1 VDT Magazin: Möglichkeiten zur Online-Distribution von Mehrkanalton für HbbTV

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1 1 VDT Magazin: Möglichkeiten zur Online-Distribution von Mehrkanalton für HbbTV Mehrkanalton im Internet? Die Verbreitung von Medieninhalten im Internet nimmt ständig zu. Über Portale wie Youtube oder die Mediatheken der Rundfunkanstalten steht uns eine Vielfalt an Videos, Musik oder auch die verpasste Folge des letzten Tatort zur Verfügung, die mit verschiedenen Endgeräten abgerufen werden kann. Auch Fernseher sind mittlerweile durch den HbbTV-Standard in der Lage, Medieninhalte aus dem Internet zu beziehen. Der Fernseher wird so zu einem hybriden Endgerät, welches Inhalte aus Broadcast- und Broadband auf einem Bildschirm vereint. Für den Besitzer eines solchen Gerätes wäre es wünschenswert, Video- und Audioinhalte möglichst in der gleichen Qualität über das Internet konsumieren zu können, wie er dies von der normalen Fernsehnutzung gewohnt ist. So könnte beispielsweise ein Tatort unabhängig vom Verbreitungsweg stets das gleiche Hörund Seherlebnis liefern. Videobeiträge können dank der stetig wachsenden Bandbreite bereits teilweise in HD-Auflösung über heutige Webzugänge abgerufen werden. Der Ton wird dennoch fast ausschließlich im Stereo-Format über das Internet verbreitet. Da viele Fernsehsendungen jedoch bereits im 5.1-Mehrkanalton- Format produziert und ausgestrahlt werden, wäre prinzipiell auch eine Online- Nutzung von Mehrkanalton wünschenswert, um Zuschauern mit geeigneten Endgeräten ein äquivalentes Hörerlebnis auch in den Mediatheken zu bieten. Aus diesem Grund wurde im Rahmen der Bachelorarbeit Möglichkeiten zur Online- Distribution von Mehrkanalton für HbbTV nach Lösungen gesucht, eine Übertragung von Mehrkanalton auf HbbTV-Geräte und auch für den PC zu ermöglichen. Die Arbeit entstand in Kooperation zwischen der Hochschule der Medien (HdM) in Stuttgart und dem Institut für Rundfunktechnik (IRT) unter der Betreuung von Prof. Oliver Curdt und Dipl. Ing. Martin Schmalohr. An dieser Stelle möchte ich mich bei der Hochschule der Medien sowie dem IRT bedanken, dass diese Kooperation stattfinden konnte. Dabei gilt mein besonderer Dank meinen Betreuern Herrn Prof. Oliver Curdt und Herrn Martin Schmalohr, für die jederzeit außerordentlich angenehme und konstruktive Betreuung meiner Bachelorarbeit. Anforderungen und Testkriterien Für die Nutzung von Mehrkanalton auf HbbTV-Geräten wurde nach einem Mehrkanalton-Codierprofil gesucht, welches eine hohe Interoperabilität mit möglichst vielen, bereits am Markt erhältlichen HbbTV-Empfängern aufweist. Dieses Codierprofil sollte durch umfangreiche Tests auf unterschiedlichen Testgeräten ermittelt werden. Dazu wurde zunächst eine Auswahl an Audiocodecs, Codierparametern, Testsequenzen und Testgeräten getroffen, um den Aufwand der Tests in einem vernünftigen Rahmen zu halten. Die eingesetzten Audiocodecs ergaben sich aus der Spezifikation HbbTV 1.5 (ETSI TS , v1.2.1, Abschnitt 7.3.1) und umfassten die auch im Internet weit verbreiteten Codecs LC-AAC und HE-

