4K IP技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)和解決方案

王亞明 索尼中國(guó)專業(yè)系統(tǒng)集團(tuán) 創(chuàng)新業(yè)務(wù)開發(fā)本部

4K IP技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)和解決方案

王亞明 索尼中國(guó)專業(yè)系統(tǒng)集團(tuán) 創(chuàng)新業(yè)務(wù)開發(fā)本部

本文對(duì)4K IP技術(shù)的發(fā)展作了回顧。分析了ST 2022標(biāo)準(zhǔn)的不足之處及廠商對(duì)SMPTE 2022標(biāo)準(zhǔn)的修改建議情況，提出ST 2110標(biāo)準(zhǔn)將成為未來(lái)IP化的統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)。對(duì)EBU歐廣聯(lián)對(duì)IP架構(gòu)進(jìn)程的預(yù)測(cè)作了介紹。認(rèn)為12G-SDI將與IP長(zhǎng)期共存，現(xiàn)階段點(diǎn)對(duì)點(diǎn)連接、簡(jiǎn)單的小型系統(tǒng)采用12G-SDI方式，復(fù)雜、大型系統(tǒng)采用IP方式。

4K IP技術(shù) ST 2022標(biāo)準(zhǔn) ST 2110標(biāo)準(zhǔn) IP進(jìn)程預(yù)測(cè)

1．4K IP技術(shù)發(fā)展回顧

IP技術(shù)在高清時(shí)代應(yīng)用的緊迫性不高，因?yàn)楦咔鍟r(shí)代SDI構(gòu)成了一個(gè)很成熟的系統(tǒng)，從4 K進(jìn)入大家的視線之后，IP技術(shù)在2014年引起了大家的關(guān)注。

我們首先回顧一下，從2007年開始，SMPTE開始了4 K IP技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化的進(jìn)程，2007年 - 2013年，SMPTE陸續(xù)發(fā)布了ST 2022 1-7系列標(biāo)準(zhǔn)，ST 2022 1-7系列標(biāo)準(zhǔn)的目的就是在演播室實(shí)時(shí)制作系統(tǒng)中取代SDI，實(shí)現(xiàn)IP傳輸。在2010年左右，當(dāng)時(shí)所采用的物理層和數(shù)據(jù)層的IP基本架構(gòu)是10G，采用RJ-45或光纖接口。ST 2022-6標(biāo)準(zhǔn)定義媒體層是無(wú)壓縮的高清視頻。由于SMPTE發(fā)布的ST 2022系列標(biāo)準(zhǔn)太早，ST 2022系列標(biāo)準(zhǔn)存在著以下一些問(wèn)題：

（1）10G以太網(wǎng)無(wú)法傳輸無(wú)壓縮4K視頻，要傳輸4K必須引入壓縮編碼。

10G以太網(wǎng)帶寬不能傳輸4K/60P基帶信號(hào)，必須采用壓縮編碼降低碼率；ST 2022對(duì)4K編碼沒(méi)有明確定義，在SMPTE陣營(yíng)內(nèi)對(duì)4K編解碼方案有不同選擇，已經(jīng)發(fā)布的4K編解碼方案有：Evertz采用SMPTE 2022建議 的 J2K（JPEG2000）；Sony采用Sony開 發(fā) 的 LLVC（Low Latency Video Codec），支 持 的 廠 商 包 括 Evertz、Imagine、Tektronix、Harmonic、matrox、TOSHIBA、LEADER、ORAD、vizrt等 ；ICO聯(lián)盟采用intoPIX開發(fā)的TICO，支持的廠商包括 Grass Valley、Imagine、NEVION、ROSS、ARTEL等；包括BBC、Snell/Quantel等廠商組成的聯(lián)盟采用BBC開發(fā)的Dirac，也稱為VC2。實(shí)際上J2K、LLVC、TICO、VC2都基于小波算法，大同小異，但由于基本參數(shù)不同，在SMPTE 2022的框架內(nèi)不能直接互通。

（2）ST 2022-6只規(guī)定了凈切換（Clean Sw）的原則，沒(méi)有具體實(shí)施方法。

Sony采用通用IP交換機(jī)（COTS）無(wú)法實(shí)現(xiàn)凈切換，凈切換在信號(hào)接收端接口處完成，其優(yōu)點(diǎn)是使用通用IP交換機(jī)，設(shè)備與交換機(jī)直接連接，缺點(diǎn)是需要同時(shí)傳輸2個(gè)碼流，降低了帶寬利用率。

Evertz使用專用IP交換機(jī)精確控制切換時(shí)間實(shí)現(xiàn)凈切換，與SDI矩陣類似，其優(yōu)點(diǎn)是設(shè)備與交換機(jī)直接連接，缺點(diǎn)是必須使用廠商的專用IP交換機(jī)。

