4K, WCG, HDR, HFR, UHD-1 Fase I y II, UHD-2,… términos a menudo confusos que abordaremos en las siguientes líneas.

Captura Artículo 4K UHDTV de TM Broadcast

Artículo 4K UHDTV de TM Broadcast

UHD TV ¿4K?

Abstract:

4K, WCG, HDR, HFR, UHD-1 Fase I y II, UHD-2,… términos a menudo confusos que abordaremos en las siguientes líneas.

1.-Introducción:

4K, UHD, ¿ha llegado? ¿está llegando? ¿llegará? Sin duda, está entre nosotros, pero el grado de penetración depende de la perspectiva de cada uno:

  • Fabricantes de pantallas y televisiones: sí, está aquí (4K) y es una realidad en los televisores. Y ya tenemos oferta con alto rango dinámico (HDR). Así ha sido exhibido en el pasado CES.
  • Plataformas, proveedores de servicios de acceso y OTT: ya casi está, estamos afinando los flujos de contenidos, mejorando la capilaridad de red para incrementar el número de accesos de alta velocidad para proveer anchos de banda suficientes, considerando la adaptación de las infraestructuras internas para que las inversiones en ellas sean viables en los modelos de negocio. Tenemos pilotos, pruebas para estudiar la adaptación de las redes y las necesidades para garantizar la calidad de la experiencia en UHD. También trabajamos en la adquisición de contenidos y derechos que nos permita diferenciarnos con contenidos de UHD.
  • Radiodifusores: hasta que dispongamos de radiodifusión DVB-T2, no lo consideramos para grandes audiencias en abierto. Solo existiría la vía de nuestras plataformas OTT, por tanto, estamos atentos, pero aún queda camino por recorrer. El 4K es incipiente y ya está en cola 4K con HDR, y 8K. Nuestras infraestructuras son muy extensas y cualquier nueva implantación tecnológica requiere mucho trabajo e inversiones relevantes para nuestros flujos y volumen de gestión de contenidos. Además, apenas han finalizado las actualizaciones de las infraestructuras a alta definición. Las pasadas modificaciones en la legislación y regulación hubieran sido una buena oportunidad para haber sentado las bases de esta evolución tecnológica, que ya han previsto otros países vecinos. Sólo el satélite tiene disponibilidad para gran cobertura poblacional en este momento para UHD, con costes razonables para la difusión. Los que operan en este medio tienen mayor oportunidad de llegar a grandes audiencias.
  • Creadores y productores de contenidos: es fascinante 4K, el alto rango dinámico (HDR) aún más y el sonido envolvente muy atractivo. Contamos con medios de producción de primera generación, con desarrollos y avances prometedores, tiempos de llegada al mercado menores que con tecnologías precedentes, pero con esfuerzos de inversión muy grandes, que nos hace ser cautos, pues una decisión precipitada nos puede condicionar para adecuarnos a necesidades futuras, cuando la demanda de producción sea mayor y los modelos de explotación de contenidos en UHD estén más consolidados y sean más eficientes. Ejemplos significativos son la iniciativa de RTVE 4K, con la amplitud que significa para un radiodifusor y creador de contenidos de alto valor, acompañado por el Instituto IORTVE y la cátedra RTVE de la Universidad Politécnica de Madrid, con interesantes resultados y prometedor camino por recorrer. Cellnex está involucrado con pruebas en DVB-T2, habiendo mostrado un piloto con éxito de radiodifusión DVB-T2 para un programa 4K con HDR en el pasado 4K SUMMIT en Sevilla. El canal Hispasat 4K del operador de satélites español, para pruebas y desarrollos. La producción del clásico de fútbol (Real Madrid-Bacelona) en 4K por MediaPro. Y las recientes producciones de Medina Media, con producción generalista para gran consumo, entre otros.

Por supuesto, hay muchas otras iniciativas, principalmente en creación de contenidos. Muchos de ellos (documentales, telecinado de películas, musicales, etc.) tienen un valor extra en UHD para los de nueva creación y una nueva vida los antiguos que sean revisados a UHD.

