Display Stream Compression (DSC) bei HDMI und DisplayPort

Display Stream Compression — kurz DSC — ist ein Kompressionsverfahren, das ein Sendegerät auf das bereits fertig berechnete Bild anwendet, unmittelbar bevor dieses über die Leitung geht. Das Anzeigegerät packt es am anderen Ende wieder aus. Herausgegeben hat DSC die Video Electronics Standards Association (VESA), ein Normungsgremium der Anzeigetechnik, erstmals im April 2014.

DSC gehört damit weder zu HDMI noch zu DisplayPort allein: Beide haben es übernommen, ebenso die Anzeigeschnittstellen in Notebooks und Smartphones.

Wo DSC in der Kette sitzt

Im Bildweg eines Heimkinos wird an bis zu drei ganz verschiedenen Stellen komprimiert, und die drei werden regelmäßig durcheinandergebracht.

Der Inhalt selbst liegt komprimiert vor — auf der Blu-ray, im Stream, in der Datei. Dafür sind Codecs wie H.265/HEVC oder AV1 zuständig. Sie beziehen aufeinanderfolgende Bilder aufeinander und sparen dadurch ein Vielfaches an Datenmenge. Der Zuspieler dekodiert das vollständig, bevor er irgendetwas ausgibt.

Die Netzwerkstrecke komprimiert noch einmal, wenn Bild über ein IP-Netz verteilt wird. Dort arbeiten JPEG XS, JPEG 2000 oder wieder H.264/H.265, jeweils mit anderen Folgen für Verzögerung und Störungsverhalten. Das ist ein eigenes Thema und steht bei Videokompression im Transport.

Die Schnittstelle ist die dritte Stelle, und dort sitzt DSC. Zu diesem Zeitpunkt existiert kein Film mehr, sondern eine Folge fertiger Bilder mit konkreter Auflösung, Bildrate und Farbtiefe. DSC weiß nichts vom Inhalt; es sieht nur noch Bildpunkte, die durch ein Kabel müssen.

Aus dieser Reihenfolge folgt die Arbeitsteilung zu den Übertragungsverfahren, die FRL und TMDS beschreibt: Die Übertragung erhöht, was durch die Leitung passt — die Kompression senkt, was hindurchmuss. Beide Wege führen zum selben Ziel, und sie schließen sich nicht aus. Ein Bild kann komprimiert oder unkomprimiert über dieselbe Verbindung laufen.

DSC kodiert dabei jedes Bild für sich, ohne Bezug auf das vorherige oder das folgende. Das ist dieselbe Bauweise, die auch JPEG XS auszeichnet, und sie erklärt die Verzögerung: VESA gibt an, dass DSC der Durchlaufzeit des Anzeigegeräts höchstens eine Rasterzeile hinzufügt — bei 4K mit 60 Hz weniger als 8 Mikrosekunden. In der Wirkkette des Input-Lags ist das eine Größe, die neben der Bildverarbeitung des Anzeigegeräts nicht ins Gewicht fällt.

Was „visuell verlustfrei" heißt — und was es nicht heißt

VESA definiert den Begriff wörtlich so: Ein typischer Betrachter würde unter typischen Betrachtungsbedingungen in den meisten Fällen keinen Unterschied zum unkomprimierten Bild bemerken. Jede Einschränkung in diesem Satz ist beabsichtigt.

Der Begriff ist damit keine Messgröße. Es gibt keine Zahl, ab der ein Verfahren visuell verlustfrei wird. Was es gibt, ist ein Prüfverfahren mit Menschen: VESA hat die Bildqualität von DSC in Reihenversuchen bewerten lassen — über vier Bildkategorien hinweg, von künstlich erzeugten Testbildern über Text und Grafik bis zu Landschaften und Stillleben, mit insgesamt annähernd 250.000 einzelnen Bildvergleichen. Methodik und Ergebnisse hat VESA Anfang 2015 veröffentlicht.

Bemerkenswert ist die Begründung, die VESA für diesen Weg gibt: Die beteiligten Mitgliedsunternehmen haben die subjektive Prüfung ausdrücklich als belastbarer eingestuft als objektive Maßzahlen wie PSNR, weil eine solche Kennzahl ein ganzes Bild auf einen einzigen Wert verdichtet. Das ist eine ehrliche Aussage über die Grenze des Verfahrens: Wer belegen will, dass ein Unterschied nicht auffällt, muss Menschen fragen.

