Теория и практика UHD вещания

UHD-TV

На прошедшей недавно  конференции DVB World 2017  вещание  в формате сверхвысокой  четкости рассматривалось в разных позиций.  Среди них можно выделить  три основных  ракурса — стандартизация,  оценка качества и проблемы организации вещания.

Стандартизация

Вопросы стандартизации были рассмотрены в докладе вице- председателя группы DVB TM-AVC Вирджинии Дражен (Panassonik) Она сделала сравнительный обзор двух первых фаз стандарта DVB UHD.

Основное отличие первой фазы от HD – добавление разрешения 3810*2160 и введение HEVC компрессии.

Во второй фазе появляется ряд дополнительных расширений . Одно из них — расширенная цветовая гамма. Если первая фаза предписывает использование той же гаммы, что и для HD вещания(BT.709), то во второй фазе вводится опция, определяемая стандартом BT.2020.

Вторая опция – расширенный динамический диапазон яркости (HDR). В прошлом году были стандартизированы два HDR формата. Первый, PQ 10 (Perceptual Quantizer), предусматривает корректировку изображения редактором на эталонном экране, которые по сути- результат оптико-электронного преобразования. Поэтому регламентируется только кривая обратного, электро-оптического преобразования, реализуемая в приемниках.

Передача видео в PQ 10 может сопровождаться метаданными, описывающими характеристики эталонного дисплея — основные цвета, уровень белого, динамический диапазон яркости. Способ передачи этих метаданных определяется стандартом SMPTE ST2084.

Некоторые компании, в первую очередь Dolby, предлагают свои версии PQ, реализованные за счет расширенных объемов метаданных, благо есть возможность передавать их в транспортном потоке.

Второй формат, HLG 10, предназначен для живых трансляций и не предполагает обработку снятого видео. Для него задана кривая оптико-электронного преобразования и предполагается однозначное воспроизведение на экране телевизоров. Этот стандарт задуман как обратно совместимый с SDR экранами.

С учетом добавления опций WCG и HDR во второй фазе исключен вариант 8 битного кодирования цвета и оставлен только 10 битный вариант.

Далее следует напомнить, что UHD формат допускает не только 4к, но и целый ряд более низких разрешений, в том числе стандартные HD варианты: 1080*1920 и 720*1280. И в DVB-UHD первой фазы для разрешений 1080*1920 и 1080*1440 наряду с прогрессивной разверткой допускается чересстрочная, в то время как во второй фазе для всех разрешений оставлена только прогрессивная развертка.

Еще одна введенная опция —увеличенная скорость передачи кадров -HFR. Если в первой фазе максимально допустимая скорость передачи кадров составляет 50/60 Гц, то во второй фазе она увеличена до  100/120 Гц. Для реализации HFR, как и для HDR, предусмотрено два варианта. Если не требуется совместимость с приемниками первой фазы, то количество кадров просто будет просто удваиваться. Если же совместимость нужна, то дополнительным кадрам будут назначаться специальные идентификаторы, которые позволят приемникам первой фазы отбрасывать дополнительные кадры

И, наконец, во второй фазе добавлены два новых аудио формата: MPEG-H 3 D Audio и Dolby AC-4. Мы рассмотрим их в отдельном материале. Основная особенность новых форматов аудио заключается в возможности кастомизации аудио сопровождения. Первое направление кастомизации —выбор языка для каждого компонента аудио сопровождения, например диалогов, комментариев или рекламы. Второе направление — гибкое распределение компонентов звукового сопровождения между колонками.

Оценка качества

 Целесообразность улучшения различных параметров видео в сильной мере зависит от того насколько они позволят улучшить впечатление от картинки. Серия тестов на эту тему провел немецкий Институт Вещательных технологий (IRT) вместе с партнерами. Об их результатах рассказала инженер R&D отдела IRT  Дагмар Драйснек

Первый тест был признан выявить влияние разрешения изображения на субъективное восприятие картинки. В тесте  использовались видео с разрешением 720p, 1080i, 1080p и UHD-1, и оценивались они на двух разных расстояниях от экрана — 1,5 H и 3,8H, где H -высота экрана.