La publicidad y cartelería digital es otro demandante de contenidos en UHD interesante.

El reto y riesgos afrontados por cada uno de los actores involucrados en esta primera etapa permiten atesorar una valiosa experiencia, que es un valor garantizado para los profesionales y empresas.

2.-Pero, ¿qué es 4K?

4K no es ni más ni menos que doblar la resolución 2K (tanto en horizontal como en vertical) del sistema utilizado en cine. Por extensión en el mundo de la televisión se utiliza 4K para referirse a doblar, tanto en horizontal como en vertical, la resolución de la televisión en alta definición. Pero esto no ha hecho nada más que empezar, en los próximos años la resolución se incrementará hasta 8K.

¿Qué ganamos con esto en el hogar? Si no aumentamos el tamaño de la pantalla, más bien poco. La bondad del sistema radica en que permite hacer pantallas más grandes con el mismo tamaño de pixel, y ello hace que la distancia óptima de visionado sea más pequeña que en el caso de la definición estándar o alta definición.

Desde el punto de vista artístico, disminuir la relación entre el tamaño pantalla y la distancia de visionado a la mitad, significa que al espectador le va a ser imposible fijarse al mismo tiempo en todo lo que está sucediendo en la pantalla y por tanto el visionado del material audiovisual será más subjetivo. Es decir, se acerca la experiencia del cine a casa.

Desde el punto de vista técnico, este aumento de resolución y apertura del ángulo de visionado, va a necesitar de una serie de herramientas que conformarán el estándar de Ultra High Definition (UHD)

3.-UHD

3.1.-Introducción

La tecnología 4K permite el aumento de la densidad de píxeles en pantalla respecto a HDTV, pero no es un estándar de intercambio de señales. El escenario actual para la introducción de la Ultra High Definition está dividido en varias fases y todavía queda mucho por estandarizar.

De momento, y para la fase 1, se ha optado por una resolución de 3840×2160, y barrido progresivo, utilizando el espacio de color ITU-BT.709 ya utilizado en la alta definición.

Pero el concepto de UHD va mucho más allá y necesitará apoyarse en estos 4 pilares:

  1. Incremento de la resolución de la pantalla
  2. Tasa de cuadros elevada.
  3. Amplia gama de colores disponibles
  4. Alto rango dinámico

 3.2.-Aumento de la resolución de la pantalla (UHD)

Como se puede apreciar en la gráfica, el aumento de resolución en la pantalla sólo tiene sentido cuando hablamos de pantallas de gran formato. De momento la resolución de 2160p ya está disponible para las pantallas de más de 65”.

Eso sí, estamos hablando de UHD-1 Fase 1 que no deja de ser un aumento de resolución de las señales HD. La principal desventaja es que no se aprovecha el potencial de la UHD, pero aporta una ventaja muy interesante en estas épocas de transición: permite grabar en 4K y sin ninguna conversión de norma re-encuadrar las tomas en postproducción sin pérdida de resolución.

No obstante, los trabajos realizados en UHD han demostrado que para mejorar la nitidez y grado de realismo de las imágenes no basta con aumentar la resolución espacial de las imágenes sino que además se necesita aumentar la resolución temporal. Ello es debido a que al disponer de más resolución espacial en la pantalla, ahora los desenfoques e imágenes borrosas por movimiento son más perceptibles.

Una solución podría ser aumentar la velocidad de obturación, pero entonces perdemos luminosidad y además las imágenes con movimientos rápidos muestran efecto estroboscópico.

3.3.-Tasa de cuadros elevada (HFR)

El High Frame Rate (HFR) es la solución para para aumentar la resolución temporal: Doblar el número de cuadros por segundo.

