JPEG XS降低電纜帶寬需求

鮑勃·科瓦奇

每當(dāng)一項(xiàng)新的數(shù)字制作標(biāo)準(zhǔn)獲得支持，舊的基礎(chǔ)設(shè)施就會(huì)承受承載最先進(jìn)的（即“廣播質(zhì)量”）信號(hào)的巨大壓力。

在20世紀(jì)90年代，標(biāo)準(zhǔn)定義為SDI，其數(shù)據(jù)速率為270Mb/p。這比之前的模擬信號(hào)要求高得多，需要新的電纜，新的連接器，新的配線架，當(dāng)然還有新的數(shù)字信號(hào)處理設(shè)備。當(dāng)時(shí)，270Mb/s似乎是一個(gè)驚人的數(shù)據(jù)速率。

然后在2000年代中期，廣播公司開(kāi)始升級(jí)他們的設(shè)備到高清，其數(shù)據(jù)速率為1.5Gb/p。那是1080i和720p的高清，看起來(lái)數(shù)據(jù)量很大。

到推動(dòng)1080p幀率“全高清”時(shí)，要求3Gb/p的數(shù)據(jù)率。已經(jīng)安裝HD-SDI的視頻設(shè)施現(xiàn)在正在升級(jí)產(chǎn)品，支持高達(dá)HD-SDI兩倍的數(shù)據(jù)率。

雖然適用于3G視頻的電纜和連接器現(xiàn)在很常見(jiàn)，但現(xiàn)實(shí)情況是，銅纜的頻率響應(yīng)在3G已經(jīng)開(kāi)始達(dá)到極限。當(dāng)4K出現(xiàn)時(shí)，我們知道其未壓縮數(shù)據(jù)率將達(dá)到12Gb/s，有傳言稱，在同軸電纜上傳輸12G視頻的距離短之又短，幾乎是不可能的。

盡管有此傳言，但一些聰明的工程師解決了這一難題，現(xiàn)在有了電纜和連接器可以用于連接實(shí)際設(shè)備的12G-SDI標(biāo)準(zhǔn)。它很有效，雖然頻率越高，對(duì)電纜就越挑剔。在12G的數(shù)據(jù)率下，銅纜的輕微卷曲或彎曲半徑有一點(diǎn)過(guò)緊都會(huì)導(dǎo)致信號(hào)迅速劣化。

“無(wú)損”壓縮？

然而，還有一種方法來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題。如果有一個(gè)“無(wú)損”壓縮系統(tǒng)，可以在不增加復(fù)雜性或延遲的情況下將必需的帶寬減少4到8倍，會(huì)怎么樣？

這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)現(xiàn)在正在制定中，稱為JPEG XS。

“JPEG-XS是一項(xiàng)新發(fā)展的壓縮技術(shù)，它令人興奮，因?yàn)樗哂袠O低的延遲和極低的復(fù)雜性，”總部位于挪威的Nevion首席技術(shù)專家、Nevion英國(guó)技術(shù)中心主任安迪·雷納說(shuō)，“這是一種幀內(nèi)壓縮——它只是空間的，沒(méi)有時(shí)間元素。它基于小波，在概念上可以看作是JPEG2000的許多小片。令人興奮的是，用于JPEG XS-TICO的基本壓縮技術(shù)在壓縮率為4：1時(shí)視覺(jué)無(wú)損，而在JPEG XS中，對(duì)應(yīng)的壓縮比至少翻了一番，達(dá)到8：1?！?/p>

TICO是JPEG XS的前身，它倡導(dǎo)無(wú)損4：1壓縮，允許在一根3G電纜上傳輸12G視頻。視頻行業(yè)的許多制造商都是TICO聯(lián)盟的成員，也是JPEG XS背后的同一批開(kāi)發(fā)者。

雷納了解他所談?wù)摰脑掝}。除了獲得了馬丁勒薩姆技術(shù)創(chuàng)新金獎(jiǎng)，雷納還因JPEG 2000標(biāo)準(zhǔn)化成就榮獲技術(shù)艾美獎(jiǎng)。

