Können wir 4K-Signale live übertragen?

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Autor: Norbert Bolewski

 


Die Kernfrage des Referenten Jörg Zieme, Geschäftsführer der Hyperion Video GmbH, Gießen, am 9. März 2015 bei der FKTG-Regionalveranstaltung in Berlin betraf genau genommen die Fragestellung „Können wir UHDTV live übertragen“? Na klar, werden Sie sagen, wurde und wird doch schon gemacht. Alle reden von 4K und UHDTV, was soll das? Also präzisieren wir die Frage noch mehr: „Können wir UHDTV 1 Phase 1 und später Phase 2 oder gar UHDTV2 in einer Live-Produktion ohne Komprimierung übertragen?“ Da werden nun auch die Fachleute unruhig – oder?

Jörg Zieme, Geschäftsführer der Hyperion Video GmbH, Gießen (www.hyperion-video.com), bei seinem Vortrag vor der FKTG-Regionalgruppe Berlin am 9. März 2015 im RBB (Aufnahme: J. Dickmeis)

Jörg Zieme, Geschäftsführer der Hyperion Video GmbH, Gießen (www.hyperion-video.com), bei seinem Vortrag vor der FKTG-Regionalgruppe Berlin am 9. März 2015 im RBB (Aufnahme: J. Dickmeis)

Bestandsaufnahme oder Status Quo

Bevor man näher auf diese Frage eingeht geht muss man erst mal konstatieren, wo wir heute bei der Übertragung, der Produktion und ganz allgemein bei der Unterhaltungselektronik stehen, was heute schon machbar ist und was morgen kommen wird und noch nicht realisiert werden konnte. Damit fing der Referent dann auch an.

Die Übertragung erfolgt heute flächendeckend in HD, entweder 720p50 oder 1080i25, allerdings nicht in 1080p50. Das wäre zum Beispiel im Studio zwar mit der SDI-Schnittstelle, wie sie genormt ist, möglich, die Datenraten bis zu 3 Gbit/s vorsieht (SMPTE ST 424). Auch viele Geräte, zum Beispiel Monitore, moderne Kreuzschienen, sind dementsprechend ausgestattet und könnten es. Wenn es dann aber zur Übertragung geht, egal ob per Kabel oder Satellit, wird nur 1080i25 benutzt.

Was die Produktion anbelangt, so werden die Kamerachips, egal mit welcher Auflösung, progressiv ausgelesen. Die Postproduktion (Schnitt, Compositing, Farbkorrektur) erfolgt praktisch immer über Vollbilder mit PCs oder Laptops. Das Material liegt dann als Datei vor; aus einer Progressiv-Abtastung ist jederzeit ein Interlace-Signal abzuleiten, obwohl diese Art der Übertragung eigentlich nicht mehr zeitgemäß ist. Und UHDTV sieht die Zwischenzeilenübertragung, also das Interlace, standardgemäß zum Glück gar nicht mehr vor.

In der Unterhaltungsindustrie sieht man UHDTV als Umsatzbringer. Die Fertigung der Displays verlagert sich von Japan nach Korea zu China, sie wird immer preiswerter und die Produktion eines 4K-Panels ist in der Zwischenzeit Stand der Technik und nur noch etwa 20 % teurer als ein vergleichbares Panel in 2K. Es wird nicht mehr lange dauern, da werden aus fertigungstechnischen und betriebswirtschaftlichen Gründen nur noch 4K-Panels verbaut werden, selbst dann, wenn die Elektronik im Fernsehgerät später nur für 2K ausgelegt wird.

Welche Datenraten brauchen wir (mindestens)

Für die Übertragung von 4K-Live-Signalen nach SMPTE ST 424 steht nur eine Datenrate von 3 Gbit/s zur Verfügung; 4K benötigt aber die vierfache Bandbreite, nämlich 12 Gbit/s. Es gibt nun verschiedene überwiegend noch nicht genormte Möglichkeiten, dies zu realisieren oder es zumindest vorzusehen. Für Signale mit 10 Bit Abtasttiefe, 4:2:2-Abtastung, 50 oder 60 Hz ließe sich das erreichen, entweder in einem

  • Single-Link mit tatsächlich 12 Gbit/s nach dem SMPTE-Vorschlag ST 2082-10, oder über
  • Dual-Link mit (zwei Leitungen zu je) 6 Gbit/s nach dem SMPTE Vorschlag ST 2021-11 oder per
  • Quad-Link mit (vier Leitungen zu je) 3 Gbit/s nach  der SMPTE Norm ST 422-5.


