ULTRA HD - Was ändert sich technisch?

Transkript

1 ULTRA HD - Was ändert sich technisch? 23. Symposium der Deutschen TV Plattform SWR, Stuttgart 26. Februar 2014 Rainer Schäfer / IRT Institut für Rundfunktechnik UHD, was ändert sich technisch? 23. Symposium der DTVP Feb. 2014

2 Ist ULTRA HD neu? Treibende Faktoren? 3D Hype IFA 2012: 4K ein neuer Stern? Super Hi-Vision ab (NAB) Kino & 4K Ersatz CRT weitgehend abgeschlossen, Display-Kosten verfallen dramatisch! Hersteller suchen neue Märkte Page 2

3 IFA & IBC 2013 Page 3

4 Schlagzeilen seit ~3/2013 Sources (amongst others): Page 4

5 Schlagzeilen seit ~3/2013 Sources (amongst others): Page 5

6 Schlagzeilen seit ~3/2013 Sources (amongst others): Page 6

7 UHD-2 (7680 x 4320) UHD-1 (3840 x 2160) HD 2,2..5*SD SD 20*SD 80*SD

8 UHD Parameter Higher Frame Rate (HFR) Higher Resolution (HR) Kino 4K (DCI) TV 4K UHD 1 TV 8K UHD 2 aspect ratio, etc. square pixel (&cropping) 16:9, square pixel, 4x/16x HDTV spatial resolution 4096 x x x 4320 frame rate 24, (48, 60) 24/1.001, 24,25,30/1.001, 30,50,60/1.001, 60,100!,120 scan mode progressive Viewing distance?? 1.5 H 0.75 H bit/pixel/component 12 (10@2k/48fps) 10,12 EOTF = 2.6 Linear segment (black), dann = 2.22 constant luminance y y / n (both options available) Color gamut extended extended (more than D-Cinema) Wider Colour Space Higher Dynamic Range (HDR) Page 8

9 UHDTV Audio? Ansätze zur objektorientierten Darstellung 22.2-Ansatz der NHK bei 8k Page 9

10 Faktoren UHDTV Ausschließlich progressiv Ultra HD wird oft nur auf mehr Bildpunkte reduziert Mehr Bildpunkte 3840x2160 (p only) Mehr Bit/Pixel (HDR - Higher Dynamic Range) UHD-1 (BT.2020) Mehr Bilder 50, 100, 120 Hz Mehr Farben (erweiterter Farbraum nach BT.2020) Hintergrund zu diesen Faktoren? Mehrwert dieser Faktoren? Page 10

11 Erweiterter Farbraum Farbraum BT.2020 x y R G Primaries G R B Reference white B Quelle: Dolby Page 11

12 Erweiterter Farbraum LCD-Projektor mit Laser-Lichtquellen Primaries R G B x y Quelle: NEC, 4k Forum Lang AG Quelle: NHK STRL Page 12

13 Mehrwert Bildpunktzahl? Subjektive Tests: HD vs. UHD-1 UHD p/ i/25 720p/50 UHD-1 UHD-1, 56 Subj. Auswertung nach ITU Rec 500 (DSCQS), 6 Sequenzen, 72 Personen bei 1.5H und 2.7m (3.8 H) Entspricht HD-Produktion für UHD, mit UHD-Kameras/Sensoren - Mehrwert vorhanden, aber klein - Kein signifikanter Vorteil für eines der HD-Systeme - Versuchspersonen bemängelten Bewegungsunschärfe - Ausstrahlungs/Produktionscodecs noch nicht berücksichtigt mit fünfstufiger Skala: - Excellent - Good - Fair - Poor - Bad

14 Mehrwert Higher Frame Rate? Bewegungsunschärfe Effekte Bewegtes Objekt überstreicht mehrere Sensor-Pixel je Bildperiode (Belichtungszeit) Auge, das einem bewegten Objekt folgt, überstreicht mehrere Display-Pixel je Bildperiode während das Bild stehen bleibt Lösungen Verkürzung der Belichtungszeit: Shutter = HFR mit anschließender Unterabtastung echte HFR ohne Unterabtastung CRT hatte bereits Shutter-Verhalten [Achtung: anderer Grund für 100 Hz bei CRT!!] 100 Hz Display bei Flat Panels = HFR mit empfängerseitiger Bildschätzung, Black Frame Insertion = zurück zur CRT Page 14

15 Mehrwert Higher Frame Rate? Bewegungsunschärfe einfache Grenzbetrachtung HDTV UHD-1 Pixelgröße Max. Verschiebung pro Shutter-Zeit x Max. Verschiebung pro Shutter-Zeit x 1920x1080p/50, 50% Shutter 50 Hz V grenz = 2 * width * 1920 * 0,5 = 0,104 Breite/s 3840x2160p/50, 50% Shutter Min. Periode, max. Ortsfrequenz Min. Periode, max. Ortsfrequenz V grenz = 2 * width * 50 Hz 3840 * 0,5 = 0,05 Breite/s V grenz = x / (T frame * A shutter ) x = 2 * width / n pixel V grenz = 2 * (width / n pixel ) / (T frame * A shutter ) = 2 * width * f frame N pixel * A Shutter mögliche Parameter Page 15

