В рубрику "Оборудование и технологии" | К списку рубрик | К списку авторов | К списку публикаций
Людям свойственно верить в реальность того, что им непонятно. Думаю, вы больше не услышите о 3D-телевидении для массового зрителя. Номер отработан, цирк уехал. Теперь модное сочетание – 4K/UltraHD. С точки зрения громкости афиши термины 4K и UltraHD за последний год наделали много шума в телевизионном мире. По сути своей 4K – формат кинематографического контента с разрешением 4096Hx2160V и скоростью передачи кадров 24 fps. Формат контента UltraHD с разрешением 3840Hx2160V и 8 тыс. пикселей (ITU-RBT.1769-стандарт) адаптирован для цифрового телевидения и превосходит в четыре раза по величине разрешения более осязаемый для сегодняшнего дня TrueHD-1080p. Из этого простого сравнения, казалось бы, следует вполне логичный вывод – UltraHD предлагает зрителям еще более качественную видеокартинку на экране их монитора. В правильности этого предположения легко убедиться при просмотре видеороликов, для которых UltraHD-формат – уже сегодняшняя реальность. В качестве примера можно упомянуть распространение UltraHD файлов, ранее подготовленных средствами офлайн-транскодирования, в широковещательном формате или видео по запросу. Для линейного телевидения миграция в сторону UltraHD выглядит не столь однозначным и простым делом, как кажется на первый взгляд. Причина тому – противостояние давно известных критериев: качество видео относительно производительности существующей сегодня CPU- и ASIC-микропроцессорной техники, как результат – своевременность выбора момента и себестоимость внедрения нового формата.
Сразу оговоримся, в статье не рассматривается псевдо-4K, у которого частота не превышает 30 кадров в сек. Псевдо-4K – это частная мистификация, возникшая на заре зарождения стандарта из-за существующих ограничений по скорости на HDMI 1.4-интерфейсе, широко распространенном на абонентских устройствах.
Две международные организации ITU и SMPTE регламентировали три временные фазы внедрения UltraHD-формата (таблица 1). Сейчас в недрах профильных комитетов DVB/EBU полным ходом идет завершение работы по стандартизации ключевых параметров фазы UltraHD-1 для технологических процессов производства, доставки и представления контента на экране у абонента.
Для создания контента UltraHD используют 4K-видеокамеры, которые сохраняют результат своей работы в виде компрессированного файла (XAVC, AVCUltra, ProRes и т.д.) или отправляют отснятый материал в “сыром” виде на систему обработки по четырем интерфейсам 3G-SDI в реальном времени. В свою очередь, кодер UltraHD выполняет объединение четыреx потоков в один 4K-сигнал и его HEVC-перекодирование, а также уменьшает до значения 4:2:0 параметр цветовой субдескритизации, использующийся на распределительных сетях доставки контента.
Даже после беглого взгляда на таблицу становится понятно, что помимо разрешения определение стандарта включает в себя и ряд других важных параметров. Тем временем, не стоит забывать о согласовании спецификаций на уровне транспортного протокола (Mpeg2.TS или DASH) в разных приложениях, методах защиты дорогостоящего контента (в том числе водяными знаками) и выборе типа интерфейса на соединении с монитором абонента (возможные варианты: HDMI, VESADisplayport 1.2, Thunderbolt 2.0). В качестве примера интерфейс HDMI2.0/HDCP2.2 может работать с частотой кадров не выше 50/60 Hz и, следовательно, непригоден для фазы UltraHD-2.
На момент написания статьи процесс стандартизации первой фазы еще не закончен. Однако уже понятно – для того чтобы в полной мере добиться качественного эффекта зрительского восприятия, UltraHD-контент имеет смысл смотреть на экране с диагональю размерами от 65' или даже 80', а скорость передачи кадров должна быть не ниже 50/60 fps. Спору нет, за счет использования прогрессивной развертки удается избежать проблем с интерлейсингом и дрожанием изображения. Вот только маленький нюанс – качество видеоизображения TrueHD (1080p) формата вполне сравнимо с форматом UltraHD 50/60 fps, если смотреть результат на телевизионном мониторе меньшего размера, но при заметно более низком битрейте в первом случае. Оптимальным значением для UltraHD является частота 100/120 кадров в секунду. Очевидно, более высокая частота и разрешение телепрограммы в формате UltraHD предполагают утилизацию большей полосы пропускания на сетевом участке доставки контента по сравнению с HD-сигналом. Эквивалентное соотношение – как раз увеличение в два–три раза (см. табл. 2).
