farbtiefe von entweder 10 oder 12 Bits pro Abtastwert. Die höhere Bitrate liefert eine größere Datenmenge und dadurch erhält man bessere Farben auf dem Bildschirm, Farbverläufe laufen gleichmäßiger und Streifenbildung wird weitestgehend eliminiert.
4. Hohe Aktualisierungsrate bzw. Bildwiederholungsfrequenz
Bei modernen Displays und TVs spielt die Bildwiederholfrequenz eine wichtige Rolle. Diese gibt an, wie viele Einzelbilder pro Sekunde (englisch: frames per second) angezeigt werden. Sie ist daher ein Kennzeichen für die Geschwindigkeit des Gerätes, denn je höher diese Frequenz ist, umso flüssiger erscheint das Bild für das menschliche Auge.
Dies ist die Schärfe des Bildes. In Kombination mit den bereits genannten Messwerten bildet die Auflösung das letzte Teil des Sehschärfe-Puzzles. Und obwohl es wichtig ist, besteht der größte Vorteil nur darin, dass wir uns größeren Bildschirmen nähern können. Und HDMI 2.1 ist nicht nur 8K, es umfasst 1.080p, 4K, 5K, 8K, 10K und alles dazwischen.
5. Hohe Auflösung
Dies ist die Schärfe des Bildes. In Kombination mit den bereits genannten Messwerten bildet die Auflösung das letzte Teil des Sehschärfe-Puzzles. Und obwohl es wichtig ist, besteht der größte Vorteil nur darin, dass wir uns größeren Bildschirmen nähern können. Und HDMI 2.1 ist nicht nur 8K, es umfasst 1.080p, 4K, 5K, 8K, 10K und alles dazwischen.
Die resultierende Qualität eines Videosignals nimmt immer mehr an Bedeutung zu, da die Verwendung von Videos immer mehr Anteil in unserem Leben einnimmt.
HDMI oder besser „High Definition Multimedia Interface“ wurde bereits im Jahr 2002 als Medium zur Übertragung von hochauflösenden Video- und Audiosignalen über ein einziges Kabel eingeführt. Im Laufe der Zeit wurden immer mal wieder kleinere Änderungen vorgenommen, die die Qualität leicht verbessern konnten aber erst vor kurzem wurde eine komplett neue Version vorgestellt: HDMI 2.1!
Die generellen Neuerungen von HDMI 2.1 versus HDMI 2.0
Die wesentlichste Änderung zwischen diesen beiden Formaten ist die resultierende Bandbreite. HDMI 2.0 ist mit einer zugewiesenen Bandbreite von 18 Gbit/s ausgestattet. HDMI 2.1 bietet dagegen eine 2,6mal höhere Bandbreite mit 48 Gbit/s.
Diese Steigerung ist hauptsächlich auf die erhöhte Anzahl von Kanälen und die unterstützte Bandbreite auf jedem Kanal zurückzuführen. HDMI 2.0 (klassifiziert als HD = Hochgeschwindigkeit) verwendet drei Datenkanäle mit jeweils 6 Gbit/s, wobei ein zusätzlicher Kanal das TMDS-Taktsignal unterstützt. Zusammen kann die Bandbreite auf diesen drei Kanälen bis zu 18 Gbit/s erreichen.
TMDS steht für „Transition-Minimized Differential Signaling“ und ist ein von Silicon Image entwickelter Schnittstellenstandard zur seriellen Übertragung digitaler Videosignale. Anwendung findet dieser Standard bei Schnittstellen wie „Digital Visual Interface“ (DVI) und „High-Definition Multimedia Interface“ (HDMI).
Die HDMI 2.1 Spezifikation - klassifiziert als UHD = Ultrahochgeschwindigkeit - verdoppelt die Bitrate pro Kanal auf 12 Gbit/s und ersetzt auch den TMDS-Taktkanal als zusätzlichen Datenkanal. Dies ist möglich, da diese neue HDMI-Spezifikation jetzt eine paketbasierte Datenübertragung verwendet, bei der ein eigenes Taktsignal eingebettet wird. Mit vier Kanälen, die je 12 Gbit/s übertragen, sind jetzt 48 Gbit/s möglich.
1. Fixed Rate Link (FRL) und Link Training
Da die neue HDMI-Spezifikation keine eigene Spur für das Taktsignal mehr benötigt (kein TMDS), nutzt HDMI 2.1 die sogenannte Fixed Rate Link – kurz FRL.
