Uncompressed	  8K	  Video	  Streaming	  over	  100Gbps	  Experimental	  Network	Hiroyuki	  Kimiyama	  NTT	  Network	  Innova�on	  Laboratories	(c)	  Copyright:	  Nippon	  Telegraph	  and	  Telephone,	  2014	

1	  Outline	 What	  is	  8K	  video?	  
 Mo�va�on	   8K	  video	  format	   8K	  video	  transmission	  system	  – Synchroniza�on	  mechanism	   Experiments	  – On-­‐demand	  streaming	  &	  real-­‐�me	  transmission	   Conclusion	  (c)	  Copyright:	  Nippon	  Telegraph	  and	  Telephone,	  2014	

2	

What	  is	  8K	  video	 UHDTV	  (Ultra	  High	  Deﬁni�on	  TeleVision)	  – 4K	  :	  3840	  x	  2160	  pixels	  (4	  �mes	  as	  many	  pixels	  as	  HDTV)	  – 8K	  :	  7680	  x	  4320	  pixels	  (16	  �mes	  as	  many	  pixels	  as	  HDTV)	   Proposed	  by	  NHK	  Science	  and	  Technology	  Research	  Laboratories	  (NHK	  Giken)	   Deﬁned	  and	  approved	  by	  ITU-­‐R	  and	  SMPTE	  7680	  pixels	
3940	
1920	
1080	
2160	

HDTV	

4K		

4320	  pixels	

8K		(c)	  Copyright:	  Nippon	  Telegraph	  and	  Telephone,	  2014	

3	Mo�va�on	 Demand	  of	  handling	  high-­‐resolu�on	  video	  increases	   Handling:	  Send,	  receive,	  store,	  playback,	  etc	  	  – ex.	  Sports	  events	  are	  shot	  and	  delivered	  to	  public	  viewing	  as	  UHDTV	  (4K,	  8K)	   Olympic	  games,	  World	  cups,	  Major	  league	  baseball	  games,	  Football,	  etc	  – Transmi�ed	  8K	  video	  of	  	  World	  Cup	  games	  from	  Brasil	  to	  Tokyo	  and	  other	  ci�es	  in	  2014	   8K	  video	  equipment	  is	  now	  available	  in	  Japan	   8K	  camera:	  AH-­‐4800	  (Astrodesign,	  Inc.)	   8K	  recorder:	  HR-­‐7512-­‐C	  (Astrodesign,	  Inc.)	   8K	  projector:	  	  DLA-­‐VS4800	  (JVC	  Kenwood	  Corp.)	   8K	  glass-­‐free	  3D	  LCD	  monitor:	  Prototype	  (Sharp	  Corp.)	  (c)	  Copyright:	  Nippon	  Telegraph	  and	  Telephone,	  2014	

4	

Mo�va�on	  of	  research	  (Cont.)	
 Network	  carriers	  started	  providing	  over	  10-­‐Gbps	  ultra-­‐high	  speed	  such	  as	  100-­‐Gbps	  network	  as	  commercial	  service	  – NTT	  Communica�ons,	  etc	   Major	  network	  switch	  venders	  started	  providing	  100-­‐Gbps	  Network	  equipment	  (Routers	  and	  Switches)	   Cisco,	  Juniper,	  etc	   Equipment	  to	  handle	  not	  8K	  but	  4K	  video	  over	  ultra-­‐high-­‐speed	  network	  without	  compression	  is	  now	  available	  – Except	  for	  video	  transmission	  equipment,	  such	  as	   Video	  –	  IP	  packet	  converter	  	   IP	  video	  server	   Research	  goal	  – Establishing	  a	  technique	  which	  enable	  to	  construct	  environment	  to	  handle	  8K	  video	  in	  real	  �me	  	  (c)	  Copyright:	  Nippon	  Telegraph	  and	  Telephone,	  2014	

5	8K	  video	  format	
 “Dual	  green	  format”	  –	  Currently	  available	  8K	  format	  – Not	  full	  spec	  but	  very	  similar	  quality	  as	  full	  spec	  8K	  – Enable	  to	  make	  camera	  from	  four	  4K	  CCDs	   Green	  x	  2,	  Red	  x	  1,	  Blue	  x	  1	   Full	  spec	  8K	  CCD	  is	  NOT	  commercial	  based	  product	  – 60	  fps	  (progressive),	  10	  bits/pixel	  – Data	  rate	  :	  24	  Gigabit/sec	  (includes	  ANC	  area)	  7680	  pixels	
1	 3	 1	 3	 1	 3	4320	  pixels	

