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1 4K的发展及系统选择
1.1
4K发展概况
随着广播电视技术的蓬勃发展，开始步入4K、8K的超高清电视（UHD，Ultra High Definition Television）时代。在各类大型活动中4K信号的制作和提供已越来越普及，中央电视台以及很多省级电视台陆续建立了基于4K制作的前期、后期制作系统，4K信号调度处理以及播出系统的建设也日益迫切。众所周知，无压缩4K信号由4路3G-SDI（Serial Digital Interface，数字分量串行接口）组成，若还按传统方式部署，会面临扩展性的严重不足和施工布线的极大不便利。从管理流程上看，如果采用灵活的、软件定义工作流程的IP解决方案，可以更从容地面对4K制作，甚至为未来8K制作的扩展延伸准备更多。
IP化系统方案与传统SDI解决方案相比，不仅仅只是少铺设视频电缆，还具备更多的信号源共享、易解决距离空间限制、包容多种用途信号等诸多优势。
1.2
4K系统路线选择
4K的分辨率是3840×2 160，是全高清的4倍。如果使用现有的SDI传输架构支持超高清架构，则灵活度不够，并且结构扩展不容易。相对于传统SDI架构，IP化封装后使用以太网进行分发和接收，采用标准的封装模式打破不同平台、厂商间的壁垒，高效地向台内外任何目的地传输节目，满足新媒体平台的多种发布需求，使电视台可以直接面向更多的节目进行分发。因此，超高清技术的产生大大推动了电视中心系统视音频传输架构的IP化。
行业内对于IP化路线传输4K的模式有较大认同度。
SDI技术通过同轴电缆传输高清数字视频，既保证视频点对点可靠传输，又能继续使用模拟视频的传输介质。在4K制作环境下，由于4K信号码率相当于4路非压缩高清3G信号，故产生12G，对应标准为SMPTE2082-1。12G传输路线由传统SDI方式而来，相比IP系统，具备方便安全的线缆连接和布线、熟悉的工作流程和系统设计、较小的系统延时、故障判断和系统检查不存在技术壁垒等技术优势，产品化上对于设备厂家来说开发难度也不大。
对于电视台实现12G路线，很多以前的系统能利用已有线路，无需重新布线，只需更换前端和后端部分设备。
2 IP化标准化进程
目前，国际上在IP化标准方面存在两大阵营，即IEEE（电子与电子工程师协会）的AVB标准与SMPTE（美国电影工程师协会）的ST-2022等系列IP化标准。采用AVB标准的广电设备制造厂商代表包括Axon、Avid、Barco、Yamaha、Sennheiser、Riedel等；采用SMPTE标准的厂商代表包括Sony、GV、Evertz、Imagine、Snell、Panasonic、Ross、EVS等。两个标准阵营目前看很难彼此融合，用户在系统搭建初期，需要根据自己的实际需求选择适合的IP化基础架构产品和标准。
AVB标准在传统以太网络基础上，通过保障带宽、限制延迟和精确时钟同步，支持各种基于音频、视频的网络多媒体应用。AVB应用涉及到包括视频会议在内的多个领域，尤其适合于现场演出等系统解决方案，偏重于电视制作，以低时延及实时可靠传输、不压缩音频和视频为特点。
相比之下，SMPTE系列标准是以解决IP视频传输问题为主要目的，在广电领域更具优势，且已经实现了该标准下相对成熟的产品。ST-2022系列标准是实现媒介有效交换和分配的基础，还适用于MPEG-2传输码流中不变比特率视频压缩信号。在产品化推动下，目前在高清SDI制作领域，各主要设备厂家已经基本实现了ST-2022标准协议的互通。SMPTE在2017年9月18日宣布批准SMPTE ST-2110内的第一批标准——Professional Media Over Managed IP Networks（IP网络上的专业媒体流），这是规定IP网上独立的专业基本流的实时传输、同步和描述的一系列新标准，适用于现场制作、播出及其他专业媒体。采用ST-2110标准，电视中心内的通信现在可全面IP化，这意味着机构电视台可依赖一个公共数据中心基础设施而不是两个独立的SDI和IP交换/路由设施。随着ST-2110系列标准的陆续公布，未来一两年内IP化发展进程将越来越统一和清晰。
3 技术关键点分析
3.1
4K编码方案
