В 2012 году ITU (International Telecommunication Union) ратифицировал два новых формата телевидения высокой четкости: UHD-1 и UHD-2. Оба формата представлены как расширение и развитие существующего Full HD (1920 x 1080 pixel, или FHD, или 2K). Спецификация UHD-1, известная сегодня как Ultra HD (UHD или 4K), представляет собой формат с удвоенным разрешением по вертикали и горизонтали – 3840 х 2160, а UHD-2, называемая также Super Hi-Vision (8K), работает с четырехкратным разрешением – 7680 х 4320 pixel.
И уже в самом начале 2013 года UHDTV породило много волнений и внимания со стороны прессы: это случилось на Consumer Electronics Show (CES 2013), где все основные поставщики дисплеев продемонстрировали 4К UHD TV для домашнего применения. Ultra HD становится мировым трендом, о нем говорят на крупнейших телевизионных выставках NAB 2013 и IBC 2013, ведущие производители и провайдеры представляют оборудование и технологии для работы в UHD, параллельно крупнейшие вещательные и медиакомпании SKY, Netflix, RAI тестируют производство в UHD, осуществляются первые трансляции в UHD компаниями Eutelsat и SES.
Чтобы прогнозировать успех нового формата на рынке, необходимо получить ответы на ключевые вопросы:
Чем новый формат лучше существующих (с технической стороны)?
Готовы ли зрители и ТВ-устройства к переходу на новый формат?
Доступен ли контент уже в новом формате, готовы компании производить контент в новом формате?
Существует ли технология доставки контента в новом формате к зрителю, готовы провайдеры перейти на нее?
Попробуем в статье дать ответы на все эти вопросы.
Преимущества формата Ultra HD перед существующими HD и SD форматами
- Больше пикселей
Как видно из рисунка 1, снимая в формате UHD1, мы получаем в 4 раза больше информации, чем при съемке в HD. Как следствие – больше деталей и нюансов изображения становятся доступными восприятию зрителя. И это главное преимущество, ведь согласно мировым исследованиям телезрители при выборе и просмотре каналов ставят на первое место именно качество «картинки».
- Широта поля зрения
Оптимальным расстоянием зрителя от экрана телевизора HD считается 3h (где h – высота экрана телевизора), при этом угол поля зрения составляет примерно 30º. В случае просмотра Ultra HD оптимальным расстоянием будет 1,5h, при поле зрения 60º. Это увеличение угла поля зрения с 30º до 60º дает зрителю ощущение кинематографичности (аналогично просмотру на большом экране кинотеатра) и «полного погружения». Помимо этого, у изображения Ultra HD появляется вроде как дополнительная глубина изображения по сравнению с Full HD.
- Частота кадров 50 P
Еще одним важным техническим преимуществом является использование в Ultra HD частоты кадров 50 P. По сравнению с Full HD 1080/50 i в новом формате отсутствуют поля, и, соответственно, все движения становятся максимально плавными при полном отсутствии чересстрочных артефактов.
– Расширенное цветовое пространство (UHDTV rec. 2020)
Формат UHD позволяет передавать больше цветовых оттенков, чем Full HD. Это свойство формата заложено в использовании спецификации rec.2020, в которой 10/12-битная глубина цвета на каждый канал и представление 4:2:0 / 4:2:2 / 4:4:4. В Full HD глубина цвета 8 бит и представление 4:2:0. Фактически новый формат имеет в два раза лучший охват цветового пространства, чем Full HD (рис.3).
Безусловно, существующие технологии бытовых телевизоров LED не позволят пока воспроизвести полное цветовое пространство Ultra HD, однако количество телевизоров формата UHD очень быстро растет, и в следующем году ожидается появление первых бюджетных моделей, работающих с полным цветовым пространством UHD rec.2020.
Готовы ли зрители и ТВ-устройства к переходу на Ultra HD
Привлекательность нового формата не вызывает сомнений, ведь качество «картинки» - один из основных критериев смотрибельности для зрителя. Специалистами собрано немало доказательств того, что потребители будут вкладывать средства в телевизоры более высокого разрешения. Практика показала, что переход к формату с большим разрешением может быть эффективным: как пример - переход от стандартного разрешения к телевидению высокой четкости (HD), прошедший в 2000-х годах. К концу 2012 года более 74% домашних хозяйств в Европе и более 79% в Северной Америке использовали телевизоры с HD-разрешением, в мире доступны для просмотра 2 923 HD-телеканала, продано более 235 млн HD-ресиверов.
