De filmindustrie gebruikt 8K al langer, maar nu ook de eerste tv’s voor de consument beschikbaar zijn, is het tijd om na te denken over de productie, distributie én consumptie van 8K. Samsung nodigde ons uit om in New York de mede door hen gesponsorde 8K Summit bij te wonen, waar al deze aspecten aan bod komen.
Productie van 8K materiaal
Wordt er wel al 8K content gemaakt? Absoluut, daar hoef je niet over te twijfelen. Florian Friedrich, Phil Holland, en Dan Duran gaven toelichting bij allerlei aspecten van de productie van 8K content. Al deze sprekers benadrukten dat 8K best hand in hand gaat met HDR, en dan een extra dimensie geeft aan je beelden, het ‘raam’-effect zo je wilt. Beelden worden levendig, krijgen diepte en je wordt zo intens ondergedompeld in de ervaring dat je bijna vergeet dat je naar een beeld kijkt. In tegenstelling tot wat je zou verwachten is het echter niet de bedoeling dat je elke pixel kunt zien. Dat zou net tot te veel flikker in het beeld lijden, en dat veroorzaakt op zijn beurt problemen bij de uiteindelijke compressie van het bronmateriaal.
Wat je wel wilt is die overvloed aan pixels gebruiken om allerlei digitale artefacten zo veel mogelijk te vermijden. Een goed gemaakt 8K-beeld kan de ‘digitale vingerafdruk’ van een video verwijderen. Het resultaat is een beeld met perfecte randen, zonder flikker, een beeld dat zo rustig is dat je focus uitsluitend naar de inhoud gaat, net zoals wanneer je gewoon rond je kijkt. Dan Duran ging zo ver om te stellen dat met de huidige camera’s en postproductie een 8K-beeld op alle vlakken superieur is aan een echt filmbeeld.
Filmen en produceren in 8K levert ook nieuwe mogelijkheden voor de filmmaker. Als de resolutie van het eindresultaat lager mag zijn (bijvoorbeeld 4K), dan kan je op een 8K beeld heel makkelijk croppen of voor beeldstabilisatie gaan zonder resolutieverlies. Omdat je vertrekt van een master met hogere kwaliteit is het eindresultaat meestal scherper en gedetailleerd, het beeld is zuiverder.
Is het einddoel 8K, dan kan de filmmaker voor erg indrukwekkende wide shots gaan, waarop je toch nog steeds alle detail kunt zien. Zelfs bij een tweede of derde kijkbeurt zie je nieuwe dingen in het beeld. Maar er is nog een weg af te leggen. Filmmakers moeten de voor- en nadelen van 8K goed begrijpen, zodat ze de nieuwe mogelijkheden correct benutten.
De technologie versnelt bovendien aan een indrukwekkend tempo. Duran toonde hoe Red Digital dankzij een samenwerking met Nvidia het nu mogelijk maakt om een 8K raw video moeiteloos af te spelen op een laptop (weliswaar een krachtig model met een potige videokaart). Dat was tot voor kort bijna onmogelijk. Toen 4K voor het eerst verscheen heeft het veel langer geduurd voor dit mogelijk was.
Een voorbeeld van 8K-video.
Distributie van 8K content
Hoe krijg je die 8K content thuis? Erg eenvoudig is dat niet, want een 8K signaal bevat enorm veel data. Als je vertrekt van een ongecomprimeerde 8K video (60 Gbit/s, of 27 TByte per uur) zit je zelfs in ProRes 22 nog aan 5Gbit/s, dat betekent dat een uur video goed is voor 2,3 TB data. Natuurlijk is dat een studiomaster, maar het geeft een duidelijke indruk van de enorme hoeveelheden data. Mauricio Alvarez-Mesa, CEO van Spin Digital, gaf ons toelichting bij de huidige stand van video compressie.
