Pc- laitteet ja viihde-elektroniikka
Etusivu Palvelut Ota yhteyttä Linkit Tekniikka

Haukipudas
Ouluseutu
Suomi

<< Takaisin tekniikan aloitussivulle <<

UHD (Ultra High definition)

Uusi resoluutio ja muita ominaisuuksia

UHD-suosituksessa (RECOMMENDATION ITU-R BT.2020-2) määritellään resoluution lisäksi myös muita uusia ominaisuuksia, joita ovat parempi värisyvyys, laajempi väriavaruus ja suuremmat kuvataajuudet. Siirtofunkio, valkoisen pisteen CIE-koordinaatit ja väri-informaation alinäytteistystavat ovat entisellään.

4K UHD, 8K UHD

UHD-näytön resoluutio on 3 840 x 2 160 (4K UHD). Pikseleitä on nelinkertainen määrä verrattuna Full HD-näyttöön. Myös resoluutio 7 680 x 4 320 (8K UHD) on määritelty. UHD-näyttöjen kuvasuhde on 16:9 ja pikselin sivusuhde on 1:1 eli pikselin muoto on neliö.

SD, Full HD, 4K UHD, K UHD 

UHD-sisältöä saadaan UHD-Blu-ray soittimesta tai verkon suoratoistopalveluista kuten NetFlix ja YouTube. Näytöissä on skaalain. TV-lähetysten ja muiden lähteiden pienemmät resoluutiot skaalataan haluttaessa koko ruudun kokoiseksi. Laatu ei luonnollisesti parane skaalaamalla, vaan se säilyy alkuperäisen resoluution mukaisena.

UHD-resoluutio voidaan hyödyntää täysimääräisesti, jos ruutu on laaja ja katseluetäisyys lyhyt. 42" 4K UHD-ruudun optimietäisyys on noin 0.8 metriä, jolloin paneelia voi käyttää myös tietokonenäyttönä, kunhan tietokoneen tekniikka tukee 4K kuvaa ja paneelista saa kytkettyä viivettä aiheuttavat kuvanparannuspiirit pois.

Kuvataajuus

Suositukseen on määritelty kuvatajuudet 120, 120/1.001, 100, 60, 60/1.001, 50, 30, 30/1.001, 25, 24 ja 24/1.001. Kaikki kuvataajuudet lomittelemattomia (progressiivia), eikä perinteinen, kahdesta peräkkäisestä puolikuvasta muodostuva ja siirtokaistaa säästävä lomiteltu video ole enää mukana. Tällä hetkellä esimerkiksi YLE:n HDTV-lähetykset Suomessa ovat lomiteltuja 1080i lähetyksiä.

Väriavaruus

UHD-järjestelmässä tavoitellaan Rec. 2020 mukaista väriavaruutta. Alkuvuodesta 2017 ei kuitenkaan ole paneelia, joka toistaisi Rec. 2020 väriavaruuden. Toistaiseksi 2020 väriavaruus on sovittu tapa, kehys, jolla väri-informaatio välitetään. Rec. 2020 kehyksessä välitetään toistaiseksi suppeampaa DCI-P3 väriavaruutta, joka on hiukan perinteistä Rec. 709 laajempi. Rec.709 on käytössä HDTV-lähetyksissä, Blu-Ray-viedoissa, DVD-videoissa ja vastaa tietokoneen sRGB-väriavaruutta.

Rec. 2020

UHD-aineistoissa voidaan käyttää vaihtoehtoisesti myös perinteistä Rec. 709 väriavaruutta. Usea yhtäaikainen järjestelmä aiheuttaa muutamia ongelmia:

  • Laitteet pitää kalibroida kullekin järjestelmälle erikseen. Jokaiselle väriavaruudelle tulisi olla omat säädöt ja muistipaikat
  • Tiedetään paneeleita, joiden säädöt lakkaavat toimimasta, kun valitaan tietty väriavaruus
  • Reaaliaikaiset muunnokset värijärjestelmien välillä ovat ongelmallisia. Esimerkiksi mitä tehdään käytössä olevaa väriavaruutta syvemmille väreille tai miten laajemmasta väriavaruudesta tuleva väri sijoitetaan käytössä olevalle suppeammalle värialueelle.

Valkoinen piste D65

Valkoinen piste on kaikissa mainituissa värijärjestelmissä sama D65. CIE 1931 värikaaviossa koordinaatit ovat x = 0.3127 ja y = 0.3290. Tarkasti säädetty harmaasävyjen valkotasapaino on edelleen tärkein perusta hyville väreille. Erityisesti harmaasävykuvat ja -videot näkyvät kaikissa järjestelmissä täsmälleen saman sävyisinä.