Нужно понимать, что большая часть специалистов относится к UltraHD не просто как к новому технологическому термину – для них он революционный этап в развитии телевидения, но, увы, время его настанет не раньше чем через два– три года. Если серьезно вдуматься в суть бизнес-процесса, то можно заметить и определенные социальные ограничения для массового приобретения населением телевизионных панелей с диагональю от 65' и выше. В список сдерживающих факторов стоит добавить ряд непростых задач, которые еще предстоит решить собственно при производстве линейного UltraHD-контента, тотальной миграции абонентских устройств на кодек HEVC и HDMI-интерфейс версии 2.0 (как минимум, а лучше 3.0) для поддержки указанных скоростей, трехкратное увеличение битрейта для каждой юникаст-сессии внутри сети передачи данных и пропорциональные сетевые издержки. Но самое главное – все еще отсутствие утвержденного UltraHD-стандарта даже в первой его версии. Собрав все факты воедино, становится сложно поверить в скорый успех распространения UltraHD-телевидения на рынке, тем более для работы на мобильных абонентских гаджетах. Теоретически, конечно, кто-то может предлагать использовать свои частные решения для головных станций линейного UltraHD-телевидения раньше чем с середины 2015 года, однако коммерческое внедрение сырого продукта на распределительной сети любого ранга всегда остается на ваше собственное усмотрение. Стоит ли торопиться и, вероятно, тем самым лишить себя возможности наслаждаться превосходным видео с качеством UltraHD, стать обладателем эффективно спроектированной HEVC-системы компрессии, выполнить мягкий переход к фазе UltraHD-2 в будущем? Сейчас самое время направить усилия на выбор 4K-камер, совершенствование средств студийной обработки 4K-видеоассетов, начать оценивать качество работы ультрасовременных платформ компрессии с поддержкой UltraHD-1/HEVC кодирования.
Открытый стандарт видеокодирования HEVC, high efficient video codec (ITU-T – H.265; ISO/IEC Moving Picture Experts Group – 23008-2), обладает более высоким коэффициентом сжатия видеоконтента в сравнении с хорошо известным кодеком H.264/MPEG4 при неизменном качестве сигнала. Степень сжатия увеличивается в зависимости от типа разрешения: для контента SD приблизительно на 30%, для HD 1080p на 50% и еще больше для 4K-формата. Кодек HEVC является предметом ряда интересных дискуссий в недрах комитетов ITU-T и ISO и выглядит лучшим кандидатом для компрессии и доставки контента с разрешением UltraHD на абонентские телевизионные приемники. По сути своей, HEVC представляется эволюционным развитием кодека MPEG4. Для кодирования видео в нем применяется такой же алгоритм, как в MPEG4, заключающийся в применении внутри- и межкадрового (Intra/Inter) предсказания и двухмерного кодирования с преобразованием. Первый кадр видеопоследовательности кодируется с использованием только внутрикадрового предсказания, а для последующих кадров используется режим межкадрового временного предсказания. Несмотря на появление ряда дополнительных усовершенствований (Improved motion compensation, Advanced motion vector prediction, Adaptive in-loop deblocking filter, Sample Adaptive Offset Coding), следует выделить два очень важных отличия между этими кодеками в реализации собственно процесса кодирования. Первое: в HEVC кадр сканируется на блоки кодирования (coding unit) с изменяющемся размером от 64x64 пикселя до 8x8 пикселя (в MPEG4 фиксированный размер макроблока 16x16 пикселей) в зависимости от сложности контента. В свою очередь, каждый блок кодирования делится на элементарные трансформирующиеся элементы (transform unit) размером 4x4 пикселя. Применение иерархической древовидной системы секционирования кадра в HEVC позволяет контролировать необходимую степень кодирования, в которой нуждается определенная его часть. При возникновении малейших изменений в оставшейся области кадра имеется возможность мгновенно сфокусировать более мощный ресурс кодирования на сложном участке. Фиксированные макроблоки AVC 16x16 пикселей сравнительно менее эффективны по своей избыточности, так как каждый из них будет закодирован с одинаковой сложностью вне зависимости от того, требуется это или нет. Второе: в HEVC существует 35 возможных уровней внутри кадрового пространственного предсказания против девяти в AVC, позволяющих получить значительно более точную структуру исходного изображения.
