4K in der Live-Produktion

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Nach der „3D-FIFA-Fußball-WM 2010“ in Südafrika wird es vier Jahre später eine „4K-FIFAWM 2014-Fußball-“ in Brasilien geben – neben der Standard-HD-Produktion, versteht sich. Bereits in diesem Jahr wurden im Vorfeld während des Confederations Cup 2013 im Juni drei Spiele ausgewählt, die mit der Ultra HD-Technik, auch 4K genannt, aufgenommen und aufgezeichnet wurden. FIFA TV beauftragte mit der Produktion Host Broadcast Services HBS, eine 100%-Tochter von Infront Sports & Media. Als technischer Dienstleister wurde dann Sony ins Boot geholt, nicht zuletzt wegen der verfügbaren Technik und der sie bedienenden Spezialisten.

4K- Kameras beim Confederations Cup

4K- Kameras beim Confederations Cup

 

Da fügte es sich gut, dass Gisbert Hochgürtel, Produktmanager (HD System Cameras) über die Aufnahmetechnik und deren Ergebnisse am 24. September vor der FKTG-Regionalgruppe Berlin-Brandenburg berichtete.

Bereits auf der IBC 2012 teilte Sony mit, von HBS mit der HD-Produktion sämtlicher Spiele des FIFA Confederations Cup 2013 sowie der FIFA-Fußball-Weltmeisterschaft 2014 in Brasilien beauftragt worden zu sein. Als zusätzliches „Schmankerl“ sollte auch das Thema 4K eingebunden werden. Gewissermaßen als technische Generalprobe hierfür wurde die schon einmal während dreier Spiele im Estadio Mineiro in Belo Horizonte eingesetzt, nicht mit einer, sondern gleich mit sieben 4K- und zwei 2K-Kameras im Multikamerabetrieb.

„Für uns ist das Thema 4K ein rundes Thema, reicht von Glas zu Glas, also vom Objektiv bis zum Fernseher. Und da haben wir die komplette Produktpalette anzubieten“, startete Gisbert Hochgürtel in seinen Vortrag.

Dann wurden alle Stationen Akquisition – Produktion – Distribution – Exhibition und Home abgearbeitet, bis man in Brasilien ankam.

Bevor es zur Produktpräsentation kam, etwas Theorie. Der Weg von SD nach 1920x1080i(p)/50 bzw. 60 mit dem „deutschen Umweg“ über 1280x720p/50 bzw. 60 wurde erläutert.

„Unsere Kunden wollen durchweg Studiokameras, die 1080p/50-ready sind, doch im Moment nutzt das – von Testproduktionen abgesehen – keiner“, so Hochgürtel. Alle wollen bereit sein, wenn es irgendwo und irgendwann losgeht. Auch die beiden Begrifflichkeiten 4K mit 4096×2160 Bildpunkten und Quad Full HD (QFHD) oder Ultra HD, also mit 3840×2160 genau die vierfache Pixelanzahl von Full-HD, wurden besprochen. „Unsere Testproduktion in Brasilien fanden in Quad-HD (QFHD) statt, und nicht mit nativem 4K. Doch heute wird bekanntlich alles unter 4K subsummiert.“

Sonys Consumer-Schiene bietet diverse 4K-Fernseher, so die Bravia-Produktlinie mit 55 und 65 Zoll, die jetzt auch im Handel ist. Die Preise bewegen sich bereits nach unten. Nur die ganz großen Geräte – so das 84-Zoll-Modell – kostet noch rund 21.000 Euro. „Werden darauf hochwertige Fotos wiedergegeben, so haben die dann eine Diagonale von 2,16 m und 1,90 Kantenlänge, da kann man nur staunend davor stehen bleiben. Und man merkt, dass 4K doch eine ganze Stufe mehr ist als HD, es kommt wesentlich mehr Qualität rüber. Auf einem kleinen Fernseher sieht man das nicht, da reicht HD. Doch 4K lebt vom großen Bild, und das fängt bei 55 Zoll an. Wenn man da mal vernünftiges Material drauf gesehen hat, ist man schon sehr begeistert,“ schwärmt der Sony-Experte.

