DVI (Digital Visual Interface) - Hintergrundinformationen

update: 24.06.2008; Autoren: Carsten Rampacher, Detlev Schnick

Die Situation

Mit der der Einführung des DVD-Standards ging eine geradezu revolutionäre visuelle Verbesserung des Videobildes einher. Das digitale Format der DVD ermöglichte endlich ein Bild, das deutlich höher auflösend, schärfer, farbechter, kontrastreicher und natürlicher wirkte. Aber: Auch wenn die Daten auf der DVD digital gespeichert waren - das digitale Heimkino blieb noch immer ein Traum. Zwar erfolgt die Tonausgabe bei DVD Video-Discs auf digitalem Wege mittels des optischen beziehungsweise des koaxialen Digitalausgangs. Videoseitig aber gab es bis dato keine digitale Lösung für die Datenübertragung. Stets wandelt der DVD-Player die digitalen Videodaten mittels eines Video Digital-/Analog-Konverters in analoge Daten um. Auch, wenn die Wandler mit der Zeit, gerade in hochklassigen DVD-Spielern, immer besser wurden - so gibt es heute schon bei bezahlbaren DVD-Spielern z.B. 216 MHz/12-Bit-Video-DACs, die für eine optimierte Plastizität und eine sehr gute Detailwiedergabe sorgen - steht dennoch vor der Weiterleitung an den entsprechenden analogen Videoausgang auf der Rückseite des DVD-Spielers noch eine Wandlung des Signals an. Beim Bildwiedergabegerät angekommen, muss, je nach der Art des Bildwiedergabegeräts, eine erneute Wandlung von der analogen in die digitale Ebene vorgenommen werden (z.B. ein DLP-Projektor benötigt ein digitales Signal). Solche Wandlungen sind stets verlustbehaftet! Wollte man die Bildqualität weiter optimieren, bestand daher dringender Handlungsbedarf. Störende Signalwandlungen mussten vermieden werden, und der digitale MPEG2-Datenstrom der DVD sollte am besten auf direktem Wege in das dafür vorbereitete Bildwiedergabegerät geleitet werden. Diese Gedanken führten dazu, das nach den Normierungen der DDWG (Digital Display Working Group zu der u.a. Hewlet Packard, IBM, Intel u.a. gehören) ursprünglich für Computer-Monitore entwickelte und vom US-Hersteller Silicon Image umgesetzte DVI (Digital Visual Interface) auch im Home Entertainment Bereich zu adaptieren.

Die Daten auf der DVD

Auf jeder DVD sind die Videodaten im digitalen Format MPEG-2 in komprimierter Art und Weise encodiert. Die Komprimierung ist notwendig, da Videodaten hoher Qualität sehr viel Platz benötigen und selbst die großzügige Speicherkapazität, die eine DVD zur Verfügung stellt, nicht ausreicht, um die Videodaten im ursprünglichen Format und unkomprimiert zu speichern. Also musste ein Komprimierungs-Algorhytmus her, der auf der DVD Platz schafft für alle Videodaten. Für die Audiodaten, die ihrerseits via Dolby Digital oder DTS komprimiert wurden, musste ebenfalls noch genug Kapatität verbleiben. Die Wahl fiel auf MPEG-2, denn dieses Verfahren arbeitet zwar verlustbehaftet, die Verluste sind aber - so befanden die DVD-Entwickler - erträglich, und zudem arbeitet MPEG-2 auf den Speicherplatz bezogen ökonomisch. Eine weitere Möglichkeit der DVD ist die Variabilität in der Datenrate, so konnten z.B. ruhige Bildsequenzen, in denen nicht viel Bewegung existiert, mit einer niedrigeren Datenrate encodiert werden als Szenen, in denen sich schnell Vieles ändert. Auch durch diese Möglichkeit der variablen Bitrate konnte effektiv Platz gespart werden.