當(dāng)你想到壓縮時(shí)，你通常會(huì)想到信號(hào)退化，信號(hào)被編解碼時(shí)會(huì)有很多延遲，以及強(qiáng)大的處理器計(jì)算如何壓縮和解壓信號(hào)時(shí)增加的功耗。JPEG XS專門(mén)針對(duì)這些關(guān)注點(diǎn)。

“我認(rèn)為它有潛力取代JPEG2000，成為夾層壓縮的事實(shí)上的選擇，”雷納表示，“編碼—解碼延遲只有32視頻行，這意味著只有幾百微秒，與系統(tǒng)內(nèi)的其它延遲（尤其是廣域連接）相比微不足道。此壓縮還針對(duì)FPGA、CPU和GPU上的空間利用率進(jìn)行了優(yōu)化，這意味著它在服務(wù)器技術(shù)上的應(yīng)用也是非?？尚械??！?/p>

保護(hù)優(yōu)勢(shì)

開(kāi)發(fā)JPEG XS的團(tuán)隊(duì)的其它目標(biāo)之一是它不針對(duì)任何分辨率，并且能夠支持未來(lái)的格式要求，同時(shí)保護(hù)未壓縮流的優(yōu)勢(shì)。這些優(yōu)點(diǎn)包括互操作性、視覺(jué)無(wú)損質(zhì)量、多代魯棒性、低功耗、低編解碼延遲、易于實(shí)現(xiàn)、芯片上小尺寸（不要求額外的DDR內(nèi)存）以及在通用CPU和GPU上運(yùn)行的快速軟件。

“其它編解碼都不能同時(shí)滿足這些強(qiáng)烈要求，”比利時(shí)信號(hào)壓縮和處理設(shè)備制造商IntoPIX創(chuàng)始人、壓縮技術(shù)專家安東尼·德斯坎佩說(shuō)，“JPEG XS因此可以在各個(gè)方面與未壓縮的格式‘競(jìng)爭(zhēng)，并顯著減少帶寬和視頻數(shù)據(jù)。”

壓縮格式有很多，包括一些因它們保持嚴(yán)肅的制作工作的高質(zhì)量能力而被廣泛使用的格式，我們真的需要JPEG XS編解碼嗎？

“JPEG XS與現(xiàn)有的來(lái)自JPEG、MPEG或其它標(biāo)準(zhǔn)化委員會(huì)的編解碼的主要區(qū)別在于，壓縮效率不是主要目標(biāo)，”德斯坎佩說(shuō)：“而其它解碼主要關(guān)注效率，不考慮延遲或復(fù)雜性，JPEG XS解決了以下問(wèn)題：‘我們?nèi)绾巫罱K取代未壓縮的視頻？”

對(duì)電視行業(yè)的許多人來(lái)說(shuō)，從未壓縮格式轉(zhuǎn)換到壓縮格式聽(tīng)起來(lái)并不明智?？紤]這一問(wèn)題的唯一原因是，未壓縮4K視頻的高帶寬達(dá)到了銅線電纜所能支持的極限。

也就是說(shuō)，JPEG XS可以在帶寬上有很大差別。

“JPEG XS典型的視覺(jué)無(wú)損質(zhì)量操作點(diǎn)在10：1左右，”德斯坎佩說(shuō)，“然而，在確定最大壓縮比時(shí)，考慮分辨率和內(nèi)容類(lèi)型非常重要。例如，對(duì)于給定的質(zhì)量水平，自然內(nèi)容通常達(dá)到更高的壓縮比。在其開(kāi)發(fā)過(guò)程中，JPEG XS已經(jīng)在最嚴(yán)格的質(zhì)量評(píng)估程序（ISO/IEC 29170-2，‘視覺(jué)無(wú)損編碼評(píng)估程序）下進(jìn)行了測(cè)試，尋求保證原始圖像和壓縮圖像之間“難以辨別的閃爍”的閾值——這一措施通常被稱為‘視覺(jué)透明度?！?/p>