Die studiomaster moet nogmaals gecomprimeerd worden voor hij naar de consument doorgestuurd wordt. De beschikbare codecs zijn HEVC, AV1 en toekomstige codecs. HEVC (H265) kennen we wel, elke recente televisie ondersteunt deze codec. AV1 is een concurrerende codec die geen royalties vereist zoals HEVC. Alhoewel hij theoretisch beter is dan HEVC lijkt, is dat voorlopig nog steeds niet het geval (gedetailleerde vergelijking in de IBC2018 paper hier). Bovendien gebruikt weinig beeldmateriaal AV1 (is niet ondersteund op de huidige tv’s).
Er staat een opvolger van HEVC in de stijgers, onder de naam VVC/H.266. Die mikt op een 50% reductie in bandbreedte voor dezelfde beeldkwaliteit. De standaard (het document) zal er echter ten vroegste mid volgend jaar zijn. Doe er dan nog twee jaar bij voor de eerste chips beschikbaar zijn en nog eens twee jaar voor brede adoptie in de industrie, en je kijkt ten vroegste naar 2024 voor gebruik van deze nieuwe codec.
Er zit evolutie in de compressie prestaties van HEVC
We zitten dus nog geruime tijd vast aan HEVC. Gelukkig evolueren de prestaties van een codec wel over verloop van tijd. Hoe kan dat? Een standaard dicteert enkel de syntax van de bitstroom en hoe die stroom moet gedecodeerd worden. Of met andere woorden, elke decoder moet hetzelfde resultaat geven als hij start van hetzelfde gecomprimeerde bestand. Hoe je het originele bronbestand encodeert staat iedereen vrij, en elke encoder zal dus, startend van hetzelfde bronbestand, een ander resultaat geven. Die verschillen kunnen oplopen omwille van de gevraagde compressiefactor en kwaliteit, maar ook van de gevraagde snelheid waarmee je comprimeert. Dat is ook nodig omdat je een zeer verschillend gebruik kunt hebben: live encoden van een uitzending moet in real-time gebeuren en levert dus kwaliteit en/of compressie in voor snelheid. In de filmstudio is het net andersom, daar kan men snelheid inleveren voor betere kwaliteit en een hogere compressiefactor. Maar zelfs binnen die twee categorieën zit er vaak nog een stevig verschil tussen implementaties.
In bovenstaand beeld zie je bijvoorbeeld hoe verschillende encoders voor dezelfde kwaliteit en vergelijkbare encoding snelheid toch tot 30% kunnen verschillen in uiteindelijke grootte van het bestand. (rechts de encoder van Spin Digital die als referentie dient (100%), daarnaast twee alternatieven die respectievelijk 20% en 30% grotere bestanden creëren).
Bij live encoders is de situatie vaak nog dramatischer, waar een verdubbeling van de encoding snelheid kan resulteren in een verdubbeling van de vereiste bandbreedte. Nieuwe implementaties op krachtigere hardware zouden volgens Spin Digital kunnen resulteren in een verdrievoudiging van de snelheid met slechts een 25% verhoging van de bitrate.
Hoeveel bandbreedte is genoeg?
Maar wat is nu eigenlijk de vereiste bitrate voor een kwalitatieve 8K HEVC video?
Ook daar is al studie naar gedaan (IEEE paper hier), zoals blijkt uit bovenstaand beeld. Bij subjectieve analyse spreken we van een MOS-score (Mean Opinion Score), en elk sample moet een MOS van 3,5 bereiken.Dat betekende in deze studie concreet een minimum van 85 MBit/s (al hangt dat wel sterk af van het type content, en zoals we hierboven bespraken, de kwaliteit van de encoder). Om dat tot bij de consument te krijgen is vandaag geen evidentie. Streaming over het internet of satelliet zijn de belangrijkste kandidaten, maar vereisen dus heel veel bandbreedte. NHK (Japan) zendt uit aan 100-120 Mbit/s, en in Europa heeft SES-Astra testen met 70 Mbit/s. Voor streaming diensten zullen die getallen niet anders zijn. Chili zou op 8K Samsung tv’s in sommige landen beschikbaar zijn, maar vereist vermoedelijk een gelijkaardige bandbreedte.