16 Mehrwert Higher Frame Rate? Bildfrequenz, Shutter, Schärfe, Stroboskopeffekt Bewegter Ball, Geschwindigkeit v 50 Hz, ideale Abtastung Zeit (z.b. frames) Ergebnisse NHK (ohne Kodierung, UHD-2): - Großflächenflimmern: > 80Hz - Blur: Belichtungszeit < 1/320s -Stroboskopeffekt: > 100Hz 100 Hz, ideale Abtastung 50 Hz, 50% Shutter 100 Hz, 50% Shutter 50 Hz, 25% Shutter Stroboskopeffekt Schärfe Page 16

17 Erste Ergebnisse aus EBU BTF-HFR Gruppe Subjektive Tests im Aug 2013 im IRT 300 Hz Aufnahme Wiedergabe 60/120/240 Hz mit modifizierten Displays (NHK) Achtung: (noch) keine Bewegungsinterpolation im Display! Mehrwert Higher Frame Rate? Train Bike Football (Soccer) Carousel (Swing) Runner Page 17

18 Mehrwert Higher Frame Rate? Erste Ergebnisse aus EBU BTF-HFR Gruppe Mittelwerte über Sequenzen Einzelwerte und Vertrauensintervalle Noch schwer zu interpretieren, aber größere Unterschiede als bei HD/UHD! (abh. v. lower anchor ) Page 18

19 Mehrwert Higher Frame Rate? Zwischenfazit HFR Bildgestaltung Kein HFR nötig, wenn gleiche Winkelgeschwindigkeit (bezogen auf Betrachter) der Bewegungen wie bei HD Halbe Schwenk/Objektgeschwindigkeit pro Bildbreite bei 4k, ¼ bei 8k Keine szenische Kompatibilität zu HD (oder gar SD ) Displays benötigen (bei szen. Kompatibilität) in jedem Fall HFR (entweder mit Bewegungsinterpolation oder echter HFR-Zuführung) d.h. mind. ~200 Hz bei 4k und ~400 Hz bei 8k alternativ black frame insertion (Widerspruch zu HDR!) Kameras, Produktions- und Verteilkette Vielleicht kommen wir mit kurzem Shutter und guter Bewegungsinterpolation in den Displays aus wenn wir auch etwas die Bildgestaltung einbeziehen -> Testproduktionen, noch mehr techn. Tests Page 19

20 ULTRA HD in der Produktions- und Verteilkette Akquise professionelle Interfaces Kontribution Postpro, Server, Archiv Distribution Interfaces Displays Kameras Standards Codecs HDMI HFR, FPD, OLED? 4K - 4k incl. HFR, Breite Produktpalette und Live-Interfaces fehlen meist Workaround 4 x 3G Vergleichsweise unkritisch, z.b. 4 x 3G mit AVC Roadmaps vorhanden, viele Produkte fehlen, nur p50,p60 Roadmaps vorhanden, nur p50,p60 ab 2015 zu erwarten HDMI 2.0 bald verfügbar, nur p50,p60? Viele Technologien, breite Einführung einiger nach Verfügbarkeit der Interfaces, HFR im Panel verfügbar

21 Kameras 4k einige Produkte auf dem Markt Red, Sony, ForA, Blackmagic, sogar HFR bis fps (ForA) oft file-basierte Workflows mit raw data NAB-Demo Sony: 4x 3G HD-SDI IFA/IBC 2013: 4K Consumer/Semiprof. 8k Prototypen Super Hi-Vision (Hitachi) kontinuierliche Entwicklung seit mehreren Jahren

22 Interfaces - Vergleich (Netto-) Datenraten [Gbit/s] *n Faktor zu SD@10Bit *m Faktor zu HD 25i@10Bit Format 4:2:2/8 Bit 4:2:2/10 Bit 4:2:2/12 Bit SDTV 720x576i/25 0,166 0,207 *1 *0,2 0,249 HDTV v1 1280x720p/50 0,737 0,922 1,106 HDTV v2 1920x1080i/25 0,829 1,037 *5 *1 1,244 HDTV v3 1920x1080p/50 1,659 UHD-1 v1 3840x2160p/ UHD-1 v2 3840x2160p/100 13,271 UHD-1 v3 3840x2160p/120 15,925 UHD-2 v1 7680x4320p/50 26,542 UHD-2 v2 7680x4320p/60 31,850 UHD-2 v3 7680x4320p/120 63,701 2,074 8,294 16,589 19,907 33,178 39,813 79,626 *40 *8 *80 *16 *96 *19 *160 *32 *192 *39 *384 *77 2,488 9,953 19,907 23,888 39,813 47,776 95,551 *96 *19 *115 *23 *192 *39 *230 *46 *461 *92 SDI 3G 4x SDI 3G 10 GbE 40 GbE 100 GbE

23 Codecs in der Produktion XAVC (Sony) Demo IBC 2013 Long GOP XAVC für 4K, 150 Mbit/s, sehr gute Qualität! 4K Player auf SxS-Basis Plugins (Long GOP) für Adobe & GVG AVC Ultra (Panasonic) ähnliche Roadmaps erkennbar Fazit Codecs werden in absehbarer Zeit für main stream auf der Basis von AVC verfügbar ~ Mbit/s ~ Mbit/s intra-basiert Long GOP basiert Sony UHD Server 4 x 4Kp/60 1 x 4Kp/240 1 x 8Kp/60?? 4K p60: 600 Mbit/s intra Keine klaren Roadmaps für HFR, HDR erkennbar!

