Digital Visual Interface (DVI) - Eine Einführung

25.09.2003 (cr)

Die Situation

Durch die Einführung des DVD-Standards gab es eine revolutionäre visuelle Verbesserung. Das Bild, das die DVD ermöglichte, war deutlich höher auflösend, schärfer, farbechter, kontrastreicher und natürlicher.  Aber: Auch wenn die Daten auf der DVD digital gespeichert waren, war das digitale Heimkino noch immer ein Traum. Zwar erfolgte die Tonausgabe bei DVD Video-Discs auf digitalem Wege mittels des optischen beziehungsweise des koaxialen Digitalausgangs. Videoseitig aber gab es keine digitale Lösung für die Datenübertragung. Der DVD-Player wandelte die 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. 108 MHz/12-Bit-Video-DACs, die für eine optimierte Plastizität und eine sehr gute Detailwiedergabe sorgen - trotzdem stand vor der Weiterleitung an den entsprechenden analogen Videoausgang auf der Rückseite des DVD-Spielers noch eine Wandlung des Signals an.  Beim Bildwiedergabegerät angekommen, musste, 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). Um die Bildqualität weiter zu optimieren, bestand daher 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 zur Entwicklung von DVI (Digital Visual Interface).

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 der großzügige Raum, den eine DVD zur Verfügung stellt, nicht ausreicht, die Videodaten im ursprünglichen Format und unkomprimiert zu speichern. Also musste ein Komprimierungs-Algorhytmus her, der auf der DVD Platz schafft für alle Videodaten - und für die Audiodaten, ihrerseits via Dolby Digital oder DTS komprimiert, hatte ebenfalls noch genug Raum zur Verfügung zu stehen. Die Wahl fiel auf MPEG-2, denn dieses Verfahren arbeitet zwar verlustbehaftet, die Verluste sind aber, so fanden 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) werden im 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 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 prinzipiell möglich wäre.

Der Nutzen von DVI

Vorausgesetzt, ein extrem hochwertiger DVD-Player mit einem erstklassigen Video-DAC kommt in  Verbindung mit einem Bildwiedergabegerät, das ebenfalls mit Top-Wandlern ausgestattet ist, zum Einsatz: Dann kann der Vorsprung durch eine wandlungsfreie, direkte Übertragung via DVI nur gering ausfallen - wenn man überhaupt Differenzen ausmachen kann, die in der täglichen visuellen Praxis von Bedeutung sind. 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 komplett mittels DVI verbundene Systeme einen deutlich sichtbaren visuellen Vorteil.

Dass dies keine leeren Versprechungen sind, beweisen z.B. der neue Sanyo PLV-Z2, der für 2.000,-- EUR bereits einen DVI-Ausgang mitbringt, und der DVD-Player Samsung DVD-HD935, für 550,-- EUR mit DVI-Schnittstelle erhältlich. Hier kann man sich für einen noch bezahlbaren Betrag eine "komplett digitale" Heimkino-Kombi einkaufen. Dann kann man die Video DAC-Sektion des DVD-Players komplett umgehen  - und damit die Sektion, die gerade in günstigeren Geräten für eine Verschlechterung des Bildes sorgt. Bereits der Aufbau eines solchen 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, arbeitet 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 575i) eine viel weitere Bandbreite haben. 

Auch hier bietet DVI klare Verbesserungen, da diese Beschränkung des Frequenzgangs nun aufgehoben ist. Aliasing-Probleme treten keine auf. Das Frequenzspektrum kann durch die digitalen Skalierungs-Algorhythmen im Projektor bzw. im DVD-Player optimal festgelegt werden, sollte der DVD-Spieler ein Luxusmodell mit DVI und integriertem Scaler sein (der günstige Samsung DVD-HD935 bietet übrigens eine solche Möglichkeit). Man erhält mittels einer DVI-Verbindung ein Bild mit nochmals kräftigeren, leuchtenderen Farben, denn auch die Bandbreite des Chromasignals ist 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.  

Während hierzulande das Thema DVI und Röhrengeräte keine allzu große Rolle spielen dürfte, da sich der Projektorenmarkt im Umbruch befindet  - die LCD- und vor allem die DLP-Technik ist schwer auf dem Vormarsch  - sieht es in den USA anders aus. Auf dem dortigen Markt kann man im Gegensatz zum europäischen Markt Röhrenfernsehgeräte kaufen, die HDTV-fähig sind und daher auch die aufwändige HDTV-Signalverarbeitung intern durchführen. Das einkommende analoge Signal wird digitalisiert, um es zu bearbeiten, und anschließend wieder in ein analoges Signal gewandelt. Mittels einer DVI Verbindung kann man bei solchen Fernsehern - ebenso wie bei den geschilderten Plasmas und LCDs, wo die Pixel ja ebenfalls mittels eines analogen Signals angesteuert werden - aber alle Wandlungen bis auf eine einzige umgehen, vor der Ansteuerung der Röhre bzw. der Pixel muss das digitale in ein analoges Signal umgewandelt werden. 

DVI bekommt Konkurrenz: Die 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. 

Da man es geschafft hat, siehe die im Text genannten Gerätebeispiele, denn "Early Adopter" nicht durch Höchstpreise zu "strafen",  stehen die Chancen auch nicht schlecht, dass sich DVI rasch durchsetzen wird - zumindest in nächster Zeit, denn am Horizont taucht mit HDMI schon die nächste neue digitale Hochgeschwindigkeitsschnittstelle auf, die DVI eine wichtige Eigenschaft voraus hat: Bei HDMI können auch digitale Audiodaten über eine einzige Verbindung gleich mitübertragen werden. Es gibt auch schon DVD-Player mit HDMI, wie die neuen DVD-Player DV-868AVi und DV-668AV, wobei Pioneer im Falle des DV-868AVi zusätzlich noch eine i.link-Schnittstelle für die Audiodatenübertragung mitliefert- schließlich ist i.link gerade dabei, sich zu etablieren, zum anderen kann man mittels i.link auch große Audiodaten-Mengen, wie sie beispielsweise bei DVD Audio oder SACD anfallen, transportieren. Hochwertige AV-Receiver z.B. von Pioneer und Sony sind daher auch mit i.link ausgestattet. Den Vorteil einer HDMI-Verbindung demonstriert Pioneer mit den neuen HDMI-fähigen Plasmaschirmen PDP-434HDE und PDP-504HDE: In Verbindung mit den neuen DVD-Playern  kann man hier hochauflösende Bilddaten - die Plasmas sind HDTV-fähig, der DV-868AVi bringt einen hochwertigen internen Scaler mit - plus Zweikanal-Stereoton über eine einzige digitale Verbindung transportieren. Von Sony gibt es die beiden Videoprojektoren VPL-HS20 und VPL-HS3, die ebenfalls über eine DVI-Schnittstelle verfügen.

Fazit

Mit DVI beginnt ein neues Zeitalter: Das "volldigitale Heimkino" ist nun Realität geworden. Mittels eines entsprechenden DVD-Players und eines für DVI ausgelegten Videoprojektors 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 sah man ein Nachlassen der Bildqualität durch die verschiedenen A/D- und D/A-Wandlungen recht deutlich. Der Nutzen für visuelle "High-Ender", die schon bislang nur das "Beste vom Besten" verwendet haben, wird sich dagegen aller Voraussicht nach in Grenzen halten  - wenn auch im Einzelfall eine Optimierung im Detail durch DVI möglich wird. 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.

Text: Carsten Rampacher
25. September 2003

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