Von SD über 4K zu 8K in 84 Minuten (Teil 2)

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Autor: Rainer Bücken

 


Hier nun der 2. Teil unserer Berichterstattung zum Thema UHD. Der erste Teil „Ultra HD – Datenraten und Datenkompression“ kann unter https://www.fktg.org/node/8653 aufgerufen werden.

Auch dieser Teil basiert auf dem Vortrag von Ralf Schäfer vom Fraunhofer Heinrich-Hertz-Institut, den er am 21. April 2015 vor der FKTG-Regionalgruppe Berlin-Brandenburg gehalten hat.


Grundprinzip des HEVC-Standards

Der H.265/HEVC-Standard besteht im Prinzip aus zwei Teilen, dem Network Abstraction Layer (NAL), der eine Art Paketformat beschreibt, also wie man die Daten in ein Netzwerk übergibt, und dem Video Coding Layer (VCL), der die Durchführung der Datenkomprimierung darstellt. „Letztlich wird ein Paket-Format definiert, wobei so ein Paket immer aus einem Header mit den  Steuerinformationen und dem Payload besteht, wo die Videoinformation drin ist“, erläutert Ralf Schäfer.

Dann geht es in die Technik, geht um hybride Videocodierung, Blocktransformation und um die Transformationskoeffizienten. Schließlich wird aus der Vergangenheit eine Vorhersage zum aktuellen Bild gemacht, beide werden subtrahiert, und die weitere Verarbeitung erfolgt auf Basis dieser Differenzwerte. Dazu wird aber sehr viel mehr Rechenleistung als zum Beispiel vor 20 Jahren benötigt. Zentrales Element ist die Bewegungs-Kompensation, also einem Differenzbild zwischen dem eingehenden Bild und Bildern, die schon vorliegen. Je besser die Bewegungsschätzung, die Bewegungskompensation, desto kleiner die Differenz, desto weniger muss übertragen werden.

Neue Nomenklatur

Auch die Nomenklatur ist geändert. War in den Vorgängerstandards immer von Makroblöcken mit 16 × 16 Bildpunkten die Rede, so spricht man jetzt von so genannten Coding Tree Units, die bis zu 64 × 64 Bildpunkte groß werden, die Signalisierung erfolgt im sog. Sequence Parameter Set. Für die sehr effiziente Implementierung sind verschiedene Modi vorgesehen, wobei das Bild aufgeteilt wird, entweder in so genannte Slices oder auch Tiles, eben rechteckigen Blöcken. Zu verarbeiten ist das alles nur mit Parallelprozessing. „Sonst würde man gar nicht die Chance haben, diese sehr hohen Datenraten mit einem Prozessor zu verarbeiten“, erklärt Schäfer. „Bei den Echtzeitübertragungen haben wir das mit Softwareencodierung gemacht, und das ging nicht ohne Parallelverarbeitung, wo wir bis zu 72 Cores genutzt haben.“ Übrigens ist die Parallelverarbeitung auch bei der Standardisierung berücksichtigt. (Weitere Erklärungen zu den informationstechnischen Prozessen machen hier wenig Sinn – Interessenten können Details an anderer Stelle in der FKT nachlesen).

Übrigens wären solche Berechnungen vor 20 Jahren nicht möglich gewesen, denn dann „hätte man wegen der deutlich geringeren Rechenleistung ein Jahr warten müssen, bis die ersten Ergebnisse vorgelegen hätten“, so der HHI-Experte.

Laut Schäfer wird es wohl nie wieder einen reinen Hardware-Encoder geben. Auch auf die Punkte Entropiecodierung mit CABAC, nämlich Context-based Adaptive Binary Arithmetic Coding, kann hier nicht eingegangen werden.