不同種類(lèi)的內(nèi)容

根據(jù)JPEG XS工作組的測(cè)試，表1顯示了不同類(lèi)型內(nèi)容（屏幕內(nèi)容、計(jì)算機(jī)生成圖像（CGI）和自然圖像）的編解碼性能。表中較低的壓縮比特率定義了具有自然內(nèi)容的性能，而較高的范圍是用于要求完全視覺(jué)透明性的更復(fù)雜內(nèi)容。

對(duì)于廣播公司來(lái)說(shuō)，總圖像質(zhì)量是個(gè)大問(wèn)題，但不是唯一的問(wèn)題。也許同樣重要的是延遲，JPEG XS也應(yīng)該解決這個(gè)問(wèn)題。

“在延遲方面，在有多個(gè)編碼和解碼步驟的現(xiàn)場(chǎng)制作工作流程中使用MPEG-4/H.264和HEVC/H.265會(huì)導(dǎo)致數(shù)秒?yún)R集的延遲，”德斯坎佩說(shuō)，“JPEG XS有1ms延遲，因此可以在整個(gè)現(xiàn)場(chǎng)制作工作流中運(yùn)行，不會(huì)產(chǎn)生一個(gè)MPEG-4/ H.264編碼/解碼步驟的延遲。盡管為最后一英里分發(fā)給消費(fèi)者，我們需要H.265，但在分發(fā)之前，我們盡量避免在制作工作流中有任何額外的延遲?！?/p>

德斯坎佩表示，JPEG XS標(biāo)準(zhǔn)于2019年9月在IBC 2019上正式確定。

“就標(biāo)準(zhǔn)化過(guò)程本身的狀況而言，JPEG XS第一部分（核心編碼系統(tǒng)）已經(jīng)頒布并作為一個(gè)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，”他說(shuō)，“第2部分和第3部分[分別為概要文件和傳輸格式]已經(jīng)定稿，ISO正在準(zhǔn)備立即頒布。第4部分和第5部分（分別為一致性測(cè)試和參考軟件）正在進(jìn)行投票表決，將于今年年底頒布。”

除了為JPEG XS工作的這些標(biāo)準(zhǔn)之外，如AIMS、VSF、SMPTE、TICO聯(lián)盟和IETF這樣的標(biāo)準(zhǔn)機(jī)構(gòu)和行業(yè)組織之間還有一些正在進(jìn)行的聯(lián)系。2019年NAB展會(huì)的IP Showcase舉辦了一個(gè)JPEG XS在ST2110-22的演示。

致力于實(shí)現(xiàn)

德斯坎佩表示，幾家廣電設(shè)備供應(yīng)商已經(jīng)在致力于即將發(fā)布的產(chǎn)品的實(shí)現(xiàn)。他還指出了該標(biāo)準(zhǔn)的另一個(gè)特點(diǎn)，使其與IP視頻要求兼容。

德斯坎佩說(shuō)：“JPEG XS使用恒定的比特率，因此對(duì)于可靠的IP視頻傳輸非常重要，特別是在將壓縮視頻作為‘第22部分添加到ST 2110的情況下?！?/p>

為什么將這種新格式命名為JPEG XS？JPEG2000系統(tǒng)中有一些先例，它們也用于高質(zhì)量視頻傳輸。然而為什么是“X”？

“我認(rèn)為最有趣的事情是它的名字，”雷納說(shuō)，“它的字面意思是特小！”

無(wú)論是否特別小，JPEG XS對(duì)于相關(guān)人員的影響都是很大的。

雷納說(shuō)：“我由衷地希望，這將在明年成為事實(shí)上的夾層壓縮標(biāo)準(zhǔn)?！?/p>

接下來(lái)一些制作設(shè)施可能會(huì)增加8K視頻能力。目前，處理未壓縮的8K視頻數(shù)據(jù)的唯一方法是將其分成4個(gè)12G信號(hào)，原因是帶寬遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了電纜網(wǎng)絡(luò)在一根電纜上的傳輸能力。JPEG XS可能是使8K制作工具容易進(jìn)入高端設(shè)施的潤(rùn)滑劑。B&P