Hlavní navigace

Jaký kompresní standard použije Česko u budoucího vysílání Ultra HD v DVB-T2?

V úvahu připadají dvě varianty: H.264/AVC a H.265/HEVC. Pro první mluví široké uplatnění již nyní (obsahují ho přijímače DVB-T2 na trhu), druhý umožní lépe využít datový tok

Doba čtení: 9 minut

Pár slov úvodem

Poměrně krátká historie digitální televize mě poučila, že směry jejího vývoje nejsou snadno předvídatelné. Systémy, které se zdály být perspektivní, se buď neujaly vůbec (např. DVB-T MHP), nebo se nerozvíjí zdaleka tak rychle, jak se původně předpokládalo (např. 3D televize, HbbTV). Důvodů by se našlo více, ale to by bylo asi zajímavé téma na jiný článek…Co se však jeví v současné době jako téměř jistota, je jednoznačné směřování k vyššímu rozlišení obrazu v rámci rozsáhlých celosvětových aktivit (především objektivního a zejména subjektivního testování videa a audia) v oblasti nazývané QoE (Quality of Experience). Jde o obtížně přeložitelný pojem „kvalita prožitku“ produktu nějaké služby – v tomto případě obrazu, případně zvukového doprovodu. O tom, že televizní svět směřuje od současného Full HD k ještě mnohem vyššímu rozlišení obrazu ve službě označované zkratkou UHDTV (Ultra High Definition TV), přinesl jako obvykle přesvědčivé důkazy největší světový veletrh spotřební elektroniky CES (Consumer Electronic Show) na začátku tohoto roku v Los Angeles. Již v roce 2012 schválila organizace ITU Doporučení BT 20 pro službu UHDTV, které definuje její dvě úrovně:

  • UHD 1 4K s rozlišením 3 840×2 160 = 8 294 400 pixelů,
  • UHD 2 8K (Super Hi-Vision) s rozlišením 7 680×4 320 pixelů = 33 177 600 pixelů.

V obou úrovních se předpokládá kvantování 10/12 bitů na vzorek a snímkový kmitočet 50 až 120 Hz. Zatímco první úroveň bude zřejmě v budoucnosti standardem pro domácí televizi, druhá úroveň se uplatní spíše v digitální kinematografii.


Foto: archiv DigiZone.cz

Rozdíl mezi běžnými typy rozlišení obrazu a Ultra HD/4K

Výrazné zvýšení počtu pixelů (obrazových bodů) klade přirozeně vysoké nároky na přenosovou rychlost digitálních obrazových dat. Ta dále vzrůstá s předpokládaným zvýšením snímkového kmitočtu na 50/60 Hz a později i více. To je nutné, protože v případě UHDTV se předpokládá zmenšení optimální pozorovací vzdálenosti obrazu na 1,5 násobek (v případě rozlišení 4K) nebo dokonce 0,75násobek (pro 8K) výšky obrazu. Přitom se zvyšuje možnost vjemu nežádoucích artefaktů především v dynamických scénách. Z toho vyplývá, že v zemské platformě druhé generace DVB-T2, ve které se již v současnosti vysílá HDTV ve více jak 20 státech a která bude možná využita pro vysílání UHDTV i v České republice, bude nutno aplikovat ve zdrojovém kódování spektrálně účinnější kompresní standardy. 

Zemská vysílací platforma druhé generace DVB-T2

Základní parametry zemské vysílací platformy DVB-T2 jsou uvedeny v následující tabulce. Podrobnosti o architektuře, parametrech a detailních vlastnostech této platformy najde čtenář např. v článku stejného autora na DigiZone.cz z ledna 2009.

  1. V režimu VCM (Variable Coding and Modulation) a ACM (Adaptive Coding and Modulation) lze měnit, příp. optimalizovat modulaci a systémové parametry pro různé uživatele v reálném čase
  2. Kódy LDPC (Low Density Parity Check) a BCH (Bose-Chaudhuri -Hocquengham) jsou účinné korekční kódy pro opravu chyb při vysoké úrovni šumu a interferencí v kanále. 

V tabulce jsou červeně označeny parametry, které byly použity při experimentálním vysílání kombinace signálů UHDTV v platformách DVB-T2 / T2 Lite na IBC v Amsterodamu v roce 2013. Při této kombinaci byla přenosová rychlost v 8 MHz kanále 25,24 Mbit/s. Tomu odpovídá jeden program UHDTV 4K – 50 Hz a jeden program přenášený současně v platformě T2-Lite pro malý mobilní terminál (1,02 Mbit/s). Požadovaný odstup signálu od šumu musel být větší než 20 dB pro DVB-T2 a cca 3 dB pro T3-Lite, která využívá modulaci QPSK.

