Von SD über 4K zu 8K in 84 Minuten (Teil 1)

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Autor: Rainer Bücken

 


„Ultra HD – Datenraten und Datenkompression“ war das Thema, das sich Ralf Schäfer vom Fraunhofer Heinrich-Hertz-Institut für seinen Vortrag vor der FKTG-Regionalgruppe Berlin-Brandenburg am 21. April 2015 im rbb vorgenommen hatte. Das Interesse war groß, die Thematik schließlich spannend. Der Bericht basiert im Wesentlichen auf seinem Referat und wird durch Angaben und Meinungen des Autors ergänzt. Er wird in zwei Teilen veröffentlicht, Teil 2 folgt in einer Woche.


Für den TV-Entwicklungsweg – von SD über HD nach UHD-1 mit den Phasen 1 und 2 sowie demnächst auch UHD-2 –  sind neue Produktions- und Übertragungsformate gefragt. Und das ist nicht nur einfach eine Sache mit der Begrifflichkeit UHD-1 Phase 1, UHD-1 Phase 2 und schließlich UHD-2. „UHD-1 Phase 1 ist das, was wir jetzt in den Märkten kaufen können, hat 3840 x 2160 Pixel und gilt damit als 4K, hat 8 Bit pro Komponente – und eben keine weiteren Features“, so Ralf Schäfer. Für die Übertragung der viermal so vielen Bildpunkte wird das neue Codier- bzw. Kompressionsverfahren HEVC (H.265) genutzt. Noch im Diskussionsstadium ist UHD-1 Phase 2. Gegenüber HD geht es da nicht nur um mehr, sondern vor allem um „bessere“ Pixel, also höhere Framerate HFR (100 bzw. 120 Hz), ein höherer Dynamikbereich HDR (10 bis 16 bit/RGB-Komponente) und ein größerer Farbraum, auch Wide Color Gamut WCG genannt (BT.2020). Allerdings ist sich Schäfer nicht ganz sicher, „dass der Zuschauer bereit ist, dafür mehr Geld dafür auf den Tisch zu legen“. Na ja, noch ist es zu diesem Test nicht gekommen, und so heißt es da auch abwarten.

UHD-2 ist Super Hi-Vision

Weiter ist man – wie immer – hingegen in Japan. Da sind die Ingenieure von NHK bereits seit 1995 dran, „Super Hi-Vision (SHV)“ mit 7680 x 4320 Pixel zu entwickeln, auch wenn bei EBU- und sonstwo von UHD-2 die Rede ist. Für Schäfer stellt sich die Frage nach der Sinnhaftigkeit, für NHK aus verschiedenen Gründen schon nicht mehr. Dort soll das „ultimative Fernseherlebnis“ möglich werden, soll das Fernsehen ganz neu erfunden werden. Während der Olympischen Spiele in Peking, London und Sotschi ist diese Technik im Einsatz, ebenso bei der FIFA Fußball-WM 2014. So muss auch Schäfer eingestehen: „Die Jungs machen das, ob man das will oder nicht!“ Was nicht feststeht und was keiner garantieren kann, ist der Markterfolg, auch wenn reguläre Testübertragungen bereits für 2016 terminiert sind. Der Einstieg in den Regelbetrieb wird 2020 beginnen, eben mit Beginn der Olympischen Sommerspiele in Tokio. Das war, was auch nicht gesagt wird, eines der Goodies, die Japan in die Waagschale geworfen hat, um in schwierigen Zeiten den Zuschlag zu bekommen. Wirtschaftspolitisch verspricht sich die japanische Regierung da einen Schub, allein die Displayfertigung muss ganz anders aufgesetzt sein. Bis dahin jedenfalls wird in den japanischen CE-Tempeln das hohe Lied auf 4K gesungen – und die Geräte bereits massenweise verkauft.

Deutschland ist mit 4K unterwegs

UHD-Pioniere gibt es auch hierzulande. Vor allem sind es Sky und SES, die bereits früh auf das noch höher auflösende Fernsehen gesetzt haben. Und auch das interessierte Publikum hat Geschmack gefunden, wie man auf den IFAs sehen kann. Gut organisiert durch die Deutsche TV-Plattform verlässt niemand die Präsentationen bei TecWatch ohne Erkenntnisgewinn, und wenn es nur der ist, dass es ein großer Bildschirm sein muss, um die 4K-Vorteile richtig zu erleben. Zusammen mit Sky und SES hat es bereits 2014 die ersten Live-Übertragungen gegeben, so ein Bundesligaspiel Bayern gegen Bremen, das DFB-Pokalfinale Bayern gegen Dortmund, die wohl weltweit erste 4K End-to-End-Übertragung. Auch der Supercup Bayern gegen Dortmund gehört in diesen Zusammenhang. Weitere UHD-Höhepunkte die beiden Popkonzerte Linkin Park durch Samsung und SES in Berlin und dann Fanta 4 mit Sky in Stuttgart. Besonders anspruchsvoll die szenische Dramaturgie in Berlin – nicht nur Wackellinsen, sondern auch vorgehaltene grelle Lichtquellen haben die Coder an den Rand der Möglichkeiten gebracht, bis zur letzten Minute muss geschraubt werden, nahezu jedes Bild wird als I-Frame übertragen. Beim Pokalfinale sind zwei Empfangsstationen eingesetzt, eine in Unterföhring bei Sky, die andere in Berlin im 3IT. Der Encoder ist eine  Gemeinschaftsentwicklung von Fraunhofer HHI und Rohde & Schwarz.