Volgens speedtest was de gemiddelde downloadsnelheid eind 2017 in België ongeveer 54 Mbit/s. Dat is dus een flink eind onder de vereiste 85 MBit/s, zeker als je weet dat je toch best wel wat ruimte laat zodat andere mensen in huis ook nog kunnen surfen en dat je soms wel eens twee streams tegelijk binnen haalt. Concreet moet voor 8K onze internetinfrastructuur verbeteren (mobiel 5G zou daar een belangrijke rol in kunnen spelen), en moet de compressie nog een stapje vooruit gaan. Dat zijn uiteraard allemaal zaken die enkele jaren in beslag zullen nemen. En dat weten alle partijen. In Japan wil NHK de Olympische spelen van 2020 in 8K beschikbaar maken. Maar zelfs dan zal slechts een beperkte hoeveelheid mensen een 8K tv in huis hebben. NHK mikt dan ook veel meer op ‘public viewing’, grote schermen die opgesteld worden op openbare plaatsen en waar je dan in 8K kunt kijken.
Evolutie van de display industrie
Onze schermen worden steeds groter. Een van de redenen daarvoor zijn de huidige evoluties in de display industrie. Tv schermen zijn goed voor meer dan 70% van de display industrie, daarmee is het de motor van deze industrie. En China heeft de display industrie een van zijn belangrijke focuspunten gemaakt. Dat betekent enorme subsidies en vijf fabrikanten die zeven Gen 10.5 fabrieken opzetten. De generatie (‘Gen’) duidt aan hoe groot de glassubstraten zijn die een fabriek produceert. De glassubstraten uit een Gen 10.5 fabriek zijn geoptimaliseerd voor de productie van 65 en 75 inch modellen.
Maar de enorme hoeveelheid capaciteit voor die grote schermformaten loopt voor op de vraag. En wanneer het aanbod groter is dan de vraag, daalt de prijs. Bob O’ Brien van DSCC toonde dat de prijs van een 65 inch paneel (enkel het paneel, niet de volledige televisie) in de laatste 24 maanden met 50% gedaald is. Een 65 inch tv kan je bij minder bekende merken al kopen voor 500 USD en bij top-tier merken voor 1.000 USD. Bovendien zullen die prijzen verder dalen, a rato van 20% per jaar. Sterker nog, O’ Brien verwacht dat binnen drie jaar een 75 inch model even veel zal kosten als een 65 inch model vandaag.
Nieuwe technologie
Merken hebben ook niet zo veel opties om de gemiddelde verkoopsprijs (en dus hun marge) hoog te houden. Voor OLED tv’s betaal je momenteel nog steeds een premium. Maar LCD-fabrikanten zullen uitkijken naar nieuwe technologie. En daar komen twee zaken in beeld: 8K en Dual LCD.
Kleinere merken kunnen 8K-technologie gebruiken om te pogen door te breken naar de premium-merk status. Voor de grotere LCD-merken is 8K een interessant premium aanbod. Sonia Chen van Samsung toonde deze chart van analystenbureau IHS Markit waarin je ziet dat de cyclus van schermresolutie ongeveer zeven jaar bedraagt. Dat zou betekenen dat Ultra HD 8K schermen op 50% marktpenetratie zit tegen 2026.
Maar er zit misschien ook toekomst in Dual LCD. Die techniek zagen we dit jaar al gedemonstreerd door Hisense op CES. Het concept is eenvoudig. Tussen de achtergrondverlichting en het 4K LCD paneel wordt een tweede, Full HD, lcd-paneel geplaatst. Dat paneel dient dan als een lichtmodulator. Het is met andere woorden een alternatieve manier om zeer fijnmazige local dimming te bereiken. Hisense claimt een contrast van 160.000:1 en 1.000 nits piekhelderheid. Zo een toestel zou natuurlijk duurder zijn dan een traditionele lcd, maar zou wel concurrentie kunnen betekenen voor OLED, zeker in de erg grote schermmaten. Tegen 2021 zou er al sprake kunnen zijn van dual cell 8K.
