4K

Was ist 4K?

Die 4K Auflösung von 4096 × 2160 Pixel ist ein hochauflösendes, digitales Videoformat, das ca. viermal so viele Pixel hat wie Full HD.

Wenn man über die 4K-Auflösung spricht, sollte man auch wissen, was technisch gesehen dahinter steckt. Im Zusammenhang mit 4K hört und liest man vielfach auch von „Quad Full HD“, „QFHD“ oder Ultra High Definition bzw. UHD. Was bedeuten eigentlich all diese Begriffe? Welchen Mehrwert und welche Herausforderungen bringt die höhere Bildauflösung eigentlich mit sich?

Wofür steht 4K? 

4K wird häufig (nur) als Verdoppelung der vertikalen und horizontalen (Full) HD-Auflösung 1.080 × 1.920 definiert, also 2.160 Bildpunkte vertikal und 3.840 Bildpunkte horizontal. Die Zahl der Bildpunkte ist somit viermal höher als bei Full HD. Diese vier Mal so hohe Anzahl wird daher auch mit Quad Full HD oder mit dem Kürzel QFHD bezeichnet. Der Begriff 4K rundet also ganz lässig die 3.840 horizontalen Bildpunkte in diesem System zu 4.000 auf (K für Kilo =1.000). UHD-1, der Broadcast-Standard für die in Zukunft gewünschten 4K-Fernsehprogramme, nimmt dieses Raster als Format-Grundlage.

Aus dem Arbeitsbereich des Kinos bzw. des 35-mm-Films hingegen stammt eine weitere, wenn man so will, die ursprüngliche 4KDefinition. Im Gegensatz zur QFHD-Auflösung wird hier ein etwas breiteres Raster mit 4.096 × 2.160 Pixeln definiert. Dies hat mit den „historisch gewachsenen“ Seitenverhältnissen des Kinobildes zu tun. Aber auch hier wird wieder auf runde Zahlen gesetzt: 4K oder auch 4K DCI steht für die Digitalisierung des Filmbildes mit 4.000 × 2.200 Bildpunkten.

Die so erreichten 8.800.000 Bildpunkte garantieren sogar eine höhere Auflösung als die, die durch feine Körnung und fotografische Emulsion des 35-mm-Filmmaterials erreicht werden kann. Der Vollständigkeit halber sei erwähnt, dass das japanische Staatsfernsehen unter dem Arbeitstitel „Super Hi-Vision“ bereits mit einer Anzahl von 7.680 × 4.320 Bildpunkten und Bildfrequenzen bis 120 fps (frames per second) experimentiert. Auf der IBC 2014 waren bereits Arbeitsproben zu sehen.

Bezüglich der Auflösung lässt sich zunächst Folgendes zusammenfassen: Die beiden wichtigsten Definitionen für 4k sind:

• 4K DCI (Digital Cinema Initiatives) mit einem Pixel Verhältnis von 4.096 × 2.160 und einem Seitenverhältnis von 17:9. Dieses Format ist historisch der Kinotechnik geschuldet.
• UHDTV 1 (Ultra High Definition Television 1) mit einem Pixel-Verhältnis von 3.840 × 2.160. Dies entspricht der Verdoppelung der HD-Pixel sowohl in der Höhe als auch der Breite. Das Seitenverhältnis ist hier 16:9 Beide Normen „arbeiten“ also jeweils mit 2.160 Zeilen. Die Unterscheidung erfolgt durch die Pixelanzahl pro Zeile.

Framerate, Abtastfrequenz, Farbtiefe

Ein weiterer wichtiger Parameter bei der 4K Auflösung ist die erhöhte Framerate oder Bildfrequenz. Im Gegensatz zu SD oder HD, bei denen mit 25 Hz oder 50 Hz gearbeitet wird, sind bei 4K-Framerates von 30 oder 60 Hz bzw. bis zu 120 fps möglich.

Nicht nur durch die deutlich höhere Pixelanzahl, sondern auch durch die Framerate fallen also mehr Daten an. Eine Umstellung von 25 Hz auf 30 Hz bedeutet ein Fünftel mehr Bilder! Ein Aspekt also, der z. B. bei Rendering-Zeiten beachtet werden sollte. Die höhere Framerate ermöglicht eine deutlich bessere Darstellung von Bewegungsabläufen.