4	 2	 4	 2	 4	 2	(c)	  Copyright:	  Nippon	  Telegraph	  and	  Telephone,	  2014	

6	

8K	  video	  signal	  output	 Dual-­‐green	  format	  8K	  camera	  CCU	  outputs	  16	  HD-­‐SDI	  signals	   Handling	  8K	  video	  requires	  to	  handle	  16	  HD-­‐SDI	  signals	  simultaneously	  HD-­‐SDI	  x	  16	1/16	  8K	  =	  HD	

1/16	  8K	  	1/4	  8K	  =	  4K	  	  	1/16	  8K	HD-­‐SDI	  /	  IP	  converter	

1/16	  8K	1/16	  8K	1/16	  8K	

1/4	  8K	  	  	1/16	  8K	HD-­‐SDI	  /	  IP	  converter	

1/16	  8K	8K	  video	  frame	  (Dual	  green)	

1/16	  8K	1/16	  8K	

1/4	  8K	  	  	1/16	  8K	HD-­‐SDI	  /	  IP	  converter	

1/16	  8K	1/16	  8K	1/16	  8K	

1/4	  8K	  	  	1/16	  8K	HD-­‐SDI	  /	  IP	  converter	

1/16	  8K	(c)	  Copyright:	  Nippon	  Telegraph	  and	  Telephone,	  2014	

7	

Outline	  of	  8K	  video	  transmission	  system	 Real-­‐�me	  8K	  video	  transmission	  system	  	  – Integrate	  two	  systems	  	  1. Sending	  and	  receiving	  8K	  video	  from	  cameras	  in	  real	  �me	  2. Storing	  8K	  video	  from	  camera	  into	  storages	  and	  playing	  back	  any	  8K-­‐video	  to	  monitor	  on	  demand	
16	  HD-­‐SDIs	

16	  HD-­‐SDIs	

CCU	

8K	  monitor	

8K	  Camera	

8K	  monitor	

HD-­‐SDI/IP	  Converters	

Network	  switches	

CCU	
8K	  Camera	

High	  speed	  video	  servers	
(c)	  Copyright:	  Nippon	  Telegraph	  and	  Telephone,	  2014	

8	

8K	  video	  transmission	  system	 Two	  main	  components	  – XMS	  server	   Scalable	  ultra-­‐high	  speed	  IP	  video	  server	  system	  based	  on	  PC	  cluster	  technology	  developed	  by	  NTT	  Labs.	  
 Sends	  and	  receives	  mul�ple	  uncompressed	  4K	  video	  streams	  in	  real	  �me	  through	  IP	  network	   Accepts	  and	  transfers	  video	  ﬁles	  with	  FTP	  protocol	   Supplied	  by	  NTT-­‐IT	  Corp.	  as	  commercial	  product	   Smallest	  system,	  which	  can	  be	  conﬁgured	  with	  one	  PC,	  can	  record	  and	  play	  back	  up	  to	  4K@60p	  high-­‐resolu�on	  video	   Please	  refer:	  h�p://www.mediaorchestra.com/ipvs/english/product/p01/index.html	  (c)	  Copyright:	  Nippon	  Telegraph	  and	  Telephone,	  2014	

9	

8K	  video	  transmission	  system	  (Cont.)	
 Two	  main	  components	  (Cont.)	  – QG-­‐70	   Uncompressed	  IP	  video	  transmission	  system	  with	  low	  latecy	  – Supplied	  by	  PFU	  Limited	  	  – Sends	  and	  receives	  up	  to	  4K@30p	  video	  each	  unit	  via	  10GbE	  – Developed	  with	  NTT	  Labs’	  technology	   Please	  refer:	  h�p://www.pfu.fujitsu.com/en/ipvideo/	  (c)	  Copyright:	  Nippon	  Telegraph	  and	  Telephone,	  2014	

10	

Synchroniza�on	 Why	  “synchroniza�on”	  is	  required?	  