Nun gibt es 4K im Kino schon etwas länger. Über 15.000 4K-Projektoren sollen allein von Sony weltweit im Einsatz sein. Noch aber sind die Standardisierungen für den Fernsehbereich nicht abgeschlossen. Als 4K-Codec setzt Sony zur Zeit noch auf das XAVC-Format, und das entspricht den H.264-Level 5.2, wobei die Videoessenz gemeinsam mit dem Ton und Metadaten in einem MXF-OP-1a-Wrapper verpackt ist. „Wir haben auf der IBC Demos gemacht mit 150 Mbit/s, also dreimal so viel wie heute bei XDCamHD 4:2:2 im HD Bereich, aber mit 150 Mbit/s kann man erstklassiges 4K-Material übertragen. Doch auch da geht die Technik weiter“, so Hochgürtel.

Ein Vergleich der nativen Datenraten bei Quad HD und nativem 4K sowie dem jeweiligen Speicherbedarf brachte dann doch recht erstaunliche Ergebnisse zutage. Wird ein Quad HD-Signal mit 4:2:2 abgetastet, und das bei 10 Bit Farbtiefe, 50p – dann kommt es – ohne Audio und Zusatzdaten – zu einer Videodatenrate von 8,3 Gbit/s. Bei einer Farbtiefe von 12 Bit werden es 9,9 Gbit/s, und RGB 4:4:4-Abtastung knapp 15 Gbit/s. Die gigantischen Datenraten führen – unkomprimiert – zu einem gewaltigen Speicherbedarf. Bei 4:2:2 und 10 Bit sind es 3,7 Terabyte/Stunde, 12 Bit sorgen für 4,4 TB und bei 12 Bit RGB sind es 6,7 TB.

Bei der nativen 4K-Auflösung müssen 10% mehr angesetzt werden, also 8,8 Gbit/s, die zu 4,0 TByte/Stunde Speicherbedarf führen. 4K, 12 bit und 4:4:4 bringen es auf etwa 16 Gbit/s und 7,2 TB/h. Daher ist ein vernünftiger Codec vonnöten. HEVC (H.265) könnte künftig auch hier recht hilfreich sein.

4K-Produkte im Praxistest

Dann im Schnelldurchlauf die wichtigsten Geräte, die in Brasilien eingesetzt waren. Zunächst die 4K-Kamera PMW-F55, eine Kamera aus dem Bereich digitale Kinematographie, schon seit einem Jahr im Markt und mit einem 4K-Sensor bestückt. Dann gibt es das 4K Aufzeichnungsgerät SR-R1000 sowie ein 4K Server, der in Brasilien aber noch nicht eingesetzt werden konnte. Ferner waren der große 4K-fähige Bildmischer MVS-8000X sowie den Professional Klasse1 4K-Monitor PVM-X300. „Mit diesem Equipment haben wir – grob gesprochen – die Geschichte gemacht“, berichtet stolz der Produktmanager.

Aber dann geht es doch noch etwas in die gerätetechnischen Details der eingesetzten Geräte. Die 4K-Live-Kamera ist mit einem Super 35mm Single CMOS Sensor (4096×2160) sowie einem FZ Mount mit mitgelieferten PL Adapter ausgerüstet. Aus dem Kinobereich bekannte PL-Objektive lassen sich daher nutzen. Der Dynamikumfang beträgt 14 Blendenstufen und bei 4K können bis zu 180 Vollbilder pro Sekunde gemacht werden, wichtig für dreifache Zeitlupe. 240 Vollbilder/s sind noch in HD-Auflösung möglich. Der Body wiegt 2,2kg, ist aber halt noch keine „richtige“, keine komplette Kamera. Dazu muss noch so einiges an 4K Live-Zubehör angesetzt werden, beispielsweise der Fibre Adapter CA-4000, wodurch der PMW-F55 einen Glasfaseranschluss verpasst wird, so dass sich über ein Glasfaserkabel die 4K-RAW-Daten unkomprimiert mit 10 Gbit/s zur Baseband Processor Unit BPU-4000 übertragen lassen, gewissermaßen eine kleine Basisstation. Die macht aus dem RAW-Datenstrom, der aus der Kamera kommt, ein „normgerechtes“ 4K-Signal, auch wenn es derzeit noch als 4x3G HD-SDI (SMPTE 424M) daherkommt, also mit 4 BNC-Kabeln, um wirklich die volle Bildqualität 4x HD mit 50p rüberzubringen. Übrigens kann aus der Baseband Prozessor Unit auch ein downkonvertiertes HD-Signal abgegriffen werden, also ein 1080p/50- oder 60-Signal.