Bei den beiden SMPTE-Vorschlägen gibt es noch einige nicht ganz gelöste Probleme, insgesamt sind auch die heutigen Anschlussbuchsen wegen ihrer unterschiedlichen Wellenwiderstände nicht miteinander kompatibel.

Eine alternative Möglichkeit wäre die

  • Verwendung von Glasfaserkabel.

Nimmt man nämlich eine Reduktion der Datenrate um nur 10 % auf 10,692 Gbit/s an (was durch den Wegfall der bei Quad-Link vorgesehenen mehreren V-Lücken im Signal erreicht werden könnte), so gibt es im Glasfaserbereich dafür bereits die SMPTE-Norm ST 2036-3. Es gibt dafür auch relativ gute und einfache SFP-Interface-Module (Small Form-Factor Pluggables).  Das sind miniaturisierte Gigabit Interface Converter (GBIC), Mini-GBICs, also kompakte Transceiver-Module, die als steckbare Ein-/Ausgangs-Module in Switches oder Router von Gigabit-Ethernet eingesetzt werden (Bild 1).

Bild 1. Beispiel für ein SFP-Interface-Modul

Bild 1. Beispiel für ein SFP-Interface-Modul

Was bringt die UHDTV1 Phase 2?

Im Zuge der UHDTV-Einführung sind in Phase 2 weitere Bildverbesserungen vorgesehen. Dazu gehört einerseits auch die temporale Erhöhung der Auflösung, oder anders ausgedrückt,

  • die Erhöhung der Bildwechselzahl auf 100 bzw. 120 Hz.


Weitere geplante Maßnahmen sind

  • Erhöhung des wiedergebbaren Kontrastumfangs (High Dynamic Range, HDR) und
  • ein erweiterter Farbenraum.

 

Diese Maßnahmen werden zu einer höheren Quantifizierung führen. Eine Änderung des Abtastformats von zum Beispiel 10 Bit 4:2:2 auf 12 Bit, 4:4:4, bedeutet bereits eine Verdoppelung der Datenrate. Es gibt bereits Vorschläge, die bis auf 16 Bit Abtasttiefe verweisen, um die Farbabstufungen und die hohe Dynamik bis zum Display durchreichen zu können. Man kann sich vorstellen, dass das wiederum eine deutliche Erhöhung der Datenrate zur Übertragung des Signals nötig machen würde.

Und dann noch UHDTV2

Doch damit nicht genug. Wenn man heute in die Zukunft denkt, so gehört dazu auch UHDTV2, also das System mit der Erhöhung der horizontalen Auflösung von 4K auf 8K sowie der vertikalen Auflösung von 2160 auf 4320 Zeilen. Das bedeutet erneut eine Vervierfachung der Datenrate. Auch werden eine höhere Bildfrequenz und eine weiter gesteigerte Kontrasterhöhung erwartet. Der SMPTE-Vorschlag ST 2036-4 rechnet dabei mit insgesamt 24 × 10 Gbit/s. Auch hier geht man bereits auf die Glasfaser-Datenrate von rund 10 Gbit/s ein, sieht aber 24 Leitungen für die Übertragung dieser hohen 8K-Datenrate vor. Würde man das spaßeshalber auf unsere 3-Gbit/s-Leitungen hochrechnen, ergeben sich daraus 96 Datenleitungen. Kurzum: Man kann erkennen, dass wir bereits in Kürze mit höheren Datenraten und höheren Bandbreiten und in naher Zukunft mit extrem hohen Werten rechnen müssen.

Es gibt keine einfachen Lösungen

Es ist unwahrscheinlich, dass hier einfache Lösungen gefunden werden können. Man muss bedenken, dass man bereits bei 12 Gbit/s bei Kupferleitungen am Ende der technischen Möglichkeiten ist. Zumindest in der näheren Zukunft scheinen Glasfaserleitungen dann die einzige praktikable Möglichkeit zu bieten.

Alternative HDMI?

