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隨著廣播電視技術(shù)的蓬勃發(fā)展，開始步入4K、8K的超高清電視（UHD，Ultra High Definition Television）時(shí)代。在各類大型活動(dòng)中4K信號(hào)的制作和提供已越來越普及，中央電視臺(tái)以及很多省級(jí)電視臺(tái)陸續(xù)建立了基于4K制作的前期、后期制作系統(tǒng)，4K信號(hào)調(diào)度處理以及播出系統(tǒng)的建設(shè)也日益迫切。眾所周知，無壓縮4K信號(hào)由4路3G-SDI（Serial Digital Interface，數(shù)字分量串行接口）組成，若還按傳統(tǒng)方式部署，會(huì)面臨擴(kuò)展性的嚴(yán)重不足和施工布線的極大不便利。從管理流程上看，如果采用靈活的、軟件定義工作流程的IP解決方案，可以更從容地面對(duì)4K制作，甚至為未來8K制作的擴(kuò)展延伸準(zhǔn)備更多。

IP化系統(tǒng)方案與傳統(tǒng)SDI解決方案相比，不僅僅只是少鋪設(shè)視頻電纜，還具備更多的信號(hào)源共享、易解決距離空間限制、包容多種用途信號(hào)等諸多優(yōu)勢(shì)。

4K的分辨率是3840×2 160，是全高清的4倍。如果使用現(xiàn)有的SDI傳輸架構(gòu)支持超高清架構(gòu)，則靈活度不夠，并且結(jié)構(gòu)擴(kuò)展不容易。相對(duì)于傳統(tǒng)SDI架構(gòu)，IP化封裝后使用以太網(wǎng)進(jìn)行分發(fā)和接收，采用標(biāo)準(zhǔn)的封裝模式打破不同平臺(tái)、廠商間的壁壘，高效地向臺(tái)內(nèi)外任何目的地傳輸節(jié)目，滿足新媒體平臺(tái)的多種發(fā)布需求，使電視臺(tái)可以直接面向更多的節(jié)目進(jìn)行分發(fā)。因此，超高清技術(shù)的產(chǎn)生大大推動(dòng)了電視中心系統(tǒng)視音頻傳輸架構(gòu)的IP化。

行業(yè)內(nèi)對(duì)于IP化路線傳輸4K的模式有較大認(rèn)同度。

SDI技術(shù)通過同軸電纜傳輸高清數(shù)字視頻，既保證視頻點(diǎn)對(duì)點(diǎn)可靠傳輸，又能繼續(xù)使用模擬視頻的傳輸介質(zhì)。在4K制作環(huán)境下，由于4K信號(hào)碼率相當(dāng)于4路非壓縮高清3G信號(hào)，故產(chǎn)生12G，對(duì)應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)為SMPTE2082-1。12G傳輸路線由傳統(tǒng)SDI方式而來，相比IP系統(tǒng)，具備方便安全的線纜連接和布線、熟悉的工作流程和系統(tǒng)設(shè)計(jì)、較小的系統(tǒng)延時(shí)、故障判斷和系統(tǒng)檢查不存在技術(shù)壁壘等技術(shù)優(yōu)勢(shì)，產(chǎn)品化上對(duì)于設(shè)備廠家來說開發(fā)難度也不大。

對(duì)于電視臺(tái)實(shí)現(xiàn)12G路線，很多以前的系統(tǒng)能利用已有線路，無需重新布線，只需更換前端和后端部分設(shè)備。

目前，國際上在IP化標(biāo)準(zhǔn)方面存在兩大陣營，即IEEE（電子與電子工程師協(xié)會(huì)）的AVB標(biāo)準(zhǔn)與SMPTE（美國電影工程師協(xié)會(huì)）的ST-2022等系列IP化標(biāo)準(zhǔn)。采用AVB標(biāo)準(zhǔn)的廣電設(shè)備制造廠商代表包括Axon、Avid、Barco、Yamaha、Sennheiser、Riedel等；采用SMPTE標(biāo)準(zhǔn)的廠商代表包括Sony、GV、Evertz、Imagine、Snell、Panasonic、Ross、EVS等。兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)陣營目前看很難彼此融合，用戶在系統(tǒng)搭建初期，需要根據(jù)自己的實(shí)際需求選擇適合的IP化基礎(chǔ)架構(gòu)產(chǎn)品和標(biāo)準(zhǔn)。