Unterschiedliche Codiertools

Verschiedene Codiertools stehen je nach Anwendungszweck des Standards zur Verfügung. Schäfer: „Für Broadcast verwendet man alle Tools und das packt man dann in ein Profile,  nennt es bei H.265 eben Mainprofile. Daneben gibt es auch ein Main 10-Profile, wo eben nicht nur 8 Bit, sondern auch 10 Bit unterstützt werden.“ Neben Profiles gibt es die derzeit 13 Levels für die verschiedenen Auflösungsklassen, eben von SD über HD zu  UHD-1 oder gar UHD-2. Ein Decoderchip kann im Prinzip alles abdecken, nur macht es wenig Sinn, dass ein Chip für eine kleine HD-Kamera auch UHD können muss. Deswegen diese Unterteilung in Levels und Tiers. Für einen standardkonformen Encoder und Decoder müssen bestimmte Profiles oder Level beachtet werden. So sind in der Version 1 drei Profiles versammelt, nämlich Main Still Picture als Konkurrenz zu JPEG 2000, Main Profile für die ganze zeitliche Verarbeitung und schließlich Main 10 für 8 und 10 Bit. Bei den Levels geht es bis 6.2, wobei aber keine Zeilenzahlen auftauchen, sondern nur die maximale Anzahl von Blöcken, die zu verarbeiten sind. „Wie man die anordnet, und ob es dann UHD-2 heißt oder ob ein Bild über die ganze Wand reichen soll, ist dem Encoder oder dem Decoder letztlich egal“, so Schäfer. Während mit dem Main Profile nur 4:2:0 möglich ist, erfordert eine 4:4:4-Farbabtastung entsprechende Extensions – und höhere Datenraten. Und das ist dann auch eine Sache der Tiers. Dann folgen wichtige Informationen zur Notwendigkeit der Kompressionstechnik – vor allem die zunehmende Bedeutung des Video-Anteils, der bis 2016 laut einer Cisco-Studie immerhin 86% betragen soll.

HEVC im Qualitätstest

Gegenüber der Vorgängerversion H.264 bietet H.265 beim PSNR (Peak signal-to-noise ratio) einen Gewinn von ungefähr 40%, subjektiv sollen es gar 50% sein, oder anders ausgedrückt, rund 50% Bitratenersparnis. Gegenüber MPEG-2 MP kommen gar 70 bzw. 80% Bitratenersparnis zustande. Auch das Thema  VP9 von Google bleibt nicht ausgespart. Beworben wird diese lizenzkostenfreie Technik mit der hohen Qualität. „Doch die haben wir ernsthaft getestet, und das Ergebnis war dann relativ ernüchternd, denn VP9 hat gegenüber HEVC recht schlecht abgeschnitten, ist im Prinzip nicht besser als H. 264“, erklärt Schäfer.

Die gezeigten Beispiele können dann doch nicht beeindrucken – der Projektor und die Lichtbedingungen spielen einfach nicht mit. Unterschiede zwischen H.264 und H.265 – beide mit 2,5 Mb/s – sind so gut wie nicht wahrnehmbar. Auch die Verdopplung der Datenrate bei H.264 bringt keine Unterschiede an den Tag. Dazu Schäfer: „Es ist letztlich auch egal, was ich Ihnen zeige, glauben Sie mir es einfach. Die vielen Testpersonen werden das schon richtig beurteilt haben.“

DVB-T2 mit HEVC

Schäfer: „Ich denke, es wäre eine große Sünde, wenn man DVB-T2 nicht mit HEVC machen würde. Das terrestrische Fernsehen DVB-T kommt ja derzeit mit MPEG 2 daher, mit HEVC geht es um den Faktor vier besser, d.h. man kann dann allein von der Kompression viermal so viel Programme übertragen. Zudem bringt es DVB-T2 gegenüber DVB-T auf einen Gewinn von ungefähr 1,5.“ So kommt es, dass DVB-T2 sechsmal mehr Programme übertragen kann, gegenüber H.264/AVC wäre es nur Faktor drei. Deshalb plädiert der HHI-Mann mit großer Vehemenz für DVB-T2 mit HEVC. Ein SD-Programm braucht dann nur 1,4 Mbit/s, HD 4,5 Mb/s und 3D (MVD) 6 Mbit/s. So kommt es, dass sich in einem 8-MHz-Kanal mit 28 Mbit/s 30xSD, 7 bis 8xHD oder 5xMVD übertragen lassen. Hinzu kommen Gewinne bei Nutzung des statistischen Multiplex. „Wenn die Terrestrik überhaupt noch eine Chance haben sollte, dann geht das nur so“, ist Schäfer sicher.

Interlace – ein ewig junges Thema

Interlace ist eigentlich kein Thema für HEVC – und dennoch geht es nicht ohne, ist die fernsehtechnische Welt derzeit größtenteils noch interlaced. Daher wird signalisiert, ob die Bilder im Field-, also Halbbild-Modus codiert oder im Vollbild-, also Frame-Modus. Gegenüber H.264 soll es da noch immer recht hohe Gewinne geben, wenngleich die Verarbeitung progressiver Bilder effizienter ist.