Siirtofunktio EOTF (electro-optical transfer function)

UHD-suosituksessa esiteltiin perinteinen siirtofunktio OETF. Sen käänteisfunktio on EOTF (aiemmin "gamma"), jolla normalisoidut videokanavien arvot muunnetaan normalisoiduiksi luminansseiksi. Pienillä lähtöarvoilla (alle ~8.15%) siirtofunktion kuvaaja on suora ja suuremmilla lähtöarvoilla kuvaajan eksponentti on 2.22.

Perinteinen EOTF ja OETF

Siirtofunktion akseleiden arvot ovat suhteellisia ja luminanssit on normalisoitu suurimman luminanssin (esimerkiksi 150 cd/m2) ja RGB-väridata vastaavasti suurimman valoisuusarvon (235, 235, 235) suhteen. Suurin luminassi on perinteisesti ollut vapaasti valittavissa näytön ominaisuuksien mukaan. Rec.1886 suosituksessa on esitelty "referenssi valkoisen luminanssi", jonka arvo on nyt 100 cd/m2.

Asiallinen maksimikirkkaus esimerkiksi projektoreissa on luokkaa 50 cd/m2, näytöissä ja televisioissa 80-150 cd/m2, kun kuvaa katsotaan normaalissa tai kevyesti himmennetyssä ympäristössä. Suuremmat valoisuudet rasittavat helposti silmiä.

Toinen periaattellinen siirtofunkiotyyppi on absoluuttinen (esim PQ), jossa valoisuusarvot on määräytyvät suoraan lähteen binääriarvojen perusteella. Kuvassa näkyvät kirkkaudet on asetettu tuotantovaiheen aikana, eikä kuvan "valoisuutta" ole tarkoitettu säädettäväksi. Järjestelmä pystyy välittämään suuria kirkkauksia, mutta rajoitetulla alueella ja rajatun aikaa. Kauan kestävän, koko näytölle leviävän valkoisen suurin luminanssi on noin 100 cd/m².

Värikomponenttien alinäytteistys

Videosignaali jaetaan komponentteihin: luminanssiin (Y') ja värikomponentteihin (Cb) ja (Cr). Näköaisti on herkkä luminanssin vaihteluille ja vähemmän herkkä värien vaihtelulle. Siksi datavirtaa voidaan supistaa tehokkaasti heikentämällä värien koodaustarkkuutta ilman, että kuvan subjektiivinen laatu heikkenee merkittävästi.

UHD järjestelmä tuntee 4:4:4, 4:2:2 ja 4:2:0 näytteistykset.

  • 4:4:4 otetaan yksi värinäyte jokaisesta resoluution pisteestä
  • 4:2:2 otetaan yksi värinäyte kahdesta vierekkäisestä resoluution pisteestä
  • 4:2:0 otetaan yksi värinäyte kahdesta vierekkäisestä ja kahdesta alekkaisesta resoluution pisteestä eli yksi värinäyte edustaa neljää resoluution pistettä

Ultra HD Blu-Ray soittimet käyttävät 4:2:0 alinäytteistystä siirtokaistan säästämiseksi. Verkon streamauspalvelut sekä tv-lähetykset hyödyntävät samaa 4:2:0 alinäytteistystä.

Värisyvyys

Aiempaa tarkempi, 10- tai 12-bittinen kvantisointi tarvitaan, jotta laajemman väriavaruuden väriliu'ut saadaan esitettyä portaattomina. Videolähteestä riippuen koodauksessa varataan sekä ala- että yläpäästä jaksot, joita ei käytetä signaalin kuvaamiseen. Värisyvyyden mukaan saadaan tasot:

  • 8-bittiä: 220 tasoa (mustan taso 16, nimellinen huippu 235)
  • 10-bittisessä 877 tasoa (mustan taso 64, nimellinen huippu 940)
  • 12 bittisessä 3505 tasoa (mustan taso 256, nimellinen huippu 3840)

8-bittinen Rec. 709 väriavaruuden väriliuku porrastuu helposti, jos kalibroitaessa joudutaan tekemään suuria korjauksia. Siksi aiempaa suurempi värisyvyys on tarpeen. Tarve korostuu entisestään, kun väriavaruus kasvaa.

Sisällön suojaus

HDCP-järjestelmää (High-Bandwith Digital Content Protection) käytetään sisällönsuojaukseen. Yhteensopimattomalle laitteelle ei välitetä suojaamatonta aineistoa. Datan salaus estää kopioinnin suoraan kaapelista. Lisäksi laitteen valmistajan avain voidaan poistaa jos lisenssiehtoja rikotaan.

Nykyinen (2017) HDCP-versio on 2.2. Muista AV-standardeista poiketen HDCP:n uusin versio ei ole taaksepäin yhteensopiva. Yhteensopimattomuus johtuu aiempien suojauksien heikkouksista, mikä johti suojauksen murtamiseen. Uusi suojaus ja yhteensopimattomuus on sisällöntuottajien tarkoituksellinen valinta.

Kaikkien liitettävien laitteiden sekä median täytyy tukea samaa sisällönsuojauksen versiota. UHD Blu-ray levy, väliin kytkettävä kotiteatterivahvistin sekä näyttö toimivat ketjuna yhdessä, jos ne tukevat samaa HDCP versiota.