– 8K	  monitor	  requires	  16	  HD-­‐SDI	  signals	  which	  have	  completely	  same	  frequency	  and	  same	  phase	  each	  other	   8K	  monitor	  does	  not	  have	  enough	  buﬀer	  to	  absorb	  ji�er	  or	  diﬀerence	  of	  frequency	  of	  input	  HD-­‐SDI	  signals	  – XMS	  system	   Smallest	  system	  is	  highly	  cost-­‐eﬀec�ve,	  but	  it	  can	  not	  play	  back	  8K	  (up	  to	  4K@60p)	  per	  unit	   XMS	  records	  8K	  video	  as	  independent	  16	  HD	  video	  streams	  for	  scalability	  reason	  	   It	  is	  PC-­‐based	  system	  which	  has	  low	  accuracy	  quartz.	  So,	  each	  XMS	  system	  maybe	  work	  with	  diﬀerent	  clock	  – QG-­‐70	   High	  accuracy	  quartz	   Four	  QG-­‐70s	  are	  required	  for	  8K-­‐video	  transmission	   Maybe	  output	  HD-­‐SDI	  signals	  diﬀerent	  phase	  each	  QG-­‐70	  – Mul�ple	  XMSs	  and	  QG-­‐70s	  must	  be	  introduced	  for	  8K	  video	  transmission	  system	  – Synchroniza�on	  is	  required	  in	  case	  of	  play	  back	  8K	  video	  from	  XMS	  systems	   We	  have	  developed	  and	  implemented	  synchroniza�on	  mechanism	  shown	  in	  following	  s(c)	  lides	  for	  XMS	  and	  QG-­‐70	  to	  transmit	  UHDTV	   11	Copyright:	  Nippon	  Telegraph	  and	  Telephone,	  2014	

Synchroniza�on	  (Cont.)	
 Frequency	  and	  phase	  synchroniza�on	  – Introduce	  reference	  signals	  into	  all	  receiver	  QG-­‐70s	  to	  synchronize	  frequency	  and	  phase	  between	  all	  output	  HD-­‐SDI	  signals	  	  – Each	  receiver	  QG-­‐70	  sends	  “synchroniza�on	  packets”	  to	  sender	  XMS	  system	  to	  synchronize	  frequency	  between	  receiver	  and	  sender	  Sync	  signal	  generator	

Adjust	  frequency	  and	  phase	

Adjust	  frequency	

Synchroniza�on	  packets	

QG-­‐70	  (Receiver)	

XMS	  (Sender)	

8K	  monitor	
HD-­‐SDI	  x	  4	(c)	  Copyright:	  Nippon	  Telegraph	  and	  Telephone,	  2014	

12	

Synchroniza�on	  (Cont.)	
 Frame	  number	  synchroniza�on	  – XMS	  records	  16	  fragments	  of	  same	  8K-­‐video	  frame	  with	  same	  ID	  – Select	  one	  QG-­‐70	  among	  receivers	  as	  “Master”	  – Master	  QG-­‐70	  broadcast	  the	  ID	  with	  which	  it	  currently	  play	  back	  frame	  to	  all	  other	  receiver	   We	  can	  get	  complete	  synchroniza�on	  at	  receiver	  side	  by	  using	  above	  methods	   And	  also	  get	  complete	  synchroniza�on	  using	  mul�ple	  10-­‐Gbps	  networks	  with	  diﬀerent	  delay	  because	  of	  this	  scalable	  method	
ID=1	
Report	  ID=1	 current	  “ID”	
Relay	  ID=1	 current	  “ID”	

QG-­‐70	  (Receiver)	

ID=1	

ID=2	

ID=3	

ID=1	

ID=2	

ID=3	

ID=1	

ID=2	

ID=3	(c)	  Copyright:	  Nippon	  Telegraph	  and	  Telephone,	  2014	

13	

Experiment	

Objec�ve	  of	  experiment	  Outline	  of	  experiment	  Date	  Experiment	  team	  was	  organized	  by	  :	  – Establishing	  way	  to	  conﬁgure	  8K	  video	  handling	  (send,	  receive,	  store,	  and	  play)	  system	  – Send	  and	  receive	  one	  uncompressed	  8K@60p	  video	  bi-­‐direc�onally	  between	  Tokyo	  and	  Osaka	  (Osaka	  is	  400	  km	  apart	  from	  Tokyo)	  – Send	  and	  receive	  one	  uncompressed	  4K@60p	  video	  bi-­‐direc�onally	  for	  video	  conference	  at	  the	  same	  �me	  – Feb.	  5,	  2014	  –	  Feb.	  7,	  2014	  –––––––

