High Definition Multimedia Interface

High Definition Multimedia Interface (kurz HDMI) ist eine ab Mitte 2003 entwickelte Schnittstelle für die volldigitale Übertragung von Audio- und Video-Daten in der Unterhaltungselektronik. Sie vereinheitlicht existierende Verfahren, erhöht gegenüber diesen die Qualitätsmerkmale und bietet außerdem auch ein zusammenhängendes Kopierschutz-Konzept (DRM). Aktuell ist die Version 1.3c.

Entwicklungsgründe

HDMI wurde von der Industrie für den Bereich der privat genutzten Unterhaltungselektronik (engl. „home entertainment“) eingeführt. Da hier immer mehr digitale Komponenten eingesetzt werden und auch der Nutzinhalt mittlerweile vorwiegend in digitalisierter Form vorliegt (z. B. DVD, DVB usw.), wurden die Schwächen der bisher unvermeidlichen Digital-Analog- und Analog-Digital-Wandlungen immer offensichtlicher. Lange Zeit hatte sich die Filmindustrie jedoch jeder Bestrebung widersetzt, Videodaten digital auszugeben. Man fürchtete nämlich, dass jeder Kopierschutz über kurz oder lang überwunden werden könnte. Mit dem Kopierschutz HDCP 1.1 (High-bandwidth Digital Content Protection), der in der HDMI-Spezifikation vorgesehen ist und in praktisch jedem auf dem Markt befindlichen HDMI-fähigen Gerät zum Einsatz kommt, scheinen diese Bedenken nun nicht mehr zu bestehen.

Komponenten mit HDMI

Der erste Hersteller, der Ende 2003 HDMI-fähige Komponenten auf den Markt brachte, war Pioneer mit den DVD-Playern Pioneer DV-668AV und Pioneer DV-868AVi, dem DVD-Rekorder Pioneer DVR-920 H-S sowie den Plasma-Fernsehern Pioneer PDP-434HDE und Pioneer PDP-504HDE. Mit heute erhältlichen Komponenten und Anwendungen ist das Potenzial dieser Schnittstelle jedoch bei weitem nicht auszureizen.

Kabellänge und Kabelqualität

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Von der HDMI-Organisation sind bisher maximal 15 Meter lange Kabel vorgesehen. Vereinzelt sind auch HDMI-Kabel mit einer Länge von 20 m erhältlich, die aber nicht in allen Fällen problemlos funktionieren. Lange Kabel müssen im Allgemeinen bessere Hochfrequenzeigenschaften aufweisen, um eine fehlerfreie Datenrückgewinnung am HDMI-Empfänger zu gewährleisten. Für eine fehlerfreie Übertragung sind daher die Kabelqualität wie auch die Empfangseigenschaften des HDMI-Empfängers ausschlaggebend. Bei Kabellängen bis 5 m sind auch billige Kabel völlig ausreichend, ab 10 m wird bei hochqualitativen Kabeln mit weniger Übertragungsfehlern zu rechnen sein. Ob diese auftreten, lässt sich aufgrund der bei HDMI verwendeten TMDS-Kodierung sehr einfach an der resultierenden Bildqualität beurteilen. Das kann man eindeutig durch farbiges „Aufblitzen“ von Bildpunkten (Pixel) oder ganzer Pixelreihen erkennen. Bildrauschen im herkömmlichen Sinne oder Farbartefakte wie bei der analogen Signalübertragung lassen sich bei HDMI daher generell ausschließen, sofern der HDMI-Transmitter bzw. -Receiver die Videodatenauflösung nicht begrenzt (z. B. 8-Bit anstatt 12-Bit Farbkomponentenauflösung im YCbCr 4:2:2-Format).

Um die Datenrate für HDMI 1.3 weiter zu steigern, wurden zwei Kabelkategorien mit unterschiedlichen Hochfrequenzeigenschaften definiert. Ein Kategorie-1-Kabel kann Pixelraten bis 74,25 MHz und ein Kategorie-2-Kabel kann Pixelraten bis zu 340 MHz übertragen. In HDMI 1.3 sind erstmals, um eine fehlerfreie Übertragung auch über längere Kabel sicherzustellen, sogar die Kabeleigenschaften wie Dämpfung, Signallaufzeitdifferenzen, Übersprechen usw. genauer festgelegt. Um der unvermeidbaren Kabeldämpfung entgegenzuwirken, ist bei HDMI 1.3 für Pixelraten über 165 MHz empfängerseits ein Kabelequalizer zur Anhebung der höherfrequenten Signalanteile vorgesehen.