Стоимость телевизоров формата UHD неуклонно снижается, специалисты прогнозируют, что к концу 2014 года их стоимость может сравняться со стоимостью стандартных HD-моделей. И это реальность: в 2013 году компания TCL представила модель 55 дюймов, которая будет продаваться по цене не более $1000. Следовательно, в 2014-м следует ожидать роста числа пользователей UHD телевизоров до 5-7%, что сможет стать сигналом для появления первых UHD телеканалов.
Доступность контента в новом формате, готовность компаний производить контент в UHD
Рынок контента формата UHD в данный момент на пути становления. По состоянию на конец 2012 года в мире насчитывалось 150 фильмов и телевизионных шоу с 4K мастер-копией, и этот контент может быть продемонстрирован зрителю в UHD немедленно; 793 фильма и телевизионных шоу, с исходными материалами в формате 4K, и требующие ремастеринга для получения мастер-копии в UHD.
Первый и наиболее логичный метод увеличения объемов контента в UHD – это восстановление и ремастеринг контента, первоначально выпущенного в других форматах. В мире существует более 100 000 фильмов и телевизионных шоу, которые были первоначально сняты на 35 мм кинопленку. Конечно, выпущенные в разные годы негативные кинопленки имеют разное разрешение, также важны экспозиция, освещенность, фокус и условия хранения негатива. В случае хорошего состояния пленки после оцифровки может быть получен мастер с 4К или даже с 6К разрешением. По оценке специалистов, для большинства старых фильмов может быть проведен ремастеринг в UHD. Если негатив был поврежден из-за длительного хранения, то потребуется больше времени и ресурсов на реставрацию и повторную цветокоррекцию. Это создает заманчивую перспективу для крупных владельцев контента - заработать на имеющихся у них активах – Sony Pictures и другие компании начали программы по ремастерингу своих лучших фильмов и шоу в 4К. Альтернативой ремастерингу может быть использование на первом этапе повышающего преобразования (Up Conversion) из HD в UHD. Эта конвертация может происходить в сет-топ-боксе или в самом телевизоре.
Еще один ключевой вопрос развития и внедрения формата Ultra HD – запись и производство. Сложность технологии записи и производства несколько лет назад повредили массовому внедрению 3D. Чтобы его участь не постигла UHD, производители активно разрабатывают стратегии адаптации производящих компаний к новому формату. Для начала вещания в UHD каждая компания должна создать 4К актив канала либо из существующего контента (путем ремастеринга, up-конверсии), либо за счет вновь произведенного уже в новом UHD формате. При этом должны решаться вопросы хранения, создания резервных копий, возможности монтажа UHD и выбора компрессии.
Масштабное исследование компании IHS, проведенное в конце 2012 года в Европе, показало, что более 10% европейских студий используют в своем производстве 4К камеры. Более того, 6,5% всех используемых камер - цифровые, работающие с разрешением от 2К до 4К, а 3,5% с разрешением 4К. В основном камеры формата 4К используются для съемки высокохудожественных работ, где требуется близость к киноизображению. По мнению экспертов и производителей камер, снижение средней цены на камеру 4К от 12 евро и даже до 10 000 евро позволит подтолкнуть переход производителей контента к съемке в 4К. Сегодня на рынке анонсированы и уже продаются камеры SONY PXW-Z100 (6500 USD), NEX-FS700R/RH, JVC GY-HMQ10 (4 700 евро), Blackmagic Production Camera 4K (2 000 евро). В любом случае производство в ближайшие годы будет переходить на UHD, т. к. 4K камеры способны обеспечить преимущества, очевидные даже при съемках и производстве HD контента - это цифровое масштабирование, возможность гибкого кадрования, лучшая цветопередача и прочее.
