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作者： Jean-Marie Cloquet Barco Silex公司圖像處理業(yè)務(wù)部經(jīng)理 jean-marie.cloquet@barco.com 賽靈思攜手Barco Silex推出的最新參考設(shè)計支持通過互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議網(wǎng)絡(luò)傳輸JPEG 2000視頻。 由于畫質(zhì)出眾，JPEG 2000已成為高畫質(zhì)視頻壓縮（包括電視廣播商節(jié)目收集網(wǎng)絡(luò)視頻傳輸）的標(biāo)準(zhǔn)選擇。因此視頻設(shè)備供應(yīng)商已經(jīng)開始在各類傳輸解決方案中添加JPEG 2000編/解碼器，以支持各種接口和在某些情況下使用專有協(xié)議。 但這個趨勢讓視頻服務(wù)提供商只有一個或者幾個廠商的產(chǎn)品可供選擇。隨著2013年4月視頻服務(wù)論壇（VSF）的TR-01互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議網(wǎng)絡(luò)視頻傳輸建議書的出臺為設(shè)備互操作性提供規(guī)范，這一困局才有了解決方案。賽靈思及其聯(lián)盟計劃認(rèn)證成員Barco Silex迅速攜手支持這一互操作性規(guī)范。 Barco Silex已經(jīng)完成VSF TR-01建議書的參考設(shè)計。這種多通道JP2000 IP視頻傳輸解決方案最近公布在賽靈思網(wǎng)站上。它以賽靈思和Barco Silex提供的IP核為基礎(chǔ)，方便廣播設(shè)備OEM廠商定制和集成。鑒于Barco Silex的貢獻(xiàn)，美國國家電視藝術(shù)科學(xué)院（National Academy of Television Arts and Sciences）為Barco Silex頒發(fā)了2014年技術(shù)與工程艾美獎（見圖1）。 尋求一流的視頻壓縮 JPEG 2000取代了舊的JPEG標(biāo)準(zhǔn)，與其前身或MPEG等其他常見格式相比，能提供眾多優(yōu)勢。2004年JPEG2000通過美國好萊塢數(shù)字影院倡導(dǎo)組織(DCI)規(guī)范要求，成為數(shù)字影院圖像壓縮的事實標(biāo)準(zhǔn)。由于具備畫質(zhì)無損壓縮能力，JPEG2000成為安保、存檔和醫(yī)療應(yīng)用的理想選擇。 廣播行業(yè)也對此表示關(guān)注。廣播和視頻服務(wù)企業(yè)擁有大量直播視頻，需要通過他們所謂的節(jié)目收集網(wǎng)絡(luò)（contribution network）中傳輸至后期制作和流媒體設(shè)施（圖2），要求無延遲、畫質(zhì)無損。因此專業(yè)視頻行業(yè)對畫質(zhì)無損壓縮尤為感興趣。即壓縮方案需既能保持畫質(zhì)，又能實現(xiàn)高效存儲和傳輸。 此外JPEG2000的其他創(chuàng)新還意味著廣播行業(yè)的飛躍式發(fā)展。與MPEG把各幀壓縮為幀組不同，JPEG2000視頻流中的每一幀都單獨壓縮為靜止幀。這種單幀壓縮技術(shù)既能實現(xiàn)低時延，還能便于逐幀進(jìn)行后處理和編輯。JPEG2000視頻流還能部分解壓和觀看，從而允許用同一視頻流開展不同應(yīng)用并提供不同觀看體驗。 另一大優(yōu)勢是視頻流的傳輸容差能力強。與其它編解碼器相比，縱使無法用前向糾錯（FEC）糾正傳輸誤差，這些誤差在解碼后對畫質(zhì)的影響也非常小。最后JPEG2000在多次編/解碼流程后還能保留原有畫質(zhì)，這對存在多個視頻管理階段的節(jié)目收集網(wǎng)絡(luò)而言，意義十分重要。 鑒于這種需求，設(shè)備供應(yīng)商迅速啟動自己視頻設(shè)備上的JPEG2000編/解碼器的實現(xiàn)工作。不過異地之間的傳輸，他們?nèi)匀挥卸喾N實現(xiàn)方案可供選擇，諸如專有協(xié)議等。對視頻服務(wù)提供商而言，不利之處在于他們必須在一家或幾家廠商的產(chǎn)品中做出選擇，而非構(gòu)建匹配度最好、性價比最高的基礎(chǔ)設(shè)施。 視頻傳輸標(biāo)準(zhǔn)化建議 因此服務(wù)提供商提出了明確的傳輸標(biāo)準(zhǔn)化需求，以確保現(xiàn)有和未來設(shè)備之間實現(xiàn)更理想的互操作性。