Ultra High Definition: 4K en hoger

De videowereld heeft al een tijdje een nieuwe buzz-term: 4K. Full HD levert ons niet meer genoeg detail, we willen meer. Wat is 4K precies, en waarom willen we hogere resoluties?

Het volgende uitgebreide achtergrondstuk over 4K werd geschreven door Eric Beeckmans, de 'beeld-expert' bij FWD Magazine, en verscheen eerder in Hifidelity Jaarboek 2013-2014. Op de FWD*HiFi-Dagen op 22 & 23 februari verzorgt Eric een aantal workshops rond beter beeld. Mis het niet!

4K biedt ongeveer 4x zoveel pixels als onze huidige Full HD schermen

4K (staat voor 4 Kilo oftewel 4000) is eenvoudig gezegd een algemene term die verwijst naar resoluties met 'ongeveer' 4000 pixels in de horizontale richting. 'Ongeveer' is het sleutelwoord, want de 4K-vlag dekt een hele rits resoluties met verschillende beeldverhoudingen: 4096x2160 (1,9:1), 3840x2160 (1.78:1), 4096x1714 (2.39:1) enzovoort.

Voor televisie is er uiteindelijk gekozen voor 3840x2160 met zijn 16:9 beeldverhouding. Als we spreken over '4K' resolutie doelen we daar dus op. De oplettende lezer heeft misschien al gemerkt dat dat zowel in de hoogte als in de breedte exact twee keer zoveel pixels biedt als Full HD (1920x1080). In totaal levert die 4K-resolutie dus vier keer zoveel pixels als Full HD. Vandaar dat je voor die resolutie ook wel eens de term QFHD, of 'Quad Full HD' zal zien. Opgelet voor verwarring: 4K is niet afkomstig van 4x zoveel pixels als Full HD, maar van ongeveer 4000 horizontale pixels.

In oktober 2012 kondigde CEA (Consumer Electronics Association) aan dat ze de term UHD (Ultra High Definition) adopteerden voor schermen met een minimum resolutie van 3840x2160 (16:9). Die schermen moeten ook beschikken over ten minste één digitale ingang waarlangs een 4K-signaal kan aangeboden en getoond worden zonder nood aan scaling.

Maar om 4K-tv's eenvoudig te herkennen in de winkel is er nood aan een logo. Daar is DigitalEurope volop mee bezig. DigitalEurope ken je misschien onder hun vroegere naam EICTA. Zij creëerden de 'HD Ready' en 'HD Ready 1080p' logo's die ons vanaf 2005 hielpen een onderscheid te maken tussen Full HD (1080p) beeldschermen en schermen met een lagere HD resolutie. Nu UHD aan een gezwinde opmars bezig is liet DigitalEurope weten dat ze de eerste reeks vereisten voor een nieuw UHD-logo al hebben klaarstaan. Het logo zelf is helaas nog niet bekend.

Je kent deze logo's nog wel. In de eerste jaren dat we met HD-resoluties te maken kregen hielpen ze ons Full HD (1080p) schermen te herkennen van schermen met lagere resoluties. Er wordt nu gewerkt aan gelijkaardig logo voor UHD.

Waarom willen we 4K?

De reden is meer detail, vooral dan op onze steeds grotere televisies. We verduidelijken: Als je over vier keer zoveel pixels beschikt kan je beeld uiteraard veel gedetailleerder zijn. Nu stellen we ons de vraag of dat detail wel nuttig, lees zichtbaar is. Om daarover een zinvolle uitspraak te doen moeten we wat biologie en wiskunde te hulp roepen. Hoe verder we kijken, hoe minder detail we kunnen zien. Daarom wordt het scheidend vermogen van het menselijk oog uitgedrukt in een hoek. Een doorsnee menselijk oog met perfect zicht heeft een scheidend vermogen van ongeveer 1/60 van een graad, of een boogminuut. Met wat trigonometrie rekenen we dan uit hoe ver we van een scherm met een bepaalde afmeting en resolutie kunnen zitten om nog net het fijnste pixeldetail waar te nemen.