Dat quantum dots een belangrijke rol kunnen spelen bij 8K, werd benadrukt door Jason Hartlove, CEO van Nanosys. Hij wees er op dat door de hogere pixeldensiteit er minder licht de kijker bereikt. De afmeting van de transistor verandert immers nauwelijks, maar je hebt er per subpixel nog steeds een nodig, en 8K subpixels zijn uiteraard kleiner dan 4K subpixels. Dat verlaagt de zogenaamde ‘fill-rate’ van het scherm, het percentage van het scherm dat licht doorlaat. Je hebt dus een steeds efficiëntere achtergrondverlichting nodig om HDR-schermen te maken die ook energie-efficiënt zijn.
De echte toekomst van beeldschermen zit volgens Hartlove bij QD-OLED of QD-µLED. Daarbij wordt een QD-kleurconverter (QDCC) boven een blauwe achtergrondverlichting op basis van OLED of µLED geplaatst. De nieuwste quantum dots van Nanosys zijn stabiel bij blootstelling aan de lucht en kunnen gebruikt worden in inkjet printers, wat fabricatie aanzienlijk goedkoper zou maken. Zo kunnen ze een pixelgrootte van 20 µm bereiken (een pixel op een 8K 65 inch scherm is 187 µm breed).
Opmerkelijk: microled werd tijdens een panelgesprek opzij geschoven als veel te duur. De kost van een microled scherm is immers rechtstreeks verbonden met het aantal pixels. Dat betekent dat je eerder zeer kleine displays zult zien, met een beperkter aantal pixels (smartwatches bvb) of erg grote, meer business georiënteerde schermen. Microled tv’s blijven dus toekomstmuziek.
Hoe nemen we 8K detail waar?
We hebben al enkele malen geschreven over het nut van 8K. Daarbij hebben we steeds gesteld dat een scherptezicht van 1 arcminuut (20/20 bij de oogarts) eigenlijk wat weinig is. Een scherptezicht van 0,5 arcminuut is beter geschikt, maar dat leidt in de woonkamer nog steeds tot zeer grote schermformaten voor 8K schermen.
Florian Friedrich bracht echter argumenten aan waarom een nog hogere resolutie (op een kleiner scherm) nodig kan zijn. Zijn theorie houdt rekening met twee factoren. Op een typisch vierkant pixelgrid is de diagonale afstand tussen twee pixels uiteraard groter dan de zijde van de pixel, en dat resulteert in een factor 1,4. Daarnaast houdt hij ook rekening met het Nyquist theorema uit signaaltheorie, dat stelt dat je minstens aan de dubbele van de hoogste frequentie in een signaal moet bemonsteren om geen aliasing effecten te zien. Dat betekent opnieuw een factor twee. Eventuele problemen die voortvloeien uit chroma subsampling zouden de vereiste resolutie nog opdrijven. Willen we rekening houden met al die zaken dan is 8K niet te veel.
Meer pixels zorgen voor een zuiverder beeld (oversampling in signaaltheorie), terwijl te weinig pixels (undersampling) voor allerlei artefacten zorgen. Een goed voorbeeld van wat er gebeurt als je te weinig pixels gebruikt in een beeld zie je in de Snellen E en de Landolt C. De Snellen E wordt gebruikt bij de optometrist. De ‘E’ is exact vijf eenheden hoog en breed. Op een beeldscherm past dat beeld, als het klein genoeg is, binnen exact vijf op vijf pixels, en is het nog steeds perfect. Dat is anders met de Landolt C. Ook deze wordt gebruikt voor oogtesten. Maar omdat de pixels van een ‘C’ niet perfect aligneren met een vierkant pixelgrid heb je aanzienlijk meer pixels (vier keer oversampling) nodig voor je een duidelijk zichtbare C krijgt. Concreet, een Snellen E kan je met 1 pixel per hoogte-eenheid weergeven, een Landolt C heeft er 4 per hoogte-eenheid nodig. Dat betekent dat je van Full HD moet overstappen naar 8K.
