De techniek achter HDMI 2.1: eerste ervaringen
Versie 2.1 van HDMI moet tv’s, AV-receivers en afspeelapparaten geschikt maken voor de toekomst. De eerste apparaten met HDMI 2.1 struikelen in de praktijk echter nog over het een en ander.
De nieuwste specificatie van de HDMI-interface kun je niet echt een snelle beslissing noemen. Hoewel HDMI 2.1 al begin 2017 is aangekondigd zijn er (op televisies na) pas sinds enkele maanden audio/video-receivers en players met HDMI 2.1 beschikbaar, namelijk de Microsoft Xbox Series, de Sony Playstation 5 en de RTX30-reeks grafische kaarten van Nvidia. AMD komt ook net aanwaaien met de grafische kaarten uit de Big-Navi-serie.
Ter verdediging van het HDMI Forum dat achter de interface zit, kun je zeggen dat sommige van de innovaties in HDMI 2.1 in vergelijking met de laatste versie 2.0b aanzienlijk grotere veranderingen met zich meebrengen dan de nummering suggereert. Aan de andere kant bevat HDMI 2.1 ook functies die ongeduldige systeemontwikkelaars en fabrikanten al deels hebben geïntegreerd in apparaten die nog met oudere HDMI-versies werken.
DYNAMISCHE HDR-FORMATEN
Daartoe behoren bijvoorbeeld de dynamische HDR-formaten Dolby Vision en HDR10+, waarbij filmstudio’s scène voor scène de gewenste beeldimpressie kunnen bepalen en niet alleen zoals bij het statische HDR10, één keer voor de hele film.
Dolby en Samsung is het gelukt de metadata van Dolby Vision en HDR10+ als een workaround in de videodatastroom te verbergen, zodat streamingclients en 4K-Blu-ray-spelers al jarenlang HDR-beelden in die formaten kunnen doorgeven aan geschikte tv’s.
In HDMI 2.1 zijn die formaten nu officieel gespecificeerd, waarbij hun metadata los van de afbeelding worden overgedragen. Tot nu toe is er echter nog geen player aangekondigd die Dolby Vision via HDMI 2.1 kan afspelen. Blijkbaar is het gewoon niet nodig. De workaround werkt en bij het apart overseinen van de metadata valt geen beter beeld te verwachten.
Dankzij HDMI 2.1 kan HDR10+ ook via een AVreceiver op de tv afgespeeld worden, want in tegenstelling tot Dolby Vision werkt de workaround niet bij alle oudere bronnen. HDR10+ speelt tot nu toe echter nog geen belangrijke rol en daarom is er maar weinig vraag.
UITGEBREID AUDIO-RETOURKANAAL
Een ander speciaal geval is het audio-retourkanaal (Audio Return Channel, ARC), dat is gespecificeerd sinds HDMI 1.4.
Een televisie kan daarmee op ten minste één van zijn HDMI-ingangen niet alleen audio en video ontvangen, maar ook digitaal geluid terugsturen naar een AV-receiver of een soundbar. Dat kan afkomstig zijn van bijvoorbeeld de ingebouwde tv-decoder, een tvapp of een bron op een van zijn andere HDMI-ingangen. Dit scheelt aparte aansluitingen en kabels voor de geluidsoverdracht.
Technisch gezien komt het ARC overeen met een in HDMI geïntegreerde digitale audio-uitgang, zoals je op veel apparaten aantreft onder de naam SPDIF. Maar dat is nu precies het probleem geworden.
De interface is alleen ontwikkeld voor de overdracht van PCM-geluid met twee kanalen en Dolby Digital en DTS met elk maximaal 5.1 kanalen. Het doorgeven van HD-audio is net zo min gespecificeerd als de 3D-geluidsformaten Auro-3D, Dolby Atmos of DTS:X, die extra hoogte-informatie toevoegen aan het onderliggende 5.1 /7.1-geluid.
Juist met betrekking tot Dolby Atmos hebben sommige tv-fabrikanten echter jarenlang de specificaties in HDMI 1.4 simpelweg genegeerd. Dit is mogelijk doordat de videostreamingdiensten Dolby Digital Plus als basis voor Atmos gebruiken en onder de maximale datarate van SPDIF blijven, en dus ook onder die van ARC.