Скорость развертывания формата UHD будет связана и с принятием новых спецификаций интерфейсов передачи данных, потому как стало очевидным несоответствие интерфейсов SDI и HDMI требованиям UHD. Сегодня в производстве HD программ телеканалами используется интерфейс HD SDI 1,5 Gbps для HD 1080i и 3G 3,0 Gbps для 1080p. Этих пропускных способностей не хватает для передачи по одному коаксиальному кабелю сигнала UHD, соответственно, усложняется коммутация оборудования. Интерфейс HDMI 1.4 также не способен передать полный 4К сигнал от источника на телевизор, проблема будет решена только с принятием новой спецификации HDMI - версии 2.0.
Технология доставки UHD контента потребителю
Когда UHD контент уже доступен, следующей задачей становится доставка его потребителю. Причем доставка максимальному числу потребителей, в наиболее удобной форме и на любые устройства, используя спутниковые, кабельные, IP и наземные системы. Главным каналом доставки UHD контента останутся, безусловно, спутниковые провайдеры, т. к. они, во-первых, уже являются основной платформой доставки ТВ в мире, во-вторых, кабельные и эфирные каналы зависят от доставки и ретрансляции сигналов через спутники, в-третьих, стоимость и гибкость спутниковой архитектуры больше подходит для развертывания UHD вещания.
При разрешении выше в 4 раза контент UHD будет требовать большей пропускной способности, чем HD или SD. Даже используя современные системы компрессии, сигнал UHD будет занимать минимум в два раза большую пропускную способность спутниковых транспондеров, чем его предшественники. И здесь ключевой вопрос не в том, смогут ли спутниковые операторы обеспечить доставку UHD, а в том, как это сделать дешевле и эффективнее, используя мощности рабочих спутников. Кроме этого, все основные вещательные компании мира постоянно работают над cнижением капитальных затрат; это необходимо для привлечения новых зрителей, и любое удешевление доставки сигнала ими всячески приветствуется.
Эффективному использованию транспондерных мощностей должны помочь новые форматы компрессии и стандарты вещания HEVC и DVB-S2x. Большинство телеканалов сегодня передаются через спутник, при стандартах DVB-S или DVB -S2, и компрессии в формате MPEG-4 или MPEG-2. Типичный спутниковый транспондер для DTH, посредством DVB-S2, может обеспечить суммарный поток в 45-50 Mbps (усредненное значение), и этот поток может быть заполнен контентом, кодированным в MPEG-2, MPEG-4 или HEVC. Чем выше эффективность используемого кодека, тем выше качество передаваемого контента, либо большее количество каналов может быть размещено в каждом транспондере. К примеру, один HD канал в формате MPEG-4 и передаваемый по DVB-S2 использует 8-12 Мбит/с (в зависимости от частоты кадров), в то время как аналогичный UHD канал потребует около 40 Мбит/с. Таким образом, транспондер сможет доставить 4-5 каналов HD или всего один канал UHD.
Очевидно, что доставка UHD контента требует повышения эффективности передачи и увеличения транспондерных мощностей. Ключом к решению будет развитие нового формата компрессии HEVC (он также известен как H.265), принятого в начале 2013 года. Вместе с использованием стандарта DVB-S2x, который предлагает повышение эффективности транспондера на 20-25%, HEVC может дать требуемые потоки для эффективного размещения UHD каналов. Конечно, развитие формата HEVC еще на ранней стадии, но специалистами было подтверждено уменьшение скорости передачи данных на 35-40% по сравнению с MPEG-4. Учитывая это, будущие UHD каналы смогут использовать поток около 20 Мбит/с, что в сочетании с применением DVB-S2x позволит наличие 3 каналов на одном транспондере, либо комбинацию из UHD и HD каналов. Применение HEVC и DVB-S2x является коммерчески жизнеспособной моделью размещения и трансляции UHD каналов через спутник.
Трансляции в UHD уже доступны для тестового просмотра со спутника SES ASTRA в позиции 19,2° восточной долготы. Этот проект SES реализует в сотрудничестве со своими партнерами, компаниями Harmonic и Broadcom Corporation. Именно компания SES впервые начала вещание UHD контента в стандарте HEVC, и тесты подтвердили высокую эффективность последнего по сравнению с H.264. Следует отметить, что ранее все попытки вещания в UHD проводились в кодировке H.264 либо путем параллельной передачи четырех HD сигналов.