他們所需要的，是一種能夠通過IP網(wǎng)絡(luò)理想組織的傳輸技術(shù)，因為IP網(wǎng)絡(luò)正在成為主流網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，能提供隨時可供高吞吐量數(shù)據(jù)傳輸使用的標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)備。自2007年起，美國電影電視工程師協(xié)會（SMPTE）就公布了IP視頻傳輸?shù)臉?biāo)準(zhǔn)，并自那時起一直不斷豐富完善。SMPTE 2022就包括針對MPEG-2傳輸流中恒定比特率視頻信號的IP協(xié)議（用于壓縮視頻的SMPTE 2022 1&2；以及用于未壓縮視頻的SMPTE 2022 5&6）。 以這些標(biāo)準(zhǔn)為基礎(chǔ)，視頻服務(wù)論壇于2013年發(fā)布了VSF TR-01文檔，即《基于IP的MPEG-2 TS的JPEG 2000廣播配置文件視頻傳輸》的建議書。VSF是一家由服務(wù)提供商、用戶和制造商組成的國際協(xié)會，致力于發(fā)展視頻網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的互操作性、質(zhì)量指標(biāo)和培訓(xùn)。 任何符合VSF TR-01的設(shè)備都會從SDI（串行數(shù)字接口）獲取輸入信號，而SDI是廣播行業(yè)無壓縮點對點視頻傳輸?shù)募扔袠?biāo)準(zhǔn)。該設(shè)備將提取有效視頻、音頻和輔助數(shù)據(jù)（例如字幕），然后把視頻壓縮成JPEG 2000格式。得到的視頻流與音頻數(shù)據(jù)和輔助數(shù)據(jù)經(jīng)多路復(fù)用為MPEG-2傳輸流。該傳輸流隨即按SMTPE 2022封裝為實時傳輸協(xié)議（RTP）流，并通過IP發(fā)送給接收設(shè)備。接收器將對RTP/IP流進(jìn)行解封裝操作，解復(fù)用MPEG-2傳輸流，解碼JPEG 2000，然后將視頻、音頻和輔助數(shù)據(jù)以SDI信號方式輸出。 實現(xiàn)基于FPGA的參考解決方案 2012年9月，就在VSF建議書發(fā)布之前，賽靈思和Barco Silex宣布結(jié)成合作伙伴，共同開發(fā)IP視頻傳輸解決方案，旨在提供包含經(jīng)硬件驗證的IP核、參考設(shè)計和系統(tǒng)集成服務(wù)在內(nèi)的綜合性平臺。在合作中，Barco Silex肩負(fù)系統(tǒng)集成商的作用，將賽靈思提供的內(nèi)核（SMPTE 2022、SMPTE SDI、以太網(wǎng)MAC）與自己的高性能JPEG 2000和DDR3存儲器控制器內(nèi)核完美匹配在一起。其目標(biāo)是支持廣播設(shè)備OEM廠商加速產(chǎn)品開發(fā)，把最先進(jìn)的IP視頻傳輸功能添加到現(xiàn)有以及正在開發(fā)的產(chǎn)品中。 在此框架內(nèi)，合作伙伴目前已經(jīng)完成由四通道發(fā)送器-接收器平臺組成的參考設(shè)計（圖3）。發(fā)送器能接收四路SDI高清（HD）流（1080p30），有選擇地用JPEG 2000壓縮，然后按VSF TR-01標(biāo)準(zhǔn)通過1Gbps（經(jīng)壓縮）或10Gbps（未壓縮）以太網(wǎng)傳輸。接收器平臺則負(fù)責(zé)接收IP流、并對其進(jìn)行解封裝和解壓，然后將信號發(fā)給四路SDI高清鏈路。 在發(fā)送器平臺上，賽靈思SMPTE SDI內(nèi)核接收輸入的SDI視頻流。在無壓縮路徑上，這些SDI流先由賽靈思SMPTE 2022-5/6 IP視頻傳輸發(fā)送器內(nèi)核進(jìn)行多路復(fù)用并將其封裝為固定大小的數(shù)據(jù)報，然后通過賽靈思10Gb以太網(wǎng)MAC（10GEMAC）和10G PCS/PMA內(nèi)核發(fā)送出去。 在壓縮路徑上，SDI流首先進(jìn)入JPEG 2000編碼器完成壓縮。接著它們按照VSF TR-01，由BarcoSilex設(shè)計的專用TS引擎內(nèi)核封裝為MPEG-2傳輸流。最后SMPTE 2022-1/2 IP視頻傳輸發(fā)送器內(nèi)核將這些流打包為固定大小的數(shù)據(jù)報，并通過1G TEMAC發(fā)送出去。此外，壓縮后的流也可以使用10GEMAC和10G PCS/PMA內(nèi)核在10Gb鏈路上與未壓縮的視頻進(jìn)行多路復(fù)用。 在接收器平臺上，先在10GEMAC上收集未壓縮流的以太網(wǎng)數(shù)據(jù)報，然后SMPTE 2022-5/6 IP視頻傳輸接收器內(nèi)核過濾數(shù)據(jù)報、解封裝，解復(fù)用為單獨的流，通過SMPTE SDI內(nèi)核輸出SDI視頻。