AVB標(biāo)準(zhǔn)在傳統(tǒng)以太網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)上，通過保障帶寬、限制延遲和精確時(shí)鐘同步，支持各種基于音頻、視頻的網(wǎng)絡(luò)多媒體應(yīng)用。AVB應(yīng)用涉及到包括視頻會(huì)議在內(nèi)的多個(gè)領(lǐng)域，尤其適合于現(xiàn)場(chǎng)演出等系統(tǒng)解決方案，偏重于電視制作，以低時(shí)延及實(shí)時(shí)可靠傳輸、不壓縮音頻和視頻為特點(diǎn)。

相比之下，SMPTE系列標(biāo)準(zhǔn)是以解決IP視頻傳輸問題為主要目的，在廣電領(lǐng)域更具優(yōu)勢(shì)，且已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了該標(biāo)準(zhǔn)下相對(duì)成熟的產(chǎn)品。ST-2022系列標(biāo)準(zhǔn)是實(shí)現(xiàn)媒介有效交換和分配的基礎(chǔ)，還適用于MPEG-2傳輸碼流中不變比特率視頻壓縮信號(hào)。在產(chǎn)品化推動(dòng)下，目前在高清SDI制作領(lǐng)域，各主要設(shè)備廠家已經(jīng)基本實(shí)現(xiàn)了ST-2022標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議的互通。SMPTE在2017年9月18日宣布批準(zhǔn)SMPTE ST-2110內(nèi)的第一批標(biāo)準(zhǔn)——Professional Media Over Managed IP Networks（IP網(wǎng)絡(luò)上的專業(yè)媒體流），這是規(guī)定IP網(wǎng)上獨(dú)立的專業(yè)基本流的實(shí)時(shí)傳輸、同步和描述的一系列新標(biāo)準(zhǔn)，適用于現(xiàn)場(chǎng)制作、播出及其他專業(yè)媒體。采用ST-2110標(biāo)準(zhǔn)，電視中心內(nèi)的通信現(xiàn)在可全面IP化，這意味著機(jī)構(gòu)電視臺(tái)可依賴一個(gè)公共數(shù)據(jù)中心基礎(chǔ)設(shè)施而不是兩個(gè)獨(dú)立的SDI和IP交換/路由設(shè)施。隨著ST-2110系列標(biāo)準(zhǔn)的陸續(xù)公布，未來一兩年內(nèi)IP化發(fā)展進(jìn)程將越來越統(tǒng)一和清晰。

• NMI：NMI是應(yīng)對(duì)4K視頻IP化所獨(dú)創(chuàng)的網(wǎng)絡(luò)媒體接口，采用LLVC編碼方式對(duì)4K視頻進(jìn)行淺壓縮，碼率約3 Gb/s，SONY系列的攝像機(jī)、切換臺(tái)等4K產(chǎn)品均支持NMI標(biāo)準(zhǔn)，其他品牌產(chǎn)品與之尚不兼容，需要轉(zhuǎn)到SDI信號(hào)再通過SONY編碼設(shè)備轉(zhuǎn)換。

• TICO：TICO的視頻壓縮技術(shù)，通過在質(zhì)量、位速率和時(shí)延之間實(shí)現(xiàn)平衡，有效降低了碼率，壓縮比約為4：1，碼率約3 Gb/s。目前廠家支持TICO壓縮標(biāo)準(zhǔn)的主要有GV、Imagine、Nevion等，從產(chǎn)品支持度講具備一定規(guī)模。

• ASPEN：ASPEN的壓縮方式采用JPEG 2000壓縮標(biāo)準(zhǔn)，具有一系列的壓縮比，也是采用視頻、音頻、輔助數(shù)據(jù)分別壓縮再打包的方式。ASPEN聯(lián)盟相對(duì)支持的主流廠家不多，在ST-2022-6及ST-2110標(biāo)準(zhǔn)逐漸被認(rèn)同的情況下，目前發(fā)展空間已經(jīng)不大。

