Clés pour coder les signaux UHD pour les liens de diffusion et de contribution

Juan José Anaya Luengo, directeur technique de Sapec; José Manuel Menéndez, professeur à l'Université Polytechnique de Madrid ; et Sonia Valladares, ingénieure solutions Dolby, tous membres de UHD Espagne, donnent toutes les clés de l'encodage du signal en ultra haute définition.

Avec l'apparition du Signaux UHD sont créés de nouveaux défis pour la manutention et le transport. Nous parlons de signaux qui se multiplient entre 4 et 16 fois (selon qu'il s'agisse de 4K ou de 8K) la résolution d'un signal vidéo HD, et que, logiquement, vous souhaitez transport et propagation à travers les systèmes actuels. Por ello, son necesarios nuevos sistemas de codificación que, por un lado, sean más eficientes que los anteriores y, por otro, que aprovechen mejor las características (sus redundancias tanto espaciales como temporales) de este tipo de señales.

A continuación, se dan unas pinceladas de la problemática y sistemas de procesado para las señales UHD. Dedans Libro Blanco, creado dentro del marco de la asociación UHD Espagne, se profundiza y se aportan más detalles de todo lo aquí expuesto.

1. Sistemas de codificación UHD para entornos de contribución.

Dans le etapas de contribución (les premières étapes depuis l'origine du signal jusqu'aux différents centres de production) il est nécessaire de maintenir une très haute qualité et une très faible latence (en dessous de la 400 ms) pour les cas de diffusions en direct. Dans le cas des signaux UHD, le débit binaire requis augmente en fonction du système de codage utilisé. Ainsi, en fonction des différentes capacités des liens disponibles, les systèmes d'encodage UHD habituellement utilisés sont :

• Par au-dessus de 10 Gbit/s- Ces débits binaires sont généralement générés lors de la diffusion de vidéos non compressées. Dans le cas des signaux UHD, de nouveaux réseaux sont nécessaires pour prendre en charge la 12 Gbit/s requis, et qui reposent généralement sur des interfaces physiques 12G-SDI et, de plus en plus, IP (ST2110 et ST2022/6).
• De 500 Mbps à 10 Gbps: encodages mezzanine perte quasi nulle, pour laquelle différents systèmes de codage sont utilisés en fonction de la capacité de compression nécessaire (Tico, JPEG2K, JPEG-XS, HEVC-Intra, AVC-Intra), fonctionnant en « modeintra».
• De 30Mbps à 150Mbps: encodages MPEG de très haute qualité. Lorsque les systèmes de codage sont basés sur des techniques MPEG, les performances atteintes augmente considérablement, puisque ces systèmes profitent à la fois des redondances spatiales et temporelles du signal vidéo, avec des schémas «entre"Et, au sein des techniques MPEG, le système qui a été standardisé est le H.265 ou HEVC en su profil 4:2:2 10 bits. Ce système est l'évolution du H264, avec des performances qui, pour les signaux UHD, avoisinent le double de celui de son prédécesseur (permettant de réduire d'un facteur 2 le débit nécessaire), et avec une amélioration de la qualité perceptuelle des images.

Un élément commun à tous ces systèmes, outre le maintien de la qualité, est la possibilité d'effectuer des processus de contrôle de qualité. multigénération (encoder et décoder plusieurs fois le même signal) sans en dégrader sensiblement la qualité.

2. Systèmes de codage UHD pour la diffusion

En Espagne, la diffusion radiophonique est très importante, car elle offre très large couverture du territoire (superando el 96% del mismo en difusión terrestre (la conocida TDT), y alcanzando el 100% en difusión vía satélite). El recorrido histórico de ambos tipos de difusión es largo, lo cual ha facilitado el despliegue de un amplio parque de receptores en los domicilios de los usuarios. Hacer evolucionar dicho parque lleva su tiempo, lo cual obliga a mantener esquemas de compresión tal vez obsoletos para evitar que un número mayoritario de usuarios se vea impedido de seguir disfrutando de sus canales habituales.