HDMI 2.1 introduceerde het Enhanced Audio Return Channel (eARC), dat tot achtkanaals ongecomprimeerd PCM-geluid met een resolutie van 24 bits en een samplefrequentie van 192 kHz vanaf de televisie kan uitsturen.
Van de gecomprimeerde codecs ondersteunt het Dolby Digital Plus en Dolby TrueHD, evenals DTS-HD High Resolution en DTS-HD Master Audio. Ook de 3D-geluidsextensies Dolby Atmos, DTS:X en Auro-3D kunnen er officieel mee worden overgeseind.
Zoals altijd bij HDMI geldt voor versie 2.1 echter ook dat praktisch alle mogelijkheden optioneel zijn. Dit geldt niet alleen voor een bepaalde functie maar ook over de invulling daarvan.
Het is al duidelijk geworden dat apparaten met eARC niet noodzakelijkerwijs ook alle mogelijke audiocodecs verzenden via het uitgebreide audioretourkanaal. De huidige modellen van LG in de CXserie versturen geen DTS-geluid via eARC en de nieuwe soundbar van Sonos ook niet.
NIEUWE WERELDEN AAN BEELDEN
Vanuit technisch oogpunt zijn de nieuwe resoluties en vernieuwingsfrequenties bijzonder interessant. Terwijl HDMI 2.0 4K-video’s met 60 Hz (4K60) en HDR kan verzenden, maakt HDMI 2.1 een 4K-resolutie mogelijk met maximaal 120 Hz (4K120) en 8K met maximaal 60 Hz (8K60), zonder dat het ten koste gaat van het grotere contrastbereik.
Er wordt dan een andere methode gebruikt om de videodata te verzenden. Tot dusver wordt de van DVI geërfde Transition Minimized Differential Signaling (TMDS) gebruikt, die vier lanes in de kabel beslaat, maar waarvan er slechts drie worden gebruikt voor de dataoverdracht. De vierde dient alleen voor een kloksignaal. HDMI 2.0 haalt daarmee een maximale overdrachtssnelheid van 18 Gbit/s.
HDMI 2.1 introduceert met Fixed Rate Link (FRL) een nieuwe techniek met vaste snelheden, zodat de aparte lane voor een kloksignaal kan vervallen en alle vier de lanes gebruikt kunnen worden voor data. Omdat ook de codering gewijzigd is, kan via elke lane 6, 8, 10 of 12 Gbit/s worden verzonden, in totaal maximaal 48 Gbit/s. Daarnaast heeft HDMI 2.1 een FRL-modus
met drie lanes van elk 3 of 6 Gbit/s, waarmee maximaal 18 Gbit/s kan worden verzonden.
FRL vervangt TMDS, maar HDMI 2.1 is compatibel met voorgaande standaarden. Daarom kunnen sommige resoluties met beide methoden worden overgedragen.
Het is dus mogelijk dat één en dezelfde bron 4K60 via TMDS naar een tv met HDMI 2.0-ingang zendt en via FRL naar een tv met HDMI 2.1-poort seint, terwijl een andere bron beide tv’s via TMDS voorziet. Dat maakt problemen oplossen wel wat moeilijker.
Video’s in 4K120 zijn een speciaal geval. Technisch gezien kunnen die al met TMDS via HDMI 2.0 worden verzonden, maar alleen met 8-bit kleurdiepte, zonder HDR en met 4:2:0 chroma subsampling, wat de bitrate terugbrengt tot ongeveer 16 Gbit/s.
In feite was dit ‘smalspoor-4K120’ niet gespecificeerd in HDMI 2.0. Het is te vinden in de specificatie voor HDMI 2.1, maar volgens onze informatie alleen voor FRL. Het HDMI Forum wilde waarschijnlijk een duidelijke streep zetten onder het TMDS-hoofdstuk. Sommige tv’s en monitoren met HDMI 2.0, inclusief modellen van Samsung en BenQ, geven 4K120 weer via TMDS, net als sommige HDMI 2.1-apparaten. Volgens onze analyses gebruiken de fabrikanten daar een truc voor.
In de EDID-gegevens van de HDMI 2.0-tv geven ze gewoon de Video Identification Code (VIC) 118 op voor het gekozen 4K120 8-bit 4:2:0, hoewel dit eigenlijk bedoeld is voor HDMI 2.1-apparaten.
