Welche HDMI-Bandbreite benötigt man für 4K/8K, 120Hz, 10-bit usw.

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HDMI Bandbreite Bitrate
Welche HDMI-Bandbreite benötigt man für bestimmte Kombinationen von Auflösung, Bildrate und Farbtiefe?

Welche HDMI-Bandbreite wird benötigt, um z.B. ein 4K Videosignal mit eine Bildwiederholungsrate von 120Hz, 10-bit Farbtiefe und 4:4:4 Chroma wiederzugeben? Hier erfährst du alles über HDMI-Bandbreiten!

Wieso läuft 4K@120Hz/10-bit/4:4:4 Chroma nicht auf der PlayStation 5? Und wieso funktioniert 4K@60Hz/10-bit/4:4:4 Chroma nicht auf meinem Gaming-PC mit HDMI 2.0-Schnittstelle? Die Antwort lautet in beiden Fällen: zu wenig HDMI-Bandbreite! Doch wie viel Bandbreite benötige ich eigentlich für die jeweiligen Kombinationen aus Auflösung, Bildfrequenz, Farbtiefe und Farbunterabtastung (Chroma)? In diesem Beitrag möchten wir uns genau diesem Thema widmen und euch einen kleinen Leitfaden geben, welche Faktoren die benötigte Bandbreite beeinflussen. (Hier geht es direkt zur Vergleichstabelle)

HDMI-Bandbreite für 4K, 8K, 120Hz usw.

Als Erstes möchten wir darauf hinweisen, dass das Thema HDMI und dessen Bandbreiten „durchsiebt“ ist mit Sonderfällen, Tweaks und Workarounds. Also nur, weil ein TV-Gerät mehrere HDMI 2.1-Schnittstellen mit 40 Gbit/s besitzt, heißt das noch lange nicht, dass alle in der Tabelle aufgelisteten Kombinationen unter 40 Gbit/s funktionieren müssen. Oft limitieren die Hersteller ihre Endgeräte (aus welchen Gründen auch immer), oder schieben bestimmte Features, wie z.B. eine 120Hz Wiedergabe via Firmware-Update nach (prominentes Beispiel der Sony XH90). Also sieht den Beitrag eher als allgemeine Information.

Die Auflösung

Vergleich zwischen Full-HD, 4k, 5k, 8k und 10k Auflösung
Vergleich zwischen Full-HD, 4k, 5k, 8k und 10k Auflösung

Die benötigte Bandbreite eines Videosignals setzt sich in der Regel aus vier Faktoren zusammen: die Auflösung, Bildfrequenz, Farbtiefe und Farbunterabtastung (Chroma). Die Auflösung eines Videosignals setzt sich aus den vertikalen und horizontalen Pixelreihen zusammen. Bei einem 4K Ultra HD Signal haben wir 3.840 vertikale Pixelreihen in der  2.160 horizontale Pixelreihen. Multipliziert man diese, ergibt das die totale Anzahl der Bildpunkte, die berechnet werden müssen – in unserem Beispiel 8.294.400. Bei 8K Auflösung wären es demnach 7.680 x 4.320, also 33.177.600 Bildpunkte, bei 1.440p (z.B. auf der Xbox Series X|S) wären es 3.686.400 Bildpunkte (2.560 x 1.440p), bei Full HD 2.073.600 Bildpunkte (1.920 x 1.080) usw. Man kann Regel niedrigere Auflösungen auf einem höher aufgelösten Display wiedergeben (z.B. 4K auf einem 8K Display). Die fehlenden Informationen werden dann meist durch ein Upscaling des Displays kompensiert.

Bildwiederholungsfrequenz (Hz oder FPS)

Die Bildfrequenz oder Bildwiederholungsfrequenz gibt wieder, wie viele Einzelbilder über die Zeitspanne von einer Sekunde wiedergegeben oder dargestellt werden. Angegeben wird dieser Wert meist mit Hz (Hertz) oder FPS (Frames per Second / Bilder pro Sekunde). Eigentlich ziemlich selbsterklärend, gibt ein 4K Fernseher der gerade im 30Hz-Modus läuft 30 Vollbilder pro Sekunde aus, bei 60Hz die doppelte Anzahl (ausgehend von 30Hz) und bei 120Hz sind es das Vierfache. In Deutschland werden aufgrund des PAL-Standards auch oft 50Hz und 100Hz bei TV-Geräten oder Monitoren ausgegeben. Die Bildwiederholungsfrequenz hat einen direkten Einfluss auf die Bildqualität, bzw. wie „flüssig“ man die Inhalte wahrnimmt. Vor allem beim Gaming kann dies entscheidend sein, da ein Videosignal von 30Hz nur alle 33ms ein Bild aufbaut, ein 120Hz Signal alle 8.33ms. Bei kompetitivem Spielen (Shooter, Rennspiele) kann diese Differenz bereits den Unterschied zwischen Sieg und Niederlage ausmachen. Bei TV-Geräten mit aktivierter Zwischenbildberechnung, kann ein Film oder Serie, die mit 24fps aufgezeichnet wurden, weitaus detailreicher wahrgenommen werden – vor allem bei actionreichen Szenen. Und Fußballspiele lassen sich mit 50/60 Bildern pro Sekunde weitaus angenehmer verfolgen, als mit einem 24fps gestotterte.