交換機(jī)是IP化系統(tǒng)的核心切換設(shè)備，為了實(shí)現(xiàn)畫面的準(zhǔn)確切換和安全播出，在制作系統(tǒng)中必須考慮凈切換的需要。由于專用交換機(jī)和通用交換機(jī)的選擇路線差異，目前主要存在源端切換和目的端切換兩種方式。

源端切換通過在交換機(jī)上采用OpenFlow流表方式進(jìn)行，如圖1所示，操作精確控制切換時(shí)間實(shí)現(xiàn)凈切換，與SDI矩陣類似。周邊設(shè)備可與交換機(jī)直接連接，但缺點(diǎn)是由于要求開放流表，所以必須使用廠商專用交換機(jī)。

圖1 源端凈切換方式示意圖

目的端切換為通用交換機(jī)為實(shí)現(xiàn)凈切換功能而采用的一種方式，基于IT通用的IGMP協(xié)議，由收端發(fā)起組播（離開、建立等）請(qǐng)求進(jìn)行信號(hào)切換，如圖2所示。這種方式也可實(shí)現(xiàn)設(shè)備與交換機(jī)直接連接，但由于切換時(shí)在目的端同時(shí)傳輸2個(gè)碼流會(huì)引起雙倍帶寬，降低了端口帶寬利用率。

圖2 目的端凈切換方式示意圖

傳統(tǒng)基帶信號(hào)同步采用BB鎖相方式對(duì)視頻信號(hào)進(jìn)行同步處理，對(duì)于IP網(wǎng)絡(luò)高碼率媒體信號(hào)則要考慮更適合IP網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)木W(wǎng)絡(luò)同步方式。

IEEE1588是網(wǎng)絡(luò)測(cè)量和控制系統(tǒng)的精密時(shí)鐘同步協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，采用PTP（精密時(shí)鐘同步）協(xié)議，其可精確至納秒級(jí)別，并且解決了通用以太網(wǎng)延遲時(shí)間長和同步能力差等瓶頸問題（見圖3），更加適合用于SDI over IP中解決信號(hào)同步問題。IEEE1588主要應(yīng)用于相對(duì)本地化、網(wǎng)絡(luò)化的系統(tǒng)，內(nèi)部組件相對(duì)穩(wěn)定，其優(yōu)點(diǎn)是標(biāo)準(zhǔn)非常具有代表性，并且是開放式的。由于其開放性，特別適合于以太網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境。IEEE1588標(biāo)準(zhǔn)所定義的精確網(wǎng)絡(luò)同步協(xié)議實(shí)現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)中的高度同步，使得在分配控制工作時(shí)無需再進(jìn)行專門的同步通信，從而達(dá)到了通信時(shí)間模式與應(yīng)用程序執(zhí)行時(shí)間模式分開的效果。由于高精度的同步工作，使以太網(wǎng)技術(shù)所固有的數(shù)據(jù)傳輸時(shí)間波動(dòng)降低到可以接受的、不影響控制精度的范圍。

圖3 PTP時(shí)鐘同步與傳統(tǒng)BB同步比較

傳統(tǒng)SDI系統(tǒng)鏈路為點(diǎn)對(duì)點(diǎn)連接，切換過程簡(jiǎn)單清晰。在IP系統(tǒng)中，所有物理連接全部通過交換機(jī)方式連接，信號(hào)的切換需要網(wǎng)絡(luò)地址轉(zhuǎn)換。網(wǎng)絡(luò)地址轉(zhuǎn)換(Network Address Translation)簡(jiǎn)稱NAT，是將IP數(shù)據(jù)報(bào)頭中的IP地址轉(zhuǎn)換為另一個(gè)IP地址的過程，NAT的功能實(shí)現(xiàn)是IP化視頻系統(tǒng)中必須考慮到的。目前實(shí)現(xiàn)方式主要有兩種，一種是在輸入IP板卡上進(jìn)行網(wǎng)關(guān)設(shè)置，通過網(wǎng)關(guān)設(shè)備的IP流直接具備了地址標(biāo)記；另一種是通過外置板卡實(shí)現(xiàn)，進(jìn)入系統(tǒng)的視頻流需要環(huán)通NAT板卡進(jìn)行地址設(shè)定。相比之下，無疑第一種方式比較便捷。

