壓縮與非壓縮——8K電視製作構架的思考

作者：中央廣播電視總臺 崔建偉

摘要：

超高清巨大的數據對傳統的電視製作系統形成挑戰，新一代的超高畫質電視制播系統構架建設需要為未來電視製作奠定基礎。本文對超高畫質電視制播系統需求進行了分析，介紹了標準、接口的演進以及質量評測，對JPEGXS的功能特點和靈活性進行了說明，並結合實例對系統應用進行了介紹。

關鍵詞

8K UHD   IP   SMPTE ST 2022-22    夾層壓縮   3G/12G SDI  10G/100G/400G Internet 

2018年10月1日，中央廣播電視總臺開啟了中國首個4K超高畫質電視頻道，2018年12月1日，日本HNK開通了首個8K超高畫質電視頻道。應對電視及平板終端拉動市場需求，提供更多超高清4K、8K的節目內容，是催生電視技術發展的源動力，超高清特別是8K超高清巨大的數據對傳統的電視製作系統形成挑戰，新一代的超高畫質電視制播系統構架建設需要為這一切奠定基礎。

一、需求

1. 數據量的挑戰

隨著4K/8K、高幀速率和HDR等新的成像技術的發展，對於任何應用程式，如：AV over IP、生產工作流、雙向廣播、遠程協作、KVM、IP視頻路由或其他時間精確廣播，我們需要管理、存儲和傳輸更多像素。

SMPTE ST2110同時支持未壓縮和壓縮視頻。對於非壓縮的視頻要素，需要10GbE的高清工作流、25GbE的4K工作流，以及未來100GbE以上的8K工作流。

目前，許多用戶都在努力以3Gbps的速度將基礎設施從1080i升級到1080p；以50fps、4:2:2和10bit的速度處理4K視頻更具挑戰性。在8K即將到來之際，必須找到一個經得起未來考驗的解決方案。

2. IP接口的期望和問題

將IP接口引入生產系統正成為當下潮流，具有以下潛力：

◆ 使用高速IP設備減少電纜數量；

◆ 使用網絡集線器簡化系統設置；

◆ 利用交互式通信功能實現同步和中央系統管理；

◆ 與遠程生產系統具有良好的親和力；

◆ 降低系統成本。

其中，大多數廣播公司所期待的似乎是通過引入最初為消費者開發的設備來降低成本。由於在非屏蔽雙絞線（UTP）中十分實用的10GbE已經變得流行，因此4K UHD接口的一些解決方案採用輕量級壓縮技術的單根電纜。然而，在考慮8K UHD時，即使使用輕壓縮技術，我們也必須捆綁其中的四根電纜或引入更高速的接口，或者使用100G甚至400G的接口。

如上所述，引入單電纜每流傳輸是有效的，但如果高速IP接口的每比特率成本不低於SDI，則反而有些得不償失。這使得壓縮更加重要。另一方面，對於處理各種設備以適應各種程序的廣播者來說，重要的是不同的製造商能夠允許設備之間的通信。在SMPTE，他們討論了統一的可互操作IP接口（SMPTE ST 2110），最終的結果也將成為未來向IP接口全面過渡的先決條件。

二、標準與接口的演進

1. 關於淺壓縮的歷史

首先，介紹一些關於夾層壓縮的背景知識。

淺壓縮又稱夾層壓縮，被定義為一種視頻壓縮級別，它可以降低視頻比特率（帶寬），以便在不太激進的情況下適合專業的錄像帶或存儲設備，從而保持視頻的整體質量。通常，夾層壓縮比為2:1到8:1。各種數字錄像帶格式採用夾層壓縮：D5-HD（4:1）、HD CAM（2:1）、DVC Pro（5:1）、HD CAM SR（3:1）、DigiBetacam（8:1）。

夾層壓縮的關鍵參數是：

◆ 支持10位深度（或更高）；

◆ 4:2:0/4:2:2/4:4:4色度解析度；

◆ 幀內編碼；

◆ 多通道的最小退化；

◆ HD和UHDTV格式支持。

目前IP互連的傳輸帶寬為10Gbps，可承載多達3個未壓縮的HD信號，但不足以承載一個UHDTV信號。IP上的夾層壓縮有多種實現：來自Evertz的JPEG 2K、來自INtoPX XS、索尼LLVC、蘋果的ProRes，還有NDI。