草谷（Grass Valley）采用通用IP交換機(jī)（COTS）無(wú)法實(shí)現(xiàn)凈切換，需要在通用交換機(jī)與設(shè)備之間增加IP接口GV Node，由GV Node精確控制切換時(shí)間實(shí)現(xiàn)凈切換，其優(yōu)點(diǎn)是使用通用IP交換機(jī)，缺點(diǎn)是必須增加廠商的IP接口（即專用交換機(jī)），設(shè)備不能與交換機(jī)直接連接。

（3）ST 2022-6的視頻、音頻、元數(shù)據(jù)混合打包，不利于不同數(shù)據(jù)的獨(dú)立處理；

（4）FEC（前向糾錯(cuò)）、主備切換的方案不完善；

（5）以及其它的一些問(wèn)題。

2．廠商對(duì)SMPTE 2022標(biāo)準(zhǔn)的修改建議

因?yàn)镾T 2022-6是一個(gè)千瘡百孔的標(biāo)準(zhǔn)，這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)只是一個(gè)框架，所以各個(gè)廠家就各自修改，還起了名字。目前的現(xiàn)狀是，幾乎所有廠商都支持SMPTE 2022-6開放標(biāo)準(zhǔn)，基于相同的SMPTE 2022技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)框架，但各廠商的解決方案并不相同。各廠商向SMPTE等組織不斷提出修改建議，有索尼的RDD 34（LLVC），Evertz的 RDD 37（ASPEN），TICO聯(lián)盟的RDD xx，VC2聯(lián)盟的RDD xx等。

Sony方面：對(duì)ST 2059-2的修改已經(jīng)得到SMPTE的 批 準(zhǔn)； 對(duì)LLVC (Low-Latency Video Codec)編解碼的建議已經(jīng)成為RDD34文件，將于近期得到SMPTE的批準(zhǔn)。Sony還對(duì)下述內(nèi)容提出了建議，正在等待SMPTE的投票表決和批準(zhǔn)：

（1）實(shí)現(xiàn)視頻凈切換的方式，（2）媒體文件的打包方式，（3）前向糾錯(cuò)（FEC），

（4）冗余切換方式。索尼對(duì) SMPTE 2022 的修改建議集合，稱之為 IP Live，接口名：NMI（Networked Media Interface）。

Evertz方面：Evertz 對(duì)SMPTE 2022的修改建議集合-ASPEN見圖1。

Evertz ASPEN 的特點(diǎn)與應(yīng)用見圖2。

圖1 Evertz 對(duì)SMPTE 2022的修改建議集合-ASPEN

圖2 Evertz ASPEN 的特點(diǎn)與應(yīng)用

這樣就出現(xiàn)了多種“廠商標(biāo)準(zhǔn)”，如索尼的IP Live（NMI）、Evertz的 ASPEN， 與 SMPTE 2022-6不同，NMI/ASPEN都采用了視頻、音頻、元數(shù)據(jù)分別打包的傳輸方式；還出現(xiàn)了多種“聯(lián)盟標(biāo)準(zhǔn)”，如AIMS、TICO等。

基于SMPTE 2022，每個(gè)廠商都會(huì)曬出自己的“朋友圈”，同一個(gè)廠商會(huì)同時(shí)出現(xiàn)在不同的“朋友圈”，似乎能夠?qū)崿F(xiàn)“互通互連”，目前實(shí)現(xiàn)的方法是A廠商使用了B廠商的IP/SDI接口板，并不是在IP域直接實(shí)現(xiàn)互通互連。

3．論壇、工作組、聯(lián)盟

除了這些朋友圈廠家標(biāo)準(zhǔn)和聯(lián)盟標(biāo)準(zhǔn)之外，還有各種論壇，各種工作組和各種聯(lián)盟。這些組織雖然人少，但是他們對(duì)IP的標(biāo)準(zhǔn)化其實(shí)貢獻(xiàn)都不小。除了IEEE、SMPTE和EBU外，與IP基礎(chǔ)架構(gòu)有關(guān)的主要組織見圖3。

圖3 與IP基礎(chǔ)架構(gòu)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)有關(guān)的組織

4．ST 2110將成為未來(lái)IP化的統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)

上文說(shuō)到，基于相同的SMPTE 2022技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)框架，各廠商的解決方案并不相同，造成不能在IP域直接實(shí)現(xiàn)互通互連，因此我們需要有一個(gè)統(tǒng)一的開放標(biāo)準(zhǔn)，ST 2110由此應(yīng)運(yùn)而生，并將成為未來(lái)超高清IP化的統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)。

