Variable Bildwiederholrate und schneller Moduswechsel (VRR, QMS)

Was leisten VRR und QMS — und warum wird das Bild schwarz, wenn ein Film mit einer anderen Bildrate startet?

VRR — Variable Refresh Rate, variable Bildwiederholrate — bedeutet, dass ein Anzeigegerät ein neues Bild nicht mehr in einem festen Rhythmus erwartet, sondern dem Takt der Quelle folgt. QMS — Quick Media Switching, schneller Moduswechsel — benutzt denselben Mechanismus, um die Schwarzbildpause zu beseitigen, die sonst jedes Mal entsteht, wenn eine Quelle ihre Bildrate ändert.

Beide sind Funktionen der HDMI-Spezifikation, und beide setzen am Zeitpunkt eines Bildes an. Wie lange ein Gerät für die Verarbeitung braucht, verändern sie nicht.

Ein Bildschirm zeigt normalerweise in einem starren Takt ein neues Bild, so oft pro Sekunde, wie es eingestellt ist. Das Gerät, das die Bilder liefert, hält diesen Takt aber nicht immer ein — mal ist ein Bild früher fertig, mal später. Passt beides nicht zusammen, ruckelt es oder das Bild reißt in der Mitte auseinander. Die eine Funktion dreht das um: Der Bildschirm wartet, bis das nächste Bild wirklich da ist. Die andere nutzt genau diese Wartefähigkeit dafür, dass das Bild nicht mehr sekundenlang schwarz wird, wenn ein Film mit einem anderen Takt beginnt — der Sprung, den Du von Trailern vor dem Hauptfilm kennst.

VRR: das Anzeigegerät folgt der Quelle

Der übliche Ablauf ist starr. Das Anzeigegerät erwartet zu festen Zeitpunkten ein neues Bild, und die Quelle hat es bis dahin zu liefern.

Ein Grafikprozessor kann das nur bedingt zusagen. Wie lange er für ein Bild braucht, hängt an vier Dingen, die der HDMI Licensing Administrator ausdrücklich benennt: an der Komplexität der Szene, an der Leistung des Prozessors, an der gewählten Auflösung und an der Bildrate. Eine ruhige Szene ist schnell gerechnet, eine dichte mit vielen Objekten und Lichtquellen braucht länger.

Wird ein Bild nicht rechtzeitig fertig, bleiben zwei Auswege, und beide sind sichtbar. Entweder wiederholt die Quelle das aktuelle Bild — dann steht die Bewegung für einen Moment still und setzt danach ruckartig wieder ein. Oder sie gibt das halbfertige nächste Bild aus — dann zeigt der Bildschirm im oberen Teil die neue und im unteren die alte Szene, mit einer waagerechten Bruchkante dazwischen. Dieser Bildriss ist der auffälligere der beiden Fehler, weil er bei schnellen Schwenks quer durchs Bild wandert.

VRR beendet den Konflikt an seiner Wurzel: Die Quelle liefert die Bilder so schnell, wie sie fertig werden, und die Übertragung wartet, bis das nächste bereitsteht. Der starre Takt entfällt.

Was VRR damit gewinnt, ist Gleichmäßigkeit. Was es nicht gewinnt, ist Tempo — ein Bild, für dessen Berechnung der Prozessor lange braucht, kommt mit VRR genauso spät wie ohne, nur eben ohne Ruckler und ohne Bruchkante. Wer eine träge Anlage hat, findet die Ursache an anderer Stelle, siehe Input-Lag.

QMS: kein Schwarzbild beim Wechsel der Bildrate

Der zweite Fall hat mit Spielen nichts zu tun, und genau das macht ihn für ein Heimkino interessant.

Die Ausgangslage kennt jeder: Ein neues Video startet, und das Bild bleibt für ein bis drei Sekunden schwarz, oft samt Tonaussetzer. Der Grund ist ein Wechsel der Bildrate. Filmmaterial läuft klassisch mit 24 Bildern je Sekunde, europäisches Fernsehmaterial mit 50, viele Streaming-Zuspielungen mit 60. Wechselt eine Quelle zwischen diesen Werten, muss die ganze Kette ihren Takt umstellen und sich neu einmessen — und währenddessen kommt nichts an.

Bis dahin gab es dafür zwei Wege, und beide kosten etwas:

Bilder nach festem Schema wiederholen. Die Quelle bleibt bei einer Ausgaberate und dehnt das Material darauf, indem sie einzelne Bilder doppelt zeigt. Es gibt keine Pause, aber die Bewegung wird ungleichmäßig — der bekannte Ruckler beim langsamen Kameraschwenk.
Den Takt der ganzen Kette umstellen. Die Bewegung stimmt, dafür entsteht die Schwarzbildpause bei jedem Wechsel.

