HDMI 2.1 Funktionen

Was ist neu bei HDMI 2.1?

Mit der Playstation PS5 und Microsoft Xbox Series-X wurden 2020 die ersten HDMI 2.1 Quellen aus der Unterhaltungselektronik heraus gebracht. Auch PC-Grafikkarten können HDMI 2.1 erzeugen. Seitdem gibt es auch Fernseher und AV-Receiver für den neuen Standard. Doch was sind die Vorteile und was ist neu?

Höhere Videoauflösung bis 10k

Die HDMI-Spezifikation 2.1 unterstützt Auflösungen bis 10k (10240 x 4320) und höhere Bildwiederholraten. Die gängigsten sind weiterhin 4K und das neue 8K. Bei 4K (3840 x 2160) steigt die maximale Bildrate auf 120Hz. Und ermöglicht damit gestochen scharfe UHD-Bilder auch bei sehr schnellen Bewegungen. Sportübertragungen und Computerspiele profitieren davon am meisten – vorausgesetzt, sie wurden so produziert. 8K (7680 x 4320 Pixel) liefert eine doppelte horizontale und vertikalen Auflösung von 4K. Die vierfache Pixelanzahl kombiniert mit einer Bildwiederholrate von 60 Hz ermöglicht eine flüssige und scharfe Anzeige von Inhalten auf Großbildschirmen. Zusätzlich zu 4K und 8K werden eine Reihe weiterer Auflösungen unterstützt, darunter 5K und 10K für kommerzielle AV-, Industrie- und Spezialanwendungen. Bis Medien wie Filme und Serien in 8K produziert werden, wird es noch viele Jahre dauern. Denn Kameras, die gesamte Post-Produktion und Übertragungswege müssen dazu umgerüstet werden.

HDR-Formate

Die HDMI 2.1-Spezifikation unterstützt „mehrere statische und dynamische HDR-Lösungen“ – wie schon HDMI 2.0b. Es ändert sich hier nicht viel. HDR verbessert Videobilder mit einem erweiterten dunklen bis hellen Kontrastbereich für tiefere Schwarztöne und hellere Weißtöne. Dadurch sind mehr Details sowohl in den dunklen als auch in den hellen Teilen desselben Bildes erkennbar. Auch der Farbraum ist erweitert. Bei Statistischem HDR (z.B. HDR10) werden die Werte für Tiefe, Detail, Helligkeit, Kontrast und Farbraum für den gesamten Film festgelegt. Bei Dynamischem HDR (z.B. Dolby Vision) wird Bild für Bild mit den idealen Werten angezeigt. HDR-unterstützter Inhalt ist für Filme, Videos, Fernsehsendungen, Konsolen- und PC-Spiele und VR verfügbar.

VRR - Variable Aktualisierungsrate für Gaming

Eines der Highlights HDMI 2.1-Spezifikation ist die variable Aktualisierungsrate VRR (Variable Refresh Rate). PC-Gamer kennen diese Funktion schon lange unter den Namen FreeSync und G-Sync. Die VRR reduziert oder eliminiert Verzögerungen, Ruckeln und Bildabrisse für ein flüssigeres Gameplay. Die VRR ermöglicht es einer Spielquelle (Konsole oder Computer), Videobilder so schnell wie möglich zu liefern, was in vielen Fällen langsamer als die normale statische Aktualisierungsrate ist.

Denn Grafikprozessoren benötigen unterschiedlich Zeit, um ein Bild zu rendern. Diese Zeit hängt von der Komplexität der Szene, der Leistung der GPU, der gewählten Auflösung und der Bildfrequenz ab. Ein zu stark belasteter Grafikprozessor schafft das Rendern des nächsten Frames nicht rechtzeitig. Daher muss das Display entweder den aktuellen Frame wiederholen oder den nur teilweise gerenderten nächsten Frame anzeigen. Dadurch entsteht Ruckeln oder gerissene Grafik. Bei VRR wird gewartet, bis das nächste Bild zum Transport bereit ist. Die Bildrate ist also nicht konstant, sondern variabel, in Abhängigkeit von der Grafikleistung. Wenn die Grafikkarte stark belastet wird, sinkt die Bildrate etwas, damit vollständige Frames flüssig angezeigt werden.

ALLM - Automatischer Modus mit niedriger Latenzzeit

Viele Fernseher bieten bereits einen Spielemodus mit geringer Latenz an. Fall aktiviert, schaltet der Fernseher Bildverbesserer und Ähnliches aus, um das Videosignal so schnell wie möglich darzustellen. Davon profitieren Actionspiele und zeitkritische Anwendungen wie Videotelefonie. Der Auto Low Latency Mode (ALLM) von HDMI 2.1 ermöglicht die automatische Einschaltung dieses Modus. Der Nutzer muss den Spielemodus also nicht mehr manuell aktivieren und spart sich die Einstellungen im TV-Menü.

Beim Umschalten auf einen Film-Stream deaktiviert die Quelle das ALLM-Signal. Der Bildschirm kehrt für eine optimale Darstellung in den vorherigen Modus zurück.

QFT - Schneller Frame Transport

Der Quick Frame Transport (QFT) reduziert die Latenzzeit für Spiele und Echtzeit-Anwendungen. Damit werden Frames mit einer höheren Rate transportiert. Dies beschleunigt die Reaktionsfähigkeit von Spielen, z.B. den Zeitraum zwischen dem Drücken einer Taste und der resultierenden Aktion auf dem Bildschirm. QFT bezieht sich nur auf den Signaltransport. Der Flaschenhals in der Praxis ist nach wie vor die Leistung der Grafikeinheit GPU.