Een paar voorbeelden: voor een 40 inch Full HD scherm is de maximum afstand waarop je nog pixeldetail ziet ongeveer 1,6 meter en dat is ruim minder dan de 2m die we als minimum kijkafstand aanbevelen. Voor een 55 inch scherm is de maximum afstand om alle detail te zien al 2.2m, nog steeds minder dan de aanbevolen minimale kijkafstand van 2,8m. Het lijkt er dus op dat Full HD ruim volstaat?

Voor schermen die we typisch als televisie gebruiken (tot 55 inch) en op typische kijkafstanden (2x schermdiagonaal) wel ja. De zaak verandert echter als we naar kijkafstanden gaan die bedoeld zijn voor een echte filmervaring. Voor projectoren raden we al lange tijd aan om ongeveer op 1,5x de schermbreedte te zitten, gebaseerd op THX aanbevelingen. Toegepast op onze 55 inch televisie is dat ongeveer 1,8 m en dat is dicht genoeg om pixels te onderscheiden. In dat geval is 4K wel degelijk nuttig. Misschien zit je niet zo dicht bij de televisie, maar naarmate de schermmaat groeit wordt dat scenario wel aannemelijker. Voor een 80 inch Full HD scherm bijvoorbeeld is de maximale afstand waarop je alle detail ziet 3,2m en de aanbevolen kijkafstand voor filmervaring al 2,7 meter. Die kijkafstand is helemaal niet onrealistisch en je kan dan pixeldetail zien.

Voor 'kleine' schermmaten (tot 55 inch) is 4K dus eerder een luxe. Daarboven is het zeker geen noodzaak maar ga je wel degelijk een duidelijk verschil in detail merken. Onze eerste ervaringen met 4K schermen bevestigen dat overigens.

Is 4K niets meer dan een hogere resolutie?
Naast meer resolutie hadden we gehoopt dat Ultra HD ook betere kleuren zou brengen. Dat zal voorlopig niet het geval zijn. Dit zijn de voorwaarden waaraan moet een televisie moet voldoen om het nieuwe, voorlopig onbekende, UHD-logo van DigitalEurope te verkrijgen.

De audio, resolutie en beeldverhouding eisen zijn geen verrassing, maar wel opvallend is de eis voor framerate ondersteuning tot 60 frames per seconde. Vermits de huidige HDMI 1.4 standaard maximaal 30 fps ondersteunt voor 4K-beelden zullen dus enkel televisies met HMDI 2.0 het logo krijgen. Dat zijn momenteel wel de meeste sets (al dan niet met een hardware update, we komen hier verder op terug).

Wat kleurweergave betreft is er gekozen voor de huidige HDTV-standaard, zoals we die nu al op al onze toestellen kennen: ITU-R BT.709 (ook gekend als Rec.709) en 8 bit-kleur. We hadden stilletjes gehoopt dat het Ultra HD logo ook ondersteuning zou eisen van de Rec.2020 standaard die een breder, gedetailleerder kleurbereik gebruikt, maar helaas.

Alle kleuren die het menselijk oog kan waarnemen vallen binnen de gekleurde hoefijzervorm. Onze huidige televisies geven daar slechts een fractie van weer, namelijk alles wat binnen de Rec.709 driehoek valt. De Rec.2020 driehoek bevat aanzienlijk veel meer kleuren en is voorgesteld als standaard voor UHD-tv.

Hoezo, nog realistischer? Alle kleuren die het menselijk oog kan waarnemen zijn vastgelegd in de CIE 1931-kleurruimte. Op de figuur hiernaast wordt die kleurruimte weergegeven door de volledige hoefijzervorm. Het huidige kleurbereik van onze televisies, gedefinieerd door BT.709 en weergegeven op de figuur door de kleinste driehoek geeft daar helaas slechts 35,9 % van weer. In de cinemazaal gebruikt men al een breder kleurbereik dat 53,6 % van CIE 1931 kleurruimte toont. Het Rec.2020-kleurbereik dat we graag geïmplementeerd zagen, zit binnen de grotere driehoek op de figuur en geeft 75,8% van het CIE 1931 kleurbereik weer. Televisies die dat kleurbereik gebruiken zouden een aanzienlijk realistischer beeld tonen, waarin veel fellere kleuren mogelijk zijn dan nu.