Viele Firmen eingebunden

UHD-Produktion, Contribution, HEVC-Encoding, Distribution, UHD-Empfänger und UHD-Displays –  eine lange Kette, die keiner alleine stemmen kann. Neben der Broadcast-Technik durch die Sportveranstalter SportCast, TopVision, EVS, Quantel und vizrt sind MIT Teleport München, SES Platform Services, Elemental, Logic media solutions, R&S, Fraunhofer, GMIT, Astra, Broadcom, Humax, Sagemcom, Samsung, Vixs, technicolo sowie Panasonic, Samsung und Sony mit von der Partie. Während beim German Final Cup „nur“ sechs UHD-Kameras des Typs F55 zum Einsatz kamen, wurde das Linkin Park mit insgesamt 12 UHD-Kameras in Szene gesetzt. Fraunhofer HHI hatte für die Übertragung verschiedene Konfigurationen getestet, einmal die Zuspielung unkomprimiert mit 8,3 Gbit/s und einmal JPEG2000 mit 1 Gbit/s. Die Übertragung selbst passierte mit verschiedenen Datenraten, nämlich 15 Mbit/s, 25 Mbit/s und 35 Mbit/s. Zudem ging es um 8 Bit versus 10 Bit, wobei 8 Bit laut Schäfer zumindest in der Anfangsphase eher besser abgeschnitten hat als 10 Bit.

Plugfeste – positive Ergebnisse mit Arbeitsaufträgen

Ein erstes Plugfest fand im 3IT Anfang Dezember vergangenen Jahres statt – insgesamt 20 Firmen beteiligten sich. Es wurde vor allem die Interoperabilität zwischen den verschiedenen Set-Top-Boxen  und Endgeräten getestet. „Es hat alles besser funktioniert als gedacht, aber ein paar Probleme sind noch da.“ Ein zweites Plugfest hat inzwischen ebenfalls stattgefunden – mit bedeutend mehr Firmen und noch besseren Resultaten.

Videocodierung – ein spannendes Thema

Bei der UHD-Signalproduktion kommen laut Schäfer Signale mit einer Rohdatenrate von rund 10 Gbit/s zustande. Ein Blick dazu in die HD-Welt ist da nützlich, entsteht da doch eine Rohdatenrate von 600 bis 700 Mbit/s. Die muss auf etwa 10 Mbit/s reduziert werden, d.h. es bleiben nur 1,7 % der Datenrate übrig. Im Empfänger muss das Ganze dann wieder rückgängig gemacht werden. Die Technik macht zahlreiche andere Anwendungen möglich, so in der Medizin, bei Videoconferencing, e-Learning, Sicherheit – überall wird komprimiert, vor allem aber bei Fernseh- bzw. Videoübertragungen. Als Übertragungskanäle kommen Dachantennen, Satellit, Kabel, allgemeines Internet allgemein, Funkkanäle, Speichermedien wie Blu-ray usw. in Frage. Auch geht es nicht nur um den Fernseher als Endgerät, sondern auch Tablets und Smartphones. Allerdings – nur durch  Standards wird Videocodierung sinnvoll.

Neue Standards braucht das Land

Der Weg von der Bildquelle, zum Beispiel einer Kamera mit einem Pre-Processing, führt zum Encoder, an den sich die Übertragung anschließt. Es folgen das Decoding mit einer Nachbearbeitung und die Wiedergabe auf einem Display. „Was standardisiert wird, ist letztlich nur der Decoding-Prozess“, macht der HHI-Experte deutlich. „Und da auch nur die Syntax des Bitstroms“. Es ist also nirgends vorgeschrieben, wie man einen Video-Encoder baut, vielmehr ist nur spezifiziert, wie der Bitstrom auszusehen hat. Ein standardkonformer Decoder muss also in der Lage sein, einen standardkonformen Bitstrom zu decodieren und wieder zu einem Bild zu machen. Schäfer: „Daher kann ein  HEVC-Encoder auch von der einen Firma ganz anders sein kann als von einer anderen. Es schreibt niemand vor, wie komplex und wie gut man ihn macht.“ Also - solange ein standardkonformer Bitstrom rauskommt, ist die Qualität unwichtig. Allerdings – der Markterfolg dürfte hier ein ausreichendes Korrektiv sein.