2 2 VDT Magazin: Möglichkeiten zur Online-Distribution von Mehrkanalton für HbbTV AAC, sowie die oft im Broadcast-Signal übertragenen Codecs AC-3 und E-AC-3 von Dolby. Diese vier Codecs sollten mit verschiedenen Parametrierungen getestet werden, um deren Einflüsse auf die Interoperabilität mit den Decodern untersuchen zu können. So sollte die tatsächliche Konformität der kommerziellen Endgeräte zur HbbTV- Spezifikation hinsichtlich der Mehrkanalton-Wiedergabe ermittelt werden. Dazu wurden verschiedene Datenraten zwischen 128 kb/s und 448 kb/s mit konstanter und variabler Bitrate betrachtet, bei E-AC-3 sogar bis zu 3096 kb/s. Die Abtastraten betrugen 44.1 khz und die im Broadcast üblichen 48 khz. Außerdem sollte eine mögliche Beeinflussung des Videodatenstroms auf die Interoperabilität des Audiosignals untersucht werden. Deshalb wurden Tests mit HD- und SD- Videoformaten und auch Testsequenzen bestehend aus Audioelementarströmen und Audio-Only-Inhalten in einem Containerformat betrachtet. Video Audio Codec Bitrate [Mb/s] Auflösung Format Framerate Video H246 ca x576 interlaced 25 SD H246 ca x720 progressiv 50 HD Codecs Bitrate [kb/s] Bitratentyp* Abtastrate [khz] Kanäle Video AAC** / Dolby*** 128 CBR/VBR 44.1/48 5.1/2.0 HD/SD AAC / Dolby 192 CBR/VBR HD AAC / Dolby 256 CBR/VBR HD AAC / Dolby 320 CBR/VBR HD AAC / Dolby 448 CBR/VBR HD AAC / Dolby 640 CBR/VBR 44.1/48 5.1/2.0 HD/SD E-AC CBR HD E-AC CBR HD * Falls von Codec unterstütz ** LC-AAC und HE-AAC *** AC-3 und E-AC-3 Tabelle 1: Formate und Codierparameter Weiterhin wurden entsprechende Testkriterien gewählt, aus denen eine eindeutige Aussage über das Abspielverhalten abgeleitet werden kann. Dazu zählt die Fähigkeit der Endgeräte, eine Testsequenz überhaupt wiederzugeben. Die Standardkonformität der Datenströme wurde mit geeigneten Messegräten (Dolby DM100 Bitstream Analyzer) überprüft. Des Weiteren wurde die richtige Kanalzuordnung und ggf. bei einem Stereo-Downmix-Verhalten, das eingesetzte Verfahren überprüft. Darüber hinaus wurden die A/V-Synchronität am Decoder- Ausgang sowie eventuelle Lautstärkeunterschiede zwischen den abgespielten Codierungen oder unterschiedlichen Audioausgängen der Testgeräte untersucht. Dazu wurden eigens entsprechende Test-Sequenzen angefertigt, die zum Überprüfen der Anforderungen geeignet waren. Diese setzten sich aus Aufzeichnungen von linearen Fernsehsignalen (z.b. ein Mitschnitt der Sendung Krömer Late Night Show ) und verschiedenen generierten Testsignalen zusammen. Die Zuordnung der einzelnen Audiokanäle wurde durch das diskrete Ansprechen aller 6-Kanäle nacheinander kenntlich gemacht. Die A/V-Synchronität wurde durch das Einfügen einer kurzen Schwarz-Weiß-Blende im Video, bei der zeitgleichen Wiedergabe von 400 Hz bis 1 khz-tönen überprüft. Auch kritische 5.1- Audiosignale, wie beispielsweise der Applaus nach einem Konzert, wurden angehört, um einen groben Eindruck der subjektiven Audioqualität der einzelnen

3 3 VDT Magazin: Möglichkeiten zur Online-Distribution von Mehrkanalton für HbbTV Codier-Verfahren bei unterschiedlichen Datenraten am konkreten Endgerät zu erhalten. Die Erstellung der Testsequenzen und das Multiplexing der Datenströme wurde soweit möglich mit frei verfügbarer Software wie FFmpeg, NeroAAC, Aften oder Csound durchgeführt, auch um eine leichte Reproduzierbarkeit der Tests für Dritte zu gewährleisten. Des Weiteren sollten die zu testenden HbbTV-Empfänger eine möglichst breit gestreute Auswahl an bereits erhältlichen Geräten abdecken. So wurden jeweils handelsüblichen HbbTV-fähige Set-Top-Boxen und SmartTVs untersucht. Die Preisund Ausstattungsspanne der Geräte reichte dabei von preiswert bis premium. Das Testszenario stellte den Aufruf verschiedener Videos mit Mehrkanalton aus einer, für HbbTV-Geräte angepassten Mediathek dar. Um die Durchführung praxisnah zu gestalten, wurde die Umgebung technisch analog zu bereits bestehenden HbbTV- Angeboten realisiert. Jedes Testgerät wurde mit einem DVB-S/2 Signal mit eingebetteter HbbTV-Signalisierung versorgt. Durch diese Signalisierung starteten die Empfänger eine Autostart-Applikation, über die die unterschiedlichen Testvideos am Receiver ausgewählt und wiedergegeben werden konnten. Die Testsequenzen waren dazu auf einem Webserver hinterlegt und wurden vom Gerät als Progressive Download abgerufen. Da handelsübliche SmartTVs zur Tonwiedergabe meist nur Stereo-Lautsprecher besitzen, wurde das Audiosignal der HbbTV-Streams an einen mehrkanaltonfähigen Audioreceiver weitergeleitet und über ein 5.1- Lautsprechersystem abgehört. Dabei wurden alle, vom jeweiligen Empfänger bereitgestellten Übertragungswege betrachtet (HDMI, S/PDIF optisch/elektrisch, Analog). Untersucht wurde auch, ob das Signal bereits vom HbbTV-Gerät decodiert, oder der encodierte Datenstrom per pass-through an das Wiedergabesystem durchgeleitet worden ist. Bild 1: Vereinfachte Darstellung des Versuchsaufbaus Mehrkanaltonübertragung für HbbTV Die durchgeführten Tests zeigten deutlich, dass die Interoperabilität der eingesetzten Codier-Verfahren mit den HbbTV-Testgeräten sehr unterschiedlich ist. Generell wurde gezeigt, dass die unterschiedlichen Datenraten, Abtastraten, sowie der