Die Unterhaltungsindustrie kennt das Problem bereits, ein Signal mit hoher Bandbreite, zum Beispiel von einer Blu-ray, auf das Display bzw. in den Fernseher zu bekommen. Die Industrie hat bzw. ist dabei, neue Mehrdraht-Schnittstellen zu entwickeln und zu standardisieren. Eine Alternative ist die HDMI-Schnittstelle. Allerdings hat diese Schnittstelle einige Tücken. Da gibt es erst mal noch eine Reihe von Spezifikationen. Heute weit verbreitet ist die HDMI 1.3, die überhaupt nicht 4K-fähig ist. Dann gibt es die Spezifikation 1.4 mit den Untergruppen a und b, die als 4K deklariert wird. Das stimmt aber nur bis zu einer Bildfrequenz von 30 Hz. Erst die Spezifikation 2.0 vom 4. September 2013 erlaubt die Übertragung von UHDTV bis zu 60 Hz. Es dauerte aber bis zum 11. April 2014 bis die Compliance Test Spezifikationen veröffentlicht werden konnten, die die Chiphersteller für die Entwicklung benötigen. Und erst jetzt kommen erste Chipsätze für 4K bis 60 Hz auf den Markt.

Alternative Display-Port?

Eine zweite Alternative ist der Display-Port (DP). Diese Spezifikation stammt von der VESA (Video Electronics Standard Association). Sie ist weniger bekannt als die HDMI-Schnittstelle und kommt auch mehr aus dem Computerbereich (Grafikkarten). Diese Schnittstelle kam sehr viel später als HDMI und um trotzdem in den Markt zu kommen wurde sie zunächst lizenzfrei angeboten. Mittlerweile ist das nicht mehr so. Der Display-Port bietet allerdings Verbesserungen gegenüber HDMI. Seit längerem verfügbar ist die Spezifikation 1.2, die bereits die Übertragung von UHDTV bis zu 60 Hz erlaubt. Erreicht wird das über vier Leitungen (Lanes) mit je 5,4 Gbit/s brutto, die dann zusammen 17,28 Gbit/s netto ergeben. Die nun kommende Spezifikation 1.3 vom 15. September 2014 ermöglicht eine Steigerung der Datenrate um 50 % auf 8,1 Gbit/s je Leitung und eine Gesamtnettodatenrate von rund 25 Gbit/s. Damit ließe sich 4K mit doppelter Bildfrequenz, also 100 oder 120 Hz, übertragen oder zum Beispiel 8K mit  geringerer Bildfrequenz.

Weitere Entwicklungen?

Eine interessante Entwicklung kommt von der Firma Apantac. Der Konverter Micro-4K-DP (Bild 2) wandelt ein UHDTV-Signal bis 60 Hz, das über vier 3-G/s-Leitungen angeliefert wird (Quad-Link SDI) in ein Display-Port-Signal.

Bild 2. Konverter Micro-4K-DP von Apantac

Bild 2. Konverter Micro-4K-DP von Apantac

Das ist insbesondere eine Lösung für die Anzeige von UHDTV-Material auf Monitoren mit DP-Eingang. Nach Meinung des Referenten ist das zurzeit die einzige Möglichkeit, ein 4K-Signal bis 60 Hz über eine einzige Leitung zum Monitor zu geben. Es wird zwar im Studio vielleicht nicht die sinnvollste Lösung sein, denn der Wandler, so wie er heute ausgelegt ist, ist vorzugsweise für das Ende der Leitung gedacht, also zur Wandlung des Signals bevor es auf den Monitor gegeben wird. Aber es ist sicherlich zurzeit eine praxisnahe Alternative.

Die Braunschweiger Firma X Form Systems hat zusammen mit der Hyperion Video GmbH die Serie XFM 50 entwickelt. Das sind im Wesentlichen alles 3-Gbit/s-fähige Zweikanal-Module. Das neueste Modell bietet allerdings vier Kanäle und gestattet es deshalb, ein UHDTV-Signal (über vier 3 Gbit/s-Kanäle) zu übertragen. Es bietet variable Anschlussmöglichkeiten und vielen Funktionen mit denen zum Beispiel Up-/Down-Wandlungen, E(lektrisch)/O(ptische) und O/E-Wandlungen, Farbraumwandlungen und die Ausschnittwiedergabe aus 4K-Szenen möglich sind.