FRL ist erforderlich, um höhere unkomprimierte Auflösungen wie oberhalb von 4k60 sowie Ultrahochgeschwindigkeitsbandbreiten von bis zu 48 Gbit/s zu erreichen. Es ist auch für den komprimierten Videotransport erforderlich, der wiederum den Betrieb mit niedrigeren Datenraten, beispielsweise 4k60, und Videos mit ultrahoher Pixelrate wie 10K120 ermöglicht.
FRL ist die Voraussetzung, dass VRR, Link Training und Dynamic HDR genutzt werden können. Es ist abwärtskompatibel zu früheren HDMI 2.0-Signaltypen durch den Rückgriff auf die TMDS-Methode, wobei FRL nicht mehr unterstütz wird. Unter HDMI 2.1 gibt es 6 FRL-Typen, von denen jeder mehr Bandbreite und Signalvariationen unterstützt.
2. Mehr Dynamik
Aufgrund der erhöhten Bandbreite hat sich die Videoqualität mit dieser neuen Spezifikation erheblich verbessert. Während HDMI 2.0 eine 4K-Auflösung bei 60 Bildern pro Sekunde unterstützt, liefert HDMI 2.1 nun 4K bei 120 Bildern pro Sekunde, 8K bei 60 Bildern pro Sekunde sowie Auflösungen von bis zu 10K. Diese 8K-Auflösung verbessert die bekannte 4K-Qualität um ein Vierfaches – nämlich auf 7.690 x 4.320 Pixel.
3. Verbesserte Unterstützung durch HDR auf Dynamic HDR
HDR steht für „High Dynamic Range“ und ist eine Technologie, um Farben und Kontraste kräftiger darstellen zu können. HDR-Bilder bieten gegenüber normalen SDR-Bildern eine gleichmäßige Helligkeit sowie starke Kontraste und Farben.
Bei Dynamic HDR kann das Display seinen Kontrast und seine Helligkeit Bild für Bild ändern. Anstelle vom statischen HDR (HDMI 2.0 verwendet hier HDR10 – hier werden die Metadaten einmal angewendet, um das Display entsprechend anzupassen), wendet Dynamic HDR die Metadaten nun Bild für Bild und damit immer wieder aktualisiert an.
4. HDMI 2.1 – der Traum aller Gamer
Im Gegensatz zu HDMI 2.0-Kabel verfügt HDMI 2.1 über weitere Funktionalitäten, die die Bild- und Videoleistung – speziell für Gamer – deutlich verbessern. HDMI 2.1 enthält beispielsweise „VRR“. VRR steht für „Variable Refresh Rate“ und hat die Aufgabe die Bildverzögerung zu verringern, während ein 3D-Grafikprozessor das Bild zum Zeitpunkt der Wiedergabe anzeigen kann, um so ein flüssigeres Bilderlebnis zu erzielen. Mit VRR kann der Bildschirm angepasst werden, wie oft das Bild aktualisiert wird, um es an die Bildrate des angezeigten Inhalts anzupassen.
Der neue Fixed Rate Link-Modus garantiert eine wesentlich stabilere Videoübertragung über Kabel, idem auf eine stabile Vorwärtsfehlerkorrektur zusammen mit einem Link-Training-Protokoll, das gegebenenfalls die Link-Rate anpasst, zurückgegriffen wird.
Link Training ist nichts Neues, es wird bereits in der Ethernet- und DisplayPort-Welt eingesetzt. Link Training trifft Entscheidungen über die Leistung des HDMI-Signals, es erkennt beispielsweise, wenn ein angeschlossenes Gerät das Signal nicht weiterleiten kann. In diesem Fall verringert Link Training das HDMI-Signal, damit es erfolgreich weitergeleitet werden kann.
FRL definiert Signale anhand der Anzahl der Lanes und ihrer kombinierten Lane-Raten und verfügt über sechs mögliche FRL-Raten, bestehend aus drei bis vier Lanes mit einer Lane-Rate von 3–12 Gbit/s (siehe nachfolgende Tabelle). Insbesondere wird FRL immer versuchen, den Durchsatz basierend auf den Senken-Kapazitäten und letztendlich der maximalen Kapazität der Verbindung (Kabel) mithilfe von Link-Training zu maximieren und jede Spur behält eine feste Datenrate bei, anstatt bei den vorherigen HDMI-Versionen TMDS-Kanäle mit variierender Datenrate. Außerdem bettet FRL den TMDS-Taktkanal direkt in das HDMI-Signal ein und ermöglicht so Funktionen wie variable Bildwiederholfrequenz, dynamisches HDR und mehr. Allerdings ist HDMI 2.1 nicht völlig anders, da FRL abwärtskompatibel mit niedrigeren Datenraten ist und auf herkömmliches TMDS zurückgreift, wenn FRL nicht unterstützt wird. Im Fallback-Modus ist TMDS in der Lage, alle Signale bis FRL2 zu verarbeiten. Obwohl ein Gerät möglicherweise eine bestimmte FRL-Rate unterstützt, unterstützt es möglicherweise nicht alle möglichen Videosignale.