Farbtiefe

Die Farbtiefe gibt an, wie viele Abstufungen je Farbkanal von einem Display wiedergegeben werden können. Mit 1-bit gäbe es pro Farbe lediglich 2 Abstufungen. Bei 2-bit sind es 4 Abstufungen, bei 4-bit 16 Abstufungen und bei 8-bit 256 Abstufungen. In der Regel besitzt ein aktueller 4K oder 8K Fernseher ein 10-bit Display und kann somit 1.024 Farbabstufungen pro Kanal wiedergeben. Je höher die Bitrate, desto besser lassen sich z.B. Banding-Effekte bei Farbverläufen (sichtbare, Farb-Übergänge z.B. bei dargestelltem blauen Himmel) verringern. Für die Wiedergabe von HDR-Inhalten (High Dynamic Range) ist eine 10-bit Darstellung Voraussetzung. Der Bildeindruck wird mit steigender Farbtiefe als natürlicher und mit mehr Bildtiefe wahrgenommen.

Farbunterabtastung (Chroma)

Beispiel Farbunterabtastung (Chroma Subsampling)
Beispiel Farbunterabtastung (Chroma Subsampling) Quelle: wikipedia.org

Die Farbunterabtastung (oder Chroma Subsampling) ist das wohl effektivste Mittel um Bandbreite zu sparen. In der Regel stehen für jeweils 4×4 Pixel Informationen für die Farbsättigung (Chroma) und deren Helligkeit (Luma). Bei einem 4:4:4 Subsampling werden für alle 4×4 Pixel jeweils alle Helligkeits- und Farbinformationen bereitgestellt. Bei 4:2:2 ist die Farbabtastung in horizontaler Richtung nur halb so groß wie bei der vertikalen Richtung. Die Farbinformationen des „Nachbarpixels“ wird sozusagen übernommen. Bei 4:2:0 steht nur eine Farbinformation für einen Block von vier Pixeln zur Verfügung. In allen Szenarien wird jedoch jeder Pixel mit einer eigenen Helligkeitsinformation versehen. Man macht sich die Physiologie des Auges zu Nutze, da der Mensch unterschiedliche Luminanzen viel besser wahrnimmt, als unterschiedliche Farben. Ein Blatt, das z.B. überall den gleichen Grünton aufweist, wird erst durch die Helligkeitsabstufung mit Details und einer gewissen Dreidimensionalität „versorgt“.

HDMI 2.1 – Bandbreiten-Bingo

Verbaute HDMI 2.1 Chipsätze in AV-Receivern machen Probleme!
Die meisten HDMI 2.1-Chipsätze, unter anderem für TV-Geräte, Konsolen und AV-Receiver, liefern eine Bandbreite von 40 Gbit/s

Aus all diesen Faktoren zusammen ergibt sich dann die Bandbreite des Videosignals, welches nur wiedergegeben werden kann, wenn der HDMI-Anschluss diese auch verarbeiten kann. Aber auch hier sei nochmals angemerkt, dass die HDMI-Spezifikationen, zumindest bei HDMI 2.1, derzeit recht ungenau sind. HDMI 2.1 kann maximal 48 Gbit/s unterstützten, die meisten Chipsätze liefern jedoch nur 40 Gbit/s. Die PlayStation 5 z.B. hat nur 32 Gbit/s und wäre damit in der Lage, alle wichtigen 4K-Auflösungen wiederzugeben, jedoch würde 8K@60Hz,8-bit mit 4:2:0 Chroma nicht mehr funktionierten (32,08 Gbit/s). Das 8K-Features der PS5 ist aber noch nicht einmal freigeschaltet worden. Also ihr seht, alles teils recht unüberschaubar. In nachfolgender Tabelle haben wir euch verschiedenste Kombinationen mit den daraus resultierenden Datenraten aufgelistet. In der letzten Spalte listen wir euch zudem auf, welcher HDMI-Standard benötigt wird, um die entsprechende Datenraten verarbeiten zu können:

HDMI-Bandbreiten:

Auflösung Bildfrequenz Farbtiefe Chroma Datenrate HDMI
4K 30Hz 8-bit 4:2:0 4,46 Gbit/s 1.4
4K 30Hz 8-bit 4:2:2 5,94 Gbit/s 1.4
4K 30Hz 8-bit 4:4:4 8,91 Gbit/s 1.4
4K 30Hz 10-bit 4:2:0 5,57 Gbit/s 1.4
4K 30Hz 10-bit 4:4:4 11.14 Gbit/s 2.0
4K 60Hz 8-bit 4:2:0 8,91 Gbit/s 1.4
4K 60Hz 8-bit 4:2:2 11,88 Gbit/s 2.0
4K 60Hz 8-bit 4:4:4 17,82 Gbit/s 2.0
4K 60Hz 10-bit 4:2:0 11.14 Gbit/s 2.0
4K 60Hz 10-bit 4:2:2 14.85 Gbit/s 2.0
4K 60Hz 10-bit 4:4:4 20.05 Gbit/s 2.1
4K 120Hz 8-bit 4:2:0 17,82 Gbit/s 2.0*¹
4K 120Hz 8-bit 4:2:2 21,38 Gbit/s 2.1
4K 120Hz 8-bit 4:4:4 32.08 Gbit/s 2.1
4K 120Hz 10-bit 4:2:0 20,05 Gbit/s 2.1
4K 120Hz 10-bit 4:2:2 26,73 Gbit/s 2.1
4K 120Hz 10-bit 4:4:4 40,09 Gbit/s 2.1
8K 30Hz 8-bit 4:2:0 17,82 Gbit/s 2.0*²
8K 30Hz 8-bit 4:2:2 21,38 Gbit/s 2.1
8K 30Hz 8-bit 4:4:4 32,08 Gbit/s 2.1
8K 30Hz 10-bit 4:2:0 20,05 Gbit/s 2.1
8K 30Hz 10-bit 4:2:2 26,73 Gbit/s 2.1
8K 30Hz 10-bit 4:4:4 40,09 Gbit/s 2.1
8K 60Hz 8-bit 4:2:0 32,08 Gbit/s 2.1
8K 60Hz 8-bit 4:2:2 42,77 Gbit/s 2.1
8K 60Hz 8-bit 4:4:4 64,15 Gbit/s
(21.38)
DSC*³
8K 60Hz 10-bit 4:2:0 40,09 Gbit/s DSC*³
8K 60Hz 10-bit 4:2:2 53,46 Gbit/s
(14,26)
DSC*³
8K 60Hz 10-bit 4:4:4 80,19 Gbit/s
(21,38)
DSC*³
8K 120Hz 8-bit 4:2:0 64,15 Gbit/s
(21.38)
DSC*⁴
8K 120Hz 8-bit 4:2:2 85,54 Gbit/s
(28,51)
DSC*⁴
8K 120Hz 8-bit 4:4:4 128,30 Gbit/s
(42,77)
DSC*⁴
8K 120Hz 10-bit 4:2:0 80,19 Gbit/s
(21,38)
DSC*⁴
8K 120Hz 10-bit 4:2:2 106,92 Gbit/s
(28,51)
DSC*⁴
8K 120Hz 10-bit 4:4:4 160,38 Gbit/s
(42,77)
DSC*⁴

4K@120Hz Support unter HDMI 2.0 ist nicht vorgesehen, funktioniert aber in einigen Fällen, z.B. am PC mit einer GTX 2080 TI.
*² 8K-Support unter HDMI ist nicht vorgesehen/unterstützt
*³ Funktioniert nur mit aktivierter Digital Stream Ccompression (DSC) Bildkomprimierung des HDMI 2.1 Standards (reduziete Bitrate in Klammern). Dafür müssen jedoch die verbundenen Geräte beide DSC beherrschen.
*⁴ 8K@120Hz wird von noch keinem TV-Gerät, Monitor oder Signalgeber unterstützt. 

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7 KOMMENTARE

  1. 4K, 60Hz, 10-bit, 4:4:4, 20.05 Gbit/s, HDMI 2.1? Wird die genannte Auflösung nicht mit HDMI 2.0 unterstützt? Gibt es nicht eine 12-bit Signalübertragung optional? Oder habe ich da was falsches im Kopf?

  2. Mal eine Frage, der LG kann 40 Gbit/s, da man aber für 4K@120fps+4:4:4+10Bit(HDR) 40,09 Gbit/s braucht, gehts nicht mehr? Da um 0,09 Gbit/s drüber? Und was ist mit Sound, sowas wie PCM oder Bitstream ?

    • Die Nachkommastellen werden einfach nur nicht angegeben bei dem TV.
      Und die Bandbreite für den Ton zählt da nicht mit rein.

  3. In der Tabelle solltet ihr ggf. noch die Bandbreiten angeben und nicht nur die Datenraten, da ihr die Tabelle ja auch so genannt habt.

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