Ультракачественный чемпионат мира

Развитие стандарта UHDTV

В 2014 году Европейский вещательный союз (EBU) выпустил предписания по развитию UHDTV на ближайшие 10 лет. В них выделены три этапа совершенствования параметров телевидения сверхвысокой четкости.

Первый этап (UHD-1 Phase 1) планировался к реализации в 2014-2015 годах. Он предусматривал внедрение UHDTV с частотой смены кадров до 60 fps и глубиной цвета 8 и 10 бит.

Второй, текущий этап (UHD-1 Phase 2) стартовал в 2016-м и завершится в 2019 году. В UHD-1 Phase 2 появилась поддержка технологий HDR (High Dynamic Range, расширенный диапазон яркости и цветности), глубина цвета 10 или 12 бит, а также HFR (High Frame Rate, частота смены кадров до 120 fps).

Заключительный этап (UHD-2) стартует в 2020 году и добавит поддержку разрешения 8K и 10-, 12- или 14-битного цвета.

Форматы HDR

Из существующих реализаций HDR наибольшее распространение получили HDR10, не требующий лицензионных отчислений, и Dolby Vision. Эти технологии поддерживают Netflix и другие сервисы, доступные через Apple TV.

Относительно недавно появился еще один стандарт, HDR10+, дополняющий HDR10 динамическими метаданными, что по функционалу ставит его в один ряд с Dolby Vision. В Amazon уже объявили о поддержке HDR10+ для своего контента. Растет популярность бесплатного формата HLG — он поддерживается видеокодеком VP9, который продвигает Youtube. Завершает список используемых стандартов формат Technicolor HDR. Эти форматы определяют, каким образом кодируются данные в видеопотоке.

Если декодирование видео осуществляется на приставке, то и поддерживаемые форматы HDR определяются ее характеристиками, а декодированный сигнал подается на экран телевизора через HDMI.

Интерфейс HDMI поддерживает передачу EDID (Extended Display Identification Data) — набора базовых данных о телевизоре и его параметрах, в том числе разрешении экрана, а также цветовых и яркостных характеристиках. Это позволяет приставке оптимизировать сигнал для конкретного дисплея. Кроме того, ТВ-приставка способна транскодировать HDR-контент для корректного отображения на SDR-телевизоре.



Обзор современных видеокодеков

Существует три вида кодеков, которые поддерживают стандарт UHD и используются в современных ТВ-приставках: H.264, H.265/HEVC и VP9.

Когда необходимость кодирования видео в UHD только появилась, самым популярным кодеком был H.264 (MPEG-4 Part 10). Поддержку UHD оперативно обеспечили, за счет добавления нового уровня L5. При этом алгоритмы сжатия не улучшались. По этой причине кодек H.264 сжимает UHD-контент наименее эффективно.

UHD-приставки первого поколения, как правило, имели интерфейс HDMI 1.4 и поддерживали кодек H.264 L5 с частотой до 30 кадров в секунду. В дальнейшем, с появлением HEVC и VP9, некоторые производители UHD-чипсетов отказались от H.264 L5, оставив данный кодек только для воспроизведения HD-видео.

Параллельно велись работы над H.265/HEVC, где используются улучшенные алгоритмы сжатия, соответствующие вычислительным возможностям современных чипсетов. Видеофайл, сжатый с помощью HEVC, может быть в несколько раз меньше файла, сжатого кодеком H.264, при условии, что визуально изображение в обоих случаях будет идентичным. Главный недостаток HEVC заключается в необходимости выплачивать лицензионные отчисления за его использование. К зиме 2017 года было известно уже о четырех организациях, требующих оплачивать лицензионные отчисления как с приставок, так и с кодируемого контента. По словам представителей этих организаций, они представляют интересы владельцев соответствующих патентов.

Еще один кодек — VP9 — разрабатывался Google в качестве альтернативы HEVC. Сейчас он используется для воспроизведения UHD-видео на Youtube. Google отказался от лицензионных отчислений за свои патенты, поэтому пока кодек считается бесплатным. На сегодняшний день ничего неизвестно об иных держателях патентов, которые могли бы требовать плату за устройства с поддержкой VP9 или за кодируемый контент. Тем не менее нет никаких гарантий, что та или иная часть алгоритма кодека не подпадет под действие какого-либо патента. Владелец патента может просто ждать роста популярности и распространения формата.