HDMI 2.1 is immers al zo lang onderweg geweest dat de nieuwe ID-codes al lang bekend zijn. Helaas kun je er niet op rekenen dat je 4K120 op een 4K-scherm met een HDMI 2.0-poort binnenkomt.
BANDBREEDTES
Het komt vaak voor dat HDMI 2.1 wordt gelijkgesteld met een datasnelheid van 48 Gbit/s. Het huidige tv-model van LG, de CX, kan videogegevens met maximaal 40 Gbit/s ontvangen, hoewel de voorganger de C9 nog 48 Gbit/s haalde.
Er zijn nauwelijks bronnen die de maximale HDMI 2.1-waarde halen. De uitzonderingen zijn onder meer de grafische kaarten van de RTX 30-serie van Nvidia, die bijvoorbeeld video’s in 4K120 in 12-bits RGB of in 8K60 met 12-bits YUV 4:2:0 kunnen verzenden.
AMD wil dit voorbeeld echter niet volgen met zijn kaarten uit de Big Navi-serie en stelt de bovengrens in op 40 Gbit/s. Dit betekent dat de AMD-kaarten maximaal 4K120 in 10-bits, maar niet in 12-bits RGB beheersen.
Ook bij Microsofts Xbox Series X is 40 Gbit/s momenteel het maximum. Dit komt overeen met de waarde die de fabrikant zelf genoemd heeft op het Hot Chips-symposium vorig jaar augustus. Of je in de praktijk het verschil tussen 10 en 12 bits op de huidige tv’s kunt zien, is een punt van discussie.
De PS5 haalt momenteel niet eens 40 Gbit/s. De console verzendt 4K60 zoals verwacht in 12-bits RGB, maar schakelt bij 4K120 over naar 12-bits YUV met 4:2:2 chroma subsampling. Het resultaat is 8 Gbit/s over elk van de vier FRL-lanes, dus in totaal 32 Gbit/s. We kunnen nog niet zeggen of dit een hardwarebeperking is of dat dit met een firmware-update gewijzigd kan worden.
Het is wel vreemd dat de PS5 ook 4K60 doorstuurt met 32 Gbit/s en niet met de 24 Gbit/s uit de tabel aan het eind van dit artikel. In feite staat de specificatie dan ook toe dat er hogere bandbreedtes gebruikt worden dan technisch noodzakelijk is.
Wat betreft de HDMI-kabels is de sprong van het HDMI 2.0-maximum van 18 Gbit/s naar 32 of 40 Gbit/s enorm. Dan is het extra verbazingwekkend dat volgens de fabrikanten de HDMI 2.1-testspecificatie voor kabels nog niet klaar was toen de eerste HDMI 2.1-apparaten al op de markt kwamen.
Als je afstanden van drie meter of meer moet overbruggen, heb je een gecertificeerde ‘Ultra High Speed HDMI-kabel nodig; de eerste zijn bijvoorbeeld verkrijgbaar van Zeskit.
Maar pas op: er worden ook niet-gecertificeerde kabels aangeboden onder namen als ‘Ultra HD High Speed HDMI Cable’, voorzien van stickers met 8K erop.
SAMENGEPERST
Het HDMI Forum heeft nog een extra troef in handen. In HDMI 2.1 wordt voor het eerst een compressiemethode gespecificeerd: het verliesvrije Display Stream Compression (DSC). In combinatie met FRL zijn resoluties tot 10K120 mogelijk, of de overdracht van video’s in normale 4K- of 8K-resolutie met een aanzienlijk lagere datarate. Dat laatste kan met name interessant zijn als een videosignaal over een lange kabel moet worden verzonden.
Voor 4K100, 4K120, 8K50 en 8K60 is de overdracht met en zonder DSC gespecificeerd . Helaas vereist de HDMI 2.1-specificatie niet dat apparaten al deze modi in beide varianten ondersteunen. Fabrikanten profiteren dus van deze vrijheid. Yamaha’s HDMI 2.1-compatibele RX-V6A, -V4A en -A2A AV-receivers verwerken 4K120 wel in beide varianten, maar 8K60 alleen gecomprimeerd.