Der Live-Adapter CA-4000 ist auch mit diversen Interfaces bestückt, so für den OLED-Sucher und die sonst üblichen Verbindungen wie Intercom, Tally, Returnsignale, Trackeranschluss, Audioanschlüsse, Promptersignal – all das ist bei einer „normalen“ 4K Cinematographie-Kamera nicht üblich. Allerdings ist die BPU-4000 noch mit einer Basisstation zu verbinden, so z.B. die HDCU-2000/2500. Da stehen dann auch 1080i/50 oder 720p/50-Signale zur Verfügung, downkonvertiert aus dem 4K-Datenstrom. Auch lassen sich an diese CCU ganz normale Studiokameras anschließen, so dass an diesem Punkt normales Live-Production-Equipment von Sony und 4K-Equipment zusammen kommt. Übrigens wurde bereits zur IFA der professionelle 4K-Handcamcorder Sony PXW-Z100 vorgestellt.

Konfiguration der 4K-Liveproduktion
 

Mit dem PL-B4 Mount Optical Adapter LA-FZB2 lassen sich B4 Mount 2/3-Zoll-Objektive an Super 35mm ansetzen. „Auch das eine sehr wichtige Forderung, wenn wir in den Livebereich gehen. Für Kinozwecke gibt es gigantische Zoom-Objektive, die aber trotzdem nur bis 6, 7- oder 8fach gibt. 100fach für Sport gibt es nicht für Super 35mm. Doch solche langen Brennweiten sind bei Sportproduktionen, zum Beispiel beim Fußball, erforderlich. Über diesen Adapter lassen sich dann solche Objektive einsetzbar“, erklärte Hochgürtel. Übrigens sind alle großen Objektive für 4K nutzbar, doch würden einfache 2/3-Zoll-Objektive, so sie im Weitwinkelbereich und möglichst noch bei offener Blende eingesetzt werden, in den Rändern nur noch Matsch produzieren. Auch käme es dann zu chromatischen Aberrationen. Daher sollten 2/3-Zoll-Objektive vor allem für Halbtotale oder Nahaufnahme genutzt werden, um die 4K-Qualitäten zu erhalten – wobei echte 4K-Objektive wohl die bessere Wahl wären.

Zu bedenken ist, dass der B4 Mount Objektiv Adapter den Bildkreis um den Faktor 2,69 vergrößert, also von 2/3 Zoll (heißt 9,59mm x 5,39mm, Diagonale 11mm) auf Super 35 mit Diagonale 27,1mm, also S35 (genau 23,62mm x 13,28mm Bildfeld). Damit gehen allerdings 1,3 Blendenstufen an Licht verloren. „Doch das ist kein Thema, da die PMW-F55, also der Kamerabody schon eine sehr viel höhere Lichtempfindlichkeit bietet als eine normale Broadcast-Kamera, und da wird das in etwa wieder ausgeglichen“, beschwichtigt der Sony-Experte.

In dem FZ-B4-Adapter sind dann auch noch zwei Servofilterräder mit ND- und Color Correction-Filter, auch für Sport- und Außenübertragungen sehr wichtig. Die normalen B4, also 2/3“-Optiken können mit der Kamera auch elektronisch kommunizieren. Mit der Stativplatte VCT-FSA5 lässt sich dann die komplette Kamera auf einem Stativ befestigen.

Mit entsprechenden Upgrades können die Bildmischer MVS-7000X und -8000X auch von 1080p auf 4K aufgerüstet werden. Nötig war das in Brasilien vor allem für die Grafik oder Zuspieler von extern.