8 bit-kleur zoals we die nu gebruiken kan bij kleur gradiënten tot banding leiden (onderzijde van het beeld). Met 10 of 12 bit-kleur kan de gradiënt zonder storende overgangen getoond worden.

Een ander aspect dat de kleurweergave verbetert is het aantal bits dat we gebruiken. Vandaag en ook onder het nieuwe UHD-logo is dat beperkt tot 8 bits. Dat betekent dat we voor elke basiskleur (rood, groen en blauw) 256 (2^8) tinten kunnen weergeven. Aangezien we met drie basiskleuren werken kan een televisie ongeveer 16,7 miljoen (256^3) kleuren weergeven. Dat volstaat in veel gevallen, maar bij zeer subtiele kleur gradiënten is het mogelijk dat die 256 stappen niet genoeg nauwkeurigheid bieden en je kleurbanden ziet. Rec.2020 stipuleert 10 of 12 bits kleur om dat probleem te vermijden. Met 10 bits kunnen we 1024 tinten per basiskleur en een totaal van 1,07 miljard kleuren weergeven. Met 12 bits zijn dat zelfs 4096 tinten en 68,7 miljard kleuren. Daarmee zouden alle banding problemen opgelost zijn.

Voorlopig betekent 4K dus enkel een hogere resolutie. DigitalEurope liet wel weten dat zede huidige richtlijn als een basis zien, en dat ze niet willen speculeren over verdere karakteristieken tot de markt wat rijper en beter begrepen is. Mogelijk zit er in de toekomst dus toch nog een extra logo in. Dat zou dan wel het bredere kleurbereik en hogere bitdiepte kunnen vereisen. Maar denk er aan, zelfs dan zijn we nog niet klaar. Het volstaat immers niet dat onze televisies hogere resoluties of meer en nauwkeurigere kleuren kunnen weergeven. Het blijft hoedanook wachten op content die ook aan al deze specificaties voldoet.

Zijn er al televisies te koop?

De 58 inch Toshiba 58M9363DG komt met een prijs van 3.500 euro al aardig in de buurt van de prijs van Full HD topmodellen.

Er zijn al heel wat 4K-schermen op de markt verkrijgbaar. De Toshiba 55ZL2 (8.999 euro) was in 2012 niet alleen het eerste 4K-scherm op de markt, het is ook de eerste en voorlopig enige tv waarop je 3D zonder bril ziet. Daarna kwamen de LG 84LM96000 (15.000 euro) en de Sony KDL-84X9005 (25.000 euro), dat zijn 84 inch schermen, een maat waar de UHD-resolutie echt wel wat te bieden heeft. Ook projectoren zijn er al in 4K-varianten, denk maar aan de Sony VPL-VW1000ES (19.000 euro).

In het najaar van 2013 werd echter duidelijk dat alle fabrikanten de 4K-kaart trokken en ook kleinere, ietwat zachter geprijsde modellen in de markt wilden zetten. Dat leidde prompt tot een eerste kleine prijzen-oorlog. Ondertussen hebben LG, Panasonic, Philips, Samsung, Sony en Toshiba allemaal een of meerdere 4K-modellen. De maten variëren van 55 tot 65 inch en de prijzen variëren tussen 3.500 en 6.500 euro.