Für einige 4K-Anwender erscheint dieser Aspekt weit wichtiger als die höhere Pixel-Auflösung, da Bilder flüssiger und lebendiger wirken. Dritter relevanter Punkt: 4 K bietet unterschiedliche Abtastfrequenz-Verhältnisse bei der A/D-Wandlung des Luminanzsignals (mit 13,5 MHz) und der beiden Farbdifferenzsignale (jeweils 6,75 MHz) zu einem digitalen Komponentensignal. Neben dem 4:2:2-System, das als Standard für SDI-Signale dient, sind 4:2:0-und 4:4:4-Abtastung (Sampling) möglich. Darüber hinaus sind 8, 10 und 12 Bit Quantisierungen möglich. Auch dies führt zu einer deutlich besseren Wiedergabequalität:

Mit 8 Bit können 256 Graustufen (28) dargestellt werden bzw. eine Palette von 256 Farben. Bei einer 10-Bit-Quantisierung sind rechnerisch bereits 1.024 Helligkeitsstufen bzw. Farben möglich und 12 Bit bringen es auf 4.096 Helligkeits- bzw. Farbnuancen. Die höhere Quantisierung führt zu besserer Bildqualität und einem größeren Farbspektrum. Aber das ergibt eben auch jede Menge Daten!

Die Übertragung eines 4k-Signals erfordert somit einen physikalischen Layer, dessen Bandbreite groß genug ist, um die Bildfrequenz, die Farbtiefe und die jeweiligen Abtastfrequenz-Verhältnisse bei der A/D-Wandlung zu verarbeiten.

Sowohl UHD-1 also auch UHD-2 sind in ihren Parametern in einer Empfehlung (Recommendation kurz REC) standardisiert. Die entsprechenden Werte sind in der ITU-R BT.2020 gelistet – auch bekannt unter SMPTE Rec2020. Als Bildwechsel-Frequenzen werden darin derzeit genannt: 120, 60, 60/1.001, 50, 30, 30/1.001, 25, 24, 24/1.001 und 120 Hz. Auffällig ist, dass die Bildfrequenz 100 Hz fehlt, sie wird aber in den Gremien diskutiert. Am Rande bemerkt: Der Broadcast-Bereich zeigt sich überdies uneins hinsichtlich weltweit einheitlicher Bildfrequenzen.

Auch ein deutlich erweiterter Farbraum wird in den Gremien diskutiert (siehe BT.2020 in Grafik „Erweiterter Farbraum). In diesem Farbraum ist Weiß durch die Koordinaten x 0.3127 / y 0.3290 mit 6.500 K (D65) spezifiziert. Diese enorme Erweiterung des Farbraums wird zwar dem natürlichen Farb empfinden der menschlichen Wahrnehmung im wahrsten Sinne des Wortes sichtlich entgegen kommen, sie fordert aber gleichzeitig eine nicht unerhebliche Datenkapazität ein.

Außerdem dürften in diesem Zusammenhang bis zur Einführung eines neuen Farbraums wirtschaftliche Interessen zwischen den Hollywood Studios, ihren Vertriebswegen und den Broadcastern noch zu einer ernstzunehmenden Hürde werden.

Abgesehen vom geplanten 10- oder 12-Bit-Farbraum führen bereits die erhöhte Bildrate und die höhere Auflösung zu einer deutlich höheren Datenmenge. Die reibungslose Übertragung der Datenströme ist daher derzeit noch eine Hürde. Alle Lösungsmöglichkeiten sind bisher noch aufwändig, gerade dann, wenn längere Strecken zu überbrücken sind. Aber die Silberstreifen am Horizont werden immer deutlicher bzw. breiter.

Auf der Suche nach dem schnellen Display-Interface Legt man die für die Berechnung des Referenz-Taktsignals eines 4K-Signals (inklusive VESA VBI-Steuersignal/Overhead) gebotene 4.176 × 2.222 Pixel zugrunde, ergeben sich zunächst folgende Werte:

9,279,072 × 24 Hz = 222.7 MHz

9,279,072 × 30 Hz = 278.3 MHz

9,279,072 × 60 Hz = 556.7 MHz.

Unter der zu Hilfenahme der Faktoren:

Referenz-Taktsignal × Bit Tiefe + (2 Bits (8b/10b ANSI mapping) × 3 (RGB) lässt sich daraufhin die jeweils benötigte Datenrate für 4K Signale errechnen:

Bei 8 Bit 24 Hz ergeben sich 6.681 (GB/s)

Bei 8 Bit 30 Hz ergeben sich 8.349 GB/s

und bei 8 Bit 60 Hz benötigt man 16.701 GB/s.