Considerando los anchos de banda utilizados, doblar el número de cuadros por segundo en banda base significa duplicar el bit rate (que ya habíamos multiplicado por 4 al pasar de HD a 4K). Como se ve en la siguiente tabla, los números impresionan:

  Líneas

 

Píxels Frames por segundo 10b

4:2:0

(Gbps)

10b

4:2:2

(Gbps)

10b

4:4:4

(Gbps)

12b

4:2:0

(Gbps)

12b

4:2:2

(Gbps)

12b

4:4:4

(Gbps)

UHDTV2 / 8K 4320 UHD2

7680

8K

8192

120 60 80 120 72 95,5 144
60 30 40 60 36 48 72
50 25 33 50 30 40 60
30 25 20 30 18 24 36
25 12,4 16,6 25 15 20 30
24 12 16 24 14,4 19 29
UHDTV1 / 4K 2160 UHD1

3840

4K

4096

120 15 20 30 18 23 36
60 7,5 10 15 9 12 18
50 6 8 12 7,5 10 15
30 3,7 5 7,5 4,5 6 9
25 3,1 4,2 6,2 3,7 5 7,5
24 3 4 6 3,6 4,8 7,2

 En próximas publicaciones abordaremos las posibilidades para basar una infraestructura de producción de 4K sobre IP.

 3.4.-Espacio de color extendido (WCG)

Otra de las ventajas que aporta la UHD es la introducción de un espacio de color extendido respecto a la HDTV. La ITU-R BT.2020 utiliza 10 ó 12 bits de cuantificación, lo cual permitirá degradados de color sin saltos, y además extiende la gama de colores que se pueden representar de una forma considerable.

3.5.-Alto margen dinámico (HDR)

Sin duda el salto cualitativo más importante va a ser la introducción de pantallas con alto margen dinámico.  Si tanto la SDTV como la HDTV se diseñaron para pantallas de una luminosidad del orden de 102 cd/m2 (LDR), las nuevas pantallas OLED o TFT retro iluminadas con luz láser serán capaces de ofrecer hasta 104 cd/m2 (HDR); una luminosidad que será capaz de reproducir el margen dinámico ofrecido por nuestra retina (Sensor de nuestro ojo). No obstante nuestro sistema visual va mucho más allá y gracias a algunos mecanismos químicos de adaptación a la oscuridad/luz y al iris (diafragma del ojo) es capaz de captar desde 10-6 hasta 108 cd/m2.

Los sensores actuales de las cámaras ya son capaces de captar unos márgenes dinámicos del orden de 14 f-stops. El problema llega a la hora de visualizarlo en una pantalla de bajo rango dinámico como las actuales. Seguimos con la herencia de la curva gamma del tubo de rayos catódicos y la única forma de mostrar el detalle de las luces y las sombras captado por el tubo de rayos catódicos es comprimir el margen dinámico previo a la visualización (en las fotografías se puede mostrar la diferencia entre una toma realizada con un sensor de bajo margen dinámico y otra con un sensor de alto margen dinámico comprimido).

En los últimos años la luminosidad de las pantallas no ha dejado de aumentar, pero en contra de lo que parece ello no ha permitido el aumento del detalle en las altas luces. La información no  se encontraba en la señal, por lo que únicamente hemos tenido blancos más brillantes.

El concepto de alto rango dinámico (HDR) intenta que las pantallas sean capaces de reproducir el mismo margen dinámico que es capaz de percibir la retina. De este modo podemos hacer que todo el detalle recogido por los sensores de alta calidad de las cámaras llegue hasta el espectador. Para llevar a cabo este proceso es indispensable sustituir el espacio de color  y curvas Gamma pensadas para LDR, por el espacio de color BT.2020 y sus pertinentes curvas de transferencia óptico eléctricas (OETF) ideadas para pantallas de 10.000 cd/m2.

Como se muestra en la figura, actualmente existen diferentes propuestas de curvas OETF lideradas por diferentes grupos: Dolby, Tecnicolor, BBC, etc.

 3.7.-Sonido inmersivo

En lo referente al sonido, los cambios también son sustanciales. El sonido envolvente se define en una nueva dimensión y ahora también aparecen altavoces para reproducir ambientes sobre la cabeza del espectador haciéndolo más inmersivo.