HDMI liitäntä

Kaksi UHD- tai HD-laitetta yhdistetään HDMI kaapelilla. Yhdessä kaapelissa voidaan kuljettaa digitaalisena erilaista dataa ja osin kahteen suuntaan:

  • video: sRGB, YCbCr 4:4:4/4:2:2/4:20, xvYcc, 3D, rec. 2020 jne.
  •  video: 4K30Hz, 4K60Hz, 4K120Hz, 8K120Hz ja 10K120hz jne.
  • audio: LPCM 8ch 192kHz 24bit, DVD-audio, DSD, 32 ch audio, 4 audio streamia jne.
  • audio: Dolby ThueHD, DTS-HD MA, Laajennettu audio paluukanava (eARC) jne.
  • muita: Ethernet, Hybrid Log-Gamma, HDR staattinen ja HDR dynaaminen metadata jne.

HDMI-kaapelille ei ole vaihtoehtoa. Se on edullinen ja yksinkertainen tapa siirtää kuvaa ja ääntä.

HDMI-versio ja sen ominaisuudet määräytyvät liitännän takana olevan elektroniikan perusteella. Kaapelissa ei ole HDMI-version mukaisia "ominaisuuksia". Sen sijaan siirron häiriöttömyyteen vaikuttaa, kuinka huolellisesti kaapeli on tehty ja kuinka pitkä kaapeli on. Edullista kaapelia kannattaa ainakin kokeilla, jos sen pituus on kohtullinen. Esimerkiksi Full HD-kuva siirtyy moitteettomasti 15 metriä pitkillä edullisilla kaapelilla.

Uusi HDMI 2.1-versio on esitelty tammikuussa 2017. Sen tärkein ominaisuus kasvanut siirtonopeus. Kaapelissa yksi johdinpari siirtää nyt 12 Gbit/s ja siirtoon käytetään neljää johdinparia entisen kolmen sijasta. Kolmen uusimman HDMI-version siirtokapasiteetit ovat:

  • HDMI 2.1 - 48 Gbit/s
  • HDMI 2.0 - 18 Gbit/s
  • HDMI 1.4 - 10.2 Gbit/s

HDMI 2.1 ensitiedoissa kerrotaan, että 8K60 ja 4K120 tarkkuuksia varten tarvitaan uusi kaapeli. Toisaalta kerrotaan, että liittimet ovat entiset (Tyypit A, C tai D) ja kaapeli on taaksepäin yhteensopiva. Vaikuttaa siltä, että kaapeli on teknisesti sama kuin aiemminkin.

Siirtonopeus

Siirtonopeuteen vaikuttaa resoluutio, kuvataajuus, värisyvyys, ja värikomponenttien näytteistys. Kuvataajuuden kaksinkertaistaminen kaksinkertaistaa siirtonopeuden, kun taas väri-informaation 4:2:0 alinäytteistys pienenentää datavirran puoleen verrattuna 4:4:4 näytteistykseen. Sen sijaa pieni kuvataajuuden muutos 50-60 Hz ei vaikiuta lainkaan tarvittavaan siirtonopeuteen.

Nopeammalle 48 Gbps/s siirtonopeudelle on selvä tarve.

RESOLUUTIO TAAJUUS NÄYTTEISTYS 8 bit 10 bit 12 bit
4K UHD 25 4:2:0      
4K UHD 25 4:2:2    
4K UHD 25 4:4:4 8.91 Gbps 11.14 Gbps 13.36 Gbps
4K UHD 50 4:2:0 8.91 Gbps 11.14 Gbps 13.36 Gbps
4K UHD 50 4:2:2      
4K UHD 50 4:4:4 17.82 Gbps 22.28 Gbps 26.73 Gbps
4K UHD 60 4:2:0 8.91 Gbps 11.14 Gbps 13.36 Gbps
4K UHD 60 4:2:2      
4K UHD 60 4:4:4 17.82 Gbps 22.28 Gbps 26.73 Gbps

Erityiskysymyksiä

  • Kasvanut resoluutio ei ole tärkein UHD-tekniikan mukana tuleva uudistus.
  • Arvioidaan, että uusi väriavaruus, värisyvyys, siirtofunktiot ja maksimikirkkaus tulevat olemaan toteutuessaan näkyvimmät muutokset.
  • Aiheeseen liittyvät standardit ja käytännöt ja siksi myös laitteet ovat kehitysvaiheessa.
  • Sisällöntuottajista ja laitevalmistajista koostuvasta konsortiosta huolimatta kehitteillä on rinnakkaisia järjestelmiä, jotka eivät välttämättä ole keskenään yhteensopivia.

10-01-2019

<< Takaisin tekniikan aloitussivulle <<

S-POSTI:  pc.gamut(at)gmail.com PUHELIN  045 - 1298221 WhatsApp