Развитие стандарта UHDTV
В 2014 году Европейский вещательный
(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
(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
и 10-, 12- или 14-битного цвета.
Форматы
Из существующих реализаций
наибольшее распространение получили HDR10, не требующий лицензионных отчислений, и Dolby Vision. Эти технологии поддерживают
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
. Завершает список используемых стандартов формат Technicolor
. Эти форматы определяют, каким образом кодируются данные в видеопотоке.
Если декодирование видео осуществляется на приставке, то и поддерживаемые форматы
определяются ее характеристиками, а декодированный сигнал подается на экран телевизора через
.
Интерфейс
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
-контент для корректного отображения на SDR-телевизоре.
Обзор современных видеокодеков
Существует три вида кодеков, которые поддерживают стандарт UHD и используются в современных ТВ-приставках:
,
/
и VP9.
Когда необходимость кодирования видео в UHD только появилась, самым популярным кодеком был
(
Part 10). Поддержку UHD оперативно обеспечили, за счет добавления нового уровня L5. При этом алгоритмы сжатия не улучшались. По этой причине кодек
сжимает UHD-контент наименее эффективно.
UHD-приставки первого поколения, как правило, имели интерфейс
и поддерживали кодек
L5 с частотой до 30 кадров в секунду. В дальнейшем, с появлением
и VP9, некоторые производители UHD-чипсетов отказались от
L5, оставив данный кодек только для воспроизведения HD-видео.
Параллельно велись работы над
/
, где используются улучшенные алгоритмы сжатия, соответствующие вычислительным возможностям современных чипсетов. Видеофайл, сжатый с помощью
, может быть в несколько раз меньше файла, сжатого кодеком
, при условии, что визуально изображение в обоих случаях будет идентичным. Главный недостаток
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
. Сейчас он используется для воспроизведения UHD-видео на
. 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
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 (
).
В современных приставках можно встретить несколько интерфейсов для вывода видео: аналоговые композитный и компонентный, цифровой
1.x или 2.x. Компонентный и композитный видеовыход не поддерживают UHD-видео, присутствуют, как правило, для совместимости со старыми телевизорами.
поддерживает видео до 4К/30 кадров в секунду, этого недостаточно для комфортного просмотра UHD-контента, поэтому данная версия интерфейса используется в недорогих HD-приставках.
2.x разработан для отображения UHD-видео. Версия
2.1, которая появилась в 2017 году, поддерживает до 10K/120 кадров в секунду.
Данные, передаваемые по интерфейсу
, защищаются от неавторизованного доступа с помощью технологии
, которая позволяет аутентифицировать устройства, шифровать данные и отказывать в доступе скомпроментированным устройствам.
Таким образом, качественная 4К-приставка должна быть оснащена интерфейсом не ниже
с поддержкой последней версии защиты контента
2.2. Интерфейс
обратно совместим с
, но дополнительно позволяет передавать полноценное
-видео.
Третий уровень — это защита контента уже после того, как он был передан по
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
интерфейс защищается
-кодом.
Многоканальный звук
Премиальный контент — это не только видео, но и многоканальный звук. Наибольшее распространение здесь получил кодек
Plus. Сейчас компания Dolby работает над следующим поколением кодека — Dolby AC4. Существуют также многоканальные кодеки
и
, 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
. Единственная разница с обработкой видео в том, что звук не защищается водяными знаками.