Mit Signalrepeatern (z. B. im AV-Verstärker) kann die Distanz von 15 m verdoppelt werden. Für größere Distanzen bis 100 m stehen „Extender“ zur Verfügung, die das Signal wandeln und über LWL/Glasfaserkabel übertragen.

Kurze HDMI-Kabel bis zwei Meter sind für unter 5 € erhältlich, und auch billige Kabel übertragen über die kurze Strecke die maximale Auflösung (1080p in HDMI 1.1 bzw. 1.2) verlustfrei. Kabel für HDMI 1.2 bzw. 1.3 müssen Pixelfrequenzen bis zu 165 MHz bzw. 340 MHz übertragen und benötigen dafür bessere Hochfrequenzeigenschaften.

Formate

Mit seiner hohen Datenübertragungsrate verarbeitet HDMI alle heute bekannten digitalen Video- und Audioformate der Unterhaltungselektronik. HDMI 1.2 überträgt Audiodaten bis zu Frequenzen von 192 kHz mit Wortbreiten von bis zu 24 Bit auf bis zu acht Kanälen. Für HDMI 1.3 wurden als neue Audioformate Dolby Digital Plus und Dolby TrueHD mit aufgenommen. Die maximale Pixelfrequenz für Videodaten mit single-link liegt für HDMI 1.2 bei 165 MPixel/s (Typ A) und für HDMI 1.3 bei 340 MPixel/s (Typ A/C). Damit lassen sich nicht nur alle heutigen in der Unterhaltungselektronik eingeführten Bild- und Tonformate einschließlich HDTV (bis zur derzeit höchsten Auflösung von 1080p) ohne Qualitätsverlust übertragen, sondern auch andere Bildauflösungen bis 2560×1600p75. Mit HDMI 1.3 kam auch die Unterstützung für höhere Farbtiefen hinzu. Bisher waren nur 24 Bit (RGB 4:4:4, YCbCr 4:4:4, YCbCr 4:2:2), 30 Bit und 36 Bit (YCbCr 4:2:2) möglich. Die höhere Datenrate bei HDMI 1.3 erlaubt auch Farbtiefen von 30 Bit, 36 Bit und 48 Bit mit 10/12/16 Bit pro Farbkomponente (RGB 4:4:4, YCbCr 4:4:4). HDMI 1.3 unterstützt zusätzlich zu den bisherigen Formaten SMPTE 170M/ITU-R BT.601 und ITU-R BT.709-5 das neue Farbraummodell xvYCC, das im Standard IEC 61966-2-4 definiert ist, und ermöglicht somit einen sehr großen Farbraum zur Verbesserung der Farbdarstellung. Dazu werden spezielle Farbraum-Metadaten übertragen.

Datenübertragungsraten

HDMI 1.2 bzw. DVI bietet hohe Datenübertragungsraten von bis zu 3,96 Gbit/s (Typ A, 19-polig) bzw. 7,92 Gbit/s (Typ B, 29-polig, bei Unterhaltungselektronik nicht üblich). Bei HDMI 1.3 sind bis zu 8,16 Gbit/s (Typ A und C, 19-polig) möglich.

Fernbedienungsfunktionen

Wenig Erwähnung finden bisher die optionalen Fernbedienungsfunktionen von HDMI. Unterstützt werden die Protokolle CEC (Consumer Electronics Control) und AV.link, beides sind Protokolle, die sich für universelle Fernbedienungen durchgesetzt haben. Hier ist AV.link der in Europa vorherrschende Standard. Damit ist es möglich, mehrere über HDMI-Kabel verbundene Komponenten über nur eine Fernbedienung zu steuern.