Pro představu, jak účinné musí být kompresní algoritmy pro UHDTV, si ukažme alespoň přibližně potřebné přenosové rychlosti pro nekomprimované digitální obrazové signály různých formátů. Pro formát 720p/25 je rychlost nekomprimovaných obrazových dat zhruba 405 Mbit/s. Pro formát 1080p/25 je to cca 1036 Mbit/s a pro formát 1080p/50 již 2072 Mbit/s. Nejnižší úrovni UHDTV UHD 1 (4K) při 50 snímcích přenášených za 1 sekundu, odpovídá rychlost bitového toku nekomprimovaných obrazových dat ještě čtyřikrát vyšší…..

Pro kompresi signálů UHDTV ve zdrojovém kódování se jeví (zatím) dva možné standardy:

  • standard MPEG 4 AVC (Advance Video Coding) označovaný také MPEG 4 Part 10 a dle ITU H.264),
  • nový standard MPEG-H Part 2, dle ITU označený H.265/HEVC (High Efficiency Video Coding). V roce 2013 byl standardizován normou ISO/IEC 23008–2 a také doporučením ITU-H 265.

Srovnání parametrů kompresních standardů H.264 a H.265

Standard H.264

Vychází ze základních principů standardu MPEG-2, jehož parametry se zlepšily natolik, že se průměrný kompresní poměr zvýšil až dvakrát. Není již nejmladší – byl standardizován v roce 2003 a je definován normou ISO/IEC 14496–10. V současnosti je využíván především pro kompresi obrazových dat při vysílání HDTV prakticky ve všech platformách, ale i při magnetickém a zejména optickém záznamu (HD DVD, Blu Ray) aj.

Základní parametry standardu H.264 (MPEG-4 AVC)

V tomto kompresním standardu je, ve srovnání se standardem MPEG-2, použita, kromě řady dalších zlepšení, zejména 

  • proměnná velikost bloku VBSMC (Variable Block Size Motion Compensation) pro stanovení vektoru pohybu (od 4×4 do 16×16 obrazových bodů, umožňující přesné vymezení oblasti obrazu s dynamicky proměnným obsahem,
  • multi-snímková kompenzace pohybu užívající již kódované snímky jako reference,
  • flexibilní řazení makrobloků FMO (Flexible Macroblock Ordering),
  • celočíselná transformace (místo DCT v MPEG-2) pro redukci zaokrouhlovacích chyb,
  • Hadamardova transformace aplikovaná na stejnosměrné koeficienty primární transfer-mace – v částech obrazu s konstantní barevnou, případně jasovou distribucí zvětšuje významně kompresní poměr, 
  • multi-snímková predikční kompenzace pohybu umožňující využít až 32 referenčních snímků (ve standardu MPEG-2 jeden ve snímcích typu P a dva ve snímcích typu B),
  • zlepšené adaptivní kódování s proměnnou délkou slova CAVLC (Context Adaptive Variable Lenght Coding) místo statického kódování VLC v MPEG-2, 
  • vážená predikce, která významně zlepšuje kompresi v některých typech scén (např. stmívání, prolínání apod.),
  • adaptivní deblokovací filtr, který potlačuje viditelnost bloků, často významně degradující kvalitu obrazu – zejména na hranách (titulky apod.) aj.

Zmíněné operace nejsou použity ve všech profilech. 

Profily standardu MPEG- 4 AVC 

Standard rozlišuje celkem sedm profilů, určených pro různé aplikace.

Základní profil BP (Baseline Profile) – pro aplikace v PC, videokonference, mobilní komunikace apod. Není určen pro prokládané řádkování.

Hlavní profil MP (Main Profile) – původně určen pro spotřební videotechniku a TV vysílání
s prokládaným řádkováním. Dnes jej postupně nahrazuje profil HiP. 

Rozšířený profil XP (Extended Profile) – má relativně vysoký kompresní poměr a zvýšenou
odolnost vůči ztrátám v datovém toku. Je vhodný pro e-streaming.

Vysoký profil HiP (High Profile) – základní profil pro TV vysílání (zejména HDTV), kvalitní
optický videozáznam (např.HD DVD, Blu-Ray Disc aj.). 

Vysoký profil 10 Hi10P (High 10 Profile) – je obdobou profilu HiP, ale podporuje 10 bitové
kvantování vzorků video signálu.

Vysoký profil 4:2:2 Hi422P (High 4:2:2 Profile) – je určen pro profesionální video aplikace
(prokládané řádkování, formát vzorkování 4: 2 : 2, 10 bitové kvantování vzorků).

Vysoký profil 4:4:4 Hi444P (High 4:4:4 Profile) – je zamýšlen pro profesionální video
aplikace (formát vzorkování 4: 4 : 4, až 12 bitové kvantování vzorků) aj.

Kromě profilů standard definuje 5 úrovní s řadou mezistupňů, které představují výkonový limit odpovídajících kodeků. Liší se zejména maximálním počtem makrobloků zpracovávaných za 1s, rozlišením a z toho vyplývající rychlostí bitového toku, která je závislá také na použitém profilu apod.