QMS löst den Zielkonflikt, indem es den VRR-Mechanismus für einen anderen Zweck einspannt. Weil das Anzeigegerät ohnehin gelernt hat, auf ein Bild zu warten, statt es zu einem festen Zeitpunkt einzufordern, lässt sich die Bildrate umschalten, ohne dass die Verbindung neu aufgebaut werden muss. Der HDMI Licensing Administrator nennt sofortige Wechsel zwischen 24 und 60 Hz und allen Werten dazwischen.

Eine Bedingung nennt er ausdrücklich dazu: Die Auflösung muss gleich bleiben, nur die Bildrate darf sich ändern. Ein Wechsel von einer 2K-Zuspielung auf eine 4K-Zuspielung fällt damit nicht unter QMS.

Für die Heimkinoplanung ist das die praktisch wichtigere der beiden Funktionen, weil sie eine Einstellung entschärft, an der sich viele Anlagen festfahren. Wer seinen Zuspieler auf die Bildrate des Materials umschalten lässt — der einzige Weg zu ruckelfreien 24 Bildern je Sekunde —, bezahlt das ohne QMS mit einem Schwarzbild bei jedem Wechsel. Mit QMS entfällt der Preis.

Warum beide die Verarbeitungszeit nicht senken

Hier trennen sich Funktionen, die im Marketing regelmäßig in einem Atemzug genannt werden. Die HDMI-Spezifikation kennt mehrere Funktionen rund um Spiele und Bewegtbild, und sie greifen an verschiedenen Stellen der Kette an:

VRR bestimmt, wann ein Bild übertragen wird — dann, wenn es fertig ist.
QMS bestimmt, was beim Umschalten der Bildrate passiert — kein Neuaufbau, keine Pause.
ALLM, der Auto Low Latency Mode, veranlasst das Anzeigegerät, seine aufwendigen Verarbeitungsschritte abzuschalten. Das ist der Spielmodus, nur eben selbsttätig, und dort liegt der große Verzögerungsanteil.
QFT, Quick Frame Transport, verkürzt die Zeit, die ein einzelnes Bild auf dem Kabel unterwegs ist, indem nur das aktive Videobild schneller gesendet wird.

Die Verzögerung zwischen einer Eingabe und dem sichtbaren Ergebnis setzt sich aus mehreren Anteilen zusammen, und der größte davon entsteht in der Bildverarbeitung des Anzeigegeräts. Weder VRR noch QMS rühren daran. Wer also einen trägen Fernseher hat und VRR einschaltet, bekommt ein gleichmäßigeres, aber kein schnelleres Bild. Wie sich die Verzögerung zusammensetzt und woran man den relevanten Anteil erkennt, steht bei Input-Lag.

Wer in der Kette mitspielen muss

VRR und QMS sind Absprachen zwischen Quelle und Anzeigegerät. Sitzt ein Gerät dazwischen — ein AV-Receiver, eine Soundbar, ein Umschalter, ein Videoprozessor —, muss es die Absprache durchreichen, sonst kommt sie am Ziel nicht an.

Das ist dasselbe Muster, das bei HDMI CEC den Steuerbus lahmlegt und beim Spielmodus die Automatik unwirksam macht: Das schwächste Glied entscheidet, und es meldet sich nicht. Ein Receiver, der VRR nicht durchreicht, erzeugt keine Fehlermeldung. Er erzeugt ein Bild, das ruckelt, obwohl auf drei Kartons in der Kette „VRR" steht.

Häufiges Missverständnis

„VRR macht das Spielen schneller." Es macht es gleichmäßiger. Die Bilder kommen weiterhin dann, wenn der Grafikprozessor sie fertig hat — VRR sorgt lediglich dafür, dass das Anzeigegerät sie in genau diesem Moment auch annimmt, statt zu warten oder etwas Halbfertiges zu zeigen. Für die gefühlte Reaktionsgeschwindigkeit ist der Spielmodus zuständig, und der schaltet Bildverarbeitung ab.

„QMS ist eine Gaming-Funktion." Der Anlass ist Film. Die Herstellerbeschreibung nennt als Beispiel Trailer aus einem Streamingdienst oder von einer Blu-ray in 24, 50 oder 60 Hz — also genau die Situation, in der ein Heimkino minutenlang aus Schwarzbildsprüngen besteht, bevor der Hauptfilm läuft. Einsortiert wird QMS trotzdem unter den Spielefunktionen, weil es technisch auf dem VRR-Mechanismus aufsetzt; sein Nutzen liegt woanders.

„Mein Fernseher kann VRR, also habe ich VRR." Die Funktion ist eine Eigenschaft der Verbindung, und die reicht von der Konsole bis zum Panel. Zwischen beiden sitzen im Heimkino regelmäßig zwei Geräte. Prüfen lässt sich das nur am Ergebnis oder in den Informationsanzeigen der Geräte.

