Beyond HD Wo geht die Reise hin?

Transkript

1 Beyond HD Wo geht die Reise hin? FKT - Landesgruppe Schweiz Dagmar Driesnack Produktionssysteme Fernsehen Institut für Rundfunktechnik, München Dr. Rainer Schäfer Geschäftsfeldleiter Fernsehen Institut für Rundfunktechnik, München

2 Warum Ultra HD 3D Hype Super Hi-Vision seit (NAB) (HD) Display Kosten verfallen dramatisch!! Hersteller suchen neue Märkte erste 4K IFA 2012 Kino: DCI & 4K sind Realität Seite 2

3 IFA & IBC 2013 Seite 3

4 IFA & IBC 2014 Seite 4

5 Mehr und bessere Pixel Diskussion um Ultra HD ist oft auf mehr Bildpunkte reduziert ausschließlich progressiv Mehr Pixel 3840x2160 (p only) UHD-1 (BT.2020) Mehr Bilder 50, 100, 120 Hz Mehr Bit/Pixel (HDR - Higher Dynamic Range) Mehr Farben (Erweiterter Farbraum nach BT.2020) Seite 5

6 4K und UHD: Standards und Parameter Higher Resolution (HR) Cinema 4K (DCI) TV 4K UHD 1 TV 8K UHD 2 Aspect ratio, etc. square pixel (&cropping) 16:9, square pixel, 4x/16x HDTV Auflösung, örtlich 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 Progressiv Betrachtungsabstand?? 1.5 H 0.75 H bit/pixel/component 12 (10@2k/48fps) 10,12 EOTF γ = 2.6 Linear segment (black), dann γ = 2.22 Constant Luminance y y / n (beide Optionen möglich) Farbraum extended extended (mehr als D-Cinema) Higher Frame Rate (HFR) Higher Dynamic Range (HDR) Wider Colour Gamut (WCG) Seite 6

7 UHDTV Audio? Objekt orientierte Darstellung und Codierung 22.2-Ansatz der NHK für 8k Seite 7

8 Mehr Pixel? Mehr Pixel Seite 8

9 Mehrwert der UHD Auflösung ~ 8K UHD-2 (7680 x 4320) 4K UHD-1 (3840 x 2160) HD Gefühl der Realität (keine Pixel sichtbar) Gefühl dabei zu sein (Telepräsenz) 80*SD 20*SD ,2..5*SD SD ,5 0,75 Betrachtungsabstände [Bildschirmhöhe] Seite 9

10 Mehr Pixel was bringt das? UHD p/ i/25 720p/50 UHD-1 UHD-1, 56 Subjektive Tests nach ITU Rec. 500 (DSCQS), 6 Sequenzen, 72 Personen bei 1.5H und 2.7m (3.8 H) Entspricht einer HD-Produktion für UHD, mit UHD-Kameras/Sensoren - Mehrwert existiert, aber nicht erheblich - aber: Verbesserung auch bei unerwartet großer Entfernung wahrnehmbar - sehr gut für statische Bilder/Szenen - einige Versuchspersonen bemängelten Motion Blur Bewertung: 5 stufige Skala - Excellent - Good - Fair - Poor - Bad (keine Kodierung genutzt) Subjektive Tests durch EBU Gruppe: HD vs. UHD-1 Seite 10

11 Mehr Farben? Mehr Farben IFA 2013 Seite 11

12 Erweiterter Farbraum Vergleich der Farbräume Heutiges HDTV nutzt BT.709 4K und 8K UHD ist durch BT.2020 definiert (aber - noch - selten genutzt ) ~ natürliche Oberflächen BT.709 DCI P3 BT.2020 x y x y x y R Primaries G B DCI (P3) Seite 12

13 Farbraum für UHD Technologischer Durchbruch benötigt Bedeutende Entwicklungen in den vergangenen Jahren Laser Projektoren Fast 100% Abdeckung von BT.2020 OLED Displays Etwa 80% Abdeckung von BT.2020 (DCI P3 bereits erreicht) LCD mit Quantum Dots (QD) LED Etwa % Abdeckung von BT.2020 (Herausforderung: Dunkelphase der LCD oder LED per Pixel) Lichtquelle: blaue LED Seite 13