Een andere opgestelde demo met een 4K en 8K scherm was in dat opzicht ook erg opvallend. Onderstaande foto toont het typische kartelrandje dat je soms op bijna horizontale of verticale lijnen kunt zien. Op het 8K scherm was dat volledig verdwenen. Bovendien was het gekarteld effect op het 4K scherm zelfs vanop ruime afstand (vijf tot zes meter) nog zichtbaar. Een goede demo die toont dat ons brein beeldartefacten veel langer kan zien dan wat je zou denken op basis van puur scherptezicht.
Hyperrealistisch effect van 8K
Prof. YK Park presenteerde de resultaten haar experiment rond de perceptie van 4K vs 8K. De volledige paper vind je hier. Waar de stap van 2K naar 4K vooral extra scherpte en detail bracht, lijkt de stap van 4K naar 8K andere zaken te brengen.
Om dat te testen werden twee 65 inch lcd-schermen opgesteld, beide met een helderheid van 450 nits. De kijkafstand werd gevarieerd van een meter tot drie meter. Voor de waarneming van diepte werden een aantal testpatronen en foto’s gebruikt en daarbij bleek de 8K weergave van hetzelfde beeld dieper te lijken dan de 4K versie. In onderstaand testgeval werd het witte vlak als kleiner waargenomen (en de tunnel dus als dieper). Dit is vooral te wijten aan het extra detail dat zichtbaar is aan het einde van de tunnel in het 8K beeld ten opzichte van het 4K beeld.
In een verder experiment werden 16 beelden en 3 video’s gebruikt om een aantal eigenschappen te evalueren. In dit geval ging het niet alleen over over eigenschappen die rechtstreeks met perceptie te maken hebben (zoals kleur, contrast en resolutie) maar ook over cognitieve eigenschappen (zwaarte, temperatuur, echtheid, ruimtelijkheid, kwaliteit). De beelden werden bekeken op een 65 inch scherm, 4K en 8K, vanop een afstand van 2,74 m door 120 kandidaten.
Een belangrijk resultaat was alvast dat de 8K-beelden ongeveer 30% beter scoorden op de perceptie én cognitieve eigenschappen. Ook al gebruikten deze beelden dus een resolutie die je theoretisch niet meer kunt zien, de cognitieve processen in ons brein ‘zien’ wel degelijk een verschil.
Opvallend was ook dat beelden die traditioneel goed scoorden bij de vergelijking tussen Full HD en 4K (zoals landschappen), minder baat hadden bij een 8K versie dan beelden waar een duidelijk onderwerp in het centrum stond (zoals een gezicht, auto of dier). De verbetering is dus ook afhankelijk van het type beeld.
Waar 4K dus enkel over extra detail ging, lijkt 8K een beter gevoel van echtheid te geven, en is er in zekere zin sprake van synesthesie, het proces waarbij de informatie die je waarneemt met een bepaald zintuig, effect heeft op andere zintuigen (objecten lijken bijvoorbeeld ‘zwaarder’ of ‘ruimtelijker’).
Evolutie in upscaling technieken
Ook al wordt er al 8K content geproduceerd, voorlopig is die nog nauwelijks te zien (of tot bij de consument te krijgen). Upscaling zal dan ook nog geruime tijd een zeer belangrijke rol hebben voor 8K. Voor een 4K beeld moet het aantal pixels verviervoudigd worden, maar wie een SD (640×480) beeld op een 8K-scherm bekijkt, moet goed beseffen dat elke pixel moet omgezet worden naar 108 pixels in de 8K versie. Hoe doe je dat zonder een wazig of geblokt beeld te creëren?
