UHD-2 - Deutsche TV

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 - 26. Feb. 2014
© IRT – R.Schäfer
Ist ULTRA HD neu ? – Treibende Faktoren ?
IFA 2012:
4K –
ein neuer
Stern ?
3D
Hype
Super Hi-Vision
ab 2002…
2006 (NAB)
Kino & 4K
Ersatz CRT weitgehend abgeschlossen,
Display-Kosten verfallen dramatisch !
… Hersteller suchen neue Märkte
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IFA & IBC
2013
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seit ~3/2013
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seit ~3/2013
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seit ~3/2013
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UHD-2 (7680 x 4320)
UHD-1 (3840 x 2160)
HD
SD
2,2..5*SD
20*SD
80*SD
12..15°
33°
61°
106°
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UHD Parameter
Higher Frame Rate (HFR)
Higher Resolution (HR)
Kino 4K (DCI)
aspect ratio, etc.
square pixel (&cropping)
spatial resolution
4096 x 2160
frame rate
24, (48, 60)
scan mode
TV 4K „UHD 1“
TV 8K „UHD 2“
16:9, square pixel, „4x/16x HDTV“
3840 x 2160
7680 x 4320
24/1.001, 24,25,30/1.001, 30,50,60/1.001, 60,100!,120
progressive
Viewing distance
??
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
1.5 H
0.75 H
Higher Dynamic Range (HDR)
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UHDTV Audio ?
Ansätze zur objektorientierten
Darstellung
22.2-Ansatz der NHK bei 8k
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Faktoren UHDTV
• Ausschließlich
progressiv
• „Ultra HD“ wird
oft nur
auf mehr
Bildpunkte
reduziert
Mehr Bildpunkte
3840x2160 (p only)
Mehr Bilder
50, 100, 120 Hz
UHD-1
(BT.2020)
Mehr Bit/Pixel
(HDR - Higher
Dynamic Range)
Mehr Farben
(erweiterter Farbraum
nach BT.2020)
Hintergrund zu diesen Faktoren ?
Mehrwert dieser Faktoren ?
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Erweiterter Farbraum
Farbraum BT.2020
Primaries
Reference white
x
y
R
0.708
0.292
G
0.170
0.797
B
0.131
0.046
G
R
0.3127 0.3290
B
Quelle: Dolby
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Erweiterter Farbraum
LCD-Projektor mit Laser-Lichtquellen
x
y
R
0.718
0.282
Primaries G
0.175
0.793
B
0.133
0.043
Quelle: NEC,
4k Forum Lang AG
Quelle:
NHK STRL
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Mehrwert Bildpunktzahl ?
Subjektive Tests: HD vs. UHD-1
UHD-1
1080p/50
1080i/25
720p/50
UHD-1, 56‘‘
UHD-1
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
…
Institut für Rundfunktechnik
- Mehrwert vorhanden, aber klein
- Kein signifikanter Vorteil für eines der HD-Systeme
- Versuchspersonen bemängelten Bewegungsunschärfe
- Ausstrahlungs/Produktionscodecs noch nicht
berücksichtigt
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mit fünfstufiger Skala:
- Excellent
- Good
- Fair
- Poor
- Bad
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Mehrwert
Higher Frame Rate ?
Bewegungsunschärfe
Effekte
Lösungen
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“
Verkürzung der Belichtungszeit: Shutter
= HFR mit anschließender
Unterabtastung
CRT hatte bereits „Shutter-Verhalten“
[Achtung: anderer Grund für 100 Hz bei CRT !!]
„echte HFR“ ohne Unterabtastung
„100 Hz Display“ bei Flat Panels
= HFR mit empfängerseitiger Bildschätzung,
Black Frame Insertion = „zurück zur CRT“
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Mehrwert
Higher Frame Rate ?
Bewegungsunschärfe – einfache Grenzbetrachtung
HDTV
UHD-1
Max. Verschiebung
„pro Shutter-Zeit“
Max. Verschiebung
„pro Shutter-Zeit“
∆x
1920x1080p/50, 50% Shutter
∆x
50 Hz
Vgrenz = 2 * width *
Pixelgröße
1920 * 0,5
= 0,104 Breite/s
3840x2160p/50, 50% Shutter
Min. Periode,
max. Ortsfrequenz
50 Hz
Min. Periode,
max. Ortsfrequenz
Vgrenz = ∆x / (Tframe * Ashutter)
Vgrenz = 2 * width *
3840 * 0,5
= 0,05 Breite/s
∆x = 2 * width / npixel
fframe
Vgrenz = 2 * (width / npixel) / (Tframe * Ashutter) = 2 * width *
mögliche Parameter
Npixel * AShutter
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Mehrwert
Higher Frame Rate ?
Bildfrequenz, Shutter, Schärfe, Stroboskopeffekt
Bewegter Ball,
Geschwindigkeit v
Zeit (z.B. frames)
Ergebnisse NHK (ohne Kodierung, UHD-2):
- Großflächenflimmern: > 80Hz
- Blur: Belichtungszeit < 1/320s
-Stroboskopeffekt: > 100Hz
50 Hz, „ideale Abtastung“
100 Hz, „ideale Abtastung“
50 Hz, 50% Shutter
100 Hz, 50% Shutter
„Stroboskopeffekt“
„Schärfe“
50 Hz, 25% Shutter
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Mehrwert
Higher Frame Rate ?
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 !
Train
Football (Soccer)
Bike
Carousel (Swing)
Runner
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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“)
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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
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ULTRA HD in der Produktions- und Verteilkette