Sehr interessant sind auch die resultierenden Ergebnisse der „High Frame Rate“ – kurz HFR! Die Aktualisierung gibt an, wie oft ein Signal in einer Sekunde neue Daten empfängt. Die meisten Filme und Fernsehsendungen werden 24 bis 30-Mal pro Sekunde aktualisiert. Dies wird als FPS (Frames per Second) bezeichnet.
Film- und Spieleentwickler können dank VRR im Handumdrehen von 24 Bildern pro Sekunde auf 60 oder sogar 120 Bilder pro Sekunde - beispielswiese in einer sich schnell bewegenden Actionszene - umschalten. So wird ein zusätzliches dynamisches Erlebnis für den Zuschauer geschaffen. Mit VRR können nun die Bilder pro Sekunde während eines Spiels oder eines Films mehrfach geändert werden, während HFR für gestochen scharfe Bilder sorgt. HDMI 2.1 ermöglicht 120 FPS und verdoppelt damit die Fähigkeiten von HDMI 2.0
5. Verbesserte Audioübertragung Dank eARC
HDMI 2.0 nutzt die Funktion „Audio Return Channel“ (ARC), die Audiosignale über einen Anschluss sendet und empfängt, sodass ein Kabel beispielsweise das Audiosignal vom Display/Fernseher zurück an einen Receiver oder ein anderes Lautsprechersystem senden kann. Dadurch ist die Audioqualität deutlich eingeschränkt, da die Bandbreite für die Audioübertragung minimiert ist.
HDMI 2.1 nutzt im Gegensatz dazu „eARC“, diese Abkürzung steht für „enhanced Audio Return Channel“. Hier ist die Audioqualität deutlich verbessert, da die zugewiesene Bandbreite nun 37 Mbit/s beträgt. Mit der HDMI 2.1-Spezifikation können nun mehr Audioinhalte durch das Kabel geroutet werden und die Qualität wird somit deutlich verbessert. eARC unterstützt auch Atmos und DTS-X.
6. Der “Auto Low Latency Mode” (ALLM)
Ist dann vor allem sehr von Vorteil, wenn man mit Signalen arbeitet, die mit möglichst geringer Latenz zur Anzeige gelangen müssen. Das Quellenmaterial teilt dann dem angeschlossenen Display/Fernseher automatisch mit, dass ALLM aufgerufen wird und ändert so die Einstellung der Anzeige, um die niedrigste Latenz zu bewältigen. Dann wechselt das Display automatisch in den „Spielemodus“, bei dem genau diese extrem geringe Latenz benötigt wird. Wenn man mit dem ALLMode durch ist, wechselt das Display/Fernseher wieder in den vorherigen Anzeigemodus. Im Spiele-Modus gibt es keine Farb- und auch keine Kontrastkorrektur.
Die Entwicklungsgeschichte von HDMI
Jede neue HDMI-Evolutionsstufe ist zumeist drei bis vier Jahre voraus. Die ersten Geräte, die diese neue Technologie nutzen sind üblicherweise professionelle Kameras und Animationssoftware. Erst danach geht diese Technologie auch langsam auf die Consumer-Geräte über.
Obwohl die HDMI 2.1-Spezifikation bereits im Jahr 2017 veröffentlicht wurde, gab es bis zur ersten Veröffentlichung der xBOX Series X und der Playstation 5 (kurz PS5) – beide im November 2020 - noch keine Consumer-Geräte, die diese Technologie nutzten. Und dennoch wurden diese Konsolen beispielsweise im Jahr 2022 mehr als 25 Millionen-Mal verkauft.
HDMI 1.4
- Verbindung 1 (TMDS 1) – 3,4 Gbit/s
- Verbindung 2 (TMDS 2) – 3,4 Gbit/s
- Verbindung 3 (TMDS 3) – 3,4 Gbit/s
- Verbindung 4 (Clock) –
- Gesamtbandbreite: 10,2 Gbit/s
HDMI 2.0
- Verbindung 1 (TMDS 1) – 6 Gbit/s
- Verbindung 2 (TMDS 2) – 6 Gbit/s
- Verbindung 3 (TMDS 3) – 6 Gbit/s
- Verbindung 4 (Clock) –
- Gesamtbandbreite: 18 Gbit/s
HDMI 2.1
- Verbindung 1 – 12 Gbit/s
- Verbindung 2 – 12 Gbit/s
- Verbindung 3 – 12 Gbit/s
- Verbindung 4 – 12 Gbit/s
- Gesamtbandbreite: 48 Gbit/s
Mehr Daten bedeuten höhere Bandbreiten!