Se introducen disposiciones de altavoces como los de la figura que sin duda abren la necesidad de introducir nuevas técnicas de mezcla. ¿Os imagináis mezclar para 22.2 canales? Y si en casa no disponemos de los 24 altavoces, ¿cómo se escuchará? Como respuesta a estos interrogantes, aparece el sonido orientado a objetos en el que se añaden propiedades a los objetos de la escena sonora para que el procesador del espectador sea capaz de renderizar el sonido en función de la disposición de sus altavoces. Los diálogos, fondos musicales, atmósferas, etc. siguen mezclándose con el concepto de pista tradicional.

3.8.-Sincronismos y referencias

 En una próxima publicación explicaremos las técnicas de sincronización vía IP. Por el momento las instalaciones de producción en directo utilizadas con éxito para 4K se basan en Quad-3G-SDI. En esta época de transición, se trata de poder reaprovechar al máximo las instalaciones y tecnologías actuales para ayudar a la migración.

Así pues, la forma más sencilla de transmitir 4K por 3G-SDI es a través de 4 cables por los que poder repartir la señal por ejemplo en forma de cuadrantes de señal 1080p (como en la figura) o cada uno de los 4 píxeles contiguos por uno de los 4 interfaces.

En definitiva, estamos enviando señal 4K en forma de 4 señales 3G-SDI, lo cual nos permitirá utilizar sincronismos tri-nivel típicos en sistemas de alta definición. Pero si queremos generar señales de referencia en 4K, deberemos disponer de un generador capaz de generarla a través de Quad-3G SDI (como el Tektronix TG8000) y un equipo de monitorización y medidas con capacidad procesar simultáneamente las 4 entradas 3G-SDI, recomponiendo la señal de 4K para mostrarla en el forma de onda, vectorscopio, ajuste de sincronía, retardo audio-vídeo, etc. (por ejemplo Tektronix WFM8300). Otro aspecto a considerar en las medidas sobre 4K es la capacidad de medir el retardo entre los diferentes enlaces del Quad-3G SDI, ya que si este es excesivo, el receptor de las cuatro señales no podrá recomponerlas.

4.-¿Revivimos lo sucedido con HD?

En el recuerdo y experiencia todos tenemos la llegada de la alta definición, que sobrepasaba la definición estándar, pero con modelos muy parecidos a la explotación en HD. Los retos principales fueron, principalmente, de ancho de banda y electrónicas de procesado de señales, que quedaron resueltos por nuevos estándares, fabricantes y usuarios. La resolución espacial también permitió incorporar nuevos códigos de imagen a los creadores, además de habituarnos al audio multicanal envolvente 5.1.

En ata definición, también está 1080 50p/60p, con mayor resolución temporal, que esperábamos extenderá su aplicación. Cierto es que la gran mayoría de los sistemas de alta definición que se están implantando desde los últimos tres o cuatro años, son capaces de trabajar en 50p/60p, 3G-SDI, o fácilmente actualizables. Pero mayoritariamente, la producción, contribución y difusión continúa haciéndose en 1080i (25 cuadros por segundo, 50 campos con barrido entrelazado), con excepciones en 720p (50/60 cuadros por segundo, barrido progresivo) .

Los contenidos en UHD están llegando primero por las plataformas de pago, pues buscan crear valor diferencial para sus usuarios. Así, canales premium y oferta selecta de consumo bajo demanda serán tractores para el acercamiento a usuarios. También los fabricantes de televisiones son activos en la promoción de contenidos en UHD, ávidos de dotar de valor diferencial a las nuevas generaciones de sus productos en el mercado, promueven y fomentan la oferta a través de sus portales de aplicaciones para el acceso a contenidos el UHD.