professionelle
Interfaces
Akquise
4K
Kameras
Standards
√
-
4k incl. HFR,
Workaround
Breite Produktpalette
4 x 3G
und Live-Interfaces
fehlen meist
Institut für Rundfunktechnik
Kontribution
Postpro,
Server,
Archiv
Distribution
Codecs
√
√ √
Vergleichsweise Roadmaps
unkritisch, z.B.
vorhanden,
4 x 3G mit AVC viele Produkte
fehlen,
nur p50,p60
Interfaces
HDMI
√
Roadmaps
vorhanden,
nur p50,p60
ab 2015 zu
erwarten
√
Displays
HFR, FPD, OLED ?
√
HDMI 2.0
Viele Technologien,
bald verfügbar, breite Einführung
nur p50,p60 einiger nach Verfüg?
barkeit der Interfaces,
HFR im Panel verfügbar
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Kameras
4k
• einige Produkte auf dem Markt
 Red, Sony, ForA, Blackmagic, …
• sogar HFR bis 600..900 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
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Interfaces - Vergleich (Netto-) Datenraten*n[Gbit/s]
Faktor zu SD@10Bit
*m Faktor zu HD 25i@10Bit
Format
4:2:2/8 Bit
4:2:2/10 Bit
SDTV
720x576i/25
0,166
0,207
HDTV v1
1280x720p/50
0,737
0,922
HDTV v2
1920x1080i/25
0,829
1,037
HDTV v3
1920x1080p/50
1,659
2,074
UHD-1 v1
3840x2160p/50
6.636
8,294
UHD-1 v2
3840x2160p/100
13,271
16,589
UHD-1 v3
3840x2160p/120
15,925
19,907
UHD-2 v1
7680x4320p/50
26,542
33,178
UHD-2 v2
7680x4320p/60
31,850
39,813
UHD-2 v3
7680x4320p/120
63,701
79,626
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*1
*0,2
4:2:2/12 Bit
0,249
1,106
*5
*1
1,244
2,488
*40
*8
*80
*16
*96
*19
*160
*32
*192
*39
*384
*77
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SDI 3G
9,953
23,888
*96
*19
*115
*23
39,813
*192
*39
19,907
4x SDI 3G
10 GbE
40 GbE
47,776 *230
*46
95,551
*461
*92
100 GbE
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Codecs in der Produktion
XAVC (Sony) – Demo IBC 2013
• Long GOP XAVC für 4K, 4:2:0 @ 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
 ~ 400..800 Mbit/s
 ~ 50..200 Mbit/s
Sony UHD Server
•
•
•
•
4 x 4Kp/60
1 x 4Kp/240
1 x 8Kp/60 ??
4K p60: 600 Mbit/s intra
intra-basiert
Long GOP basiert
• Keine klaren Roadmaps für HFR, HDR erkennbar !
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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
HD/p50
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
-> 4K/p50
-> 4K/p100
Bild-> 8K/p50
drama-> 8K/p100
turgie
@ 7 Mbit/s
@ 14(11) Mbit/s
@ 21(17) Mbit/s
@ 56(45) Mbit/s
@ 84(67) Mbit/s
„äquivalente Rate“ (wg. Sx)
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Andere Verteilwege / -medien
Mediaplayer und Abonnements …
(Sony video unlimited)
Sony, IFA 2013
Amazon, Samsung, Warner Bros., Lionsgate
CES 2014: Netflix
CES 2014: Youtube
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Displays und Consumer Interfaces (HDMI 2.0)
HDMI Version
1.0
1.1
1.2
1.3
1.4
2.0
Release
9. 12. 2002
20. 5. 2004
22. 8. 2005
22. 6. 2006
5. 6. 2009
4. 9. 2013
Max. Bandwidth
(Gbit/s)
4.95
4.95
4.95
10.2
10.2
18
Max.
Resolution
1600x1200
p60
1600x1200
p60
1600x1200
p60
2048x1536
p75
4096x2160
p24
4096x2160
p60
Max. # LPCM
Audio channels
8
8
8
8
8
32
Max. Audio
sampling rate
768 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 …)
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Panels <= 120 Hz !
Displays
Sony
4k 65‘‘ Consumer Display
Sony
4k 56‘‘ OLED Display
Technology Demo
TV Logic
4k 30‘‘ Professional Monitor
4 x HD-SDI
Dolby
10 bit, Rec 709
HD HDR Display, Technology Demo
Super Hi Vision
4K Viewfinder
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UHD-2 (8K) in Japan
NAB 2013
Kamera 8k @ 120 Hz
Kamera 8k @ 60 Hz portable
Kommerzieller Regelbetrieb ab 2020
Versuchsausstrahlungen ab 2016
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IBC 2013
Distribution HEVC
420, 10Bit, (60 Hz)
NAB 2013
Distribution Terrestrisch
183 Mbit/s in 2 x 8 MHz
(Jan 2014: Trial 27km)
Zumindest UHD-1 wird von der Industrie
ohne Probleme bedient werden können
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Technische Änderungen ?
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Technische Änderungen
• Heute (Demos):
UHD-1 @ 30 Hz
 8 Bit, BT.709, kein HDR, kein HFR
• Morgen (2015..17):





UHD-1 @ 50/60 Hz
8..10 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.)





UHD-1 @ 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 (2016..20)
UHD-2 @ 120 Hz
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und !
UHD oder „Mobile“ Devices ?
20‘‘ Tablet PC (Panasonic, Oct 13)
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und !
UHD oder „smart production“ ?
UHD OB Van von Nimb TV in Dänemark (Sep 13)
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Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit!
Dr. Rainer Schäfer
Institut für Rundfunktechnik
Floriansmühlstraße 60
80939 München
Tel. +49-(0)89-32399-246
Fax +49-(0)89-32399-200
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