De HDMI-chip in de receivers kan niet overweg met de ongecomprimeerde 8K60-video’s, aangezien
de maximale bandbreedte volgens onze informatie slechts 24 Gbit/s is. De huidige HDMI 2.1-receivers van Denon en Marantz halen echter 40 Gbit/s en beheersen ook DSC.
Volgens het HDMI Forum moeten fabrikanten de ondersteunde varianten aangeven (bijvoorbeeld in advertenties) met een A voor niet-gecomprimeerde en een B voor gecomprimeerde overdracht, bijvoorbeeld 8K60B.
De toevoeging ‘AB’ laat zien dat beide varianten mogelijk zijn. Deze informatie is op de websites van sommige fabrikanten moeilijk te vinden en je vindt ook geen uitleg van de betekenis van deze letters.
Het is momenteel onduidelijk of de Xbox Series X al met DSC werkt. In feite had Microsoft op het Hot Chips-symposium gezegd dat de console dankzij DSC tot 8K60 output kan leveren zonder compromissen wat betreft kleurdiepte en subsampling. Volgens onze informatie heeft dit echter betrekking op een DSCupdate voor de Xbox Series X die nog moet komen.
ZONDER VERTRAGING OF SCHOKKEN
De laatste groep innovaties bestaat uit functies die al ingeburgerd zijn in computer- en videogames en die nu ook een betere game-ervaring op tv’s en projectors moeten bieden.
Dit omvat bijvoorbeeld de automatische selectie van een afspeelmodus met lage latentie (Auto Low Latency Mode). Microsoft had ALLM al via een software-update op de Xbox One geïnstalleerd en kort daarna bracht Samsung de eerste geschikte tv’s uit. ALLM is nu vrijwel standaard voor HDMI 2.1-tv’s.
Aan de kant van de bron is Quick Frame Transport (QFT) de tegenhanger van ALLM . Het doel daarvan is om de tijd die elk afzonderlijk beeld (frame) nodig heeft om van de bron naar het afspeelapparaat te komen zo kort mogelijk te houden. Om QFT te kunnen gebruiken, moeten alle betrokken apparaten deze functie ondersteunen. In ons onderzoek voor dit artikel kwamen we AV-receivers van Denon en Marantz tegen die QFT aankunnen, maar geen geschikte andere bronnen of tv’s.
De invoering van de variabele verversingssnelheid (Variable Refresh Rate, VRR) is echter al in volle gang. Dat ligt ook voor de hand: ook al wordt er geadverteerd dat de volgende generatie consoles en grafische kaarten games kunnen weergeven in 4K bij 60 of zelfs 120 Hz, de grafische kaarten blijken bij veel titels nog steeds overvraagd in grafisch veeleisende scènes.
In dergelijke gevallen zakt de framesnelheid onder de waarde die de televisie kan weergeven. Op andere momenten kan de GPU het doel voorbij schieten. Op tv’s en monitoren met een vaste verversingssnelheid zijn de gevolgen te zien: als de GPU te weinig frames per seconde genereert, verloopt snel bewegen schokkend.
Als de GPU meer levert dan het display aankan, kan het beeld scheuren (tearing). Om dat laatste effect tegen te gaan kan de framerate van veel grafische kaarten worden beperkt tot de framerate van het scherm (VSync). Dit kan echter weer leiden tot inputlag.
Al zo’n zes jaar geleden introduceerde Nvidia daarom G-Sync, en AMD noemde zijn variant FreeSync. Dit zijn displaytechnologieën voor grafische kaarten en monitoren, die het probleem met variabele verversingssnelheden te lijf gaan. FreeSync werkt met HDMI vanaf versie 1.2.
In 2018 bracht Microsoft een bijpassende update uit voor de Xbox One, en sommige fabrikanten zoals LG en Samsung bieden ook al enige tijd televisies aan met G-Sync en/of FreeSync. Pas in HDMI 2.1 is de variabele vernieuwingsfrequentie (VRR) gespecificeerd als een algemene functie, onafhankelijk van een fabrikant.
BEELDSTORING
Het mechanisme achter VRR komt in HDMI 2.1 zelfs twee keer voor: bij games, maar ook als basis voor de thuisbioscoopfunctie ‘Quick Media Switching’.