HEVC-Decoder nicht viel komplexer

Der HEVC-Decoder ist nicht viel komplexer geworden als der für H.264. „Schon vor ein paar Jahren konnten wir HEVC-Software-Decodierungen von 4kx2k auf einem Laptop zeigen und 1280x720P/30 auf einem iPad“, erläutert der HHI-Experte. Fraunhofer HHI hat zur CeBIT und NAB 2013 4k-Content auf einem PC und HD, also 1920x1080p/50, auf einem Tablet decodiert. Der HEVC-Decoder ist eben deutlich weniger komplex als der Encoder. „Da braucht man sehr viel Rechenleistung und vor allem sehr viel Parallelität“, wird erklärt. Auf der NAB 2014 zeigt Fraunhofer HHI den Full-HD-Encoder-Vorgang noch auf zwei Rechnern mit insgesamt 40 Cores, und auf der letzten IBC dann UHD auf zwei Rechnern mit insgesamt 96 Cores. Jetzt werden noch immer zwei Rechner benötigt, aber mit nur 72 Cores. Allerdings sind damit auch Hardwarekosten in Höhe von rund 20.000 € verbunden. „Im nächsten halben Jahr werden wir das auf einem Rechner haben, und da sind wir preismäßig in der Region, wo man mit Hardwarelösungen sehr gut konkurrieren kann“, prognostiziert Schäfer.

HEVC-Extensions

Während Version 1 von H.265/HEVC drei Main Profiles, nämlich Main 8 bit, Main 10 bit und  Main Still Picture definiert - alles für 4:2:0 – sieht Version 2 eine Reihe von Extensions vor, nämlich die Range Extensions (RExt), wo es u.a. um höhere Bit-Tiefe und mehr Chroma-Formate geht, nämlich 4:4:4 und 4:2:2. Auch noch höhere Bit-Tiefen, also größer als 10 Bit, sind möglich, werden sie doch für High Dynamic Range benötigt. Und dafür dürften auch bis 20% mehr Energie benötigt werden. Ferner sind  Multiview (MV-HEVC) oder auch eine skalierbare Codierung (SHVC) vorgesehen, beispielsweise für Video Konferenzen. In der  Version 3, die demnächst abgeschlossen sein wird, geht es schließlich um 3-D-Codierung für autostereoskopische Displays, also Multiview plus Tiefe. So ist auch das 3-D-Thema codiermäßig abgehakt. „Ob es dann fliegt, ist wiederum eine andere Sache“, muss selbst Ralf Schäfer offen lassen. In einer Liste sind alle 19 Extensions zusammengetragen, bis hin zu 4:4:4 und 16 bit.

HEVC mit kurzer Geschichte

Als im Januar 2013 der H.265/HEVC-Standard als Version 1 während eines gemeinsamen Meetings von MPEG (ISO/IEC) und VCEG (ITU-T) in Genf finalisiert wird, kann Fraunhofer HHI bereits im Februar während des Mobile World Congress einen „Tablet-Decoder“ für HD zeigen. Die ersten Software-Encoder für HD und UHD werden im September 2013 auf der IBC in Amsterdam gezeigt, erste HEVC-En- und Decoder kommen Ende des gleichen Jahres mit VLC und DivX auf den Markt, andere Anbieter folgen 2014 und 2015. Schäfer: „Damit erfolgt die Marktpenetration extrem viel schneller als bei den Vorgängerstandards, auch im iPhone ist HEVC fürs Facetracing schon eingebaut.“ Die verschiedenen Broadcast-Übertragungen haben – zusammen mit Rohde & Schwarz – die Technik weiter vervollkommnet. Zur IBC 2014 wird DVB-T2 mit sieben 720/p50-HD Programmen über einen statistischen Multiplex in einem 26,5 Mbit/s-Kanal übertragen.

Auf der NAB 2015 kommt die neuste Version Software-Encoding für UHD 60 Frames/s und 10 bit zum Einsatz, visuell äquivalent zum Referenzmodell. „Jetzt arbeiten wir an einem HD low-delay live Softwareencoder“, so Schäfer.