„Zwischenbildberechnung ist doch dasselbe." Sie ist das Gegenteil. Die Bewegungsglättung erzeugt zusätzliche Bilder, die in der Quelle nie existiert haben, und muss dafür in die Zukunft schauen — sie hält also mindestens ein Bild zurück und kostet Verzögerung. VRR erzeugt kein Bild und wirft keines weg; es verschiebt nur den Zeitpunkt.

Nicht zu verwechseln mit

ALLM (Auto Low Latency Mode): setzt das Anzeigegerät selbsttätig in den Modus mit geringer Latenz. Das ist die Funktion gegen die Verarbeitungszeit, nicht gegen den Takt — ausgeführt bei Input-Lag.
QFT (Quick Frame Transport): verkürzt die Zeit, die ein einzelnes Bild auf dem Kabel unterwegs ist. Dritter Angriffspunkt, dritte Wirkung.
Input-Lag: die Gesamtverzögerung von der Eingabe bis zum sichtbaren Bild. VRR und QMS sind darin nicht enthalten, weil sie an einer anderen Größe ansetzen.
Zwischenbildberechnung: erzeugt zusätzliche Bilder für den Eindruck von Flüssigkeit und kostet dafür Verzögerung.
Bildwiederholrate des Panels: die Angabe „120 Hz" nennt einen Höchstwert. Ob ein Gerät seinen Takt auch verändern kann und in welchem Bereich, ist eine andere Frage und steht selten daneben.

In der Planung

Ein Wohnzimmerkino wird geplant: Projektor, AV-Receiver, ein Streaming-Zuspieler, ein Blu-ray-Laufwerk und eine Konsole. Im Nutzungsprofil steht Film an erster und Spielen an zweiter Stelle.

Zu klären ist zuerst das Nutzungsbild: Welche Bildraten treten in diesem Raum tatsächlich auf, und wie oft wird zwischen ihnen gewechselt? Ein Raum, in dem abends ein Film läuft und sonst nichts, wechselt zweimal am Abend. Ein Raum mit einer gemischten Mediathek, Trailern und einer Konsole wechselt ständig — und dort verändert QMS den Alltag spürbar, während VRR nur die Konsolenstunden betrifft.

Steht das fest, geht es um die Betriebsart des Zuspielers. Soll er die Bildrate dem Material anpassen, damit 24-Bilder-Material gleichmäßig läuft? Dann gehört QMS zur Anforderung, weil sonst jeder Wechsel eine Pause erzeugt. Soll er eine feste Rate ausgeben? Dann verschiebt sich das Problem auf die Bewegungsdarstellung, und zu entscheiden ist, welcher der beiden Nachteile in diesem Raum weniger stört. Diese Abwägung gehört ins Gespräch, bevor Geräte ausgewählt werden — sie ist eine Frage an den Nutzer und keine an das Datenblatt.

Die Geräteauswahl folgt zuletzt, und dort zählt eine banale Eigenschaft: ob jedes Glied der Kette die beiden Funktionen durchreicht. Das entscheidet ein Receiver oder ein Umschalter mit, und die Datenblätter schweigen dazu häufiger, als es der Bedeutung entspricht.

Verknüpfte Inhalte

Woraus sich die Verzögerung bis zum sichtbaren Bild zusammensetzt und was der Spielmodus daran ändert, steht bei Input-Lag — dort ist auch der Auto Low Latency Mode ausgeführt. Warum ein einzelnes Gerät in der Kette eine Funktion unwirksam machen kann, ohne dass es auffällt, zeigt HDMI CEC am selben Muster; welche Fähigkeiten die Geräte überhaupt untereinander austauschen, klärt EDID. Wie Bild und Ton über die Leitung kommen und warum hohe Bildraten Bandbreite kosten, erklären FRL und TMDS und Ultra96 und HDMI 2.2; dass eine Formatangabe komprimiert gemeint sein kann, behandelt Display Stream Compression. Die entsprechenden Verfahren auf der Rechnerseite stehen bei DisplayPort.

Quellen

Die Beschreibung von VRR — die vier Einflussgrößen auf die Rechenzeit eines Bildes, die beiden Auswege Bildwiederholung und Bildriss sowie das Warten auf das fertige Bild — stammt von der öffentlichen Darstellung des HDMI Licensing Administrator, die für diese Seite gelesen wurde. Ebenso die Angaben zu QMS: die Schwarzbildpause von ein bis drei Sekunden, der Rückgriff auf den VRR-Mechanismus, die Bedingung der gleichbleibenden Auflösung, die Trailer-Beispiele mit 24, 50 und 60 Hz und die sofortigen Wechsel zwischen 24 und 60 Hz. Die Abgrenzungen zum Auto Low Latency Mode und zu Quick Frame Transport stützen sich auf die jeweiligen Funktionsseiten derselben Stelle. Keine dieser Seiten nennt Millisekundenwerte oder Frequenzbereiche, und deshalb stehen hier auch keine.