Поэтому сейчас ведется работа над четвертым кодеком — AV1. Его разрабатывает консорциум Alliance for Open Media (AOM). Первые образцы чипсетов для декодеров с поддержкой AV1 начнут появляться в 2018 году, а первые устройства, по всей видимости, уже в 2019 году.

А пока что чипсет для приставки 4К должен декодировать HEVC M10P@L5.1 и VP9 Profile 2.



Средства защиты контента

Очевидно, что UHD-приставки предназначены для просмотра премиального контента, поэтому правообладатели заинтересованы в максимальной защите от несанкционированного использования и дублирования.

Можно выделить три уровня защиты контента, которые реализуются в телевизионных приставках и телевизорах.

Первый уровень — защита на пути от видеосервера до приставки. Здесь используются средства CAS (Conditional Access System) и DRM (Digital Rights Management). Их задача — шифровать данные и определять, кто имеет право дешифровать данный контент.

Второй уровень включает в себя защиту контента после декодирования видео приставкой и во время его передачи на устройство отображения (телевизор).

В современных приставках можно встретить несколько интерфейсов для вывода видео: аналоговые композитный и компонентный, цифровой HDMI 1.x или 2.x. Компонентный и композитный видеовыход не поддерживают UHD-видео, присутствуют, как правило, для совместимости со старыми телевизорами.

HDMI 1.4 поддерживает видео до 4К/30 кадров в секунду, этого недостаточно для комфортного просмотра UHD-контента, поэтому данная версия интерфейса используется в недорогих HD-приставках.

HDMI 2.x разработан для отображения UHD-видео. Версия HDMI 2.1, которая появилась в 2017 году, поддерживает до 10K/120 кадров в секунду.

Данные, передаваемые по интерфейсу HDMI, защищаются от неавторизованного доступа с помощью технологии HDCP, которая позволяет аутентифицировать устройства, шифровать данные и отказывать в доступе скомпроментированным устройствам.

Таким образом, качественная 4К-приставка должна быть оснащена интерфейсом не ниже HDMI 2.0 с поддержкой последней версии защиты контента HDCP 2.2. Интерфейс HDMI 2.0 обратно совместим с HDMI 1.4, но дополнительно позволяет передавать полноценное 4K-видео.

Третий уровень — это защита контента уже после того, как он был передан по HDMI и дешифрован принимающим устройством. На этом уровне используется технология водяных знаков (watermarking). Водяные знаки позволяют незаметно проставить в видео уникальную отметку. В случае нарушения прав по отметке можно быстро выявить нарушителя и закрыть ему доступ к контенту. Например, если во время трансляции футбольного матча в Интернете будет обнаружен сайт, ведущий незаконное вещание, по водяным знакам можно определить, с какой приставки получен доступ к контенту, и отозвать у нее ключи на дешифрование. Вся операция займет буквально несколько минут.

Существует два метода наложения водяных знаков. В первом случае каждый пользователь получает уникальный поток с сервера. Плюсы — не требуется специальная поддержка на устройстве. Минус — метод не подходит для мультикаста.

Во втором случае все приставки получают одинаковый поток, а водяные знаки накладываются во время декодирования видео. Такой метод подходит для любых потоков — мультикаст, юникаст, HLS, DASH, но требует аппаратной реализации в чипсете, и в первую очередь, наличия в нем так называемого TEE (Trusted Execution Environment). Trusted Execution Environment по сути представляет собой обособленный внутренний микропроцессор, который выполняет программу отдельно от основного процессора и взаимодействует с ним только через ограниченный набор защищенных интерфейсов. Таким образом предотвращается свободный доступ к обрабатываемым данным. В ТЕЕ вынесена вся обработка незащищенного видео, в том числе и наложение водяных знаков. Кроме того, перед отправкой видео из TEE на HDMI интерфейс защищается HDCP-кодом.

Многоканальный звук

Премиальный контент — это не только видео, но и многоканальный звук. Наибольшее распространение здесь получил кодек Dolby Digital Plus. Сейчас компания Dolby работает над следующим поколением кодека — Dolby AC4. Существуют также многоканальные кодеки AAC и DTS, но в цифровом телевидении они применяются редко.

Чипсеты приставок должны поддерживать декодирование актуальных форматов, часть которых реализуется в TEE, а при передаче декодированный звук также защищен HDCP. Единственная разница с обработкой видео в том, что звук не защищается водяными знаками.