前三種是基於小波的，而ProRes和NDI基於DCT。Evertz EXE-VSR路由系統中使用的JPEG2000基於ISO標準，支持多種解析度和格式，包括HD和4K。索尼公司的低延遲視頻壓縮（LLVC）已經在SMPTE RDD34中得到了證明。利用小波壓縮和基於行的熵編碼，LLVC通過基於行的封裝來實現低延遲。

JPEG-XS是TICO編解碼器（SMPTE RDD35）的一個演變，它本身基於JPEG2000，現在廣泛接受使用SMPTE 2110在IP工作流上傳輸視頻。JPEG-XS是開源的，它違背了歷史上編解碼器發展的脈絡，它的壓縮比為6:1，實際上低於標準的JPEG（10:1）。

TICO背後的比利時公司IntoPix幫助設計了JPEG XS。旨在解決需要低複雜度和低延遲的應用，但可以使用相當高的帶寬，例如，UHD大約為2Gbps，而未壓縮為12Gbps。

JPEG-XS是一種幀內編碼技術。也就是說，不執行時間預測。這導致比特率效率比壓縮標準（如AVC和HEVC）低得多，但反過來又提供了極低的延遲。

潛在的專業應用可對應延遲很關鍵但仍有高帶寬連接的實例，包括演播室、遠程製作和其他。它適用於4K和8K，特別是用於生產和編輯（包括實時和基於文件的），當高圖像質量的數據必須通過有限的帶寬傳輸或必須用有限的計算資源進行處理時，該編解碼器經過優化，可用於夾層（非常輕量）壓縮。

一般來說幀內編碼、超低延時、CBR是夾層壓縮的典型特點。而用於分發的CODEC則更強調高壓縮比，如HEVC。

伴隨著UHDTV的發展，新的國際標準不斷湧現。不論是乙太網還是SDI，接口速度一直在突飛猛進。如圖3所列SDI已經達到12G即ST 2082。據悉ST2083-24G SDI也在制定當中，還有目前尚未形成標準的USDI。乙太網方面從正在從10G邁向100G。

雖然上述標準是必要的，但關鍵問題是互操作性。是否會使用多個夾層方法，從而需要多個許可證和實現？或者這些方法中的一種會成為主導方法並成為事實上的標準？此外，這些壓縮標準是否適用於存儲和NLE應用？

2. 標準的演進

網絡媒體聯合工作組（The Joint Taskforce on Networked Media，JT- NM）在IP技術標準化發展的過程中起到了關鍵性的作用。JT-NM由四個組織構成：電影和電視工程師協會（SMPTE），高級媒體工作流協會（AMWA），視頻服務論壇（VSF）和歐洲廣播聯盟（EBU）。

從2007年SMPTE ST-2022系列標準發布，SMTE ST-2110的標準推出也有一段時間了。

2017年11月27日發布ST-2110-10「同步和定義」，ST-2110-20，ST-2110-30非壓縮視頻和音頻，ST-2110-21《視頻的流量整形和傳輸定時》，可以說20-21是對SMPTE-2022-6的改進。

2018年發布ST-2110-31《AES3音頻的無縫傳輸》，ST-2110-40元數據傳輸規定了IETFRFC 8331標準中引用的SMPTE ST-291-1元數據傳輸要求。

2019年NAB IP showcase介紹了標準中增加的新元素ST-2110-22，壓縮視頻，ST-2110-23，單個視頻精華拆分到多流傳輸。

ST 2110-20的非壓縮標準在4K UHD應用較多，為簡化不同系統設備間的互聯互通起到了一定的作用。新的壓縮技術也是沒有停歇，在有限的帶寬上輕鬆管理更多像素，保護延遲並保證所有的像素完美品質。從SMPTE標準ST 2022-1、2、3、4，到新的SMPTE ST2110-22。壓縮codec與ST2110-22部分結合用於壓縮視頻，也有助於準確地解決這些問題。