Verwijderen van ruis, herstellen van lijnen en het creëren van textuur, dat zijn de drie belangrijke stappen die SH Park van Samsung Electronics naar voor schuift. Conventionele methodes zoals ‘nearest neighbor’, lineaire interpolatie of cubische interpolatie leveren dan geen goed resultaat meer. Samsung ontwikkelde daarom een set van features die een algoritme in het beeld kan herkennen en trainde vervolgens een upscaling algoritme op basis van voorbeelden om die features te herkennen en zo goed mogelijk uit te vergroten. Die techniek noemen we ‘Machine Learning’.
Nieuwere technieken maken gebruik van ‘deep learning’. Het algoritme gebruikt een ‘neuraal netwerk’ dat dieper en complexer kan gemaakt worden om betere resultaten te creëren.
Dergelijk algoritmes kunnen heel knappe resultaten behalen. Ze blinken uit in het herstellen van textuur. Voor een recente paper kan je hier terecht. Onderstaande foto toont resultaten uit dit onderzoek, rechts staat het origineel high-res beeld, links ernaast het resultaat van het nieuwste algoritme.
Helaas zijn er ook nadelen aan deze techniek. Hij is erg moeilijk en complex om te trainen, en je weet nooit op voorhand welke effect een kleine veranderingen aan het neurale netwerk zal hebben op het eindresultaat. Deze algoritmes zijn ook erg complex en vergen dus veel processorkracht. Concreet is het nog te vroeg om deep learning algoritmes te gebruiken.
Conclusie
Het ecoysteem rond 8K begint langzaam maar zeker vorm te krijgen. De eerste tv’s zijn beschikbaar en er wordt content gemaakt. Maar voor de consument zitten belangrijke aspecten zoals hoe krijg je die content bij je thuis nog in een eerder vroeg stadium. De vereiste bandbreedte blijft erg hoog, en op een nieuwe, efficiëntere compressietechniek is het zeker nog enkele jaren wachten. Ook snellere netwerkinfrastructuur zoals 5G mobiel netwerk is nog een werk van jaren.
Dat betekent dat upscaling zal nog geruime tijd een belangrijke rol zal spelen. De algoritmes verbeteren weliswaar, maar we hoorden regelmatig dat een upscaling van 4K er wel goed uit ziet, maar een echt 8K beeld heeft toch nog net dat ietsje meer. In België en Nederland is het grootste deel van het aanbod bovendien nog in Full HD.
Dat 8K nuttig is voor grote schermformaten wisten we al, maar er blijkt wel degelijk nut te zitten in die enorme hoeveelheid pixels, ook op maten zoals 65 inch. Digitale artefacten verdwijnen makkelijker, en het beeld geeft daardoor een natuurlijkere indruk. Ons brein geeft de beelden meer diepte en massa, en dus een groter gevoel van echtheid. Maar daarvoor moet je natuurlijk wel echte 8K-content gebruiken, of op zijn minst vertrekken van hoge kwaliteit 4K-beelden. En daarop blijft het toch wat wachten, tenzij je een hardcore Ultra HD Blu-ray fan of 4K gamer bent.
Next gen game consoles zullen waarschijnlijk de eerste bron van 8K beeldmateriaal zijn, die zouden tegen eind 2020 kunnen verschijnen. YouTube bevat nu al 8K-materiaal, en andere streaming bronnen zoals Netflix en Amazon Video zouden mogelijk snel kunnen volgen, al blijft de bandbreedte beperking voor hen een belangrijke horde.
Al die zaken leiden ons naar een duidelijke conclusie: het is nog vroeg dag voor 8K. De belangrijkste ontwikkelingen liggen zeker nog vijf jaar in de toekomst. Maar mogelijk plukken we toch al wat vroeger vruchten van deze zoektocht naar de allerbeste beeldkwaliteit. 8K zal, onrechtstreeks dan, de prijs van grotere schermen (65 inch en hoger) toegankelijk maken. En dat is goed nieuws voor heel wat thuisbioscoop fans.
Meer over de 8K-resolutie en andere standaarden op het gebied van tv vind je in onze homecinema informatiegids.
Reacties (2)