Учитывая высокий прогнозируемый потребительский интерес к UHD контенту, первоочередной задачей является быстрая адаптация телевизионной индустрии к производству и вещанию в новом формате, сегодня разрабатываются основные технологические механизмы и инструменты. Однако для этого потребуется несколько лет, как это было с переходом от SD к HD.
И уже в самом начале 2013 года UHDTV породило много волнений и внимания со стороны прессы: это случилось на Consumer Electronics Show (CES 2013), где все основные поставщики дисплеев продемонстрировали 4К UHD TV для домашнего применения. Ultra HD становится мировым трендом, о нем говорят на крупнейших телевизионных выставках NAB 2013 и IBC 2013, ведущие производители и провайдеры представляют оборудование и технологии для работы в UHD, параллельно крупнейшие вещательные и медиакомпании SKY, Netflix, RAI тестируют производство в UHD, осуществляются первые трансляции в UHD компаниями Eutelsat и SES.
Чтобы прогнозировать успех нового формата на рынке, необходимо получить ответы на ключевые вопросы:
Чем новый формат лучше существующих (с технической стороны)?
Готовы ли зрители и ТВ-устройства к переходу на новый формат?
Доступен ли контент уже в новом формате, готовы компании производить контент в новом формате?
Существует ли технология доставки контента в новом формате к зрителю, готовы провайдеры перейти на нее?
Попробуем в статье дать ответы на все эти вопросы.
Преимущества формата Ultra HD перед существующими HD и SD форматами
- Больше пикселей
Рис. 1
Как видно из рисунка 1, снимая в формате UHD1, мы получаем в 4 раза больше информации, чем при съемке в HD. Как следствие – больше деталей и нюансов изображения становятся доступными восприятию зрителя. И это главное преимущество, ведь согласно мировым исследованиям телезрители при выборе и просмотре каналов ставят на первое место именно качество «картинки».
- Широта поля зрения
Рис. 2
Рис. 3
Оптимальным расстоянием зрителя от экрана телевизора HD считается 3h (где h – высота экрана телевизора), при этом угол поля зрения составляет примерно 30º. В случае просмотра Ultra HD оптимальным расстоянием будет 1,5h, при поле зрения 60º. Это увеличение угла поля зрения с 30º до 60º дает зрителю ощущение кинематографичности (аналогично просмотру на большом экране кинотеатра) и «полного погружения». Помимо этого, у изображения Ultra HD появляется вроде как дополнительная глубина изображения по сравнению с Full HD.
- Частота кадров 50 P
Еще одним важным техническим преимуществом является использование в Ultra HD частоты кадров 50 P. По сравнению с Full HD 1080/50 i в новом формате отсутствуют поля, и, соответственно, все движения становятся максимально плавными при полном отсутствии чересстрочных артефактов.
– Расширенное цветовое пространство (UHDTV rec. 2020)
Формат UHD позволяет передавать больше цветовых оттенков, чем Full HD. Это свойство формата заложено в использовании спецификации rec.2020, в которой 10/12-битная глубина цвета на каждый канал и представление 4:2:0 / 4:2:2 / 4:4:4. В Full HD глубина цвета 8 бит и представление 4:2:0. Фактически новый формат имеет в два раза лучший охват цветового пространства, чем Full HD (рис.3).
Безусловно, существующие технологии бытовых телевизоров LED не позволят пока воспроизвести полное цветовое пространство Ultra HD, однако количество телевизоров формата UHD очень быстро растет, и в следующем году ожидается появление первых бюджетных моделей, работающих с полным цветовым пространством UHD rec.2020.
Готовы ли зрители и ТВ-устройства к переходу на Ultra HD
Привлекательность нового формата не вызывает сомнений, ведь качество «картинки» - один из основных критериев смотрибельности для зрителя. Специалистами собрано немало доказательств того, что потребители будут вкладывать средства в телевизоры более высокого разрешения. Практика показала, что переход к формату с большим разрешением может быть эффективным: как пример - переход от стандартного разрешения к телевидению высокой четкости (HD), прошедший в 2000-х годах. К концу 2012 года более 74% домашних хозяйств в Европе и более 79% в Северной Америке использовали телевизоры с HD-разрешением, в мире доступны для просмотра 2 923 HD-телеканала, продано более 235 млн HD-ресиверов.