Der herkömmliche Video-Signalweg im DVD-Player

Im DVD-Player nun saß der MPEG 2-Videodaten-Encoder, der den MPEG 2-Datenstrom der Weiterverarbeitung zugänglich machte. Entweder entstanden aus dieser Weiterverarbeitung, wie immer noch in den meisten Fällen, Interlaced-Bildsignale (Bildsignale im Zeilensprung-Verfahren), oder, wie in letzter Zeit (vor allem seit PAL Progressive) auch bei uns öfters üblich, Progressive Scan-Bildsignale. Der letzte Vorgang im Inneren des DVD-Players war dann, das ansonsten fertig bearbeitete Signal von der digitalen in die analoge Ebene zu transferieren. Diese Arbeit übernahm der bereits oben im Text erwähnte Video-D/A-Wandler.  Analoge Signale sind notwendig, um beispielsweise einen Röhrenprojektor zu betreiben. Bei DLP-Projektoren (Videoprojektor, der nach dem von Texas Instruments entwickelten Digital Light Processing-Prinzip arbeitet) werdenim Gegensatz zu LCD-Projektoren hier keine LCD-Panels durchleuchtet, sondern das Bild von winzigen Spiegeln reflektiert. Dies ergibt eine wesentlich höhere Lichtausbeute als bei einem LCD-Projektor. Im Inneren befinden sich ein bis zu drei Spiegelpanels, die aus hunderttausenden von mikroskopisch kleinen Spiegeln bestehen, die alle einzeln ansteuerbar sind. Während in Profi-Geräten für jede Grundfarbe (Rot, Grün, Blau) ein eigenes "Digital Mirror Device" (DMD) eingesetzt wird, nutzen preiswerte DLP-Projektoren nur einen DMD-Chip und erzeugen die verschiedenen Farben über ein rotierendes Farbrad. Der DLP-Projektor benötigt ein digitales Signal, um seine kleinen Spiegel anzusteuern. Daher müssen die ankommenden analogen Signale erst durch einen Analog-/Digital-Konverter geschleust werden, damit der DLP-Projektor damit arbeiten kann.

Obwohl andere Displayarten, wie z.B. LCD-Bildschirme oder Plasma-Screens, für die Ansteuerung ihrer Pixel ein analoges Signal benötigen, müssen eintreffende Videosignale zunächst skaliert werden, damit die native Auflösung des jeweiligen Screens als Ergebnis dieser Umrechnung herauskommt. Für diesen Vorgang des Skalierens wandelt die interne Elektronik des Plasmaschirms oder des LCD-Displays das einkommende analoge Videosignal in ein digitales um. Nach der Skalierung kommt erneut ein Konverter zum Einsatz: Diesmal ein Digital-/Analog-Konverter, der das nun "fertige" Signal wieder in ein analoges wandelt, das, wie eben beschrieben, benötigt wird, um jedes einzelne Pixel des Displays anzusteuern.  Durch jede einzelne Signalwandlung verschlechtert sich die Signalqualität, was zu einem Bild führt, das nicht die Qualität besitzt, die eigentlich technisch möglich wäre.

Der Nutzen von DVI

Nehmen wir an, ein extrem hochwertiger DVD-Player mit einem erstklassigen Video-DAC kommt in  Verbindung mit einem ebenfalls mit Top-Wandlern ausgestatteten Bildwiedergabegerät zum Einsatz. In diesem Fall kann der Vorsprung durch eine wandlungsfreie, direkte Übertragung via DVI möglicherweise nur gering ausfallen. Wer nicht wirklich ins Detail geht, wird vielleicht überhaupt keine bedeutenden Differenzen ausmachen können. Doch solch hochklassige Kombinationen sind nicht nur in Bezug auf die visuelle Performance auf Premium-Level angeordnet, sondern auch im Hinblick auf den Kaufpreis. Somit bleiben solche noblen Geräte-Kombis für viele, auch visuell sehr anspruchsvolle Heimcineasten, ein Traum. Und genau hier greift DVI ein. Mittels DVI kann ein Top-Bild weitaus kostengünstiger realisiert werden. Gerade bei preisgünstigeren Gerätekombinationen, die ansonsten eine zwar gute, aber keinesfalls überdurchschnittliche Bildqualität ermöglichen würden, bieten durchgängig mittels DVI verbundene Systeme einen deutlich sichtbaren visuellen Vorteil.