Bereits der HDMI 1.4 Standard (2009) versprach die reibungslose Übertragung von maximal 4.096 × 2.160 oder 3.840 × 2.160 Pixeln bei einer Bildfrequenz von 30 Hz mit einem Referenz-Taktsignal von 340 MHz, bei einer maximalen Datenrate von 10.2 GB/s. Bei Verwendung einer Bildfrequenz von 60 Hz würden aber bereits 556.7 MHz benötigt (siehe oben). HDMI 1.4 ist/war somit ausreichend genug für 4K und Bildraten bis 24/30 Hz und einem 8-Bit-Farbraum. Jedoch für 4K/60p mit 8 Bit reichte es noch nicht.

HDMI 2.0 bietet zwar schon eine Übertragung bis zu 18 GB/s und unterstützt laut der Spezifikation ebenfalls 4K und UHD-1 Auflösung bei Bildfrequenzen bis 50/60 Hz. Wird bei einer Framerate von 60 Hz statt einer 8-Biteine 10-Bit-Farbtiefe verlangt, steigt das Volumen jedoch von 16,7 GB/s auf 20,4 GB/s. Eine Framerate von 30 Hz und 8-Bit-Farbtiefe verlangt hingegen lediglich 8,35 GB/s. HDMI 2.0 bedient somit 4K mit p24, p30, p60 Bildraten bei 8 Bit.

Für 10 Bit 4K mit 60 Bildern (und mehr) reicht die Kapazität allerdings nicht aus. Displayport, ein von der VESA Video Electronics Standards Association) genormter Verbindungsstandard, bietet in der Version 1.2 inzwischen eine maximale Datenrate von 21,6 GB/s, wobei die Übertragung über vier Leitungen mit jeweils 5,4 GB/s vollzogen wird. (Auch Displayport verfügt über eine 20 % Overhead-Kapazität mit 8-Bit/10-Bit-ANSI mapping). Somit bleiben 17,28 GB/s für die Übertragung der Display-Daten. DisplayPort 1.2 ist somit schnell genug um 4K/60p mit 10 Bit zu verarbeiten.

Als ein alternativer Weg wird derzeit HCBT proklamiert, auch als HDBasedT bekannt. Diese Übertragungstechnologie, die aus einer Allianz des Halbleiterchip-Herstellers Valens und den Unternehmen LG, Samsung und Sony hervorging, setzt auf den HDMI-Standard auf –bzw. führt diesen weiter. Video, Audio und Daten können hier in „Paketen“ kompressionslos bis 100 Meter transportiert werden. Mit bis zu acht Repeatern kann die Strecke auf 800 m verlängert werden. Problematisch sei in der Praxis jedoch die Kompatibilität besonders bei Geräten mit unterschiedlichen Betriebsspannungen.

DisplayPort 1.3

Im Herbst 2014 kündigte die VESA die Veröffentlichung des DisplayPort 1.3 Standards an. Diese derzeit neueste Version erhöht die Bandbreite auf maximal 32,4 GB/s. Auf jeder der vier Leitungen sind dann 8,1 GB/s möglich. Dies böte eine Steigerung um 50 Prozent gegenüber der vorherigen Version.

Abzüglich der zum Auslesen benötigten Daten, also einem Overhead von 20 %, bedeutet dies eine Kapazität von 25,93 GB/s für unkomprimierte Videosignale. Diese Bandbreite soll den Anschluss von Monitoren mit Auflösungen bis zu 5.120 × 2.880 Pixeln mit einem DisplayPort-Kabel ermöglichen. Mit DisplayPort 1.3 soll es unter Berücksichtigung bestimmter VESA Parameter (z. B. Coordinated Video-Timing) möglich werden, zwei 4K UHD-Monitore mit einer Auf – lösung von jeweils 3.840 × 2.160 über eine einzige Signalleitung anzusteuern.

Weiterhin werden folgende mögliche Kombinationen angeführt:

4× 2.560 × 1.600 bis zu sieben 1080 oder 1.920 × 1.200 Displays oder vier UHD-Displays in Kombination mit zwei weiteren 2.560 × 1 600 Auflösungen. DisplayPort 1.3 soll u. a. die Video-Konvertierung zu VGA, DVI und HDMI und HDCP 2.2 und HDMI 2.0 unterstützen. Überdies werden wichtige Kontrollfunktionen für den Consumer-Bereich CEC möglich.

Im Zusammenhang mit DisplayPort 1.3 soll HBR3 (High Bit Rate 3) als neuer Anschluss-/Leitungs-Standard eingeführt werden. Compliance-Tests sind bis Mitte 2015 angekündigt –marktreife Produkte erst für 2016. Allerdings sollte man hierbei unbedingt bedenken, dass gerade mal die ersten bezahlbaren Chipsätze für DisplayPort 1.2 den Markt erreichen.

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