Van al die modellen is enkel de Panasonic Tx-L65WT600E al uitgerust met HDMI 2.0 Zoals we eerder al vermeldden is dat een vereiste voor het Ultra HD logo. Maar bijna alle andere fabrikanten hebben een oplossing klaar staan. Sony en Toshiba bevestigden dat de huidige 4K-tv's dankzij een gratis firmware update een HDMI 2.0-aansluiting zullen krijgen. Bij Samsung en Philips zal je na aankoop van een nieuwe externe aansluitingsdoos een HDMI 2.0 aansluiting krijgen op de bestaande toestellen. Enkel LG heeft voorlopig geen oplossing klaar.

Fijn, maar zijn er al 4K Blu-ray's?

Het 'Mastered in 4K' logo van Sony is een kwaliteitslabel voor Blu-ray films, maar het zijn geen echte 4K-beelden.

De huidige Blu-ray standaard heeft geen voorzieningen voor 4K-video. Sony lanceert wel een aantal titels onder de noemer 'Mastered in 4K', maar dat zijn gewone Blu-ray schijven, met dat verschil dat ze wel gebaseerd zijn op een 4K-Master en in de best mogelijke kwaliteit gecomprimeerd zijn voor Blu-ray. De volledige uitleg vind je verder in dit nummer in ons artikel over het bezoek aan de Sony studio's in LA.

Opgelet ook met Blu-ray-spelers die vandaag al 4K 'ondersteunen'. Dat wijst voorlopig enkel op een ingebouwde scaler zodat je alle content kan upscalen naar 4K. Vrij nutteloos volgens ons want de ingebouwde scalers in een 4K-tv doen hetzelfde werk en doen dat beter.

Een echte uitbreiding van de Blu-ray standaard naar 4K toe is wel mogelijk. Wanneer en zelfs of die er zal komen is nog niet geweten. Het Blu-ray consortium is erg karig met info over een mogelijke 4K-standaard, voorlopig weten we enkel dat de optie onderzocht wordt.

Wat zou de impact zijn van een 4K Blu-ray standaard? De overgang zal erg lijken op wat er met 3D gebeurde. Je zal met andere woorden een nieuwe speler moeten aankopen want de kans dat huidige spelers via firmware de 4K-standaard zullen ondersteunen is zo goed als onbestaande. Een van de redenen daarvoor is dat 4K-schijven vermoedelijk gebruik zullen maken van de nieuwe H.265 codec, beter gekend onder de naam HEVC (High Efficiency Video Codec). Deze opvolger van het huidige H.264 levert bestanden af die tussen de 30-50% kleiner zijn dan de H.264-bestanden terwijl de kwaliteit gelijk blijft. HEVC is echter gloednieuw, de standaard werd pas gepubliceerd op 7 juni 2013. Bestaande spelers en televisies die over de nodige hardware beschikken voor deze standaard zijn zeldzaam. Enkel de LG LA9709 en LA9659 hebben ondersteuning voor HEVC aan boord.

En via USB? Kan ik zo 4K-content afspelen?

Alle 4K-televisies beschikken over meerdere USB-aansluitingen, niet ongewoon voor een high-end toestel. Je sluit er een USB-stick of harde schijf met al je media op aan en de ingebouwde mediaspeler doet de rest. Maar kan de mediaspeler ook overweg met 4K-content? Helaas, bij de meeste toestellen is de mediaspeler wel in staat om 4K-foto's te tonen, maar geen 4K-video. Firmware upgrades zullen geen heil brengen, vermits er nieuwe hardware nodig is om 4K-video af te spelen. Enkel de LG LA9709 en LA9659 en de Panasonic TX-L65WT600E kunnen ook 4K-video aan. Samsung liet weten dat zij een oplossing hebben om 4K via USB aan te leveren, maar ze gebruiken daarvoor wel een eigen formaat, gebaseerd op vier aparte Full HD streams. Daardoor is een transcoding stap nodig om bestaande content op die manier te structureren, wat absoluut geen ideale oplossing is.

Zijn video-streaming diensten de oplossing?

De FMP-X1 4K-mediaspeler van Sony is voorlopig niet in Europa verkrijgbaar.