14 Higher Dynamic Range: Mehr Spitzenhelligkeit Higher Dynamic Range: Mehr Spitzenhelligkeit Seite 14

15 Mehr Spitzenhelligkeit und Kontrast Mehr Spitzenhelligkeit und Kontrast Seite 15

16 Higher Dynamic Range Neue kreative Gestaltungsmöglichkeiten!! Erweiterter Anwendungsbereich für Displays!! Erhöhte Spitzenleuchtdichte bei neuen Displays Konventioneller professioneller Röhrenmonitor LCD Consumer LCD TVs mit hoher Helligkeit Heutige HDR Displays Subjektive Tests mit LCD+Projector (Dolby) 100 cd/m² (nits) typ cd/m² ~600 cd/m² cd/m² bis cd/m² German TV Platform IFA 2014 Tendenz? Seite 16

17 Warum Higher Dynamic Range? <- Scotopic vision -> <- Mesopic vision -> <- Photopic vision -> (monochrome, very poor sharpness) (poor colour and sharpness) (good colour and sharpness) Wahrnehmbarkeitsschwelle Cinema 2D ~1000:1 48 cd/m² Cinema 3D ~1000:1 12 cd/m² HD Studio Monitor ~500:1 100 cd/m² TV ~200:1 200 cd/m² HDR Display ~2000: cd/m² HDR Prototypes ~15000: cd/m² Glare [10 x cd/m²] [Blenden f-stops] Natürliche Scene: ~20 f-stops Wahrnehmung ohne(!) Adaptation: ~13 f-stops Kameras bis zu: ~14.5 f-stops Quelle: J.Steurer / ARRI Seite 17

18 Higher Dynamic Range (HDR) offene Punkte Transferfunktion und Übertragung BBC EOTF Skalierbare Ansätze Dolby Vision Philips, Technicolor Parameter / Limits Welche absoluten Helligkeitswerte sollen Spitzenweiß und Schwarz haben? Bei welchen Betrachtungsbedingungen? Referenz für das Colour Grading? Kompatibler Empfang ohne doppelte Produktion insbesondere bei Live? Für einige Ansätze Nutzung von SMPTE 2084 erwartet Seite 18

19 Mehr Bilder Mehr Bilder Seite 19

20 Frame Rate und ihre Auswirkungen Large Area flicker Strobing Motion Blur Quelle: Katy Noland, BBC Seite 20

21 Dynamische Auflösung: UHD mit bewegten Objekten? Es gibt Effekte in der Kamera und(!) bei der Wiedergabe (Display + menschlicher Gesichtssinn) Parameter Kamera Display + Wahrnehmung Effekt Bewegtes Objekt wischt über statischen Sensor Das Auge wischt über das (scharfe) Objekt, das statisch über eine Bilddauer dargestellt wird Lösung 1 Belichtungszeit durch Shutter verkürzen Darstellungszeit durch black frame insertion verkürzen Source: BBC R&D Lösung 2 Herausforderung Belichtungszeit durch höhere Frame Rate verkürzen Verlust von Empfindlichkeit, mehr Licht benötigt Darstellungszeit durch Erhöhung der Frame Rate verkürzen Reduktion der Display Helligkeit (Lsg. 1), komplexe Bewegungsinterpolation (wenn Lsg. 2 nur im Display) Seite 21

22 Bewegungsunschärfe einfache Grenzbetrachtung HDTV Max. Verschiebung pro Shutter-Zeit x Pixelgröße UHD-1 Max. Verschiebung pro Shutter-Zeit x 1920x1080p/50, 50% Shutter 50 Hz V grenz = 2 * width * = 0,104 Breite/s 1920 * 0,5 Min. Periode, max. Ortsfrequenz V grenz = x / (T frame * A shutter ) Min. Periode, max. Ortsfrequenz x = 2 * width / n pixel 3840x2160p/50, 50% Shutter 50 Hz V grenz = 2 * width * = 0,05 Breite/s 3840 * 0,5 V grenz = 2 * (width / n pixel ) / (T frame * A shutter ) = 2 * width * f frame N pixel * A Shutter mögliche Parameter Seite 22

23 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 Seite 23

24 Erste Ergebnisse aus EBU BTF-HFR Gruppe Subjektive Tests im Aug 2013 im IRT 240 und 300 Hz Aufnahmen Wiedergabe 60/120/240 Hz mit modifizierten Displays (NHK) Achtung: (noch) keine Bewegungsinterpolation im Display! Train Bike Football (Soccer) Carousel (Swing) Runner Seite 24