QMS - Schneller Medienwechsel

HDMI 2.1 bietet Quick Media Switching (QMS) für Filme und Videos. Dies beseitigt die Verzögerung bzw. das kurze Schwarzbild, welches bei Änderungen der Bildfrequenz entsteht (solange die Auflösung gleich bleibt).

Wenn Sie sich beispielsweise Trailer von einem Streaming-Dienst ansehen, können diese in 24Hz, 50Hz oder 60Hz vorliegen. Jedes Mal, wenn ein Trailer mit einer anderen Bildfrequenz ausgewählt wird, muss das gesamte System seine Taktung ändern und neu synchronisieren, was zu einem kurzeitigen Schwarzbild führt. Streaming-Dienste können dies nun kompensieren und eine eingebaute Verzögerung hinzufügen, so dass Nutzer den ersten Teil des Trailers nicht verpassen. Wenn Dienst und Geräte QMS unterstützen, sieht der Betrachter also nie einen leeren Bildschirm.

eARC – der erweiterte Audio Rückkanal

HDMI 2.1 verfügt über den Enhanced Audio Return Channel (eARC), der Nachfolger des früheren Audio Return Channel (ARC) darstellt. Über den Audio Rückkanal sendet der Fernseher an einem HDMI-Eingang den Ton zum Ausgang des Soundsystems – im Prinzip also rückwärts. Dadurch wird kein weiteres Kabel zur Audio-Wiedergabe benötigt. Der Ton von Smart-TV Apps, vom internen Tuner oder angeschlossener Geräte wird über eARC/ARC per HDMI übertragen.

Mit eARC soll diese Audioverbindung zuverlässiger werden und weitere Formate unterstützen. eARC ist voll abwärtskompatibel zu ARC. Sie können also an einem neuen Fernseher mit eARC auch ein ARC-Soundsystem betreiben. Dann allerdings nur mit den maximalen Audioformaten von ARC, also Dolby Digital Plus (inkl. Dolby Atmos). eARC hingegen unterstützt die neuesten Audioformate mit hoher Bitrate bis zu 192 kHz, 24 Bit und unkomprimiertes 5.1 und 7.1 sowie unkomprimiertes 32-Kanal-Audio. Es unterstützt auch DTS-HD Master Audio, DTS:X, Dolby TrueHD, Dolby MAT / Atmos.

Kabel für HDMI 2.1

Grundsätzlich kann jedes bisherige HDMI-Kabel auch für HDMI 2.1 genutzt werden. Denn die Stecker und Kabel-Belegungen sind identisch. Solange keine höheren Datenraten als bei 4K Ultra-HD verwendet werden, sind keine Probleme zu erwarten. Bei Auflösungen von 4K 120Hz stoßen bisherige Kabel an physikalische Grenzen. Dann sollten speziell getestete Kabel eingesetzt werden. Für die 48 Gbps Datenrate bei voller Auflösung darf ein HDMI-Kabel mit Kupferleiter aber nur 3 m lang sein. Angesichts der großen Bildschirme für 8K ist das sehr knapp. Größere Längen erfordern Kabel mit optischer Datenübertragung.   

Weitere Neuheiten

Bei HDMI 2.1 wird ein neues Übertragungsverfahren genutzt. Statt TMDS (Transition-Minimized Differential Signaling) mit 3 Datenkanälen plus Taktsignal wird FRL (Fixed Rate Link) mit 4 Datenkanälen genutzt. Vorteil: Allein durch den Wegfall des Taktsignals steigt die mögliche Datenrate um 33 %. Um die höchsten Auflösungen und Farbtiefen zu erreichen, wurde zusätzlich eine Signalkomprimierung vereinbart.

Folgende Auflösungen wurden mit HDMI 2.1 eingeführt:

• 4K 50/60Hz (inklusive 4K RGB 12-bit / 24 Gbps)
• 4K 100/120Hz
• 5K 50/60Hz
• 8K 50/60Hz
• 10K 50/60Hz
• 10K 100/120Hz

Für alle Auflösungen sind Farbabtastungen von 4:2:0 für Filme und 4:4:4/RGB für PC-Anwendungen geregelt. Die Farbtiefe kann 8 Bit, 10 Bit, 12 Bit oder 16 Bit betragen. HDMI 2.1 unterstützt verschiedene statische und dynamische HDR-Lösungen.

Das FRL-Verfahren von HDMI 2.1 ist also völlig anders als TMDS. Daher scheint es unwahrscheinlich, dass ein gleichzeitiger Mischbetrieb möglich sein wird. Wenn beispielsweise Quelle und Senke per HDMI 2.1 bzw. im FRL-Verfahren übertragen, so muss das auch ein dazwischen angeschlossener AV-Receiver. Dann ist also ein Neukauf fällig, nur um das Signal durchleiten zu können. Alternativ ist die Tonausgabe per HDMI-ARC über den Rückkanal des Fernsehers möglich. Dafür eignet sich der eARC Extractor VAX01202.

Kommende HDMI 2.1 Geräte wie Splitter und Matrix Switch werden also nur die neuen Funktionen und Datenraten ermöglichen, wenn alle verbundenen Geräte HDMI 2.1 unterstützen.

Unser Fazit: 

HDMI 2.1 ist vor allem für Computerspiele mit Konsolen am Fernseher interessant. Für PC-Gamer bieten spezielle Monitore und die DisplayPort-Verbindung mehr Vorteile als HDMI 2.1. Für das Heimkino ermöglicht der erweiterte Audio-Rückkanal bessere Tonformate und einen stabileren Betrieb. Eine höhere Bildqualität steht erstmal nicht an, denn Ultra-HD 4K wird bislang noch nicht ausgereizt. 8K Übertragungen wird es wohl absehbar nur für spezielle Live-Events wie Olympische Spiele oder Konzerte geben.