Aufzeichnung – zwei Techniken zur Wahl

Auch 4K-Produktionen wollen ganz normal aufgezeichnet werden. So das bei diesen Datenmengen möglich ist. Sony kann für Brasilien 2014 zwei Techniken zur Verfügung stellen, nämlich das Aufzeichnungsgerät SR-R1000, ein Recorder, der auf SR Memory Karten aufzeichnet, und einen Server. Der Recorder kann HD, 3D und 4K aufnehmen, letztes allerdings nicht nativ, sondern nach dem Simple Studio Profile (SStP) für rund vierfache Datenreduktion komprimiert. Das ist das Kompressionsverfahren, das im Broadcastbereich unter HDCamSR läuft. Nun gibt es diesen Recorder bereits seit einem Jahr, und so hat Sony auf der IBC einen neuen 4K Server PWS-4400 mit einem internen Speicher bis zu 8 TB vorgestellt, der auf dem XAVC- Codec basiert, der deutlich effizienter, also bei geringerer Datenrate und einem höheren Kompressionsfaktor eine bessere Bildqualität bieten soll. Das unkomprimierte Signal wird nie aufgezeichnet – es denn auf großen und extrem schnellen Festplatten für technische Versuche.

So kommt es eben nicht nur auf die Kapazität, sondern auch die Schnelligkeit an, beides muss passen. Der 4K-Recorder nutzt derzeit eine 1 TB-SR-Memory Card für 5 Gbit/s, und Multistream-Recording bis zu 8 HD-Ströme (1080i), denn 4K braucht nun 8x 1080i oder wobei 4x 1080p. Für Brasilien als 60-Hz-Land passt dann auch folgende Rechnung: Quad HD (3840x2160)@60p/10bit Farbtiefe, 4:2:2-Sampling ergibt eine unkomprimierte Datenrate von 10 Gbit/s. Das Simpel Studio Profile SStP hat einen Kompressionsfaktor von 4:1 so dass es zu einer Datenrate von etwa 2,5 Gbit/s kommt.

„Damit liegen wir im grünen Bereich und können alles auf einer Karte aufzeichnen“, wobei Gisbert Hochgürtel auch einschränken musste: „Auf einer Terabyte SR-Memory Karte können wir in 4K bis zu 72 Minuten aufzeichnen, und das ist eben für ein Fußballspiel nicht ausreichend, das dauert nun mal mindestens 90 Minuten, was aber mit dem neuen Server kein Problem ist.“ Also dürfte es wohl schon bald auch eine 2-TB-Karte geben. Trotzdem macht auch 1 TB Sinn, und zwar für abgespeckte Kameras, um dann bei der Nachbearbeitung weitere Schnittmöglichkeiten zu haben. So wurde bei der Produktion in Brasilien für die Aufzeichnung pro Kamera ein Recorder genutzt. Zudem soll das Material durch den Simpel Studio Profile-Codec gut schnittfähig sein.

Auf zum FIFA Confederations Cup nach Brasilien

Der Confed Cup, also der FIFA Konföderationen-Pokal, ist seit 2001 die organisatorische Generalprobe zur FIFA Fußball-Weltmeisterschaft. Während bei der WM 32 Nationen in 64 Spielen unterwegs sind, kommt der CC mit 8 Nationen und 16 Spielen daher. Und das gibt Raum für technische Erprobungen. Dazu gehörte 2005 die HD-, 2009 die 3D- und in diesem Jahr erstmals die 4K-Live-Produktionstechnik, freilich jeweils auf kleiner Flamme. Drei Spiele wurden dazu im Juni ausgewählt, das Material aber nicht gesendet, sondern nur für Test- und Demozwecke aufgezeichnet. Ziel war es, die technischen und kreativen Aspekte der 4K Technologie für Live-Sport-Events zu testen, wobei alle drei Spiele in einem Stadion, nämlich dem Estadio Mineiro in Belo Horizonte stattfanden und 4K-mäßig festgehalten wurden. Die Spiele fanden am 17., 22. und 26. Juni statt, als Gewinner des Confed Cup ging – wie 2005 und 2009 – Brasilien hervor. Auch Sony darf sich als Gewinner fühlen, denn die Ergebnisse waren insgesamt sehr positiv. „Das Produktionsformat war Quad HD, also 3840×2160/4:2:2-sampling/10bit Farbtiefe und 60p“, erläuterte Hochgürtel die Rahmenbedingungen.