Bereits der Aufbau eines Digital-/Analog-Konverters birgt durch die unterschiedlichen Baugruppen ein gewisses Risikopotenzial.  Ein Filter für das digitale Oversampling, der Konverter selbst und ein analoger Filter für jedes Ausgangssignal - in jeder einzelnen "Abteilung", durch die sich das Signal seinen Weg bahnt, können Verschlechterungen auftreten - die dann besonders in Form von Doppelkonturen und Schattenmustern, ebenso in Form einer künstlich wirkenden Überschärfung auf dem Bildwiedergabegerät sichtbar werden. Diese Probleme gehören nun dank DVI der Vergangenheit an, denn die DAC-Einheit wird einfach übergangen. 

Doch dies sind noch nicht alle Wandlungen, die ein Videosignal normalerweise "über sich ergehen" lassen muss: Wie oben bereits beschrieben, arbitet in verschiedenen Bildwiedergabegeräten wie z.B. einem Plasma- oder einem LCD-Schirm, ein A/D-Wandler, der das einkommende analoge Signal erst einmal in ein digitales zum Zweck der Skalierung transformiert.  Hier tun sich weitere Fehlerquellen auf, denn eine in der technischen Spezifikation der Wandlereinheit begründete Limitierung der Auflösung kann ebenso für visuelle Einbußen sorgen wie Laufzeitfehler bei der Signaltransformation. Kantenrauschen und nicht passende Objektränder zeigen diese Problematik am Bild genauso auf wie zufällig auftretende Rauschmuster und eine von leichtem Bildrauschen und Verschiebungen gekennzeichnete Darstellung der hochfrequenten Bildbereiche - also genau der Bildteile, in denen eigentlich kleine, feine Details akkurat wiedergegeben werden sollten. Natürlich hängt es von der Güte der Analog-/Digital-Koverter ab, wie groß diese zu beobachtenden Mängel ausfallen. Günstigere Projektoren verwenden Dreifach-8-Bit-Konverter,um Progressive Scan- und HDTV-Signale zu digitalisieren. Beamer gehobener Preisklassen setzen hingegen 10-Bit A/D-Transformer ein, die eine höhere Linearität und weniger Rauschen sicher stellen.

Nun zur nächsten möglichen Quelle für Bildverschlechterungen. Ebenso arbeiten in Bildwiedergabegeräten, die analoge Signale für die Ansteuerung der Pixel benötigen, wie schon beschrieben, D/A-Wandler, um denn Video-Datenstrom wieder für die analoge Ansteuerung der einzelnen Pixel zu qualifizieren. Auch diese DACs können durch nicht absolut akkurates Arbeiten Bildfehler hervorrufen.  Auch diese Probleme lassen sich mittels einer kompletten DVI-Verbindung umgehen. Der D/A-Konverter des Players und der A/D-Konverter des Plasma-Displays oder LCD-Panels filtern den Frequenzumfang des Videosignals, was nötig ist, um Aliasing zu vermeiden, wenn man Signale zwischen der digitalen und der analogen Ebene konvertiert oder wenn man digitale Signale durch Skalierung "formatiert". Das Filtern analoger Videosignale ist nur noch ein nicht allzu guter Kompromiss, seit der analoge Eingang von Bildwiedergabegeräten neben Standard-Signalen auch Progressive Signale, oder, in den USA z.B., HDTV-Signale akzeptiert, die im Vergleich zu Standardsignalen (wie 480i und 576i) eine viel weitere Bandbreite haben. 