Met QMS kunnen signaalbronnen video’s met verschillende framerates (zoals bijvoorbeeld trailers,
films en documentaires) na elkaar op de tv afspelen, zonder dat het scherm steeds zwart wordt. Zolang de resolutie hetzelfde blijft, hoeft de tv zich niet steeds opnieuw te synchroniseren dankzij VRR.
De Xbox Series ondersteunt VRR sinds de consoles op de markt verschenen, maar de ondersteuning voor de PS5 laat op zich wachten. Sony heeft echter een update aangekondigd. Tot die tijd is de enige oplossing voor ontwikkelaars dat de games videobeelden produceren met een vaste framerate die deelbaar is door 120 of 60 Hz, dus bijvoorbeeld 30 of 60 Hz.
Huidige VRR-compatibele tv’s kunnen bij 4K meestal de genoemde 120 Hz aan. Hoe ver de televisies naar beneden kunnen, hangt van hun paneel af. De limiet voor lcd-tv’s is momenteel 48 en voor OLED-tv’s 40 Hz.
Bronnen met Low Frame Rate Compensation (LFC) kunnen echter nog lager gaan. Een daling naar 30 Hz wordt dan bijvoorbeeld gecompenseerd door de snelheid te verdubbelen naar 60 Hz.
Helaas lijken LG, Samsung en (in de VS) Vizio de functie niet volledig te hebben getest voordat hun apparaten in de verkoop gingen. Talrijke klachten over beeldstoringen bij 4K120 met VRR waren voor Microsoft zelfs aanleiding dit te vermelden als bekende bug bij de Xbox Series consoles (zie de link aan het eind).
De eerste tv-fabrikanten hebben intussen updates voor het probleem uitgebracht en daarom moet je als gebruiker van zo’n apparaat zorgen dat je nieuwste firmware installeert.
MET OMWEGEN
Zoals altijd bij HDMI geldt ook bij versie 2.1 dat een functie alleen gebruikt kan worden als alle betrokken componenten die ondersteunen. HDMI 2.1 heeft dus geen meerwaarde als je een daarvoor gecertificeerd apparaat aansluit op een bron zonder HDMI 2.1 of omgekeerd.
Dit geldt ook voor ketens met AV-receivers of soundbars in het midden. Als niet alle componenten HDMI 2.1 aan kunnen, bepaalt de zwakste schakel wat er mogelijk is.
Dit laatste is een belangrijk punt, omdat waarschijnlijk maar weinig gebruikers alle componenten in één keer zullen vervangen door HDMI 2.1-apparaten. Maar sommige dingen zijn letterlijk via een omweg te regelen.
Koop je bijvoorbeeld een console van de nieuwe generatie en een moderne televisie, dan kun je dankzij het Audio Return Channel een oudere AV-receiver met HDMI 1.4 blijven gebruiken. Je sluit de console simpelweg via HDMI rechtstreeks op de tv aan en stuurt het geluid via zijn ARC naar de receiver.
Dit is momenteel ook de manier om om te gaan met de bug in HDMI 2.1-receivers die we ontdekten die voorkomt dat bepaalde modellen 4K120 met HDR van de Xbox Series X naar de televisie doorsturen.
Het is in deze context dan ook extra jammer dat bezitters van Sony-tv’s last hebben van uitvallend geluid bij gebruik van eARC.
CONCLUSIE
HDMI 2.1 is een behoorlijk bonte verzameling, met interessante en nuttige innovaties en intussen al bijna irrelevante functies en features waarvan niet duidelijk is hoe belangrijk ze in de toekomst worden.
Bovendien konden fabrikanten sommige vernieuwingen tijdens de ontwikkeling niet testen omdat er geen geschikte tegenhangers waren. Dit is iets dat we regelmatig tegenkwamen in ons onderzoek.
Juist deze mix, gecombineerd met het feit dat bijna alles bij HDMI optioneel is, maakt het belangrijker dan ooit tevoren om bij een aankoop goed op de functies en hun omvang te letten. Bij twijfel dien je je vooraf goed te informeren, de functie te laten demonstreren bij de dealer of te kopen met retourrecht.
Ondanks alle kinderziektes moeten we erkennen dat HDMI met versie 2.1 opnieuw een grote sprong heeft gemaakt, die de interface de komende jaren veel verder brengt dan wat aan de contentkant aan nieuws kan worden verwacht.