Insgesamt waren sieben PMW-F55 Kameras sowie zwei „normale“ HD-Systemkameras HDC-2500 im Einsatz. Über Glasfaserstrecken waren alle Kameras mit den CCUs verbunden, und zum Bildmischer gingen dann die Quad-HD-Signale als 4x 3G HD-SDI und die HDs als 1920x1080p/60. Die Grafik war 1920x1080i/60, während der Replay-Server mit 4K, also 3840x2160p/60 daherkam. Der Monitor wurde auch mit 4x 3G HD-SDI angesteuert. Jede 4K-Kamera wurden einzeln auf einen Recorder SR-R1000 aufgezeichnet, es ist da vom Isolated Single Recording (ISR) die Rede.

Die gesamte Technik war im Telegenic-Ü-Wagen aus UK untergebracht, der auch auf der IBC zu sehen war. Alle neun Kameras, nämlich 7xPMW-F55 und 2xHDC-2500, wurden von hier gesteuert. Es wurden diverse Objektive eingesetzt, so PL Cabrio, HD Super 35mm und auch 99fach Zoom Objektive, insgesamt also von 19 bis 300mm.

Kontrollraum

Erste Erfahrungen der Kameraleute lassen sich leicht beschreiben – Kameraposition sind ähnlich zu wählen wie für eine HD-Produktion. „Anfangs konnte man vermuten, mit 4K auf einige Positionen verzichten zu können und dem Zuschauer Raum zu bieten, um mit den Augen frei im Bild herum zu zoomen“, erklärt Gisbert Hochgürtel. „Es hat sich aber gezeigt, dass man für eine abwechslungsreiche Bildgestaltung und einen interessanten Ablauf doch identische Kameraposition haben muss wie bei einer guten HD-Produktion. Und die Hauptkamera kann dann durchaus HD und 4K, also beide Formate gleichzeitig bedienen.“ Bei 3D ging das nicht, da gibt es immer eine ganz andere Bildgestaltung als eine 2-D Kamera, und so passt dann 4K offensichtlich wieder besser ins HD-Schema.

Andererseits sollten Kamerabewegungen und -Einstellungen wie bei einer 3D- Produktion ausgeführt werden, eben weitwinkliger, mehr Überblick, langsamere Schwenks, langsamere Schnitte, um Augen und Gehirn nicht zu überfordern. „Das haben wir auch schon bei HD gesagt, machen das aber nicht, doch bei 4K müssen wir darauf achten, sonst drehen die Zuschauer ab“, wird gewarnt.

Der Einsatz des OLED-Suchers wurde durchaus akzeptiert, auch wenn er mit 960x540 Pixeln nur ¼ HD-Auflösung bietet, zeigte sich aber trotzdem durch den Glisten-Focus, ein zusätzliches DTL-Signal im Sucher, für 4K als präzises Fokusinstrument und zur Farbbestimmung geeignet, zeigt ohne Nachzieheffekte.

Verständlich auch, dass bei den Glasfaserstrecken höchste Präzision angesagt ist – kleinste Schmutzpartikel in den Steckerbereichen führen zu Bildaussetzern, die 10 Gbit/s wären sonst nicht mehr gewährleistet. Die F55-Kameras sind im „Cine IE Shooting“ Mode zu betreiben, einem speziellen Modus der Kamera. „Der Bildingenieur muss im Vergleich zu einer normalen, einer traditionellen HDTV-Produktion nichts verändern. Die Standard-Gamma-Kurve 5 macht den Einsatz der KNEE-Funktion notwendig, um maximalen Kontrastumfang zu erzielen. Hypergamma 2 sorgt automatisch für sehr gute Resultate, es sind nur noch geringe Eingriffe im dunklen Gammabereich bzw. bei der Farbsättigung notwenig“, erläutert der Kameraspezialist. Der Detail-Pegel sollte minimiert werden, um im hochkonvertierten 4K-Bild keine Artefakte zu erzeugen.

Wichtig ist der Einsatz der Shutter-Funktion, um den Nachzieheffekt (Blur) im LCD-Display zu kompensieren. Bei 60 Hz hat sich die Einstellung auf 1/125 bewährt, also 125 Hz@60p, in der 50p-Welt wären es dann 100 Hz.

