SMPTE標準化HD Over IP
2010-12-20
韋斯·辛普森 《傳播與制作》
通過IP網傳輸非壓縮的SD和HD視頻已有不少時間,但總歸采用廠商專門的解決方案。SMPTE技術委員會現在正在制定包括非壓縮和可變碼率視頻的新標準。SMPTE首批IP視頻標準于2007年頒布,涉及在IP網上傳輸固定碼率MPEG-2視頻信號。這些標準基于Pro-MPEG論壇和視頻服務論壇之前所做的工作,已被各類制造商廣泛采用。
標準需求
需要新標準有幾個理由。首先,隨著這些網絡的帶寬增大以及隨著本地接入瓶頸得到解決,越來越多的廣播機構和服務提供商正在IP網上傳輸非壓縮視頻。此外,現有的IP視頻標準(來自因特網工程任務組IETF等組織)顯示出對把視頻、音頻及其它數據內容分離為單獨的打包碼流的偏愛。雖然這對必須用不同水平的接入帶寬服務各種各樣用戶的網絡是有意義的,但對更喜歡在一個完整的包內管理有所有要求的視頻、音頻和元數據的一個碼流的廣播機構來說,就顯得很費力。
這些新標準的另一個大目標是允許不同供應商提供的IP傳輸設備之間有互操作性。目前市場上基于IP的非壓縮視頻傳輸產品不能跨越供應商邊界工作。相較而言,當前許多公司供應符合COP-3(已發展為SMPTE 2022-2)的互相兼容的IP視頻設備,但該格式要求視頻碼流格在一個MPEG-2傳輸流內格式化。希望新SMPTE標準將考慮互操作性。
采用光纖和同軸電纜鏈路的非壓縮SD視頻線路長期以來用于演播室內部和位于同一城市內的設施之間。它們使用容易,質量非常高,并且得到各種設備的支持。不少長途通信公司也提供非壓縮SD服務,雖然這些鏈路很多最終只是傳輸打包在DVB/ASI信號內的壓縮視頻。非壓縮HD在演播室也根深蒂固,但它在設施之間不獲廣泛使用。隨著IP網絡帶寬增加及成本下降,在IP網絡上廁所非壓縮SD和HD的誘因無疑將增加。
SMPTE已經頒布了三個IP標準:2022-1-2007 IP網上實時視頻/音頻傳輸前向糾錯、2022-2-2007 IP網上單向傳輸固定碼率MPEG-2傳輸流以及2022-3-2010 IP網上單向傳輸可變碼率MPEG-2傳輸流。這些標準確定了許多新的標準將以它們為基礎的原則技術。
這些標準中最有意義的技術為行/列前向糾錯。此方案將傳輸視頻有效負載到一系列矩陣的數據報進行分組。這些矩陣可以是一維(用于單純的行FEC),也可以是二維(用于行/列FEC)。對于每行和每列,信源計算和發送一個額外的數據報以便提供糾錯能力。每個FEC數據報可用于糾正相應的行或列內最多一個數據報的丟失;如果超過一個錯誤發生,交叉行或列可用于恢復丟失的數據報。運用行/列FEC時,包含多個連續丟失的數據報的突發錯誤可以得到糾正,前提是此突發錯誤長度比FEC矩陣的一行短。在新標準中,對行長度的限制得到大大擴展,使FEC能夠即使在數據報丟失時長超過1ms時都能工作,這種情況可能是在一個以3Gb/s運送非壓縮1080p業務的碼流內有幾百個數據報。
新標準主要特性
通過此新標準,將可以傳輸一個完整的視頻碼流,運送存在于一個SMPTE 259M或292信號內的每一個比特,包括全HANC、全VANC及任何嵌入音頻、時間碼、元數據或其它包含于270Mb/s或1.5Gb/s信號源內的任何信號。由于這些信號格式被廣泛采用,此簡單(但帶寬密集)步驟大幅簡化保證互操作性所需的工作。在此標準最終確定時,它還應包括3Gb/s傳輸非壓縮1080p信號的能力。
另一補充是用一個標記標志每個視頻幀的最后一個數據報,并且在每個新視頻幀之初以一個新到的數據報開始。這個MPEG-2傳輸流不可行的能力使接收設備能夠容易地決定每個視頻幀開始和完成的位置。使用如視頻幀復制和接收以便屏蔽崩潰的視頻幀這樣的技術,此標記還更容易使系統對數據報序列內極大的間隙有更高的適應能力。
技術挑戰
為了執行FEC糾正,接收設備必須收集和緩沖某一行或列內所有數據報以及相應的FEC數據報。此緩沖增加端到端信號傳輸的延遲,而權衡是較大的緩沖意味著更高的容錯。執行者面臨兩難的境地:是采用適用于低延遲的短行和列,還是采用適用于更好的突發錯誤防護?由于每個網絡和應用都不一樣,因此標準將可能允許有大范圍的行和列長度的設置。
這些標準制定者的另一個挑戰是開發處理可變碼率碼流的增強方式。尤其是在低碼率碼流的情況下,填補緩沖器可能需要很長的時間,意味著信號可能過度延遲。為解決此問題,每當達到用戶控制的最大延遲限度,就可以向緩沖增加附加的空包。這樣一來,在可變碼率碼流降到低數據率(如發送靜止圖像)時,整個端到端系統的總延遲將依然得到控制。
未來方向
如果一切順利的話,這些標準應在未來6-12個月內獲得批準及頒布。在視頻服務論壇內已經開展一些工作,如召開針對正在開發打算符合這些新標準的設備的供應商之間的互操作性測試的會議。2011年2月1-3日即將舉行的VidTrans會議可能是供應商公開演示這種設備的第一個機會,當然也可能是首次公開展示互操作性的機會。此外,明年這個時候也很可能在公開市場買得到基于標準的IP非壓縮視頻設備。B&P
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