在10GEMAC上收集經(jīng)壓縮的視頻流的以太網(wǎng)數(shù)據(jù)則，然后由SMPTE 2022-1/2 IP視頻傳輸接收器內(nèi)核和TS引擎解封裝，并饋送至JPEG 2000解碼器。解碼器輸出的視頻則轉(zhuǎn)換為SDI，并發(fā)送給SMPTE SDI內(nèi)核。 對四個通道的每一個通道而言，都可以獨立于其他通道選擇是作為壓縮路徑還是未壓縮路徑。 為互操作性解決方案奠定基礎(chǔ) 兩家公司把參考設(shè)計實現(xiàn)在兩個不同平臺上，一個使用Zynq®-7000全可編程SoC，另一個使用Kintex®-7 FPGA。不過使用的模塊可集成到各種解決方案中，以滿足從低成本大批量應(yīng)用到最嚴(yán)苛的高性能應(yīng)用的全系列OEM系統(tǒng)要求。使用的IP核（如賽靈思SMPTE 2022）和以太網(wǎng)MAC LogiCORE™模塊，可用于直至UltraScale™水平的全系列賽靈思FPGA系統(tǒng)。 在編/解碼方面，參考設(shè)計采用了Barco Silex的JPEG 2000編碼器/解碼器IP核。這些IP屬于經(jīng)硬件驗證被廣泛采用的單芯片F(xiàn)PGA解決方案，可供高性能同步多通道720p30/60、1080i、1080p30/60和2K/4K/8K JPEG 2000編碼/解碼使用。這些內(nèi)核也支持目前市場上現(xiàn)有的最豐富多樣的JPEG 2000選項。在把多路視頻流拼接為平滑高數(shù)據(jù)速率系統(tǒng)中發(fā)揮關(guān)鍵作用的是來自Barco Silex的DDR存儲器控制器。這款高度可定制的控制器經(jīng)優(yōu)化可實現(xiàn)高帶寬，能夠把訪問重新排序，混合之后發(fā)送給SDRAM的不同Bank。 
圖1 - 負(fù)責(zé)參考設(shè)計的Barco Silex視頻團(tuán)隊因?qū)崿F(xiàn)JPEG 2000互操作性的標(biāo)準(zhǔn)化和量產(chǎn)化榮膺2014年技術(shù)與工程艾美獎。從左至右分別是：Luc Ploumhans、Sake Buwalda、François Marsin、Jean-François Marbehant、Jean-Marie Cloquet和Vincent Cousin。
圖2：廣播企業(yè)的節(jié)目收集網(wǎng)絡(luò) 兩公司在2014年2月在弗吉尼亞州阿林頓舉辦的年度VidTrans大會上以公開互操作性演示的形式展示了該參考設(shè)計的第一代。在VSF組織的這次測試中，10家公司（Artel、Barco Silex、Ericsson、Evertz、Imagine Communications、IntoPIX、Media Links、Macnica、Nevion和賽靈思）提供的技術(shù)和設(shè)備連在一起，演示使用JPEG 2000編碼器和解碼器實時壓縮720p30和1080i60高清內(nèi)容并實時傳輸。 數(shù)月之后，Barco Silex展示該參考設(shè)計已具備處理4K和超高清（UHD）信號的能力。作為建議用作新一代視頻分配的主要標(biāo)準(zhǔn)之一，4K視頻能承載的像素數(shù)量是1080p視頻的四倍，能進(jìn)一步提升圖像分辨率和使用更大的視頻顯示器。以四SDI模式使用參考設(shè)計的四個輸入通道（通過四條SDI線纜傳輸4K），就可以輸入4K信號并通過IP網(wǎng)絡(luò)傳輸4K信號。這樣參考設(shè)計就能夠用于高達(dá)4K的視頻分辨率。 FPGA推動視頻行業(yè)發(fā)展 賽靈思和視頻專業(yè)廠商Barco Silex的合作的目的是在專業(yè)視頻市場中充分發(fā)揮基于FPGA的平臺的功能和靈活性。通過將Barco的JPEG 2000內(nèi)核與賽靈思的傳輸內(nèi)核結(jié)合使用，OEM廠商可以迅速生產(chǎn)和更新標(biāo)準(zhǔn)化廣播設(shè)備，讓他們的產(chǎn)品在工藝方面滿足未來需求。 視頻行業(yè)的IP網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用方興未艾，參考設(shè)計的推出恰逢其時。OEM廠商能否在新興市場分一杯羹取決于其產(chǎn)品上市速度。采用基于賽靈思FPGA的可重編程解決方案，他們就能夠在標(biāo)準(zhǔn)尚在發(fā)展演化中把產(chǎn)品推向市場。
圖3：由發(fā)送器-接收器平臺組成的參考設(shè)計的原理圖 |