下面著重看介紹一下標準的演進ST2110-22要求：

ST-2110-22文件結構：恆定比特率壓縮視頻-定義CBR壓縮視頻的有效載荷格式以及各種有效載荷格式（編解碼器）的SMPTE註冊表。

指定恆定比特率壓縮視頻格式的有效負載格式：

◆ 獨立於光柵大小：>32K×32K像素；

◆ 顏色採樣：4:1:1到4:4:4+；

◆ 取樣深度：8位~16位+；

◆ 幀速率：23.98fps~120fps+；

◆ 支持HDR 4 PQ和HLG；

◆ 恆定比特率：未定義特定的編解碼器/壓縮技術。

在SMPTE註冊表中註冊/可枚舉的編解碼器，有VC2、J2K、LLVC、TICO等。

經呼籲制定新的國際標準，JPEG XS（XS=Xtra Small Xtra Speed）作為提案出現在標委會評估行列。其主要進程如下：

◆ 2016：徵集建議書，結合AIMS、SMPTE和VSF的一種新的低延遲輕量級圖像編碼系統；

◆ 2017：TICO在6個國際提案中被選為基線；

◆ 2018：協作工作。標準進入投票和發布階段；

◆ 2019：JPEG-XS開始使用！IBC首次採用/交付的產品。

其主要指標如下：

◆ 視覺無損；

◆ 開放規範和互操作性；

◆ 無延遲；

◆ 恆定質量；

◆ 可擴展性；

◆ 支持多平臺；

◆ 低複雜性；

◆ 嚴格的ISO質量評估。

三、質量評測

1. NHK組織的TICO視頻質量評估

2016年8月1日UHDTV-2測試廣播在日本開始使用，而NHK則從裡約奧運會開始製作和播放各種節目，也生產開發了許多設備，如攝像機，轉播車，編輯系統等。但是，由於有大量UHDTV-2視頻數據，必須增加電纜數量，以實時連接所有設備。該因素也增加了設備尺寸和設施設置的複雜性。NHK認為數據壓縮技術是減少電纜數量的有效方法。

為了定量評估UHDTV-2 TICO編解碼器的質量，NHK使用可用的圖像評估設備測量原始圖像的恢復圖像的PSNR。對於原始圖像，使用了日本圖像信息和電視工程師協會/無線電工業和商業協會（ARIB）標準運動圖像序列。通常，如果原始圖像的恢復圖像的PSNR超過40dB，則將其分類為視覺無損，這是人眼無法區分的損失。UHDTV-2 TICO的性能在所有序列中都超過了這一值，其中大多數序列的質量大約為50dB。

NHK還檢查了使用UHDTV-2 TICO進行多次編碼的性能。確認第二次編碼的PSNR幾乎與第一次的PSNR相同，如表3。

Vico8是日本公司與TICO聯合開發的編解碼廠家，2020年7月，VillageIsland宣布將聯合INtoPix升級原有TICO到新的符合ST-2110規範的JEPAG XS。

2. IntoPIX的評測

IntoPIX使用CGI、桌面和自然內容對其JPEG XS以及其他公司的CODEC進行了主、客觀質量評價，評測結果顯示JPEG XS的PSNR值普遍高於40dB，滿足視覺無損壓縮的要求。

四、JPEG XS功能特點

1. 最小延遲

◆ 低至幾微秒（低至1/10毫秒）=只有幾條視頻線；

◆ 最大響應能力（幾微秒）-非常適合任何延遲關鍵型應用；

◆ CBR（恆定比特率），可實現可靠的IP視頻傳輸。

2. 所有平臺上的複雜性最小

◆ 為優化的CPU、GPU、FPGA和ASIC實現提供多個並行度；

◆ 低功耗、低邏輯的多個配置文件，硬體中無外部內存（FPGA、ASIC），以這種效率實現FPGA的最小編解碼器；

◆ 軟體和速度優化（CPU、GPU）的最佳語法，比JPEG2000 ISO標準快5倍或以上；

◆ 在成本、功耗和質量之間取得最佳平衡。

3. 靈活性

靈活性1：

◆ 支持多種視頻格式，兼容未來的延展；

◆ 支持多解析度、多色度格式、多種顏色格式、多比特深度、HDR；

◆ 支持-高清、4K、8K……以及16K×16K-4:4:4、4:2:2、4:2:0，灰度-RGB，YUV，- 從8、10、12、14到16位。

靈活性2：

◆ 工作流程內的HD/4K/8K下取樣（即用於監控目的）；

◆ 更低的CPU/GPU解碼要求（解碼HD的消耗比4K和8K更少）；

◆ 部分提取以加快分析和檢測；

◆ 可以內置1至2級縮小器和部分抽樣HD。

4. 開放技術參數

JPEG XS技術參數如表4。

JPEG XS可構建經濟高效的ST2110基礎設施，如圖8。

五、系統應用舉例

1. NHK研製夾層壓縮8K IP傳輸遠程製作

傳統的直播節目製作過程如圖10（a）所示。在現場節目製作中，大量的製作設備安裝在移動到場館場地的室外轉播（OB）車上。現場操作人員進行視頻和音頻切換和混音來製作節目。然後將產生的節目元素作為SDI信號發送到電視臺，然後播出。