Стоимость телевизоров формата UHD неуклонно снижается, специалисты прогнозируют, что к концу 2014 года их стоимость может сравняться со стоимостью стандартных HD-моделей. И это реальность: в 2013 году компания TCL представила модель 55 дюймов, которая будет продаваться по цене не более $1000. Следовательно, в 2014-м следует ожидать роста числа пользователей UHD телевизоров до 5-7%, что сможет стать сигналом для появления первых UHD телеканалов.
Доступность контента в новом формате, готовность компаний производить контент в UHD
Рынок контента формата UHD в данный момент на пути становления. По состоянию на конец 2012 года в мире насчитывалось 150 фильмов и телевизионных шоу с 4K мастер-копией, и этот контент может быть продемонстрирован зрителю в UHD немедленно; 793 фильма и телевизионных шоу, с исходными материалами в формате 4K, и требующие ремастеринга для получения мастер-копии в UHD.
Первый и наиболее логичный метод увеличения объемов контента в UHD – это восстановление и ремастеринг контента, первоначально выпущенного в других форматах. В мире существует более 100 000 фильмов и телевизионных шоу, которые были первоначально сняты на 35 мм кинопленку. Конечно, выпущенные в разные годы негативные кинопленки имеют разное разрешение, также важны экспозиция, освещенность, фокус и условия хранения негатива. В случае хорошего состояния пленки после оцифровки может быть получен мастер с 4К или даже с 6К разрешением. По оценке специалистов, для большинства старых фильмов может быть проведен ремастеринг в UHD. Если негатив был поврежден из-за длительного хранения, то потребуется больше времени и ресурсов на реставрацию и повторную цветокоррекцию. Это создает заманчивую перспективу для крупных владельцев контента - заработать на имеющихся у них активах – Sony Pictures и другие компании начали программы по ремастерингу своих лучших фильмов и шоу в 4К. Альтернативой ремастерингу может быть использование на первом этапе повышающего преобразования (Up Conversion) из HD в UHD. Эта конвертация может происходить в сет-топ-боксе или в самом телевизоре.
Еще один ключевой вопрос развития и внедрения формата Ultra HD – запись и производство. Сложность технологии записи и производства несколько лет назад повредили массовому внедрению 3D. Чтобы его участь не постигла UHD, производители активно разрабатывают стратегии адаптации производящих компаний к новому формату. Для начала вещания в UHD каждая компания должна создать 4К актив канала либо из существующего контента (путем ремастеринга, up-конверсии), либо за счет вновь произведенного уже в новом UHD формате. При этом должны решаться вопросы хранения, создания резервных копий, возможности монтажа UHD и выбора компрессии.
Масштабное исследование компании IHS, проведенное в конце 2012 года в Европе, показало, что более 10% европейских студий используют в своем производстве 4К камеры. Более того, 6,5% всех используемых камер - цифровые, работающие с разрешением от 2К до 4К, а 3,5% с разрешением 4К. В основном камеры формата 4К используются для съемки высокохудожественных работ, где требуется близость к киноизображению. По мнению экспертов и производителей камер, снижение средней цены на камеру 4К от 12 евро и даже до 10 000 евро позволит подтолкнуть переход производителей контента к съемке в 4К. Сегодня на рынке анонсированы и уже продаются камеры SONY PXW-Z100 (6500 USD), NEX-FS700R/RH, JVC GY-HMQ10 (4 700 евро), Blackmagic Production Camera 4K (2 000 евро). В любом случае производство в ближайшие годы будет переходить на UHD, т. к. 4K камеры способны обеспечить преимущества, очевидные даже при съемках и производстве HD контента - это цифровое масштабирование, возможность гибкого кадрования, лучшая цветопередача и прочее.
Скорость развертывания формата UHD будет связана и с принятием новых спецификаций интерфейсов передачи данных, потому как стало очевидным несоответствие интерфейсов SDI и HDMI требованиям UHD. Сегодня в производстве HD программ телеканалами используется интерфейс HD SDI 1,5 Gbps для HD 1080i и 3G 3,0 Gbps для 1080p. Этих пропускных способностей не хватает для передачи по одному коаксиальному кабелю сигнала UHD, соответственно, усложняется коммутация оборудования. Интерфейс HDMI 1.4 также не способен передать полный 4К сигнал от источника на телевизор, проблема будет решена только с принятием новой спецификации HDMI - версии 2.0.