Как и ожидалось, одно лишь повышение разрешения до 4к давало незначительный субьективный выигрыш в качестве – в среднем он составил около 0,5 балла по 5 бальной системе, причем при просмотре на расстоянии 3,8H=2,7 м выигрыш был меньше, чем на расстоянии 1,5H. Кроме того, выигрыш в основном наблюдался на статических картинках, в то время как при динамических сюжетахUHD изображения оказывалось смазанным. 

Вторая серия тестов был проведена для сравнения двух стандартизированных вариантов HDR :  PQ 10 и HLG 10, а также  сравнения SDR и HLG 10 в стандартном диапазоне яркости. Измерения проводились для потоков, компрессированных в HEVC с четырьмя разными скоростями: 2,5, 5, 10 и 20 Мбит/сек. Форматы PQ 10 HLG 10 при динамическом диапазоне с максимальной яркостью 1000 нит показали практически неотличимые результаты. Это показалось странным и видимо разочаровало членов DVB, рассчитывавших , что более трудоемкий и несовместимый вниз формат PQ10 даст  заметно лучшее качество изображения.

В рамках второго теста сравнивались стандартный SDR сигнал в диапазоне яркости до 100 нит и HLG 10 в том же диапазоне. Они, как и ожидалось, показали одинаковое качество.

В  третьей серии тестов  исследовалась зависимость качества картинки от скорости передачи кадров и выдержки затвора кинокамеры. Тестировалось видео с разрешением 1080p, компрессированное в HEVC. Результаты сравнения при отсутствии интерполяции на мониторе показаны на  графике.

Как можно видеть,  переход от 50 Гц к 100 Гц дает значительный выигрыш, по словам Дагмар, более заметный, чем при увеличении разрешения от HD до 4к. Менее значительный, но также заметный выигрыш наблюдался при переходе от 100 Гц к 200 Гц .

Были также проведены сравнительные тесты качества картинки после включения на мониторе интерполяции с компенсацией движения. В этом режиме увеличение частоты кадров также давало улучшение качества картинки, причем она была лучше при меньшей выдержке затвора.

Одновременно отслеживалось влияние увеличения частоты кадров на битовую скорость. Она сильно колебалась в зависимости от динамики и других характеристик картинки, но для спортивного контента добавка составила до 20%.

Можно предположить, что для 4К улучшение картинки с увеличением частоты кадров окажется еще более ощутимым, чем для 1080p. Но тесты с UHD пока только начались, и единственный предварительный итог, озвученный Дагмар, заключался в том, что увеличение частоты кадров при таком разрешении практически не увеличивает скорость компрессированного в HEVC потока. Однако это не исключает  проблем студийной  работы с некомпрессированным  HFR сигналом.

Что касается влияния перехода к расширенной цветовой гамме, регламентированной стандартом BT.2020, то его пока проверить невозможно из-за отсутствия мониторов с ее поддержкой. В полной объеме эта гамма сегодня реализуется только некоторыми лазерными проекторами, непригодными для домашнего использования.

В заключение приведем результаты исследования японской компании NHK относительно требований к сигналу 8К . Мерцание экрана исключается при fps  более  80 Гц, а отсутствие, с одной стороны,  смазанности, а с другой— стробирования достигается при fps более 100 Гц и выдержке  — менее 1/320 с.

 Проблемы вещателя

О практике применения UHD более всего могут рассказать вещатели, агрегаторы ТВ услуг и операторы ТВ сетей. Компания Sky UK совмещает все три функции, поэтому при внедрении новых технологий ее опыт охватывает всю цепочку от съемки материалов до его доставки и продажи абонентам.

Главный инженер отдела стратегии вещания Sky Крис Джонс рассказал  о потенциале UHD и  обрисовал основные проблемы,  с которыми сталкивается его компания на пути внедрения UHD.

  Создание  UHD контента

До недавнего времени его почти не было. Вариант с использованием кинофильмов до недавнего времени не работал, так как фильмы, снятые на пленке 35 мм обычно преобразовывались для телевидения и Blu-ray плееров в цифровой формат 2,8 К. А графика для фильмов и вовсе создавалась в 2К. Сейчас это вопрос решается, но для наполнения рынка требуется время.