Von SD bis 8K

Nach dem schönen alten Röhrenfernseher geht der TV-Entwicklungsweg über Flachbildfernseher mit HD bis 4K und in Japan zudem 8K als finales TV-Erlebnis. Doch dafür sind entsprechend große Displays nötig, die eben nicht in jedes Wohnzimmer passen. Bei UHD-1, also 4K, wird für eine Betrachtungsentfernung von 3 m schon ein Monitor von 150 Zoll, also 3,8m, empfohlen. „Doch der ist dann auch 2 m hoch, und da müssen Sie erstmal Ihre Gattin von überzeugen, dass das Ding ins Wohnzimmer darf“, macht Schäfer bestimmte Zweifel deutlich. Doch UHD-Fußball auf einem 84 Zoll 4K-Display „ist schon nett“. Die Frage, ob man das wirklich alles braucht, bleibt freilich unbeantwortet. Und bei UHD-2 bzw. 8K oder Super Hi-Vision stellt sich die Frage erst recht, wird der Betrachtungsabstand mit 1,5H noch kleiner bzw. die Displaygröße entsprechend größer.

UHD-1 eröffnet interessante Möglichkeiten

Auf der IFA 2014 ist der UHD-Zoom zu sehen, Während auf dem großen Schirm ein UHD-Bild zu erleben ist, kann auf dem Second Screen ein vergrößerter Bildausschnitt mit der Region of Interest (ROI) gezeigt werden. Genügend Inhalte stecken ja drin. Zudem lassen sich die Ausschnitte auch noch mit Zusatzinformationen versehen. So könnten da die Spielernamen und andere Informationen erscheinen. Allerdings – solche Informationen wollen auch erstmal generiert sein. Hingegen lassen sich einzelne Spieler automatisch verfolgen, und dann sieht man eben halt nur den Spieler.

Der Markt funktioniert nicht

UHD-1 ist da – und die Preise sind schon wieder verrissen. „Geräte unter 1000 Euro – d.h. bevor der Markt loslegt, ist der Markt schon kaputt, niemand kann mehr etwas an dem Zeug verdienen, weil es Überkapazitäten gibt“, gibt Schäfer zu bedenken. Doch die Geräte sind im Handel, und es ist absehbar, dass es bald nur noch 4K-Displays gibt. So rechnet Paul Gray von IHS auf der Global Press Conference von gfu und Messe Berlin vor, dass bereits 2018 alle Fernseher mit Diagonalen von 50 Zoll und größer UHDs mit 3840x2160 Pixel sind. Allein 2015 werden weltweit 30 Mio. 4Ks abgesetzt, 2019 über 92 Mio. Übrigens wird der chinesische Markt davon 40 bis 50% aufnehmen. Doch für Gray bietet nicht die Auflösung allein den Wow-Effekt, sondern HFR, HDR und Deep color gehören dazu.

In Deutschland sind bis einschließlich Dezember 2014 in Deutschland 220.000 verkauft worden, in 2015 sollen es laut Jürgen Boyny, Global Director von GfK, 1,05 Mio. werden, bis Jahresende wären es dann insgesamt 1,2 Mio., also 3% Haushaltssättigung.

Anders das Geschäftsmodell bei 3D, wo dieses Feature doch einfach mitgekauft wird. Aber UHD betrifft  nicht nur die großen Displays, sondern geht auch Richtung 50 Zoll und kleiner, selbst Tablets und Smartphones kommen künftig mit 4K daher. Bereits für dieses Jahr sind  erste UHD-Smartphones mit 700 ppi bei 6,2-Zoll-Displays zu angekündigt.

Noch keine regulären UHD-TV-Dienste

Selbst bei 3% Marktpenetration sehen die Broadcaster noch keine Veranlassung, hierzulande mit UHD in den Regelbetrieb zu gehen. Das scheint Netflix & Co. überlassen zu bleiben. Immerhin – SES ist mit Astra in Sachen UHD unterwegs, und noch in diesem Jahr wird der Regelbetrieb starten, ähnlich die Situation bei Eutelsat.

UHD-2 bringt noch viele Fragen mit sich. „Bereits mit UHD-1 hat man schon eine zehnfach höhere Datenrate als HD, und da braucht man unbedingt HEVC“, erklärt Schäfer. In Japan ist HD schon out, vor allem UHD-1, also 4K, wird verkauft. Ob aber 2020 schon Platz für UHD-2, also 8K, sein wird, ist fraglich. „Spätestens zu dem Zeitpunkt, wo man Displays als Tapete kaufen kann und die ganze Wand zum Bildschirm wird, braucht man diese hohen Auflösungen, und da macht dann vielleicht auch sogar 8K wieder Sinn.“

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