Mientras continúa el despliegue de las infraestructuras para el acceso de la mayoría de usuarios a la UHD, hay alicientes adicionales para la producción de contenidos en UHD: incrementar su vigencia temporal, mejorando su valor en el futuro, y la percepción de mejor calidad subjetiva de contenidos producidos en UHD pero distribuidos en HD, como sucedió con la producción en HD distribuida en definición estándar. La definición y resolución de origen es mayor, que permite técnicas de escalado de imagen y encuadres HD sobre la imagen UHD.

El alto rango dinámico (HDR) supone una mejora sustancial en la experiencia. Está comparado con la llegada del color, de la que muchos apenas tenemos recuerdos de infancia. La frase “UHD no sólo son más píxeles, sino mejores píxeles” es evidente y hay avances para su estandarización del pasado CES. Incluido en UHD-1 fase 2, hay voces clamando por añadir HDR a la alta definición. Su consideración daría una nueva vida a la alta definición, pues esta mejora sí es perceptible en televisiones del tamaño medio de los hogares, que es 1080 y está entre 40” y 50”, que según la gráfica sobre este aspecto, no es diferenciable entre 1080p y 2160p para distancias de visionado de 4-5 metros.

Y aquí encontramos otras preguntas: ¿Necesitamos 4K en los hogares, si con TVs inferiores a 60” no es apreciable la diferencia en la percepción de la resolución? ¿Entonces 4K con HDR? ¿HD con HDR sería suficiente? ¿Qué hacemos con 8K, si 4K está el en límite de la demanda previsible del consumo doméstico? Difícil responder aún.

5.- ¿La industria se pone de acuerdo?

De momento quedan muchos flecos por cerrar, pero a principios de año UHD-Alliance ha hecho públicas las especificaciones para obtener el sello ULTRAHDTM PREMIUM que marca los mínimos para que el espectador pueda disfrutar en su casa de la experiencia de la Ultra Alta Definición.

Existen tres especificaciones que cubren las diferentes partes del ecosistema: dispositivos de consumo, distribución y contenido.

5.1.-Dispositivos

El equipo de visualización debe cumplir o superar las siguientes especificaciones:

  • Resolución: 3840×2160
  • Profundidad de color: 10-bit
  • Paleta de color (Wide Color Gamut)
    • Basada en ITU-BT.2020
    • La pantalla debe mostrar por lo menos el 90% de los colores P3
  • Alto rango dinámico;
    • SMPTE ST2084 EOTF
    • En lo referente a los niveles de blancos y negros una de estas opciones:
      • Más de 1000 cd/m2 en los picos de blanco y menos de 0,05 cd/m2 para el nivel de negro.
      • Más de 540 cd/m2 en los picos de blanco y menos de 0,0005 cd/m2 para el nivel de negro.

 5.2.-Distribución

Cualquiera que sea el canal de distribución debe permitir:

  • Resolución: 3840×2160
  • Profundidad de color: mínimo 10-bit
  • Representación de color ITU-BT.2020
  • Alto rango dinámico: SMPTE ST2084 EOTF

 5.3.-Contenido

El master debe tener las mismas especificaciones que el canal de distribución y además se recomienda respecto a la pantalla de visualización:

  • Debe mostrar el 100% de los colores P3
  • Picos de blanco: Más de 1000 cd/m2.
  • Nivel de negro: Menos de 0,03 cd/m2.

6.-Acceso a contenidos UHD

Banda ancha (FTTH), satélite y DVB-T2 permiten disfrutar de contenidos en UHD. La banda ancha está teniendo un importante despliegue por parte de los operadores, que están incrementando su red y cobertura poblacional, con acceso a paquetes de servicios de más valor, entre ellos, y principalmente, los contenidos de entretenimiento. Los operadores telco proseen portales propios de contenido lineal y bajo demanda en los que trabajan para mejorar continuamente su atractivo para el usuario, donde los contenidos UHD serán un valor más para los servicios de pago. Asimismo, a través del acceso a internet que proveen, dan acceso a una oferta aún mayor de proveedores de contenidos de nicho o no tradicionales (YouTube, Vimeo, etc.) y plataformas OTT con ofertas que compiten con su propio servicio, (Wuaki, Netflix, Filmin, etc.) y otras de menor capacidad pero con contenidos de nicho, que no gestionan red y el uso de las redes de acceso de usuarios crea discrepancias y debate entre operadores y proveedores del servicio que afectan a los usuarios, que al final pagan por servicios.