Второй проблема — создание инфраструктуры. Студия это не только обычные камеры, но устройства для создания графики, видео повторов, замедленной съемки и т. д.  Чтобы наладить работу всего комплекса требуется  время.

Есть  еще ряд нерешенных вопросов, связанных с воспроизведением  многокомпонентного   UHD видео,   такого , как  «картинка в картинке» или видео с наложенной графикой.

 Качество контента

До недавнего момента остро стояла проблема качественного контента в 4к. Как неоднократно отмечалось, увеличение числа пикселей само по себе не дает достаточного положительного эффекта, а иногда может привести и к отрицательному, в первую очередь из-за смазанности. Этот вопрос решается повышением скорости передачи кадров, но при этом усиливается другая проблема, появляющаяся уже на этапе увеличения разрешения — на каждый пиксель сенсора кинокамеры поступает меньше света . При увеличении разрешения каждый пиксель становится меньше и соответственно пропускает меньше света. При увеличении скорости кадров уменьшается время выдержки, в результате света становится еще меньше, а если увеличить чувствительность сенсоров, то картинка зашумляется. Другими словами, требуется технологическое усовершенствование сенсоров.

 HDR

Расширение динамического диапазона яркости действительно существенно меняет качество картинки. Типичная проблема стандартного диапазона потеря цветности и четкости деталей на контрастных картинках. Например при съемах залитого светом футбольного стадиона и одновременно находящихся в тени трибун, детали на стадионе потеряют часть цветовой информации, вплоть до перехода на черно-белое изображение, а трибуны превратиться в неразличимую темную массу. В то же время, цвета одежды игроков и болельщиков играют в восприятии матча не последнюю роль.

До недавнего времени внедрениеHDR тормозило отсутствие стандартизации- было непонятно каким образом HDR будет отображаться телевизорам. Осенью были определены два формата: PQ 10 и HLG 10,  и основные производители телевизоров сообщили о готовности включить поддержку этих стандартов в модели 2017 года. В то же время непонятно, как HLG 10 будет отображаться SDR моделями с HDMI 2.0, выпущенными в 2015-16 годах. Дополнительную неясность вносит то, что обаHDR формата рассчитаны на работу с цветовой гаммой ВТ. 2020, которую сегодня не поддерживает ни один монитор. Заметим, что даже усеченные гаммы начали нормировать только в прошлом году. Пока не очень понятно в какой мере телевизоры прошлого и позапрошлого года выпуска можно перепрограммировать на совместимость с HLG 10 – как в результате будет выглядеть картинка. Если окажется, что основная масса этих телевизоров может воспроизводить картинку без искажений, то это делает сделает затраты на создание и покупку UHD более оправданным для оператора. Снимать контент в HDR тоже достаточно затратно, в первую очередь, потому, что это требует очень мощного освещения. Что касается яркости экрана, то, по мнению Криса Джонса, оптимальный уровень для домашнего телевизора – 1500 нит. Более яркие экраны некомфортны и смотрятся как плохое 3D

 Аудио
Качественное аудио имеет не только собственную ценность, но также способно субъективно улучшить впечатление от ТВ картинки. Это было доказано опытом, который в BSkyB поставили еще во время внедрения HD. Оказалось, что качественный стереозвук позволяет субьективно компенсировать ухудшение картинки. Тем не менее,  варианты с множеством колонок на полу и под потолком в эпоху сверхтонких телевизоров с настенным креплением и ухода от проводов выглядят  малореалистичными.

Зачем вещателю UHD 

Несмотря на ряд нерешенных вопросов, неясность по поводу готовности телевизоров и высокую стоимость подготовки полноценного UHD в Sky считают необходимым развивать этот формат, чтобы не потерять технологическое лидерство. По законам рынка технологии не могут стоять на месте, а, как известно, лучший способ предсказать будущее это создать его самим.

Анна Бителева

Комментарии

Оставить сообщение

Ваш электронный адрес не будет опубликован.


*