24 Codecs in der Distribution Randbedingungen Basis HEVC (Ersparnis ~42 % vs. H.264) wird erwartet Standard seit Juni 2013, Lizenzbedingungen moderat und absehbar (?) Modulationsverfahren Sx (20% mögliche Ersparnis) Erfahrungen für MPEG-2 und H.264 lassen bald Produkte erwarten Unterschiede: p25/p30, p50/p60, Main, Main10 Faktoren, Annahmen 7 Mbit/s I -> p: 1,2 AVC -> HEVC: 0,58 HD@p -> 4K: 4 -> 8K: 16 S2 -> Sx: 0,8 p50 -> p100: 1,5 (?) MTF bei UHD anfangs nicht ausgenutzt: 0,8 Betrachtungsabstand nicht eingehalten: 0,9 HDR Bilddramaturgie -> 14(11) Mbit/s -> 21(17) Mbit/s -> 56(45) Mbit/s -> 84(67) Mbit/s äquivalente Rate (wg. Sx) Page 24

25 Andere Verteilwege / -medien Mediaplayer und Abonnements (Sony video unlimited) Sony, IFA 2013 Amazon, Samsung, Warner Bros., Lionsgate CES 2014: Netflix CES 2014: Youtube Page 25

26 Displays und Consumer Interfaces (HDMI 2.0) HDMI Version Release Max. Bandwidth (Gbit/s) Max. Resolution 1600x1200 p x1200 p x1200 p x1536 p x2160 p x2160 p60 Max. # LPCM Audio channels Max. Audio sampling rate khz 768 khz 768 khz 768 khz 768 khz 1536 khz Source: DTVP/HDMI Panel IFA 2013 Weitere neue Features HDMI 2.0 CEC Extensions, Dual-View, Multi-Stream Audio, 21:9 Aspect Ratio, Dynamic Audio Lip Sync Achtung: alle Features nur optional! 4:2.0 Modus erleichtert Firmware-Upgrades von 1.4-Hardware (< 10.2 Gbit/s bei UHD-1@p60) Logo DIGITALEUROPE Bisher nur minimale Anforderungen: 8 bit, BT.709, bis 60p (kein HDR, kein HFR )

27 Displays Panels <= 120 Hz! Sony 4k 65 Consumer Display Sony 4k 56 OLED Display Technology Demo Dolby HD HDR Display, Technology Demo TV Logic 4k 30 Professional Monitor 4 x HD-SDI 10 bit, Rec 709 Super Hi Vision 4K Viewfinder Page 27

28 UHD-2 (8K) in Japan NAB 2013 Kamera 120 Hz Kamera 60 Hz portable IBC 2013 Distribution HEVC 420, 10Bit, (60 Hz) NAB 2013 Distribution Terrestrisch 183 Mbit/s in 2 x 8 MHz (Jan 2014: Trial 27km) Kommerzieller Regelbetrieb ab 2020 Versuchsausstrahlungen ab 2016 Zumindest UHD-1 wird von der Industrie ohne Probleme bedient werden können

29 Technische Änderungen? Page 29

30 Technische Änderungen Heute (Demos): 8 Bit, BT.709, kein HDR, kein HFR 30 Hz Morgen ( ): 50/60 Hz Bit Kein real genutzter erweiterter Farbraum (BT.709 oder real nicht ausgenutzte BT.2020) Kein HFR, kein HDR Einsatz für ausgewählte Genres und Inhalte (PayTV), sonst upscaling Eingeschränkter Einsatz für Sport (kleiner Shutter, gute [!] Bewegungsinterpolation im Display, 100x Zoom?!) Die Preise für 4k-Panels sind bis dahin schon bald wieder verfallen Was kommt danach (HDR und HFR, Autostereoskopie, OLED-Tapete )? Übermorgen (2017 ff.) 100(?)/120 Hz 10 Bit oder mehr für HDR erweiterter Farbraum nach BT.2020 für Produktion und Ausstrahlung, Konversion im Empfänger HFR, HDR? (auch) Kameras mit 2/3 Sensoren Einsatz auch für allg. Sport Übermorgen Japan ( ) 120 Hz Page 30

31 und! UHD oder Mobile Devices? 20 Tablet PC (Panasonic, Oct 13) Page 31

32 und! UHD oder smart production? UHD OB Van von Nimb TV in Dänemark (Sep 13) Page 32

33 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! Dr. Rainer Schäfer Institut für Rundfunktechnik Floriansmühlstraße München Tel. +49-(0) Fax +49-(0) Die Folien/Dokumente sind durch das Urheberrecht geschützt. Eine Vervielfältigung ist nur mit der Genehmigung des Verfassers gestattet.