Daraus folgt die praktische Einschränkung, und sie ist dieselbe wie bei den Transportcodecs im Netz: Die Aussage gilt für die angenommenen Betrachtungsbedingungen. Ändern sich Bildfläche, Sitzabstand oder Bildinhalt — ein Standbild mit feiner Struktur ist der harte Fall —, ändert sich mit ihnen die Grundlage der Aussage. Ausgeführt ist dieser Punkt bei Videokompression im Transport.

Die Verhältnisse, um die es geht, sind moderat. VESA nennt für DSC typische Kompressionsverhältnisse von 1:1 bis etwa 3:1; die Vergleichstabelle der Codecs führt für DSC 3:1 bei 24 Bit Farbtiefe und 3,75:1 bei 30 Bit. DisplayPort 1.4a schafft 8K bei 60 Hz mit 24 Bit Farbe über ein Verhältnis von 2:1. Zum Vergleich: Der stärker komprimierende VESA-Codec VDC-M für mobile Anzeigen geht bis 5:1, und die Inter-Frame-Verfahren aus dem Streaming liegen um Größenordnungen darüber.

Warum „unkomprimiert" plötzlich ein Verkaufsargument ist

Hier liegt der Beratungswert dieses Begriffs, und er hängt an einer einzigen Beobachtung.

8K bei 60 Hz war schon mit 48 Gbit/s übertragbar, also mit der Bandbreite der HDMI-Fassung 2.1. Möglich war das aber nur mit DSC dazwischen. Die HDMI-2.2-Spezifikation bewirbt nun ausdrücklich unkomprimierte Formate mit voller Farbauflösung: 8K bei 60 Hz in 4:4:4 und 4K bei 240 Hz in 4:4:4, jeweils mit 10 und 12 Bit Farbtiefe. Das Wort „unkomprimiert" steht dort, weil es einen Unterschied zum Vorgänger markiert — und dieser Unterschied ist DSC.

Für die Beratung folgt daraus eine Frage, die auf jedem Datenblatt fehlt: Gilt die Formatangabe komprimiert oder unkomprimiert? Eine Zusage wie „8K60" ist ohne diese Angabe keine Bandbreitenaussage. Zwei Geräte können dasselbe Format auf dem Karton führen und dabei völlig verschiedene Anforderungen an die Strecke stellen — das eine mit DSC über eine Verbindung, die für das unkomprimierte Signal nie gereicht hätte, das andere ohne.

Wo die Bandbreiten der Kabelklassen im Einzelnen stehen und warum die Zertifizierung an Modell und Länge hängt, ist auf der Seite HDMI-Kabelklassen ausgeführt; die Bandbreitenstufen der Fassung 2.2 behandelt Ultra96 und HDMI 2.2.

Häufiges Missverständnis

„Komprimiert ist wie beim Streaming, also schlechter." Der Vergleich liegt nahe und führt in die Irre, weil die Größenordnungen weit auseinanderliegen. Ein Streamingdienst arbeitet mit Verfahren, die Bilder aufeinander beziehen und dadurch ein Vielfaches sparen; DSC bleibt im Bereich von 1:1 bis etwa 3:1 und rührt die zeitliche Struktur nicht an. Richtig an der Sorge ist trotzdem etwas: Ein Signal, das erst im Stream komprimiert war, dann über eine Netzstrecke lief und am Ende noch DSC durchläuft, hat mehrere Verarbeitungsstufen hinter sich, und die Summe ist nicht zwangsläufig so unauffällig wie jede einzelne.

„Visuell verlustfrei heißt verlustfrei." Das Bild kommt nicht identisch an. Es sieht unter den geprüften Bedingungen so aus. Wer mathematische Gleichheit von Ausgangs- und Empfangsbild braucht — etwa in der medizinischen Bildgebung oder in der Bildkontrolle einer Fertigung —, bekommt sie von DSC nicht.

„DSC ist eine HDMI-Funktion." DSC stammt von VESA und ist nicht an eine Schnittstelle gebunden. Es steckt in DisplayPort, in der Embedded-DisplayPort-Variante von Notebook-Anzeigen, in der MIPI-DSI-Schnittstelle von Smartphones — und eben auch in HDMI. Der Standard ist offen abrufbar, und VESA erhebt für die Nutzung keine Lizenzgebühren.