Der Wunsch ist es, dass das Videobild dem menschlichen Sehen so nahe wie möglich kommt. Dazu sind aber viele Daten notwendig, damit dies nur annähernd funktioniert. Die resultierende Videoqualität wird durch die folgenden Metriken bestimmt und diese in der Summe benötigen mehr Bandbreite:
- Großer Dynamikbereich
- Mehr Farbe
- Bessere Farbe
- Hohe Aktualisierungs-Rate
- Hohe Auflösung
1. Großer Dynamikbereich
Dynamikbereich nennt man den Bereich von dunkel bis hell. HDR hat beispielsweise diesen resultierenden Bereich um den Faktor 10 oder mehr verbessert und das menschliche Sehen auf dem Videodisplay so optimiert nachgeahmt. HDR ist der Unterschied zwischen Schwarz und Weiß. Je größer dieser ist, umso wirkungsvoller ist das Resultat. Heutige Kameras sind in der Lage volle Farben und Kontraste einzufangen, doch durch die Nachbearbeitung und den angeschlossenen Displays geht viel vom Originalbild verloren.
Welche HDR-Formate gibt es?
Es gibt viele verschiedene Arten von HDR-Metadaten, aber sie alle bewirken das Gleiche: Sie aktivieren die HDR-Farben in einem Bild, um die möglichen Farben auf dem Bildschirm von Millionen auf Milliarden zu erweitern. Folgende HDR-Formate gibt es aktuell: HDR 10, HDR 10+, Dolby Vision und HLG.
HDR/HDR10
HDR steht wie schon gesagt für „High Dynamic Range“. Vereinfacht gesagt, stellen Displays oder Fernseher durch die Technologie einen überdurchschnittlich hohen Kontrast und ein breiteres Farbspektrum dar. Dadurch wirken Filme natürlicher und in besonders dunklen oder hellen Bereichen sind mehr Details sichtbar.
Das Verfahren HDR10 überträgt die Metadaten für HDR nur einmal für den gesamten Film (also statisch). Wenn in dem Film zum einen sehr helle und zum anderen sehr dunkle Szenen vorkommen, dann stellt die Voreinstellung nur einen Kompromiss dar.
HDR10 arbeitet mit einer maximalen Helligkeit von 1.000 Nits und hat eine Farbauflösung von 10 Bit – daher auch der Name. Eine Milliarde Farbtöne lassen sich auf diese Weise darstellen. Beim klassischen HDTV waren es noch 16 Millionen.
HDR10 ist frei zugänglich und deshalb auch am weitesten verbreitet. Es wird auch von Streaming-Diensten wie Netflix oder auch Amazon Video unterstützt.
Dolby Vision
Wie der Name bereits verrät, ist Dolby Vision ein Eigenprodukt von Dolby Laboratories, welches grundsätzlich ebenfalls auf HDR (High Dynamic Range) aufbaut. Allerdings sind die Zusatzinformationen bei Dolby Vision dynamisch. Das heißt: Der Bildingenieur kann die Steuersignale von Szene zu Szene anpassen – wenn es sein muss sogar von Bild zu Bild. Hier müssen u.a. dunkle und helle Bereiche keinen Kompromiss eingehen. Dolby Vision ist aber abwärtskompatibel zu aktuellen SDR-Geräten.
Dolby arbeitet mit 12 Bit, was einem Sprung auf 68 Milliarden Farben entspricht. Zudem ist eine maximale Helligkeit von 10.000 Nits möglich. Ein Display bzw. Fernseher mit Dolby Vision interpretiert die Metadaten so, wie es für den Bildeindruck am besten ist – ganz gleich, wie viele Nits oder Farben sein Display schafft.
Da Dolby nicht umsonst arbeitet, müssen Hersteller für TVs oder Set Box Geräten eine Gebühr zahlen, die Studios hingegen aber nicht.
HDR10+
HDR10+ bzw. HDR10 Plus ist ein Format von Samsung und Amazon Video. Das Format wurde als Kontrast zu Dolby Vision entwickelt, anders als jenes ist HDR10+ allerdings lizenzfrei. Lediglich ein administrativer Beitrag muss gezahlt werden. Im Prinzip erweitert es HRD-10, das statische Metadaten enthält, um dynamische Metadaten. Auch hier ist das Signal 10 Bit. Genau wie Dolby Vision ist auch HDR10+ abwärtskompatibel.