Erkenntnisse

Die Erkenntnisse, die aus seinem Vortrag resultieren, sind, dass, zumindest zum gegenwärtigen Zeitpunkt, keine UHDTV-Übertragung mit 50 oder 60 Hz über ein einziges SDI-Kabel möglich ist. Es gibt dazu zwar den SMPTE-Vorschlag, aber noch keine Norm. Als Kupferkabel benötigte man eines mit 12 Gbit/s Übertragungskapazität. Man kommt damit technisch an die Leistungsgrenze eines solchen Kabels und sollte auch im Hinblick auf die weiteren geplanten UHDTV-Verbesserungen (HFR und HDR) diesen Weg nicht weiter beschreiten.

Eine Übertragungsalternative  über Glasfaser mit 10,692 Gbit/s wäre eine realisierbare und auch bereits angedachte Möglichkeit. Allerdings gilt auch das alles nur für die Übertragung eines 4K- Signals bis etwa 60 Hz Wiedergabefrequenz – ohne höhere Bildfrequenz, ohne High Dynamic Range (HDR). Eine heutige Alternative wäre HDMI 2.0 oder DP 1.2., allerdings mit den gleichen Einschränkungen – bis 60 Hz ohne HDR.

Entwicklungen mit Mehrfachleitungen sind im Prinzip für den Praxisalltag unerwünscht. Der Trend der Zukunft geht in Richtung IP-Übertragung, was ein eigenes Thema für sich wäre und im Vortrag auch nicht näher behandelt wurde. Aber auch da warnte der Referent davor, der allgemeinen Euphorie zu folgen. Es gibt erste Punkt-zu- Verbindungen, aber auch hier sind die Bandbreitenfragen keineswegs gelöst. Man entdeckt dann öfter im klein gedruckten den Begriff „visual losless“. Das aber heißt ja nichts anderes, als dass man doch mit Komprimierung arbeitet, was man ja eigentlich gerade in der Produktion nicht möchte.

Soweit zum interessanten Vortrag

Da fragt sich nun der Berichterstatter: Was könnte wohl das Resultat sein?

Dem Referat nach scheint es doch so, dass es nicht möglich sein wird, ein wirklich unkomprimiertes 4K-Signal auf einer einzigen Leitung zu übertragen. Dabei ist der Schwachpunkt nicht die Satellitenübertragung. Hier ließen sich mehrere Transponderkanäle zu einer letztlich hohen Gesamtdatenrate bündeln, wobei die Frage bleibt, wer das dann bezahlen will. Im Studio und in der Bearbeitung wird es schwierig werden, mit den dann geforderten Bandbreiten bzw. Übertragungsraten praxisnah arbeiten zu können. Damit wird es umgekehrt wahrscheinlich, dass man Kompromisse zum Beispiel bei der Abtasttiefe, bei  der Farb(unter)abtastung und bei der Signaldatenrate generell vornehmen wird und muss, die die grundsätzlich erreichbare  Qualität vor allem im Auflösungsbereich letztendlich ad absurdum führen könnten.

Die Auflösungsverbesserungen bei den Displays haben dazu geführt, dass die wesentliche Verbesserung – nämlich die der hohen Kontrastdynamik – nachrangig gegenüber der Auflösung behandelt wird. Man muss eigentlich fordern, dass insbesondere HDR und High Frame Rate (HFR) eingeführt werden, die von den Datenmengen bei 2k, also 1080p50, heute mühelos(er) beherrschbar sind und bis zum Konsumenten durchgereicht werden könnten, als das Festhalten an der 4k Auflösung. Die sichtbare Bildverbesserung bei HDR ist indessen so gewaltig, dass alle anderen Maßnahmen, insbesondere die Auflösungserhöhung, dagegen kaum noch ins Gewicht fällt, insbesondere bei Displays im Wohnraum. So verrückt es klingen mag, aber es wäre der sichtbar bessere Kompromiss, 4K-Displays zu verkaufen, Produktion und Übertragung mit HDR (und vielleicht auch HFR) indessen über 1080p50 abzuwickeln.

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Kommentare

Der eingängige Kompromiss hat m.E. leider einen Haken: die billigen 4k-Displays z.B. aus China können kein HDR wiedergeben - der erste HDR-fähige SUHD-TV von Samsung liegt bei 8000 Euro. Um die HDR-TV-Produktion zu rechtfertigen, wäre eine massentaugliche 4k-HDR-Display-Fertigung notwendig, und die sehe ich noch nicht mal am Horizont...