La radiodiffusion utilise toujours des systèmes de compression approuvés par le projet européen DVB pour réaliser des diffusions. Le premier système de compression vidéo approuvé fut le MPEG-2, utilisé massivement pour l'encodage des signaux SD. Ledit compresseur est encore utilisé aujourd'hui pour la compression des signaux SD dans la TNT, par exemple, et étant donné qu'en Espagne il y aura un arrêt dudit signes fin 2022, il est très probable que son utilisation dans la TNT meurt avec cet arrêt.

Le deuxième compresseur adopté par DVB pour la vidéo était le standard H.264 (también conocido por AVC). Es el estándar que se adoptó para la compresión de señales HD, y es el que se sigue actualmente utilizando para la compresión de señales HD vía TDT, satélite e IPTV.

La estandarización del H.265

Tras H.264, DVB adoptó también el estándar H.265 (o HEVC), y es el estándar que se está utilizando para emisiones de señal UHD. Se podría utilizar también para comprimir muy eficientemente señales HD, pero el parque de receptores de los usuarios no ha evolucionado suficientemente, y requiere continuar con el uso de H.264 para señales HD. Afortunadamente, el Real Decreto 391/2019, de 21 de junio, por el que se aprueba el Plan Technique National de Télévision Numérique Terrestre et certains aspects sont réglementés pour la sortie du deuxième dividende numérique, il établit des exigences et des demandes pour les appareils de réception vendus en Espagne avec un écran de plus de 40 pouces et avec la capacité de recevoir des signaux UHD, ce qui facilite l'évolution du parc de récepteurs afin que des systèmes de compression efficaces avec H.265 puissent être utilisés en masse.

Quand on parle ici de diffuser un signal UHD il est essentiel optimiser l'utilisation de la bande passante au maximum, puisque nous utilisons des systèmes à travers lesquels les signaux SD et HD sont actuellement diffusés. Pour la compression vidéo, HEVC s'est imposé comme la norme à utiliser dans l'industrie de la diffusion, principalement en raison de sa grande efficacité, notamment pour les images en résolution UHD, où il exploite pleinement son potentiel.

Dans les environnements de diffusion, même si la latence est toujours importante, Ce n'est plus un élément critique comme dans le cas de la contribution, et on peut considérer autorisé plus d'une seconde. Con esta premisa, es posible sacar el máximo partido de la codificación HEVC utilizando estructuras de GOP más eficientes, que aprovechen al máximo las herramientas que proporciona HEVC para la redundancia temporal.

3. Sistemas de codificación UHD para streaming

En sistemas de codificación para streaming, hay que diferenciar entre plataformas del mercado, si bien también se puede diferenciar entre sistemas de emisión en directo o video bajo demanda VoD.

Cuando hablamos de plataformas, en algunos casos, hay que cumplir las especificaciones y recomendaciones dadas por ellas. Por ejemplo, en el caso Apple/HLS, están definidas résolutions (tanto UHD como no UHD), velocidades binarias oui códecs à utiliser. Ces spécifications sont publiques et doivent être strictement respectées lors de la transmission en direct et en vidéo à la demande, la marge de décision ou de modification est donc très limitée.

Quand on parle de streaming de contenu VoD, il est impossible de ne pas penser aux superbes plateformes internationales. Les grands comme les plateformes locales ont leur systèmes de distribution et appliquer leurs propres méthodes d'amélioration. L'encodage de la vidéo à la demande présente l'avantage de ne pas s'effectuer en temps réel, ce qui permet de traiter la vidéo en plusieurs passes, obtenant ainsi des taux de compression plus élevés. Par exemple, Netflix utilise depuis 2015 une méthode connue sous le nom de «encodage par titre» qui permet une optimisation dynamique, économisant dans certains cas jusqu'à 50 % du débit binaire, obtenant une qualité supérieure, au point que les titres antérieurs au développement de cette technologie sont actuellement en train d'être réencodés.

Lorsque l'on parle habituellement d'encodage VoD pour le streaming, on envisage toujours la possibilité d'utiliser compresseurs adaptatifs, qui appliquent une évolutivité spatiale (différentes résolutions spatiales) ou temporelle (différents taux de rafraîchissement des images) en fonction de la capacité du réseau et du récepteur de l'utilisateur. En ce sens, les systèmes de compression tels que HLS o MPEG-DASH (ce dernier avec la possibilité d'utiliser HEVC pour la compression du signal vidéo).