Auch hier bietet DVI klare Verbesserungen, da diese Beschränkung des Frequenzgangs nun aufgehoben ist. Aliasing-Probleme treten nicht auf. Das Frequenzspektrum kann durch die digitalen Skalierungs-Algorhythmen im Projektor bzw. im DVD-Player optimal festgelegt werden, sofern der eingesetzte DVD-Spieler ein Luxusmodell mit DVI und integriertem Scaler ist. Man erhält mittels einer DVI-Verbindung ein Bild mit nochmals kräftigeren, leuchtenderen Farben, denn auch die Bandbreite des Chromasignals ist von originaler Qualität und nicht für die analogen Ausgänge des DVD-Players eingegrenzt. Stattdessen ist der Chroma-Frequenzgang durch die Skalierungs-Algorythmen und der Qualität der digitalen YPbPr-in-RGB-Konvertierung im DVD-Player-Inneren festgelegt. Wenn man einen DVD-Spieler mit Scaler verwendet, kann es auch sein, dass die gesamte Farbdarstellung besser ist bei diesem Verfahren - wenn z.B. das LCD-Display oder das Plasma-Panel bei einer eventuellen Signalbearbeitung einen sichtbaren Rot- oder Blaustich erzeugt und man durch einen Player mit DVI sowie Scaler in der Lage ist, dies zu vermeiden und die komplette Signalbearbeitung schon im DVD-Player erfolgen zu lassen. Das Plasma oder der LCD-Screen erhält dann ein bereits komplett aufbereitetes Signal. 

Durch die Verbindung mittels DVI sollte das Bild nicht heller werden, und auch die Schwarzwiedergabe dürfte sich nicht verbessern. Sollte dies der Fall sein, kann man davon ausgehen, dass bei der zuvor verwendeten analogen Verbindung oder bei den Einstellungen von DVD-Player von Projektor/Display Fehler gemacht wurden.  

DVI bekommt Konkurrenz: Marktchancen, neue Perspektiven und HDMI

Das "Digital Visual Interface", entwickelt von den Experten der US-amerikanischen Chipschmiede Silicon Image, verbindet etwas, was nach Meinung von vielen Entwicklern und Technikern aus der Unterhaltungselektronik-Branche zukünftig immer mehr zusammen gehört: Die Welt der Unterhaltungselektronik und die Computer-Welt. Es gibt Grafikkarten und LCD-Bildschirme mit DVI-Anschlüssen, und es kommen immer mehr DVD-Player mit DVI-Ausgang. Auch DLP-Projektoren und Plasmaschirme sowie LCD-Screens mit der neuen digitalen visuellen Hochgeschwindigkeitsschnittstelle werden immer zahlreicher auf dem Markt auftauchen. Wer sich für DVI-Produkte interessiert, sollte allerdings wissen, dass hier - bei digitalen Übertragungsmöglichkeiten horcht die Softwareindustrie verständlicherweise immer auf und wittert neuen "Kopierwahn" - ein neuer Kopierschutz mit dem Namen HDCP (High Bandwidth Digital Content Protection) ins Spiel kommt. Wie der Name schon aussagt, greift dieses HDCP auch bei HDTV- oder Progressive-Signalen mit großer Bandweite, und verhindert so digitale Kopien. Wenn man nun z.B. einen Projektor mit DVI-Schnittstelle kaufen möchte, so muss er zusätzlich zur DVI-Buchse auch noch Schaltungen zum Entschlüsseln des HDCP-Codecs mitbringen. Auch gibt es zwei unterschiedliche DVI-Unterarten. Während DVI-D ausschließlich digitale Bildsignale transferiert, kann der Anwender mit DVI-I (Das "I" steht für integriert) zusätzlich auch noch analoge Bildsignale übertragen.