Ook via streaming diensten verwachten we op termijn 4K-content te zien. Voor twee daarvan is er een speciale speler nodig. In de VS lanceerde Sony zijn 'Video Unlimited 4K' dienst. Met behulp van een speciale 4K-speler (de FMP-X1, kostprijs 699 USD) zal je 4K-films en tv-reeksen kunnen bekijken. De prijzen variëren van 7,99 USD voor 24 uur huren van een film tot 29,99 USD om een film te kopen. Helaas, Sony heeft nog geen plannen aangekondigd om de dienst naar Europa te brengen.

Odemax is een VOD-dienst die momenteel in beta is en ook al 4K-content aanbiedt, via de RedRay-speler (1.657 euro). De speler komt van de firma RED, bekend omwille van zijn professionele filmcamera's. Odemax lijkt momenteel vooral indie filmmakers op het oog te hebben, maar zou ook blockbusters uitbrengen op termijn.

RED, het bedrijf bekend van zijn 4K camera's brengt in het voorjaar ook een 4K mediaspeler op de markt.

Maar streaming diensten zouden ook perfect geïntegreerd kunnen worden in de bestaande Smart TV platformen van de tv-fabrikanten. Netflix, een van de meest populaire Video on Demand diensten, wil binnen een tot twee jaar met 4K-streaming starten. YouTube heeft al 4K-content op zijn servers staan. Kijk als voorbeeld even naar deze prachtige clip https://www.youtube.com/watch?v=QNce_8WHTGc. Op je computer bekijk je die in 4K door als resolutie 'original' te kiezen, al moet je natuurlijk ook over een 4K-scherm beschikken. De tv-versie van YouTube laat die resolutie voorlopig niet toe en we weten niet wanneer YouTube dit zal implementeren.

Netflix, de bekende video on demand dienst ziet 4K helemaal zitten. Ze willen al in 2014 met 4K-streaming starten.

Of de huidige generatie televisies die 4K-streaming diensten zullen ondersteunen lijkt twijfelachtig. Opnieuw zijn enkel de LG LA9709 en LA9659 en de Panasonic TX-L65WT600E daar klaar voor. En dan moet je nog rekening houden met de enorme hoeveelheid data die gepaard gaan met een 4K-streaming dienst. Een film met degelijke kwaliteit zou makkelijk rond de 100GB uitkomen, al kan ook hier het gebruik van de H.265 codec beterschap brengen. Samsung heeft, dankzij de Smart Evolution Kit, de optie om zijn hardware daarvoor aan te passen. Sony liet ook uitschijnen dat het HEVC zal kunnen implementeren op bestaande sets.

Heeft satelliet de toekomst?

Satelliet heeft mogelijk de beste troeven om 4K-uitzendingen bij het grote publiek te brengen.

Hoe zit het met 4K televisie uitzendingen? Er wordt al aan gewerkt. In Zuid-Korea heeft KBS (Korea Broadcasting Systems) een testkanaal voor 4K-uitzendingen via DVB-T2 (digitale tv via de ether) en het zal tijdens de 2014 Asian Games 4K-beelden uitzenden. Maar het blijft een enorme uitdaging. Als we kijken naar de benodigde bandbreedte dan wordt die met de huidige videocodec (H.264) geschat op minimaal het dubbel van een HD kanaal. Een HD kanaal gebruikt tussen de 6-15Mbps, een 4K kanaal zou geschat 12-30Mbps (of zelfs meer) vereisen. Dat is natuurlijk erg veel. Voor kabeltv-of IPTV-distributeurs, waar meer bandbreedte leveren aan alle klanten zeer dure infrastructuurwerken vereist is dat ongetwijfeld een horde. Zij het dan geen onoverkomelijke. Want ook hier kan de nieuwe HEVC-codec een oplossing brengen. Met die codec zou een 4K-kanaal passen in de huidige bandbreedte van een HD kanaal (6-15Mbps). De implementatie van die nieuwe codec zal echter nog even duren. De eerste hardware wordt tentatief in begin 2014 verwacht.