Кодек HEVC сам по себе много сложнее, чем H.264 и тем более MPEG2. При компрессии видеоассета нужно выполнять большее количество элементарных математических операций, и, как результат, это требует значительно большего количества вычислений. К счастью, все эти сложности не являются критичными в решениях обработки видео, благодаря современным мощностям в вычислительной технике. Стандартом определены правила технической реализации HEVC-кодирования. Каждый производитель оставляет за собой право выбрать способ обработки видеокадра на этапе его подготовки собственно к кодированию. На свое усмотрение разработчики оборудования компрессии применяют один из следующих подходов при работе с видеокадрами:
При заметно более раннем появлении на рынке (конец 2013–2014 год) очевидным минусом способов с секционированием кадра является видимость декомпозиционных границ при пограничных величинах битрейта, особенно для UltraHD-формата на большом мониторе! Объяснение этому феномену достаточно простое (так было и при появлении AVCкодека) – в силу недостаточной процессорной мощности UltraHD-кадр делится, например, на четыре части, которые кодируются отдельно друг от друга на физически разных устройствах как параллельные процессы. Единовременная обработка целого кадра гарантирует лучшее качество видеокартинки, но требует самой большой вычислительной мощности и производительности самого кодера. Производитель оборудования реализует в своем кодере на выбор один из указанных способов в зависимости от доступных ему средств интеллектуальной собственности на алгоритмы преобразования кадра, быстродействия программного обеспечения и достигнутой степени интеграции с центральным процессором и микропроцессорным окружением, разработанным специально для выполнения конкретных функций высокоемкого кодирования.
Преимущества HEVC-кодека очевидны и лежат на поверхности для компаний-провайдеров и операторов в OTT-бизнесе: экономия на сетевых ресурсах доставки контента, уменьшение размера видеофайлов, а как следствие – сокращение количества устройств для хранения видеоданных, стимул к внедрению качественных услуг высокого разрешения. Примерно через один–два года наш рынок ожидает появления в розничной торговле абонентских устройств с аппаратным декодированием HEVC/H.265 на основе чипсетов. Уже сегодня производители программного обеспечения предлагают “софтовые” HEVC-плееры (например VLC) для телевизоров, STB-компьютеров, а также мобильных устройств на Android-платформе. Ни у кого нет сомнений в том, что HEVC будет основным кодеком для UltraHD и станет достойным наследником H.264-кодека в части SD-(если будет актуален) и HD-форматов. При разработке стратегии развития и выборе оборудования имеет смысл ориентироваться на оба стандарта сжатия: H.264 – сегодняшняя реальность и возможность перехода на HEVC завтра путем замены программного обеспечения (или добавления лицензии) в недрах вашей головной станции. В скорый совместный успех связки UltraHD/HEVC для индустрии линейного OTT-телевидения верится, в первую очередь, в премиальном сегменте Connected TV и STB-приставок, а мобильные приложения подтянутся вторым эшелоном.
Многообразие патентованных протоколов адаптивного потокового вещания в Интернете – AppleHLS, MicrosoftSmoothStreaming, AdobeHDS, использующих HTTP в качестве транспортировки данных, – продиктовано производителями абонентских гаджетов (признающих обычно только свой собственный частный метод) и создает немалую головную боль для компаний – операторов связи. Для того, чтобы оказывать телевизионные услуги абонентам на базе всех трех протоколов, нужно предусмотреть для них индивидуальные ресурсы на головной станции (кодирование, сегментация, хранение), уникальный метод шифрования, оборудование транспортной сети, собственные абонентские плееры. Удовольствие это дорогое, долгий процесс принятия решения и строительства, проблемы с масштабируемостью и, как результат, снижение качества услуги или вовсе ее полное отсутствие для абонента. Статистика последних лет подтверждает, что оператор выбирает реализацию одного, максимум двух способов адаптивного стримминга, стыдливо забывая о части своих потенциальных абонентов. Повлиять на ситуацию положительным образом помогла спецификация DASH, за разработку которой взялась группой инженеров Moving Picture Expert Group (MPEG) в 2011 году.