Belegung und technische Daten der DVI-Schnittstelle

DVI-Kabel: Technische Merkmale:

• Übertragung von Videodaten über zwei TDMS-Links mit jeweils 3 Kanälen
• Maximaler Pixeltakt pro Kanal: 330 MHz
• Datenübertragungsrate bis zu 1,65 Gbit/s
• Auflösung bei Verwendung von DVI-Monitoren: 2048 x 1536 Bildpunkte
• Single Link bis 1600 x 1200 Pixel
• Dual Link bis 2048 x 1536 Pixel

Single Link und Dual Link

Neuere technische Entwicklungen der Monitor-Hersteller machten es erforderlich, die begrenzte Bandbreite von DVI zu erhöhen. Daher wurde das Übertragungsverfahren erweitert und fortan Dual Link genannt. Das "alte" Verfahren bleibt jedoch ein Standard und heißt jetzt Single Link. Das Standard TMDS Single Link stellt eine maximale Bandbreite von 165 MHz zur Verfügung. DVI lässt es jedoch zu, die bestehenden drei Kanäle von TMDS um drei weitere zu ergänzen, wodurch sich die Bandbreite auf 330 MHz verdoppelt. Mit der dann auf insgesamt sechs Kanäle und zwei Links verteilten Bandbreite erlaubt das Dual-Link-TDMS Auflösungen bis zu 2048 x 1536 wobei für beide Verbindungen die gleiche Taktleitung verwendet wird.

DVI-Kabel: Das Problem größerer Längen

Im Heimkino-Bereich gilt es häufig größere Längen zu überwinden, wenn es zum Beispiel darum geht, die digitalen Videodaten vom DVD-Player im Technik-Rack zum Projektor an der Decke zu leiten. Für solche Längen war DVI bei seiner ursprünglichen Konzeption (Verbindung von Computer zu Monitor) nicht vorgesehen. Bis 5 Meter ist die Verbindung bei qualitativ hochwertigen Kabeln unkritisch. Ab 5 Meter muss das Kabel sehr aufwändig (hochreines Kupfer und hervorragende Isolierung) aufgebaut sein, um weder einen Spannungsabfall noch Verluste beim Signaltransfer zu verursachen. Oehlbach hat zur IFA 2003 ein 10 Meter langes DVI-Kabel (Oehlbach DVI 1000) ins Programm aufgenommen.

Fazit

Alles sieht danach aus, dass mit DVI und HDMI ein neues Zeitalter für die Home Entertainment Szene beginnt. Das "volldigitale Heimkino" ist Realität geworden. Mittels entsprechender DVD-Player in Verbindung mit für DVI oder HDMI ausgelegten Projektoren, Plasmas und LCDs können nun auch Bilddaten digital transportiert werden. Nutznießer sind vor allem diejenigen, die bislang kein Equipment der Top-Liga verwendet haben. Denn gerade bei "gewöhnlichen" Gerätekombinationen kann man ein Nachlassen der Bildqualität durch die verschiedenen A/D- und D/A-Wandlungen recht deutlich beobachten. Die Marktchancen stehen aufgrund der Positionierung nicht schlecht - zudem ist DVI auch schon bei PC-Equipment ein eingeführter Standard. Doch ein talentierter Konkurrent greift schon ins Geschehen ein: Mit HDMI können auch - neben digitalen Bildsignalen - mit einer einzigen Verbindung digitale Audiosignale transportiert werden. Es bleibt also Bewegung im Markt, und das "volldigitale Heimkino" zu einer immer größeren Bedeutung kommen.
 

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Text: Carsten Rampacher, Detlev Schnick - letztes Update: 26. Juni 2008

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Ähnlich wie für DVI haben wir auch eine Menge Infos zur SCART-Schnittstelle und zum Thema Scartkabel zusammengetragen. Wichtig zur Vermeidung von Brummen und zum Blitzschutz / Überspannungsschutz: Setzen Sie an Ihrer Heimkinoanlage eine gute Netzleiste mit Netzfilter ein und verwenden Sie Antennenkabel und Audiokabel möglichst mit integriertem Mantelstromfilter. Übrigens: unter DVI-Kabel finden Sie in unserem Shop eine gute Auswahl der besten DVI-Kabel - auch für die kritischen langen Strecken.