Cabe la singularidad de los fabricantes de televisiones, referidos anteriormente, muy activos en facilitar el acceso a contenidos 4K para los usuarios, como valor añadido a su producto. Aúnan esfuerzos con proveedores de contenidos y plataformas OTT.

El satélite ofrece la mayor cobertura posible, con rápido despliegue del servicio y el esfuerzo en la antenización de hogares para la recepción. Con el punto de partida de los usuarios de plataformas de pago por satélite.

Y sobre DVB-T2 y HEVC (h.265), la actualización de la regulación facilitaría esta evolución tecnológica. Que hubiera sido oportuno haber creado este escenario en las últimas modificaciones de la legislación, para haber abierto el acceso a estas innovaciones.

En este contexto, el gran cambio está en la posibilidad de accesos a los contenidos bajo demanda, donde los operadores telco, y las plataformas propias y ajenas de servicios OTT han creado un nuevo escenario, con modelos de negocio innovadores donde nuevos perfiles de consumo han emergido y están consolidándose. En este contexto, la oferta UHD en contenidos Premium, como fútbol, cine y series será apreciada por los usuarios.

Las estrategias de comunicación y formación al público sobre las bondades de la UHD para su disfrute en los hogares, así como las primeras experiencias, serán relevantes para atraer la atención. Contenidos con calidad y atractivos más facilidad de acceso a ellos serán la clave del éxito. En un contexto con nuevos actores no tradicionales, que están dispuestos a ser protagonistas en un sector antes acotado. Veamos esto como una oportunidad.

Dentro del proceso de la tecnología, las etapas finales ya están más avanzadas: televisores, banda ancha y satélite, decodificadores, pero según nos acercamos al origen del contenido, aún necesitamos tecnología más eficiente y capaz. Pero es alentador que la industria está en el debate de la creación de estándares y el desarrollo de tecnologías que aporten la eficiencia necesaria en los entornos de producción y codificación.

El desarrollo de la UHD en los próximos años nos despejará dudas en la popularización de los formatos en la fase 2, ¿tendremos 8K en nuestras casas? No es fácil responder. Sí tendremos producción en UHD 8K, así han prometido las olimpiadas de Tokio 2020, y esto es una buena noticia, pues nos asegura que los contenidos 4K y HD tendrán una base de calidad técnica mayor.

7.-Conclusión:

En el contexto actual, no son definitivas sino de la situación que tenemos, pues sólo está comenzando.

La llegada de la UHD tiene pautas parecidas a la alta definición, con tiempos más cortos en el desarrollo tecnológico.

HDR nos mostrará “mejores píxeles” que muestran una imagen excepcional y deseable.

La estandarización está en progreso, pero los pilotos, prototipos y equipos disponibles aún piden ser cautos en el futuro próximo en las producciones en directo.

Las posibilidades de acceso a los contenidos son más amplias que nunca. El satélite y la banda ancha (FTTH) ya tienen capacidad para hacernos llegar contenidos en 4K. En la radiodifusión terrestre, la actualización de la regulación con visión estratégica de futuro ayudaría a dinamizar la industria y crear oportunidades, incorporando DVB-T2 y HEVC (h.265).

La oferta en canales Premium y contenidos de pago serán el principal canal de consumo y motor de creación de nuevos contenidos, contexto en el que las telco pasan a ser actores protagonistas.

Necesitamos buenas historias que contar y eventos interesantes que transmitir, entonces la tecnología hace su rol y aporta la experiencia de disfrutarlos enriquecidos. Seamos realistas, para el público en general, la tecnología no es atractiva en sí misma.

Vicente Pla Ferri – Ingeniero Consultor y de Proyectos

Jorge de la Torre Sánchez-Bravo – Socio Director

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