Kijken we dan even naar satelliet. Een platform zoals dat van SES ASTRA, dat gebruikt wordt door TV Vlaanderen en Canal Digitaal heeft voor 4K een belangrijke troef. Met zijn huidige 51 satellieten bereikt SES ASTRA al 99% van de wereldbevolking en levert het meer dan 6.220 tv en radiokanalen, waaronder meer dan 1.300 HD kanalen. In Europa zijn dat 2.544 kanalen waarvan 335 in HD. Met zoveel bandbreedte ter beschikking kan Astra zonder al te veel moeite 4K-kanalen leveren. Die zijn dan dankzij de aard van het platform onmiddellijk voor een enorme groep gebruikers beschikbaar. SES heeft al een aanteal test-uitzendingen gedaan en plant de lancering van een demokanaal. Een andere verdeler, Eutelsat, lanceerde op 8 januari al een 4K demo-kanaal met een framerate van 50 beelden per seconde. De video maakt gebruik van de H.264 codec en neemt een bandbreedte van 40Mbps in beslag. In Japan zullen er 4K-uitzendingen via satelliet zijn van de 2014 FIFA Wereldbeker.

Het startschot is dus al gegeven, maar als we afgaan op de snelheid waarmee HD geadopteerd werd bij heel wat zenders, dan lijkt het ons dat 4K-uitzendingen nog wel enige jaren op zich zullen laten wachten.

Het belang van scaling
Bij gebrek aan echt 4K materiaal zullen we het moeten stellen met onze huidige Blu-ray's (en dvd's). Met behulp van slimme scaling technieken rekt de televisie die op naar 4K resolutie. Dat is overigens geen eenvoudig proces. Zowel Sony (X-Reality Pro 4K) als Sharp (ICC) demonstreerden ons hun nieuwe scaling algoritmes al of de IFA beurs en de resultaten zijn verbijsterend goed. Bij onze recente testen van de Samsung, Philips en Panasonic toestellen bleek ook hier de scaling van bijzonder goede kwaliteit. Zolang het originele bronmateriaal goed genoeg is slagen ze erin om detail dat voor een deel weggedrukt is door de compressie naar een lagere resolutie terug tevoorschijn te toveren. Een belangrijke caveat is wel dat die stap enkel kan tussen HD en 4K. Wie start van een SD bron zoals een dvd moet geen wonderen verwachten.

Conclusie
4K ziet er fantastisch uit. Met echt 4K-materiaal is het resultaat verbluffend. Zo goed zelfs dat het beeld bijna een natuurlijke diepte krijgt. Als het aan ons lag lieten we 3D achterwege en kozen we voluit voor 4K. In tegenstelling tot 3D is de vereiste aanpassing voor filmmakers heel wat kleiner, terwijl het voordeel voor de kijker zeer reëel is. En bovendien geen ongemakkelijke bril vereist.

Het echte voordeel pluk je weliswaar alleen bij de grote schermmaten en dan bedoelen we echt groot: 55 inch beelddiagonaal of meer. Op kleiner maten is het extra detail nauwelijks of niet zichtbaar voor het oog.

Maar... je bronmateriaal speelt een zeer belangrijke rol. En laat daar nu net het schoentje wringen. Er is nog geen drager die we voor 4K kunnen gebruiken.Mogelijk staat ons dus weer een 'upgrade' van onze spelers te wachten. En 4K tv-uitzendingen zijn al helemaal niet voor morgen. Het heeft lang genoeg geduurd om over te schakelen naar HD.

Tot we dus echte 4K conten hebben spelen de 'scalers' in de nieuwe televisies een belangrijke rol. Fabrikanten leveren daar opmerkelijke prestaties, maar ook hier is je bronmateriaal belangrijk. Als je naar SD content zoals dvd's kijkt kan zelfs de beste scaler geen wonderen verrichten. Maar met Blu-ray of HD-TV...wow.