4 4 VDT Magazin: Möglichkeiten zur Online-Distribution von Mehrkanalton für HbbTV Videoinhalt in der Regel keinen Einfluss auf das Wiedergabeverhalten der eingesetzten Testsequenzen hatte. Wurde ein Codier-Verfahren grundsätzlich vom Endgerät unterstützt, so waren meist alle entsprechenden Parameter-Profile nutzbar. Je nach Codec stellten sich jedoch erhebliche Wiedergabeunterschiede zwischen den getesteten Geräten heraus. Die effizient komprimierten AAC-Streams wurden nur von einem der sechs Testgeräte korrekt mit 5.1-Ton wiedergegeben und sonst lediglich als Stereo-Downmix abgespielt. Der Dolby E-AC-3 Codec, dessen Codiereffizienz dem Anschein nach mit AAC vergleichbar ist, wurde von vier Testgeräten korrekt abgespielt, führte in den restlichen Testfällen jedoch teils zu erheblichen Problemen. Hier kam es entweder nur zu einem Stereo-Downmix, oder es wurde gar kein Audiosignals ausgegeben. Einzig das klassische AC-3 Verfahren wurde von allen Geräten richtig wiedergegeben, wobei die korrekte Lautstärke, A/V- Synchronität und eine standardisierte Kanalzuordnung eingehalten wurde. Testgerät LC-AAC HE-AAC AC-3 E-AC-3 Set-Top-Box 1 2.0* Set-Top-Box Set-Top-Box SmartTV SmartTV SmartTV * Stereo Downmix Aus technischer Sicht steht einer Übertragung von Mehrkanalton-Inhalten über das Internet für HbbTV-Geräte mit dem AC-3-Verfahren nichts im Wege. Da die meisten Mehrkanalton-Sendungen bereits in dieser Codierung über Broadcast On-Air bereitgestellt werden, brächte AC-3 zusätzlich den Vorteil, dass hierfür keine neuen Codier-Werkzeuge oder Lizenzen angeschafft werden müssen, um Mehrkanalton- Inhalte auch über das Internet zu verbreiten. Dem gegenüber steht jedoch die vergleichsweise hohe Datenrate, die mit einem solchem Angebot über die verfügbaren DSL-Anschlüsse der Endverbraucher aufgebracht werden muss. Um eine annähernd transparente Audioqualität zu erzielen, wären ca. 384 kb/s erforderlich, was im Vergleich zu den derzeit in den Mediatheken genutzten Videobitraten von 700 kb/s bis 1,5 Mb/s für SD-Inhalte und 3,4 Mb/s bis 4,3 Mb/s für HD-Inhalte relativ hoch erscheint, zumal die Audio-Spur derzeit zur Stereo- Wiedergabe mit 128 bis 192 kb/s im Low Complexity-Modus von AAC aufbereitet wird. Allerdings ist anzunehmen, dass in naher Zukunft auch die anderen Codier- Verfahren besser von den Geräteherstellern unterstützt werden. Adaptive Zukunft Die Übertragung von Mehrkanalton-Inhalten im Internet könnte in Zukunft auch mit adaptiven Übertragungsverfahren einen Durchbruch erleben. Nach der Einführung der HbbTV 1.5 Spezifikation sind mittlerweile bereits die ersten Fernseher auf dem Markt, welche den neuen MPEG-DASH Standard zum adaptiven Abruf von HbbTV-

5 5 VDT Magazin: Möglichkeiten zur Online-Distribution von Mehrkanalton für HbbTV Streams nutzen können, um die Qualität und Datenrate während der Wiedergabe optimal an die jeweilige Leistungsfähigkeit des vorliegenden Internetzugangs anpassen zu können. Dabei holt sich das Endgerät eigenständig jeweils zur aktuellen Kanalrate passende, am Server hinterlegte Video- und Audio-Segmente ab. Doch neben unterschiedlichen Video-Auflösungen und Bitraten kann ein sog. AdaptionSet im DASH-Angebot auch mehrere Audio-Repräsentationen verschiedener Qualität oder auch verschiedenen Inhalts bereitstellen. So könnte beispielsweise bei einer großen verfügbaren Bandbreite der Ton im Mehrkanalton-Format angeboten, und bei einer niedrigen Bandbreite nur das Stereo-Format übertragen werden. Ein großer Vorteil des MPEG-DASH-Standards gegenüber den etablierten, proprietären Adaptive Streaming-Verfahren von Apple, Microsoft und Adobe ist, dass der Ton in eigenen Segmenten, getrennt vom Video am Server abgelegt wird, wodurch redundante Videostreams und ein mehrfaches Multiplexing für mehrere Audio- Spuren vermieden werden kann. Hierzu sind am IRT derzeit in Abstimmung mit Dolby, Fraunhofer IIS, Elemental Techologies, Thomson Video Networks sowie diversen TV-Herstellern verschiedene MPEG-DASH-Tests in Vorbereitung. Somit stehen in naher Zukunft dem Angebot von Mehrkanalton-Inhalten über das Internet insbesondere auf HbbTV 1.5-Geräten der neuen Generation zumindest keine technischen Gründe mehr entgegen.