圖10（b）是遠程生產過程。對於遠程製作，現場設置了一個小型車輛，其中僅包含傳送節目材料的設備，在廣播演播室進行製作。通過IP網絡傳輸節目素材，在遠程進行節目製作，提高了製作效率。此工作流有兩個要求：場館現場的節目視頻資料必須與廣播演播室幾乎實時、高質量地共享；節目製作所需的其他信號，如除視頻和音頻外的控制和通信，也必須在兩個方向上交換。

壓縮後的8K發射機使用壓縮率非常高的技術，例如高效視頻編碼（HEVC），它可以將8K節目素材壓縮到幾百Mbps，並通過1千兆乙太網（1GbE）傳輸。可以彌補專用線路的高成本。但高壓縮會導致圖像質量下降和幾秒鐘的延遲，因此在場館和演播室之間難以近實時地共享高質量的8K視頻材料。

如圖11所示，夾層壓縮8K IP傳輸使得8K節目素材能夠在相對便宜的10GbE線路上以高質量和低延遲傳輸，而不管傳輸距離如何。使用IP線路還可以靈活地向兩個方向發送信號。滿足上述工作流的兩個要求，使電視臺的8K直播製作比以前容易得多。

2. 非線性編輯測試應用

某國內非編廠家通過對於JPEG XS的評測研究，基本認定其可以滿足編輯製作要求，在相對帶寬和存儲佔用較低的基礎上，對於全幅 8K 編輯的實時性能可以達到4層。

◆ JPEG XS的編碼畫面質量完全滿足後期製作；

◆ 同等碼率條件下與XAVC編碼畫面質量基本相當；

◆ 平均PSNR，JPEG XS略好於XAVC；

◆ PSNR穩定性，XAVC略好於JPEG XS。

3. 演播現場製作應用

以小規模的生產系統（三個攝像機訊道）為例。可以看到使用12G-SDI和TICO可以將電纜數量減少到1/6，矩陣切換器的交叉點減少到1/256。由於傳統的視頻製作切換器往往在其輸入塊處具有矩陣切換器，因此減少物理接口的數量對於最小化電纜的數量也是有效的。如果將來在外圍設備（如攝像機，錄像機播放器或監視器）中實施TICO編解碼器，則電纜數量將進一步減少。生產規模越大，緊湊型設計的優點越高，效果就越好，尤其是安裝在尺寸或設備重量有限的系統中，例如安裝在轉播車內。

2018年，總臺開辦了首個國內4K超高畫質電視頻道，為了保證4K UHD的品質，同時兼容原有主控3G傳輸通道，央視首個4K超高清演播室E16採用了IP+TICO壓縮編碼，完成了主系統的集成應用。

六、小結

綜合考量JPEG XS的特性，可得出如下結論：

◆ XS滿足ST2110的質量要求：CBR、延遲、質量、複雜性；

◆ 保留了遷移到IP的現有優勢：靈活性、可擴展性、無限制的可訪問性；

◆ 減少帶寬可以通過ST2110實現：更高的像素速率、更多的流、更便宜的電纜。降低成本，減少存儲，減少IP數據包；

◆ 升級功能：簡化遠程生產和雲遷移；

◆ 使其用戶能夠通過標準10Gb乙太網系統或單個12G傳輸8K 60P視頻-SDI電纜。對於SDI，可以將UHD 8K壓縮到12G中傳輸；

◆ 完全標準化；

◆ 非常低的硬體複雜度，FPGA、CPU、GPU，總體上比較適合開發應用。

當今超高畫質電視特別是8K超高清帶給觀眾超級享受的同時，也給電視製作系統數據的承載能力帶來了巨大的壓力和挑戰。直接處理成非壓縮固然直接，但便是採用進步很快的IP構架，非壓縮8K、120P數據可能需要400G的下一代交換機才能傳得動，如果在技術進步同時考慮成本因素，採用淺壓縮不失為一個辦法。

其實從標準上SMPTE ST2022-1,2,3,4到ST-2110-22，非壓縮選項也非一統天下，如前所述，RDD34-LLVC（索尼）、RDD35-TICO、VC-2到如今的ISO-2111 JPEG XS，當然前提是質量、性能和功能保證，開放、低成本，以及有待眾多廠家和用戶的支持，否則反會成為互聯互通的障礙。對於JPEG XS或許應該進一步提升其壓縮質量，這或許會引申出一個新的話題「壓縮格式之爭」？

轉自：ITTC