8K-Fernsehen in Japan: NHK zu den Anforderungen und Problemen bei 4 × 4K

Die Nippon Hōsō Kyōkai (NHK), zu Deutsch Japanische Rundfunkgesellschaft, will ab dem kommenden Jahr mit der Ausstrahlung von 8K-Fernsehen in den Regelbetrieb übergehen. Im Rahmen des IEEE Broadcast Symposium 2017 gab die NHK einen Überblick zu den technischen Voraussetzungen und Herausforderungen bei 8K.

Japan und dort im Speziellen die NHK gelten als Vorreiter bei der Ausstrahlung von Fernsehen in HD, 4K und 8K. Bereits Mitte der 1990er startete in Japan die analoge Ausstrahlung von Fernsehen in 1080i, seit 2014 wird 4K getestet, im letzten Jahr folgte die testweise 8K-Ausstrahlung über Satellit. Zwischen 6 Uhr morgens und 18 Uhr abends strahlt die NHK testweise Sendungen in 4K und 8K aus. Im kommenden Jahr will die NHK mit der Ausstrahlung von 8K-Fernsehen in den Regelbetrieb übergehen, zudem sollen die Olympische Sommerspiele 2020 in Tokio in 8K produziert werden.

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Von den ITU-R-Empfehlungen BT.2020 und BT.2100 für Ultra HDTV pickt sich die NHK die jeweils höchsten Spezifikationen heraus. Hiroshi Shimamoto, Mitarbeiter der NHK Science and Technology Research Laboratories, bezeichnet diese Spezifikationen im Rahmen seines Vortrags zum IEEE Broadcast Symposium 2017 als „Full Featured 8K“. Das steht für eine Auflösung von 7.680 × 4.320 Bildpunkten (33 Megapixel), 120 Hz (Progressive), 12 Bit Farbtiefe, einen erweiterten RGB-Farbraum sowie HDR.

NHK entwickelt eigene Standards

Um diese hohen Anforderungen zu erfüllen, hat die NHK im ersten Schritt eine eigene Kamera entwickelt, die basierend auf drei 1,7"-Sensoren mit jeweils 33 Megapixel pro Grundfarbe ein Signal mit 7.680 × 4.320 Bildpunkten und RGB 4:4:4 (12 Bit) erzeugt. Die Empfehlungen der NHK für die Fertigung eines 8K-fähigen Sensors lauten deshalb 33 Megapixel, die Unterstützung von 120 Hz, ein 14 Bit ADC (Analog/Digital Converter) sowie ein niedriger Energieverbrauch. Die Sensorgröße soll bei drei Sensoren zudem nicht unter 1,25 Zoll liegen, für eine Ein-Chip-Lösung wird mindestens ein Vollformatsensor empfohlen.

Einen entsprechenden Vollformatsensor hat die NHK selbst entwickelt und setzt ihn für die eigens entwickelte Kamera mit Fujinon-Objektiv ein, dort allerdings trotz der Größe als Drei-Sensor-Aufbau. Der Sensor erfüllt alle Anforderungen, verbraucht 3,2 Watt und gibt Daten mit 64 Gbit/s aus. Ein Prisma teilt das eintreffende Licht in die drei Grundfarben auf und leitet das Signal auf die Sensoren weiter. Mit 45 Kilogramm ist diese Art von Kamera aber nicht gerade leicht, deshalb hat die NHK auch ein kompaktes Modell mit nur noch 2 Kilogramm entwickelt. Dieses Modell nutzt lediglich noch einen Chip und kann deshalb auf das Prisma verzichten. Während der Fußball-Weltmeisterschaft 2014 wurde dieses Modell testweise eingesetzt. Ein weiteres Modell mit 6,3 Kilogramm nutzt einen Sensor mit 133 Megapixel, von dem Grün mit 66 Megapixel sowie Blau und Rot mit 33 Megapixel abgegriffen werden. Nachteil dieses Modells ist die Limitierung auf 60 Hz und somit die Nichterfüllung von „Full Featured 8K“.

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Per Glasfaser wird das Signal mit einer Bandbreite von 160 Gbit/s von der Kamera an die Camera Control Unit (CCU) im Studio weitergeleitet. In der CCU werden eine Verstärkungsregelung, HDR-Anpassungen und eine Pixel-Ausrichtung durchgeführt. Im letzten Schritt wird das fertige Signal per U-SDI mit einer Bandbreite von 144 Gbit/s an ein 8K-Endgerät im Studio übertragen, um das fertige Bild kontrollieren zu können.

U-SDI nutzt 24 Lichtwellenleiter für 256 Gbit/s

SDI steht für Serial Digital Interface und wird für die Übertragung von Videodaten über Koaxialkabel oder Lichtwellenleiter verwendet. U-SDI ist eine Eigenentwicklung der NHK, die speziell für die Übertragung von 4K und 8K konzipiert wurde. U-SDI nutzt 24 Multimode-Lichtwellenleiter, die in zwei Reihen zu jeweils zwölf Stück unterteilt sind. Ein Bajonettverschluss soll eine feste Verkabelung sicherstellen, die nicht einfach abgezogen werden kann. U-SDI bietet eine Bandbreite von 256 Gbit/s und kann 8K mit RGB 4:4:4, 12 Bit, 120 Hz und HDR über ein einziges Kabel übertragen.

Rein experimentell sind deshalb derzeit noch High-Speed-Aufnahmen mit einem vierten Kameramodell, das 8K mit 240 FPS liefert. Dieses könnte zum Beispiel bei Sportaufnahmen für Zeitlupen verwendet werden. Hier beschränkt sich die NHK derzeit noch zwangsweise auf Schwarz-Weiß-Aufnahmen, weil das von der CCU ausgehende U-SDI trotz seiner hohen Bandbreite der limitierende Faktor in der Signalkette ist.

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Hiroshi Shimamoto verdeutlicht damit, welche enormen Herausforderungen mit 8K der Broadcasting-Industrie noch bevorstehen, wenn das neue Format mit allen Features in allen Bereichen von Produktion bis Ausstrahlung eingesetzt werden soll. Auch zur Encodierung und Decodierung, Übertragung per Satellit und terrestrischen Aussendung sowie Speicherung gibt es noch viele offene Fragen und Hürden zu meistern. Shimamoto erklärte beim IEEE Broadcast Symposium 2017, dass selbst mit hoher Komprimierung bei einem Rekorder mit 1-TB-Speicherkapazität weniger als eine Stunde aufgenommen werden könne. Die NHK befinde sich derzeit in der Entwicklung von zwei Kompressionsstandards für Rekorder, die die Datenmenge auf ein Zehntel für den Studiobetrieb und ein Achtzehntel für den Heimgebrauch reduzieren sollen.

Den vollständigen Vortrag von Hiroshi Shimamoto bietet der YouTube-Kanal des IEEE Broadcast Symposiums hier an. Die NHK betreibt eine Webseite zur Forschung an 4K, 8K sowie weiteren Broadcasting-Themen und bietet diese auch auf Englisch an.