In der Bildregie muss aber ein großes 4K-Display zur genauen Bildanalyse stehen, 30 Zoll waren zu klein, so wurde ab dem 2. Spiel ein 65-Zoll-Konsumer-Bravia installiert. Für 4K sind eben große Displays nötig. Und natürlich sind Up-Konvertierungen unumgänglich, um zum Beispiel HD-Quellen und HD-Grafiken einzubinden. Die Qualität des genutzten (Sony-)4K-Up-Konverters soll sehr gut gewesen sein. Und noch einmal – langsamere Schnitte, um den Zuschauer Zeit zu geben, sich auf den Bildinhalt selbst einzulassen, ihn zu erfassen, selbst zu suchen und zu zoomen. Auch sollte die Zahl der Kamerapositionen gegenüber HD-Produktionen nicht reduziert werden.

Zu einer guten Fernsehproduktion gehört auch SlowMotion. Dazu wurde eine Prototype EVS Software mit der XT-3 eingesetzt, wobei jedes Panel ein Signal (1/4x Quad-HD) kontrollierte. Und das führte wiederum beim schnellen Umspulen zu Sync Loss-Effekten und Artefakten.

Der Recorder SR-R1000 wurde mit dem japanischen Musashi MDC-50Tb Controller gesteuert, auch da gibt es noch bestimmte Limitationen und „Headroom for improvements“.

4K in der Zukunft

Das 4K-Signal lässt sich dual verwerten, 4K für 4K und 4K für HD. Wie SD von HD durch bessere Qualität profitiert, macht sich auch die hohe Qualität der 4K-Kameras bei 1080i oder 720p deutlich bemerkbar. 1080p wäre auch möglich, wird aber noch nicht gesendet. Interessant auch die Möglichkeit, aus einem 4K-Bild ein HD cut-out zu machen, eben einen normalen HD-Ausschnitt mit voller HD-Auflösung zu wählen. Aus einer Kameraperspektive lassen sich so gleich mehrere HD-Bildsignale herausfiltern. Am Bildrand wird es aber wegen der Trapezbildung etwas kompliziert, da muss die Perspektive korrigiert werden.

Eine weitere 4K-Option ist das Stitching, Da werden die Bilder von zwei auf einem Rig fest nebeneinander aufgebauten F55-Kameras zusammengesetzt und ergeben dann ein 8K-Bild im Format 32:9, ist also sehr breitbildig. „Da kann ich dann wunderschön mit der Software in meinem Bildausschnitt hin und her wandern. Die Kameras bleiben fest, und in der Regie werden die Bildausschnitte gewählt. Allerdings bleibt die Perspektive immer die gleiche“, so Hochgürtel. Interessant dürften auch die Telestrator-Funktionen sein, mit denen Spielzüge oder Werbung auf dem Spielfeld eingeblendet werden können.

Heute ist mit 4K noch ein gigantischer Verkabelungsaufwand verbunden – 4 BNC-Kabel mit 3G HD-SDI, doch geht es dieser Technik an den Kragen, Gigabit Ethernet mit 10 Gbit/s kann die Signale über ein Netzwerkkabel übertragen. Allerdings dürfte es dann auch eine Alternative zum RJ45-Stecker geben. Das Netzwerk als Satellitenersatz – doch diese Vision ist noch weit weg.

Ob HD, 3D oder jetzt 4K - Infront Sports & Media ist mit HBS jedenfalls zum Pionier der Anwendung modernster Fernsehtechniken geworden, wobei es nicht ohne Kompetenz technischer und künstlerischer Dienstleister geht. Das Ergebnis wird die FIFA WM 2014 zeigen. Fest steht, dass das Finale am 13. Juli den Sendern in 4K angeboten wird. Schon jetzt haben TV Globo (Brasilien), Sky Deutschland und BSkyB in UK ihr Interesse bekundet. Und natürlich auch ASTRA und Eutelsat, haben sie doch schon feste UHD-Kanäle aufgeschaltet. Selbst die Telekom will „Entertain“-mäßig mitspielen, Interesse ist da, denn bis Mitte des Jahres dürften bereits rund 100.000 4K-Geräte in deutschen Haushalten stehen. Auch ist die 4K Übertragung für Public Viewing an öffentlichen Plätzen und in Kinos vorgesehen. Wir dürfen gespannt sein.

Rainer Bücken


©Text und Fotos 1,2 Rainer Bücken,
©Foto 3 J. Dickmeis, restliche Fotos und Graphik: Sony
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