在SDI作為制播域設(shè)備間傳輸視頻信號(hào)的通用接口時(shí)代，任意的設(shè)備只要支持SDI即可以連接到其他設(shè)備，而不用關(guān)心對(duì)方設(shè)備是某個(gè)品牌，各廠家產(chǎn)品均遵循統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)。IP化時(shí)代早期，在沒有通用的標(biāo)準(zhǔn)背景下，不同品牌的IP化設(shè)備壓縮域互通幾乎不可能，只能通過轉(zhuǎn)到SDI格式在通過自己產(chǎn)品專屬的IPG板卡編碼方式實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)接入。

ST-2022-6作為高清域通用的無壓縮標(biāo)準(zhǔn)，目前已經(jīng)被行業(yè)內(nèi)幾乎所有主流廠家認(rèn)同，高清域的網(wǎng)絡(luò)化產(chǎn)品基本都以支持ST-2022-6標(biāo)準(zhǔn)，可實(shí)現(xiàn)彼此互通。在4K域，目前ST-2110標(biāo)準(zhǔn)的大一統(tǒng)也已得到廣泛認(rèn)同，預(yù)計(jì)2018年整個(gè)標(biāo)準(zhǔn)將全部完成，4K信號(hào)在IP化領(lǐng)域的互聯(lián)互通已經(jīng)指日可待。

在IP化系統(tǒng)中，交換機(jī)代替了傳統(tǒng)的視頻矩陣，成為視頻系統(tǒng)的核心調(diào)度設(shè)備，如圖4所示?，F(xiàn)有SDI信號(hào)通過基帶向IP的轉(zhuǎn)換設(shè)備轉(zhuǎn)成IP信號(hào)后直接進(jìn)入交換機(jī)。隨著支持IP端口輸入輸出的設(shè)備越來越多，未來轉(zhuǎn)換成本將持續(xù)降低，核心IP交換的方式也可容易實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的擴(kuò)展和鏈路冗余。

圖4 交換機(jī)在系統(tǒng)中作用示意圖

如前文所述，目前IP化方案中，交換機(jī)的選擇有專用交換機(jī)和通用交換機(jī)之分。端口處理帶寬是交換機(jī)的核心指標(biāo)，對(duì)于作為采用較多的通用性交換機(jī)來說，由于目前4K無壓縮IP信號(hào)帶寬約12G，結(jié)合凈切換雙倍帶寬的考慮，端口帶寬應(yīng)保證大于25G。結(jié)合目前電信行業(yè)市場(chǎng)中交換機(jī)的情況，可以預(yù)見25G、40G、100G交換機(jī)應(yīng)成為廣電視頻IP化后為主要選擇的產(chǎn)品。

多畫面分割器是監(jiān)控系統(tǒng)的重要組成設(shè)備，IP化系統(tǒng)下需具備適當(dāng)?shù)腎P端口與交換機(jī)適配，并保持輸入信號(hào)的源名。IP系統(tǒng)下的信號(hào)接入不再是通過線纜引輸入輸出信號(hào)進(jìn)畫分監(jiān)看，而是直接與交換機(jī)相連。目前，市場(chǎng)上的IP畫分產(chǎn)品普遍端口帶寬為10G，不支持無壓縮4K信號(hào)顯示，與交換機(jī)之間的通信只能以私有碼流標(biāo)準(zhǔn)或高清域的ST-2022-6標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行，但考慮到目前HD到UHD的發(fā)展尚在過渡階段，可以滿足系統(tǒng)搭建需求。

IPG是IP GATE的通俗化的簡(jiǎn)稱，是目前SDI向IP過渡階段的必備周邊設(shè)備，解決了現(xiàn)有SDI信號(hào)接入到IP系統(tǒng)中的輸入輸出轉(zhuǎn)換問題。市場(chǎng)上目前除了單一IP轉(zhuǎn)換功能的IPG板卡外，還有集成了格式轉(zhuǎn)換功能的IPG板卡，類似IP編碼 傳統(tǒng)上下交叉變換功能，為系統(tǒng)組成的靈活性提供更多保障。