Diffusion en direct et avenir

En ce qui concerne le diffusion en direct, dans la plupart des transmissions l'encodeur est partagé avec le reste des technologies de distribution. C'est-à-dire un codage unique pour les différents réseaux, terrestre, satellite et/ou streaming. Le plus grand défi, dans ce cas, est le latence, puisque le contenu doit être « fragmenté » et « empaqueté ». La diffusion est plus lente en streaming qu'en diffusion, ce qui, dans les événements sportifs, a toujours été un facteur à prendre en compte.

Entre autres enjeux pour l'avenir, il y a le adoption ou non de codeurs sans brevet, comme AV1, qui est légèrement plus efficace que HEVC, au prix d'un plus grande complexité et temps de traitement, même s'il n'inclut pas le paiement de redevances. Netflix a récemment annoncé qu'il prenait en charge AV1. La grande question est de savoir s’il remplacera massivement les autres codecs.. Cela est dû au temps nécessaire aux récepteurs pour s'adapter à ces nouvelles technologies et à la manière de faire évoluer ces nouveaux codecs pour prendre en charge le HDR avec des métadonnées dynamiques.

4. Encodage UHD dans les diffusions en direct : défis et opportunités

L'encodage de la diffusion en direct comporte quelques conditions très différentes au traitement du contenu »en conserve” que se almacena para su posterior distribución por las diferentes plataformas. Los contenidos de VoD permiten el uso de técnicas que mejoren la calidad a costa de aumentar el tiempo de procesado previo necesario. Pero, cuando tratamos con señales en directo, es necesario codificar cada una de las imágenes en menos de 20 ms (para señales UHD p50) o 16,66 ms (para señales UHD p60).

También es necesario tener en cuenta el sistema de transmisión que se va a utilizar. Para sistemas de muy baja latencia o emisiones broadcast, la velocidad binaria de salida del codificador tiene que ser muy estable, ya que un incremento elevado y puntual de la tasa binaria puede que no sea admisible por el resto de la cadena de transmisión. Aquí es donde entran en juego las técnicas de control de tasa binaria para mantener un flujo constante de salida.

Para conseguir esa capacidad de proceso en tiempo real se requiere el uso de plataformas de procesado muy potentes, que actualmente suelen estar basadas en 2 tecnologías muy diferentes:

• Plataformas basadas en circuitos dedicados (FPGA’s), donde todo está muy orientado al proceso de codificación en tiempo real con una muy elevada eficiencia. Se pueden conseguir unas latencias de codificación y decodificación muy bajas con unos consumos extremadamente bajos. Además, suelen ser soluciones très compact et très léger, idéal pour les unités mobiles, les systèmes portables, etc., ainsi que pour les stations fixes où la latence et la consommation sont des facteurs primordiaux.
• Plateformes basées sur des serveurs génériques, où ils sont utilisés des serveurs très puissants qui effectuent des traitements en temps réel en fonction de la capacité de traitement. En ne nécessitant pas de matériel spécifique, le temps de développement est plus court. Au contraire, les latences de traitement sont généralement beaucoup plus élevées et surtout la consommation, qui multiplie généralement par 10 ou 20 la consommation de plateformes spécifiques.

En résumé…

Comme on peut le constater, le la technologie est prête pour permettre un codage efficace des signaux UHD et faciliter leur transmission à travers différents canaux. Comme mentionné, le principal défi est d'obtenir le les utilisateurs ont mis à jour leurs récepteurs qui permettent l’utilisation des encodeurs les plus efficaces.

Ils sont maintenant disponibles Implémentations d'évolution HEVC, avec la norme IT-T H.266 (également connu sous le nom VVC), et des travaux sont en cours sur l'évolution de AV1 avec le codec AV2. Avec eux, nous pouvons compresser les signaux UHD avec des qualités et des débits binaires similaires à ceux dont nous bénéficions actuellement avec les signaux HD.

Avec tout cela, personne ne doute que le signal UHD sera présent dans les foyers. C'est juste une question de temps.

Juan José Anaya Luengo, directeur technique de Sapec; José Manuel Menéndez, professeur à l'Université Polytechnique de Madrid ; et Sonia Valladarès, ingénieur solutions Dolby.