25 Erste Ergebnisse aus EBU BTF-HFR Gruppe 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 ) Seite 25

26 EBU BTF-HFR Gruppe next steps Entwicklung eines HFR-Displays zusammen mit zwei Industriepartnern Vielfache von 50/60Hz werden unterstützt bis 200/240Hz Weitere Tests inkl. MCFI (Motion Compensated Frame Interpolation) sind gerade in Planung/ erste Demos schon möglich Umfang der Testsequenzen erweitert Zurich Athletics 2014 Commonwealth Games 2014 Sequences by 4EVER project (Hip Hop, Basketball, etc) Seite 26

27 Schnittstellen? NAB 2013 Seite 27

28 Herausforderung: Bandbreite, Interfaces, Speicher SDTV Format 720x576i/25 4:2:2/8 Bit 0,166 4:2:2/10 Bit 0,207 *1 *0,2 4:2:2/12 Bit 0,249 *n factor vs *m factor vs HD 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 4 x 3G SDI 8 x 3G SDI IBC 2014 Seite 28

29 Schnittstellen! IBC 2014: - Kamera - 8K@120Hz - Fiber Studio Interface Seite 29

30 SDI-basierende Interfaces SMPTE Mapping of UHDTV in 10 Gbit/s interface (10G SDI according to SMPTE ST 435-2, optical ST 435-3) SMPTE ST Multilink 3G SDI interface (single picture up to 12 Gbit/s via 4 x 3G) e.g. map every 2nd pixel pair of every 2nd line into one channel SMPTE ST Line and 1080-Line Source Image and Ancillary Data Mapping for Single-Link 6G-SDI Up to UHDp30 Standards in Arbeit für 6G Dual- und Multilink-Lösungen (?!) SMPTE ST line Source Image and Ancillary Data Mapping for 12G-SDI Up to UHDp60 Standards in Arbeit für 12G Dual- und Multilink-Lösungen (?!) SMPTE ST 297 (2015) Optische Varianten u.a. für und Seite 30

31 IP-basierende Interfaces SMPTE 2022-Familie (Layer 3) Teilstandards: SMPTE (FEC) und beschreibt CBR MPEG2-TS über IP SMPTE (FEC) und beschreibt VBR MPEG2-TS über IP SMPTE (FEC) und beschreibt SD/HD/3G-SDI über IP SMPTE beschreibt 2-Wegeführung und unterbrechungsfreies Umschalten Unterschiedliche Implementierungen bei Herstellern: Proprietäre Erweiterungen (z.b. Sony) Synchronisationsmechanismen (z.b. PTP-Profile) Mezzanine Codecs (Dirac, J2k, Sony ) AVB (Audio Video Bridging) (Layer 2) Timesynchronisation IEEE 802.1AS Traffic Shaping IEEE 802.1Qav Bandwidth Reservation IEEE 802.1Qat Configuration IEEE 802.1BA Varianten für Layer 3 in Diskussion Seite 31

32 Produktionscodecs Seite 32

33 Herausforderung: Bandbreite, Interfaces, Speicher Format Sampling Bit/Pixel Data [TB/h] ~Factor SDTV 720x576i/25 4:2:2 8 0,075 0,161 HDTV v1 1280x720p/50 4:2:2 10 0,414 0,9 HDTV v2 1920x1080i/25 4:2:2 10 0,466 1 HDTV v3 1920x1080p/50 4:4:4 10 1,399 3 UHD-1 v1 3840x2160p/50 4:2:2 10 3,732 8 UHD-1 v2 3840x2160p/100 4:2:2 10 7, UHD-1 v3 3840x2160p/100 4:4: , UHD-2 v1 7680x4320p/60 4:2: , UHD-2 v2 7680x4320p/120 4:2: , UHD-2 v3 7680x4320p/120 4:4: , Kinofilm 4K (90min, 4:4:4, 12 Bit) 1 Kinofilm 4K via 100 Mbit/s VDSL ~20 TB 450h Seite 33