Kanagawa	  Ins�tute	  of	  Technology	  (KAIT)	  Osaka	
Nara	  Ins�tute	  of	  Science	  and	  Technology	  (NAIST)	  PFU	  Limited	  Astrodesign	  Inc.	  
NTT-­‐IT	  corpora�on	  Na�onal	  Ins�tute	  of	  Informa�on	  and	  Communica�on	  Technology	  (NICT)	  NTT	  Network	  Innova�on	  Laboratories	  (c)	  Copyright:	  Nippon	  Telegraph	  and	  Telephone,	  2014	

Tokyo	

14	KDDI	  Otemachi	  building	  @Tokyo	

System	  conﬁgura�on	

8K@60P	  Camera		
QG70	  x	  4	Grand	  front	  building	  @Osaka	

8K@60P	  with	  FEC	  (26Gbps)	
8K@60P	  with	  FEC	  (26Gbps)	

QG70	  x	  4	or		

SHARP	  8K	  monitor	  8K	  SSD	  recorder	  8K	  SSD	  recorder	  100Gbps	  Network	  provided	  by	  NTT	  Communica�ons	  	  8K	  monitor	  (4K	  LCD	  x	  4)		4K	  camera	  	XMS	  x	  2	  QG70	  x	  2	QG70	  x	  2	4K60P（14Gbps)	

HD	  LCD	  x	  4	  	4K	  camera	  	4K60P（14Gbps)	
4K	  LCD	  	(c)	  Copyright:	  Nippon	  Telegraph	  and	  Telephone,	  2014	

15	

Results@Otemachi	  	4K	  live	  video	  from	  Osaka	

8K	  real-­‐�me	  streaming	  video	  from	  XMS@Osaka	
on	  8K	  monitor	  made	  from	  four	  4K	  LCDs	(c)	  Copyright:	  Nippon	  Telegraph	  and	  Telephone,	  2014	

QG-­‐70s	  @	  Otemachi	 16	Results@Osaka	

High	  �me-­‐resolu�on	  traﬃc	  meter	  developed	  by	  KAIT	  (measured	  only	  8K	  video	  stream)	

8K	  real-­‐�me	  streaming	  video	  on	  SHARP	  85”	  8K	  LCD	  from	  Recorder@Tokyo	(c)	  Copyright:	  Nippon	  Telegraph	  and	  Telephone,	  2014	17	

High	  resolu�on	  test?	
 Make	  sure	  resolu�on	  limita�on	  of	  8K	  video	   Shot	  outside	  from	  Otemachi	  building	  and	  send	  it	  to	  Osaka	   Watch	  it	  in	  Osaka!	

(c)	  Copyright:	  Nippon	  Telegraph	  and	  Telephone,	  2014	

18	

High	  resolu�on	  test?	  (Cont.)	

(c)	  Copyright:	  Nippon	  Telegraph	  and	  Telephone,	  2014	

19	

Summary	 Summary	  – Succeeded	  in	  bi-­‐direc�onal	  transmit	  uncompressed	  8K	  and	  4K	  video	   Total	  bandwidth	  is	  about	  40	  Gbps	  – This	  experiment	  results	  show:	  	   Synchroniza�on	  mechanisms	  work	  correctly	   We	  can	  get	  environment	  which	  is	  enable	  to	  handle	  over	  10-­‐Gbps	  high	  quality	  video	  over	  network	  in	  real	  �me	  – This	  is	  NOT	  our	  goal	  –	  This	  is	  star�ng	  point	  of	  our	  research	   Acknowledgement	  – We	  would	  like	  to	  express	  deepest	  apprecia�on	  to:	  	   NTT	  Communica�ons	  Corp.	  provided	  100-­‐Gbps	  network	   Sharp	  Corp.	  provided	  8K	  LCD	  monitor	   Hokkaido	  Television	  Broadcas�ng	  Co.	  Ltd.	  shot	  8K	  video	  for	  this	  demo	  during	  deep	  snowing	  (c)	  Copyright:	  Nippon	  Telegraph	  and	  Telephone,	  2014	20