Индустриальный форум DASH-IF (http://dashif.org/) внедряет открытые протоколы адаптивного потокового вещания в Интернете. Впервые DASH (Dynamic Adaptive Streaming over HTTP) как набор стандартов (MPEG-DASH-profile) был опубликован в документе ISO/IEC 23009-1:2012 с целью заявить о функциональной совместимости на транспортном уровне интернет-приложений от разных производителей. По состоянию на середину 2014 года были подготовлены нормативные рекомендации для реализации DASH-AVC/264HD, DASH-AVC/264SD, DASH-HEVC/265, DASH-HEVC/265 1080p 8 и 10 бит, а также аудиокодеков и переноса субтитров. В разделе dash.jsjavascriptframework представлены базовые принципы и открытые исходные материалы для разработки и усовершенствования DASH-плееров на разные гаджеты. Сейчас полным ходом идет работа над созданием описания механизмов MPEG-DASH-транспорта для передачи контента UltraHD-разрешения.
В результате совместной работы с DVB – международными организациями MPEG-DASH-профайл был ратифицирован (июль 2014 года) для передачи DVB-сервисов в IP-сетях на базе спецификации ISO BMFF для Smartphone-, Tablet-, PC-, ConnectedTV-абонентских устройств. Европейский вещательный союз EBU (European Broadcasting Union) и представители Hybrid Broadband Broadcast TV cообщества поддержали использование MPEG-DASH-профиля в HbbTVv2-спецификации с целью доставки телевизионных интернет-ориентированных приложений внутри широковещательной сети. По состоянию на сегодняшний день, спецификация HbbTV получила большую популярность за пределами Европы, в таких странах как Китай, Япония, США.
Огромным плюсом транспортного протокола DASH является его прозрачность для распространения сигнала в любой среде – Интернет, мобильное телевидение и широковещательная инфраструктура. В результате абонент получает единый терминал как для доступа к традиционной широковещательной услуге, так и к OТT-сервису. Производители ТВ-оборудования успешно выпускают гибридные телевизоры и приставки (set-top-box) для совместного приема как традиционных широковещательных (DVB-S, DVB-T/T2, DVB-C), так и DASH (ISOBMFF- или HbbTV-спецификация) ориентированных интернет-сервисов. Для отечественных компаний в сегменте кабельного и цифрового эфирного телевидения наличие на рынке доступных гибридных приставок – отличный стимул для сохранения существующего бизнеса и плавной миграции в OTT-рынок. Весомое преимущество DASH перед HLS, Smooth, HDS в том, что для воспроизведения контента можно использовать почти любой стандартный браузер (IE11, Chrome, Safari) на компьютере без дополнительных flash-надстроек и специализированных плееров, а на мобильном гаджете установить программное приложение (например, плеер VisualOn). По понятным причинам компании Apple, Microsoft и Adobe не торопятся имплементировать в свои гаджеты (iOS, Android, WindowsPhone) поддержку DASH по умолчанию с завода. Не беда, поставить плеер не так уж и сложно.
Подводя итог, выделим главное – стандарт DASH разработан с целью получить унифицированный транспортный протокол адаптивного http-потокового вещания и воспроизведение медиаданных на любом абонентском устройстве с поддержкой технологии шифрования контента общим алгоритмом криптования Common Encryption (ISO/IEC 23001-7).
Опубликовано: Журнал "Broadcasting. Телевидение и радиовещание" #8, 2014
Посещений: 13984
Статьи по теме
Автор
| |||
В рубрику "Оборудование и технологии" | К списку рубрик | К списку авторов | К списку публикаций