Standardisierungsgremien im Wettbewerb

Verschiedene Standardisierungsgremien sind mit den Codierverfahren beschäftigt. Für die Standbildcodierung hat sich vor allem die JPEG, die Joint Photographic Experts Group der ITU-T & ISO  ins Zeug gelegt, bekannt sind die Standards JPEG und JP2000. Für die Videocodierung ist einmal die VCEG der ITU-T mit ihrer Video Coding Experts Group fündig geworden, die Standards lauten H.261, H.262 (MPEG-2), H.263, H.264 (AVC) und H.265 (HEVC).

ISO/IEC wiederum hat mit MPEG, der Moving Pictures Experts Group, die Standards MPEG-1, MPEG-2, MPEG-4/Part 2, MPEG-4/Part 10 (AVC) und HEVC, also High Efficency Video Coding, festgeklopft.

Dann gibt es auch noch die SMPTE, die auch einige Videostandards vorgelegt hat, so VC1 (kommt von Microsoft als VC9), VC2 (BBC Dirac), VC3 (Avid DNxHD) und VC5 (GoPro), für Schäfer allesamt proprietäre Verfahren. In der Praxis dürfte das aber anders aussehen, die CE-Industrie hat diverse Decoder in ihre Geräte einzubauen.

Treibende Kraft HHI

Nicht zuletzt spielt das HHI eine wichtige Rolle in der Videocodierung, vor allem Thomas Wiegand und seine Gruppe. Wiegand, inzwischen einer der Leiter des HHI, hat sich als Editor von H.264 einen guten Ruf erarbeitet und so manche Ehrung dafür eingeheimst. Benjamin Bross, ebenfalls Mitarbeiter am HHI, ist hingegen Editor von HEVC, also H. 265. Doch das kommt nicht von ungefähr, viele Schlüsseltechnologien dafür sind geliefert. Natürlich – so ganz uneigennützig ist das auch nicht, die Lizenzen sind ein nicht unwichtiger Teil der Institutseinnahmen. Daneben ist das HHI noch in diversen internationalen Gremien wie DVB, IEEE usw. unterwegs „Wir waren und sind auch für die Softwarekoordinierung, also für die Referenz-Software, zuständig“, erklärt Schäfer. Auch die  3-D-Standardisierung gehört zum Arbeitsauftrag für das HHI, auch wenn da der Schwung erstmal raus zu sein scheint.

UHD ist unterwegs

Ein Vergleich von UHD-1 mit HD macht deutlich, dass sich die Datenrate verzehnfacht. Vierfach höhere Pixelzahl, progressive Wiedergabe, Bittiefe von 8 auf 10 Bit lassen die Rohdatenraten von 746 auf 7465 Mbit/s ansteigen, selbst Gigabit-Anschlüsse im Haus wären damit überfordert. AVC als Kompressionstool hätte da sicherlich nicht gereicht. Doch nicht nur UHD dürfte die Codierspezialisten auf Trapp halten. So ist der ganze Internetverkehr durch Video dominiert, soll bis 2016 auf 90 % ansteigen, wobei auch hier die Bilder immer größer und die Bildqualität immer besser wird. Die historische Entwicklung seit Ende der 80er Jahre zeigt, dass im Prinzip alle zehn Jahre hinsichtlich der Effizienz der Faktor zwei erreicht wird. Von JPEG über MPEG-2 und H.264 nach H.265 – der neue Standard, auf den die Welt gewartet hat. Vor allem für die zunehmende mobile Kommunikation und viele andere Anwendungen wird H.265 bzw. MPEG-HEVC immer wichtiger.

Mit Tests in die Standardisierung

Die ganze Standardisierungsarbeit beginnt mit Tests, wobei verschiedene Zieldatenraten ebenso angepeilt werden wie unterschiedliche Auflösungen. Dabei sind nahezu alle Videoformate progressiv, Interlaced ist auf dem Abstellgleis. Die Vorschläge für den Standardnachfolger von H.264/MPEG-AVC basieren auf eben dieser Technik, die sechs besten Vorschläge, darunter auch der des HHI, wurden auf den JCT-VC-Meetings weiterbearbeitet. Im November 2011 mussten beispielsweise von rund 250 Delegierten rund 1000 Dokumente durchgearbeitet werden.

(Fortsetzung folgt im Teil 2, nächste Woche)

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