ST 2110標(biāo)準(zhǔn)由VSF TR-03發(fā)展而來(lái)，并獲得了大多數(shù)廠商的支持。ST 2110標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)展順利，F(xiàn)CD（Final Committee Draft）已經(jīng)投票通過(guò)的文件有：ST 2110-10 - System Timing and Definitions，ST 2110-20 - Uncompressed Active Video，ST 2110-30- PCM Digital Audio，無(wú)壓縮HD視頻的草案已經(jīng)通過(guò)，還沒(méi)有無(wú)壓縮4K。ST 2110標(biāo)準(zhǔn)的物理層/數(shù)據(jù)層規(guī)定，HD高清設(shè)備接入交換機(jī)10G，核心交換機(jī)40G；4K超高清設(shè)備接入交換機(jī)25G或更高，核心交換機(jī)100G或更高。

歐廣聯(lián)把IP化的實(shí)時(shí)系統(tǒng)分成了七層，圖4是EDU對(duì)IP分成七層的定義。

圖4 EDU對(duì)IP分成七層的定義

第一層是媒體傳輸層（Media Transport），有ST 2022-6等標(biāo)準(zhǔn)，目標(biāo)是統(tǒng)一到ST 2110標(biāo)準(zhǔn)上。第二層是定時(shí)層（Timing），包括IEEE 1588 PTP等標(biāo)準(zhǔn)。下面幾層分別是身份層Identity、發(fā)現(xiàn)和注冊(cè)層Discoveryamp;Registration、流控制層（Flow control）、流切換層（Flow Swithing）。大家知道IP化之后，一定是把現(xiàn)在演播室系統(tǒng)的視頻音頻、定時(shí)基準(zhǔn)，控制這三塊放在一個(gè)網(wǎng)里實(shí)現(xiàn)。前面很多專家談到的IS-04是什么呢？是控制協(xié)議，就是在設(shè)備控制上把它統(tǒng)一起來(lái)。第七層是壓縮編碼層（Compression），ST 2110會(huì)包括一些現(xiàn)在已有的壓縮編碼方案，目標(biāo)是非壓縮編碼。我認(rèn)為EBU對(duì)IP分成七層的定義很有道理。

5．JT-NM關(guān)于IP架構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)的路線圖

圖5是JT-NM關(guān)于IP化的路線圖。

JT-NM關(guān)于IP化的路線圖，前面很多專家都有提及，在此不再詳述。重要的是將其分為四步來(lái)看，第一步是SDI OVER IP，但是這個(gè)不是最終目的，最終目的是第四步的虛擬化。目前網(wǎng)絡(luò)制作和傳輸已經(jīng)實(shí)現(xiàn)或正在實(shí)施云化、虛擬化，如果連云化和虛擬化都實(shí)現(xiàn)不了，那你就不要做IP化了。要是不數(shù)字化，就不可能把這么多的視音頻信息在網(wǎng)絡(luò)上傳輸，在手機(jī)上觀看，所以數(shù)字化不是目的，IP化也不是目的，它只是一個(gè)過(guò)渡的階段。

6．EBU對(duì)IP架構(gòu)進(jìn)程的預(yù)測(cè)

EBU歐廣聯(lián)對(duì)IP架構(gòu)進(jìn)程的預(yù)測(cè)見圖6。

圖5 JT-NM關(guān)于IP化的路線圖

圖6 EBU歐廣聯(lián)對(duì)IP架構(gòu)進(jìn)程的預(yù)測(cè)

從圖6中12G-SDI格式的曲線可見，EBU預(yù)測(cè)很長(zhǎng)時(shí)間之內(nèi)取消不了SDI傳輸，從IP格式的曲線可見，EBU預(yù)測(cè)IP傳輸?shù)陌l(fā)展會(huì)逐漸上升，我認(rèn)為這張圖應(yīng)該是比較實(shí)事求是的。

7．總結(jié)

（1）電視中心基礎(chǔ)架構(gòu)的IP化只是手段，不是目的?，F(xiàn)在唯一沒(méi)有實(shí)現(xiàn)云化、虛擬化的就是SDI基帶，IP化是未來(lái)基礎(chǔ)架構(gòu)云化和虛擬化的基礎(chǔ)。

（2）采用IT行業(yè)新一代系統(tǒng)架構(gòu)。要想實(shí)現(xiàn)IP化，現(xiàn)在的10G以太網(wǎng)技術(shù)是不夠的，以前提出10G以太網(wǎng)做基礎(chǔ)架構(gòu)，主要是價(jià)格的原因，當(dāng)時(shí)10G以太網(wǎng)的接口芯片和我們廣電的3G-SDI的接口芯片成本差不多。隨著IT行業(yè)技術(shù)性能的快速發(fā)展和價(jià)格的快速下降，10G以太網(wǎng)將來(lái)一定是過(guò)渡到25G、40G、100G以太網(wǎng)。

（3）以ST 2022-6為基礎(chǔ)發(fā)展開放的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。ST 2022-6 TR-04 TR-03 ST 2110。

（4）12G-SDI將與IP長(zhǎng)期共存。點(diǎn)對(duì)點(diǎn)連接、簡(jiǎn)單的小型系統(tǒng)采用12G-SDI，復(fù)雜、大型系統(tǒng)采用IP。