Kompatibilität

DVI-HDMI-Adapter
HDMI-DVI-Adapter

HDMI ist abwärtskompatibel zu DVI-D (Digital Visual Interface), der bis zur Einführung von HDMI einzigen weitverbreiteten digitalen Schnittstelle für Videodaten. Der Kopierschutz HDCP wird gegebenenfalls vom Videomaterial-Hersteller (z. B. in CSS-codierten DVDs) über Steuerbits aktiviert und erfordert dann laut Vorschrift an beiden Schnittstellen einen Hardware-Chip, der das Videosignal auf der digitalen Ausgangsleitung kodiert bzw. anschließend im Display dekodiert. Ohne HDCP-Chip bleibt sonst das Display dunkel (oder zeigt nur farbiges Rauschen), außerdem kann in sogenannten „HD ready“-Geräten noch eine evtl. vorhandene analoge Ausgangsschnittstelle (progressive Komponentensignale YPbPr) beeinflusst werden (z. B. nur Standard-Auflösung), um hochwertige Kopien zu verhindern. Die DVI-Schnittstelle an HDCP-fähigen neueren Videogeräten (z. B. DVD-Playern) ist daher nicht kompatibel zu DVI-Schnittstellen im Computerbereich, es sei denn, auf diesen Komponenten ist HDCP implementiert (was mit Stand vom Januar 2009 bei vielen PC-Flachbildschirmen der Fall ist). Bei derartigen Geräten, die einen DVI-Eingang mit HDCP-Unterstützung besitzen, ist es möglich, mit einem Adapter von DVI auf HDMI das kopiergeschützte Bildsignal auszugeben. Auch Audio kann über DVI ausgegeben und empfangen werden, das Audiosignal wird digital mit dem Bildsignal, wie bei HDMI auch, im TMDS-Signal übertragen.

Mittlerweile sind Grafikkarten mit HDMI-Schnittstelle auf dem Markt, die auch einen HD-Audio-Chip beinhalten, um direkt über den HDMI-Ausgang der Grafikkarte auch Audiosignale mit ausgeben zu können. Dieser Audiochip erscheint beim Betriebssystem als zweite Soundkarte und kann auch so genutzt werden. Dadurch wird es möglich, derart ausgestattete Computer auch direkt mit Flachbildfernseher oder HD-Beamer zu verbinden. Das macht die Möglichkeiten des Heimkinos mit einem HomeTheatre-PC noch interessanter.

Am 23. August 2005 wurde HDMI 1.2 offiziell verabschiedet, das vollständig abwärtskompatibel zu HDMI 1.0/1.1 ist. Als Erweiterung wurde ein 1-bit-Audiostream mit aufgenommen, wie er beispielsweise bei der SACD Anwendung findet. Zudem wurden einige neue sekundäre Videoformate mit aufgenommen, um beispielsweise höhere Bildwiederholfrequenzen bis 240 Hz und mehr PC-übliche Videoformate zu unterstützen.

Ein Problem hat sich beim Verbinden verschiedener Fabrikate von Wiedergabegeräten und Bildschirmen ergeben, weil die Industrie die digitalen Bildpegelformate „DVI-PC“ oder „DVI-Video“ (HDMI enthält das gleiche Videoformat wie DVI-Anschlüsse) oft in ihre Geräte implementiert hat, ohne an eine nachträgliche Umstellmöglichkeit zu denken. Der Unterschied: Während bei Computern (DVI-PC) die Helligkeitswerte von Y=0 bis Y=255 reichen, wird bei Heimelektronik (DVI-Video) einen Bereich unter- bzw. oberhalb der Schwarz- und Weißpegel reserviert (die Spezifikation ITU-601R definiert Schwarz mit Y=16 und Weiß mit Y=235). Nur manche Videoprojektoren und Flachbildschirme können per Einstellungs-Menü zwischen PC-Level („extended“/„erweitert“) und Video-Level („Standard“/„normal“) umgestellt werden. Schwarz ist entweder zu hell, oder untere Helligkeitsbereiche werden verschluckt (d.h. dunkle Bildbereiche werden ganz schwarz), der Weißpegel ist nicht maximal oder wird übersteuert, alles je nach Geräte-Kombination. Nur bei zufällig gleicher Auslegung des digitalen Videopegels in beiden Geräten stimmt der Kontrastumfang am HDMI-Eingang, der nicht durch Helligkeits- oder Kontrastregler änderbar ist.

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