Nicht zu verwechseln mit

• H.265/HEVC, AV1 und verwandte Inhalts-Codecs: Sie kodieren den Film auf dem Datenträger oder im Stream. Der Zuspieler dekodiert sie vollständig, bevor DSC überhaupt ins Spiel kommt.
• JPEG XS und JPEG 2000: Kompression für die Netzwerkstrecke, mit eigenen Verzögerungs- und Störungseigenschaften, siehe Videokompression im Transport.
• FRL und TMDS: die Übertragungsverfahren selbst. Sie erhöhen die verfügbare Datenrate, DSC senkt die benötigte, siehe FRL und TMDS.
• Chroma-Unterabtastung (4:2:2, 4:2:0): ebenfalls eine Datenreduktion, aber ein anderer Vorgang — sie wirft Farbauflösung weg, bevor komprimiert wird. Genau deshalb ist „4:4:4" in den Formatangaben eine eigene Zusage neben „unkomprimiert".
• VDC-M: der zweite VESA-Codec, stärker komprimierend und aufwendiger in der Schaltung, gedacht für mobile Anzeigen.

In der Planung

Ein Kinoraum wird geplant, der Projektor hängt rund zwölf Meter vom Technikschrank entfernt, ein Videoprozessor sitzt im Weg. Der Kunde will neben Film auch am Rechner spielen und fragt nach 4K bei 120 Hz.

Geklärt wird zuerst das Format, und die Klärung hat zwei Hälften: Welches Format muss diese Strecke wirklich führen — und darf es dabei komprimiert sein? Für Filmmaterial ist die zweite Hälfte meist entspannt, weil 24 Bilder je Sekunde die Bandbreite kaum ausreizen. Sie wird scharf, sobald hohe Bildraten und volle Farbauflösung zusammenkommen.

Die Antwort darauf verschiebt Kosten, statt sie zu senken. Wird unkomprimiert gefordert, liegt der Aufwand in der Strecke: Kabelklasse, Länge, Zertifizierung für genau diese Länge, gegebenenfalls eine aktive Leitung. Ist DSC zulässig, wird die Strecke anspruchsloser, und der Anspruch wandert in die Geräte — jedes Glied der Kette muss DSC beherrschen, und ein Gerät, das den komprimierten Datenstrom entpackt und neu aufbaut, kostet Zeit und kann Formate verlieren.

Die Geräteauswahl steht am Schluss dieser Kette, und dort zählt dieselbe Eigenschaft wie bei den übrigen Kettenfunktionen: Was das schwächste Glied nicht beherrscht, hat die Kette nicht. Ein Verteiler oder Videoprozessor, der DSC nicht durchreicht, zwingt die Quelle auf ein Format zurück, das unkomprimiert durchpasst — meist ohne Meldung und ohne dass jemand es bemerkt, weil ein Bild ja erscheint.

Verknüpfte Inhalte

Wie die Datenrate auf der Leitung überhaupt zustande kommt und warum HDMI dafür zwei Verfahren kennt, erklärt FRL und TMDS; welche Bandbreite eine Strecke zusagt, steht bei den HDMI-Kabelklassen und für die neueste Fassung bei Ultra96 und HDMI 2.2. Die Kompression im Netzwerk behandelt Videokompression im Transport. Auf der DisplayPort-Seite derselben Technik steht DisplayPort, die Übertragung über USB-C-Stecker bei USB-C-Fähigkeiten und Thunderbolt. Dass die Geräte ihre Fähigkeiten zuerst austauschen müssen, klärt EDID; warum die Verzögerung im Anzeigegerät die eigentliche Größe ist, steht bei Input-Lag, und was Bildraten flüssig macht, bei VRR und QMS.

Quellen

Herkunft, Erscheinungsjahr und Verbreitung von DSC — die erste Fassung von 2014, die Aufnahme in DisplayPort, HDMI, Embedded DisplayPort und MIPI DSI, die bildweise Arbeitsweise, die Kompressionsgrade von 3:1 und 3,75:1 sowie die Einordnung gegenüber VDC-M — stammen aus der Codec-Übersicht von VESA und ihrer DSC-Unterseite, die für diese Seite gelesen wurden; dort steht auch, dass der Standard offen und lizenzgebührenfrei ist. Die Definition der visuellen Verlustfreiheit, das Prüfverfahren mit annähernd 250.000 subjektiven Bildvergleichen über vier Bildkategorien, die Begründung gegen objektive Maßzahlen, die typischen Verhältnisse von 1:1 bis etwa 3:1, die DisplayPort-1.4a-Beispiele und die Verzögerung von höchstens einer Rasterzeile stehen im FAQ-Bereich von DisplayPort.org, das VESA selbst betreibt. Dass die HDMI-2.2-Spezifikation unkomprimierte Formate mit voller Farbauflösung ausdrücklich als Merkmal führt, ist beim HDMI Licensing Administrator belegt.