Standard H.265 (HEVC)

Cílem vývoje tohoto standardu mělo být další snížení přenosové rychlosti při zachování stejné kvality (rozlišení) obrazu zhruba opět na polovinu ve srovnání se standardem (kodekem) H.264. Vychází opět ze základních principů standardů MPEG-2 a MPEG-4 AVC. K redukci využívá opět časovou i prostorovou redundanci a vysokou korelaci obrazového signálu. Na detailní vysvětlení funkce není v tomto článku prostor, a proto se omezím jen na výčet inovací a změn ve srovnání se standardem H.264.

Základní změny ve standardu H.265 (HEVC) oproti H.264

  • využívá nové rozměry bloků a jejich průběžné změny v průběhu komprese. Základní stromová struktura je více adaptivní a umožňuje mnohem flexibilnější predikci. V málo členitých oblastech scény lze použít větší bloky. Bloky se dělí na: 

kódovací CU (Coding Unit) – přípustné matice: 64×64, 32×32,16×16 a 8×8 pixelů,

predikční PU (Prediction Unit), které mohou být čtvercové, pravoúhlé, symetrické i
nesymetrické,

transformační TU (Transform Unit) – přípustné matice: 32×32, 16×16 a 8×8 pixelů,

  • vnitrosnímková predikce IP (Intra Prediction) umožňuje 35 směrových módů místo 9 ve standardu H.264,
  • jasové vzorky lze interpolovat s přesností na ¼ pixelu ze 7 hodnot,
  • pro entropické kódování se používá adaptivní kódování CABAC (Context Based Adap-tive Binary Arithmetic Coding),
  • profily a úrovně standardu H.264 jsou doplněny o tzv. vrstvy (Tiers). Ty definují maximální bitovou rychlost a velikost obrazové paměti a tedy i kvalitu obrazu po kompresi. Mají vztah k podporovaným video-formátům. Vrstvy jsou definovány tři:

Main, Main 10 (pro většinu aplikací DVB) a Main Still Picture (pro studiové aplikace).

Pro vrstvy Main a Main 10 je specifikováno dále ještě 13 úrovní. Tak např. úrovni 4.1 odpovídá formát 1080p – 50/60 Hz s přenosovou rychlostí 12 Mbit/s ve vrstvě Main a 30 Mbit/s ve vrstvě Main 10. Podobně např. úrovni 5.1 odpovídá UHDTV formát 4K – 50/60 Hz s přenosovou rychlostí 40 Mbit/s ve vrstvě Main a 160 Mbit/s ve vrstvě Main 10.

Závěrem

Závěr může být stručný. Že přijde časem vysílání UHDTV i k nám, je, myslím, nezvratný
fakt a je třeba se na něj připravit. Zatím se nám to, alespoň dle mého soudu, příliš nedaří, a to ani v oblasti zemského vysílání HDTV. Všimněte si, prosím, že se do jisté míry opakuje situace s 3D televizí. Na novou situaci se musí připravit celá řada institucí – od těch, které plánují vlastní vysílání a využití kmitočtového spektra, technicky jej zabezpečují, přes tvůrce UHDTV programů a jejich potřebné technické vybavení apod. Tyto přípravy, ale také další provoz, budou nepochybně i finančně náročné a troufám si odhadnout, že bude nutno sáhnout i v zemském vysílání k formě Pay TV.

Technicky asi nejlépe na tom budou diváci. Jako obvykle byli a jsou připraveni nejdříve výrobci televizních přijímačů. Již dnes je v ČR na trhu několik typů televizorů s nativním rozlišením zobrazovačů 4K (Samsung, Thompson a další) i když se jejich vlastníci zatím nemají na co koukat. Chybí plnohodnotný UHDTV obsah, ale na to jsme z 3D televize již zvyklí…Pokud jde o doporučení, jaký kompresní standard použít, je, alespoň pro mne, situace jasná. Pokud se v dohledné době podaří zvládnout především ekonomicky výhodnou výrobu kodeků (zejména hardware pro dekompresi v přijímači), je rozhodně aplikace kodeku H.265 pro UHDTV výhodnější, především svou účinností komprese. Kodek H.264 má proti němu naopak výhodu, že je již vyzkoušený a implementovaný ve většině současných TV přijímačů. Přesto jsem přesvědčen, že o žádnou „ekonomickou ztrátu“ diváků nepůjde. Při přechodu na příjem a plnohodnotné sledování programů UHDTV stejně bude nutný přijímač s vysokým nativním rozlišením, v jehož ceně se nový kodek hravě schová.

Content

Problematičtější bude, na rozdíl od satelitní vysílací platformy DVB-S2, kde není tak kritické omezení šířky pásma kanálu, zejména nasazení UHDTV v zemském vysílání, o němž je právě tento článek. Bude zřejmě náročnější i s ohledem na požadované kanály pro tuto službu – dosud užívaný pojem multiplex možná ztratí poněkud smysl, pokud v něm bude možná jen jeden UHDTV program…V té souvislosti mne napadá poněkud provokativní myšlenka, zda televizí opouštěné pásmo 700 MHz (tzv. druhá dividenda) není z tohoto pohledu poněkud předčasné….

Nicméně nechci být ani provokatér, ani skeptik. Věřím, že i u nás si UHDTV k diváků cestu najde.

Našli jste v článku chybu?