Технология доставки UHD контента потребителю
Когда UHD контент уже доступен, следующей задачей становится доставка его потребителю. Причем доставка максимальному числу потребителей, в наиболее удобной форме и на любые устройства, используя спутниковые, кабельные, IP и наземные системы. Главным каналом доставки UHD контента останутся, безусловно, спутниковые провайдеры, т. к. они, во-первых, уже являются основной платформой доставки ТВ в мире, во-вторых, кабельные и эфирные каналы зависят от доставки и ретрансляции сигналов через спутники, в-третьих, стоимость и гибкость спутниковой архитектуры больше подходит для развертывания UHD вещания.
При разрешении выше в 4 раза контент UHD будет требовать большей пропускной способности, чем HD или SD. Даже используя современные системы компрессии, сигнал UHD будет занимать минимум в два раза большую пропускную способность спутниковых транспондеров, чем его предшественники. И здесь ключевой вопрос не в том, смогут ли спутниковые операторы обеспечить доставку UHD, а в том, как это сделать дешевле и эффективнее, используя мощности рабочих спутников. Кроме этого, все основные вещательные компании мира постоянно работают над cнижением капитальных затрат; это необходимо для привлечения новых зрителей, и любое удешевление доставки сигнала ими всячески приветствуется.
Эффективному использованию транспондерных мощностей должны помочь новые форматы компрессии и стандарты вещания HEVC и DVB-S2x. Большинство телеканалов сегодня передаются через спутник, при стандартах DVB-S или DVB -S2, и компрессии в формате MPEG-4 или MPEG-2. Типичный спутниковый транспондер для DTH, посредством DVB-S2, может обеспечить суммарный поток в 45-50 Mbps (усредненное значение), и этот поток может быть заполнен контентом, кодированным в MPEG-2, MPEG-4 или HEVC. Чем выше эффективность используемого кодека, тем выше качество передаваемого контента, либо большее количество каналов может быть размещено в каждом транспондере. К примеру, один HD канал в формате MPEG-4 и передаваемый по DVB-S2 использует 8-12 Мбит/с (в зависимости от частоты кадров), в то время как аналогичный UHD канал потребует около 40 Мбит/с. Таким образом, транспондер сможет доставить 4-5 каналов HD или всего один канал UHD.
Очевидно, что доставка UHD контента требует повышения эффективности передачи и увеличения транспондерных мощностей. Ключом к решению будет развитие нового формата компрессии HEVC (он также известен как H.265), принятого в начале 2013 года. Вместе с использованием стандарта DVB-S2x, который предлагает повышение эффективности транспондера на 20-25%, HEVC может дать требуемые потоки для эффективного размещения UHD каналов. Конечно, развитие формата HEVC еще на ранней стадии, но специалистами было подтверждено уменьшение скорости передачи данных на 35-40% по сравнению с MPEG-4. Учитывая это, будущие UHD каналы смогут использовать поток около 20 Мбит/с, что в сочетании с применением DVB-S2x позволит наличие 3 каналов на одном транспондере, либо комбинацию из UHD и HD каналов. Применение HEVC и DVB-S2x является коммерчески жизнеспособной моделью размещения и трансляции UHD каналов через спутник.
Трансляции в UHD уже доступны для тестового просмотра со спутника SES ASTRA в позиции 19,2° восточной долготы. Этот проект SES реализует в сотрудничестве со своими партнерами, компаниями Harmonic и Broadcom Corporation. Именно компания SES впервые начала вещание UHD контента в стандарте HEVC, и тесты подтвердили высокую эффективность последнего по сравнению с H.264. Следует отметить, что ранее все попытки вещания в UHD проводились в кодировке H.264 либо путем параллельной передачи четырех HD сигналов.
Учитывая высокий прогнозируемый потребительский интерес к UHD контенту, первоочередной задачей является быстрая адаптация телевизионной индустрии к производству и вещанию в новом формате, сегодня разрабатываются основные технологические механизмы и инструменты. Однако для этого потребуется несколько лет, как это было с переходом от SD к HD.