34 Produktionscodecs Codecs under Test Panasonic AVC-ULTRA AVC-ULTRA family All implementations based on H.264/AVC up to Level 5.2 Intra-Variants: Same mathematics like AVC-I 100 (as already tested) MXF OP-Atom LongG-Variants: MXF OP-1b (LongG) surprisingly good quality and cascading robustness AVC-INTRA & AVC LongG 720p/50 (Class50, Class100, LongG50, LongG25, LongG12, LongG6) 1080i/25 (Class50, Class100, LongG50, LongG25, LongG12, LongG6) 1080p/50 (Class4:4:4, Class200, Class100, LongG50, LongG25, LongG12, LongG6) 2K & 4K (Class 2K4:2:2, Class 2K4:4:4, Class 4K4:2:2, Class 4K4:4:4) Source: Panasonic Seite 34

35 Produktionscodecs Source: Panasonic, S. Hofmann (Q2/2015) Seite 35

36 Produktionscodecs Codecs under Test Sony XAVC XAVC as Open Format Based on H.264/AVC up to Level 5.2 MXF OP-1a 8/10/12 bit sampling 4:2:0, 4:2:2 and 4:4:4 color subsampling Support for Intra and Long Gop coding depending on the user s demand Supports HD formats up to 4K Source: Sony Seite 36

37 Produktionscodecs Source: Sony, XAVC Workflow Guide Seite 37

38 UHD überall Seite 38

39 UHD bei HDMI 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 Funktionen bei HDMI 2.0 CEC extensions, dual-view, multi-stream audio, 21:9 aspect ratio, dynamic audio lip sync Achtung: alle Features ausschließlich optional! 9. April 2015: HDMI 2.0a veröffentlicht Support von HDR (als static Metadata) Seite 39

40 UHD weitere Aktivitäten weltweit BBC Diverse Testaufnahmen, v.a. Sportveranstaltungen: Commonwealth Games, Wimbledon Korea: Erste Tests seit 2012 Q4/2015 UHDTV Service commercialized Q1/2018 Olympics Pyeoung-Chang Ultra HD Forum Harmonisierung, Guidelines (für Produktion/Post-Produktion, Kompression/Distribution und Decoding/ Display), Real-time Workflows, Plugfests, White Papers, Master Classes Ultra HD Alliance Definition von Qualitätsstandards, Logo-Programm, Zertifizierung, etc. Dt. TV-Plattform AG Ultra HD Dolby Vision Verfahren zur Übertragung von HDR-Inhalten Erste Produkte von VIZIO in Kombination mit Streaming Dienst Vudu (USA) Seite 40

41 UHD Distribution weitere Verteilwege OTT Streaming IFA 2014 Download Google VP9 Codec Abonnements über Hersteller u. Kooperationen Bluray Disc Association Broadcast Neues Disk Format angekündigt UHD HDR HFR Wider Color Gamut Spezifikation Mitte 2015 Produkte Weihnachten 2015 Seite 41

42 UHD Ausblick Akquise Professionelle Schnittstellen Kontribution Post pro, Server, Archiv Distribution Consumerschnittstellen Displays Kameras Standards Codecs HDMI HFR, FPD, OLED? UHD-1 4k incl. HFR, wider product range and live interfaces still missing 6G und 12G nur p50, p60 Weniger kritisch, z.b.. 4 x 3G mit AVC Roadmaps verfügbar, products Markteinführung, nur p50, p60 Produkte Markteinführung in 2015, nur p50, p60 HDMI 2.0a verfügbar, nur p50, p60 Viele Technologien, HFR nur intern, Zunächst kaum WCG, Noch kein oder kein standardisiertes HDR UHD Seite 42

43 Zusammenfassung - Mögliche UHD Mehrwerte Höhere (statische) Auflösung Dabei sein (Telepräsenz, großer Betrachtungswinkel) Realitätsgefühl (keine Pixel sichtbar) Dynamische Auflösung (Higher Frame Rate) Natürliche Farben (Wider Colour Gamut) Natürlicherer Helligkeitsbereich (Higher Dynamic Range) Seite 43

44 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit. Dagmar Driesnack Produktionssysteme Fernsehen Dr. Rainer Schäfer Geschäftsfeldleiter Fernsehen Institut für Rundfunktechnik Floriansmühlstraße München Tel. +49-(0) Fax +49-(0) Die Folien/Dokumente sind durch das Urheberrecht geschützt. Eine Vervielfältigung ist nur mit Genehmigung des Verfassers gestattet. Dieser Urheberrechtshinweis darf nicht entfernt werden.