HLG - Hybrid-Log Gamma
Bei Hybrid-Log Gamma (HLG) handelt es sich um ein lizenzfreies HDR-Format, das in erster Linie einen neuen Übertragungsweg für HDR beschreibt: Es wurde speziell für das Ausstrahlen von Kabel- und Satellit-Programmen geschaffen. Das Ziel ist es, die Inhalte verschiedener Streaming-Portale sowie HDR-Inhalte über Kabel in bestmöglicher Qualität auszustrahlen. Entwickelt wurde dieses Format von der britischen BBC und dem japanischen Sender NHK.
Wie von anderen Formaten bekannt ist auch bei HLG das Ziel, Bildinformationen möglichst natürlich und authentisch wiederzugeben, hier wieder mit einem 10 Bit-Signal. Weiterhin werden die Metadaten so erstellt bzw. den Ultra HD-Sendern ein Videostream der Art bereitgestellt, dass die Inhalte von SDR- und HDR-Geräten empfangbar sind. Somit lassen sich die HLG-Bilder von HDR/4K-Fernsehern als auch von SDR-fähigen Modellen abspielen.
2. Mehr Farbe
BT.2020 ist das Ziel! BT.2020 ist eine ITU-R Empfehlung und definiert verschiedene Aspekte für Ultra-High-Definition TV wie Bildschirmauflösung, Bildfrequenz, Farbunterabtastung, Farbtiefe und der wichtigste Aspekt die Farbraumabdeckung. Die gebräuchlichsten Farbräume innerhalb des CIE 1931 Farbraumes sind, geordnet nach ihrem Umfang, sRGB, Adobe RGB und DCI-P3. Der BT.2020 Farbraum ist noch umfangreicher und erlaubt besonders natürliche Farben.
Was ist der CIE 1931 Farbraum?
Hierbei handelt es sich um einen Farbraum, welcher in einem Koordinatensystem angelegt ist. Seine äußersten Punkte liegen im blauen, roten und grünen Bereich. Dabei sind Blau und Rot als Ecken angelegt, während Grün eine Kurve beschreibt. Die hat eine physikalisch begründete Bedeutung. Die Übergänge zwischen den verschiedenen Farben des Lichts sind fließend und richten sich nach seiner Wellenlänge. Die Kurve von Blau über Grün zu Rot folgt genau den Spektralfarben, also den Wellenlängen des natürlichen Lichts, wie es in einem Regenbogen sichtbar wäre. Der CIE 1931 Farbraum deckt somit zumindest in der Theorie alle Farbwerte ab, die das menschliche Auge wahrnehmen kann.
3. Bessere Farbe
HDR erfordert laut Spezifikation eine tiefe Farbsättigung. Dies führt zu sanfteren Farbverläufen und beseitigt Streifenbildung, was zu einem realistischeren Ergebnis führt. Je höher die Bitrate, desto bessere Farben kann man auf dem Bildschirm anzeigen. Die BT.2020 empfiehlt eine Farbtiefe von entweder 10 oder 12 Bits pro Abtastwert. Die höhere Bitrate liefert eine größere Datenmenge und dadurch erhält man bessere Farben auf dem Bildschirm, Farbverläufe laufen gleichmäßiger und Streifenbildung wird weitestgehend eliminiert.
4. Hohe Aktualisierungsrate bzw. Bildwiederholungsfrequenz
Bei modernen Displays und TVs spielt die Bildwiederholfrequenz eine wichtige Rolle. Diese gibt an, wie viele Einzelbilder pro Sekunde (englisch: frames per second) angezeigt werden. Sie ist daher ein Kennzeichen für die Geschwindigkeit des Gerätes, denn je höher diese Frequenz ist, umso flüssiger erscheint das Bild für das menschliche Auge.
Dies ist die Schärfe des Bildes. In Kombination mit den bereits genannten Messwerten bildet die Auflösung das letzte Teil des Sehschärfe-Puzzles. Und obwohl es wichtig ist, besteht der größte Vorteil nur darin, dass wir uns größeren Bildschirmen nähern können. Und HDMI 2.1 ist nicht nur 8K, es umfasst 1.080p, 4K, 5K, 8K, 10K und alles dazwischen.
5. Hohe Auflösung
Dies ist die Schärfe des Bildes. In Kombination mit den bereits genannten Messwerten bildet die Auflösung das letzte Teil des Sehschärfe-Puzzles. Und obwohl es wichtig ist, besteht der größte Vorteil nur darin, dass wir uns größeren Bildschirmen nähern können. Und HDMI 2.1 ist nicht nur 8K, es umfasst 1.080p, 4K, 5K, 8K, 10K und alles dazwischen.