不同于傳統(tǒng)SDI系統(tǒng)中信號(hào)可見即所得的便捷性，IP系統(tǒng)中所有視頻信號(hào)流都封裝在IP碼流中，不具有明顯的辨識(shí)性，因此更加突出了系統(tǒng)管理軟件的重要。交換機(jī)是IP系統(tǒng)的核心設(shè)備，其管理軟件必然是建立在交換機(jī)管理之上。目前交換機(jī)的選擇尚存在專用和通用兩種路線，從現(xiàn)有產(chǎn)品化來看，專用交換機(jī)由于開放了底層源碼，便于控制和優(yōu)化交換機(jī)運(yùn)行，從可視化和控制的便捷性角度管理軟件能達(dá)到的效果更優(yōu)，這其中以Evertz的Magnum軟件為代表；通用交換機(jī)應(yīng)用于廣電場(chǎng)景，往往需要在原有交換機(jī)軟件的基礎(chǔ)上進(jìn)行二次開發(fā)、優(yōu)化。在目前IP化初始階段，還需進(jìn)一步優(yōu)化，代表性的如在Cisco交換機(jī)的DCNM軟件基礎(chǔ)上開發(fā)的SDNO管理監(jiān)控軟件。

4K制作需要以視頻信號(hào)IP化為推動(dòng)力，但從本質(zhì)上說，這兩者確實(shí)是不同的技術(shù)方向。目前，IP化的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)程已經(jīng)很清晰，但過渡到產(chǎn)品的成熟和整體成本的穩(wěn)定還需要一定的時(shí)間。國內(nèi)電視臺(tái)具體情況參差不齊，在數(shù)字化、高清化到4K制作的演化過程中，應(yīng)結(jié)合本臺(tái)實(shí)際需求和承受能力穩(wěn)健前行，避免冒進(jìn)和重復(fù)投資，至少在目前看，非IP方式的4K制作還是更適合中小型電視臺(tái)。

2017年9月，SMPTE已經(jīng)頒布了ST-2110標(biāo)準(zhǔn)的10/20/30三個(gè)系列標(biāo)準(zhǔn)，其中10系列標(biāo)準(zhǔn)（System Overview &Timing Model）為總體標(biāo)準(zhǔn)，20系列標(biāo)準(zhǔn)（Uncompressed Active Video）為視頻壓縮標(biāo)準(zhǔn)，30系列標(biāo)準(zhǔn)（PCM Audio compatible with AES67）為音頻壓縮標(biāo)準(zhǔn)，參照了音頻AES67標(biāo)準(zhǔn)，保證了整體銜接。目前，40系列標(biāo)準(zhǔn)（Ancillary Data）即輔助數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)還需要協(xié)調(diào)不同廠家品牌之間的兼容性，尚在征求意見過程中，預(yù)計(jì)2018年整個(gè)標(biāo)準(zhǔn)全部完成，4K信號(hào)在IP化領(lǐng)域的互聯(lián)互通已經(jīng)指日可待。

在媒體融合的大背景下，電視中心制播域的視音頻傳輸架構(gòu)完全I(xiàn)P化將大大推動(dòng)全臺(tái)網(wǎng)絡(luò)化、云技術(shù)等部署的進(jìn)程。通過軟件定義可以把電視臺(tái)從采集制作到播發(fā)的全部運(yùn)作從硬件轉(zhuǎn)移到軟件，傳統(tǒng)兩層皮的架構(gòu)方式逐漸向統(tǒng)一的IP化通用架構(gòu)轉(zhuǎn)變，從而簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)、降低成本，實(shí)現(xiàn)管理的安全便捷，進(jìn)而推動(dòng)傳統(tǒng)媒體由單一渠道采集、煙囪式生產(chǎn)、封閉式傳播向全媒體匯聚、平臺(tái)化生產(chǎn)、多渠道播發(fā)的IP化新型制播方式轉(zhuǎn)變，加快資源在多種媒體渠道間流轉(zhuǎn)和協(xié)調(diào)化生產(chǎn)的效率。

選自《演藝科技》2018年第3期  牛睿《基于IP技術(shù)的超高清電視節(jié)目制作》，轉(zhuǎn)載請(qǐng)標(biāo)注：演藝科技傳媒。更多詳細(xì)內(nèi)容請(qǐng)參閱《演藝科技》。

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