NMI：NMI是应对4K视频IP化所独创的网络媒体接口，采用LLVC编码方式对4K视频进行浅压缩，码率约3 Gb/s，SONY系列的摄像机、切换台等4K产品均支持NMI标准，其他品牌产品与之尚不兼容，需要转到SDI信号再通过SONY编码设备转换。
TICO：TICO的视频压缩技术，通过在质量、位速率和时延之间实现平衡，有效降低了码率，压缩比约为4：1，码率约3 Gb/s。目前厂家支持TICO压缩标准的主要有GV、Imagine、Nevion等，从产品支持度讲具备一定规模。
ASPEN：ASPEN的压缩方式采用JPEG 2000压缩标准，具有一系列的压缩比，也是采用视频、音频、辅助数据分别压缩再打包的方式。ASPEN联盟相对支持的主流厂家不多，在ST-2022-6及ST-2110标准逐渐被认同的情况下，目前发展空间已经不大。
3.2
交换机选择及净切换方式
交换机是IP化系统的核心切换设备，为了实现画面的准确切换和安全播出，在制作系统中必须考虑净切换的需要。由于专用交换机和通用交换机的选择路线差异，目前主要存在源端切换和目的端切换两种方式。
源端切换通过在交换机上采用OpenFlow流表方式进行，如图1所示，操作精确控制切换时间实现净切换，与SDI矩阵类似。周边设备可与交换机直接连接，但缺点是由于要求开放流表，所以必须使用厂商专用交换机。
图1 源端净切换方式示意图
目的端切换为通用交换机为实现净切换功能而采用的一种方式，基于IT通用的IGMP协议，由收端发起组播（离开、建立等）请求进行信号切换，如图2所示。这种方式也可实现设备与交换机直接连接，但由于切换时在目的端同时传输2个码流会引起双倍带宽，降低了端口带宽利用率。
图2 目的端净切换方式示意图
3.3
授时同步
传统基带信号同步采用BB锁相方式对视频信号进行同步处理，对于IP网络高码率媒体信号则要考虑更适合IP网络传输的网络同步方式。
IEEE1588是网络测量和控制系统的精密时钟同步协议标准，采用PTP（精密时钟同步）协议，其可精确至纳秒级别，并且解决了通用以太网延迟时间长和同步能力差等瓶颈问题（见图3），更加适合用于SDI over IP中解决信号同步问题。IEEE1588主要应用于相对本地化、网络化的系统，内部组件相对稳定，其优点是标准非常具有代表性，并且是开放式的。由于其开放性，特别适合于以太网的网络环境。IEEE1588标准所定义的精确网络同步协议实现了网络中的高度同步，使得在分配控制工作时无需再进行专门的同步通信，从而达到了通信时间模式与应用程序执行时间模式分开的效果。由于高精度的同步工作，使以太网技术所固有的数据传输时间波动降低到可以接受的、不影响控制精度的范围。
图3 PTP时钟同步与传统BB同步比较
3.4
地址转换
传统SDI系统链路为点对点连接，切换过程简单清晰。在IP系统中，所有物理连接全部通过交换机方式连接，信号的切换需要网络地址转换。网络地址转换(Network Address Translation)简称NAT，是将IP数据报头中的IP地址转换为另一个IP地址的过程，NAT的功能实现是IP化视频系统中必须考虑到的。目前实现方式主要有两种，一种是在输入IP板卡上进行网关设置，通过网关设备的IP流直接具备了地址标记；另一种是通过外置板卡实现，进入系统的视频流需要环通NAT板卡进行地址设定。相比之下，无疑第一种方式比较便捷。
3.5
同一系统内兼容性
在SDI作为制播域设备间传输视频信号的通用接口时代，任意的设备只要支持SDI即可以连接到其他设备，而不用关心对方设备是某个品牌，各厂家产品均遵循统一标准。IP化时代早期，在没有通用的标准背景下，不同品牌的IP化设备压缩域互通几乎不可能，只能通过转到SDI格式在通过自己产品专属的IPG板卡编码方式实现系统接入。
ST-2022-6作为高清域通用的无压缩标准，目前已经被行业内几乎所有主流厂家认同，高清域的网络化产品基本都以支持ST-2022-6标准，可实现彼此互通。在4K域，目前ST-2110标准的大一统也已得到广泛认同，预计2018年整个标准将全部完成，4K信号在IP化领域的互联互通已经指日可待。
4 主要系统设备
4.1
交换机
在IP化系统中，交换机代替了传统的视频矩阵，成为视频系统的核心调度设备，如图4所示。现有SDI信号通过基带向IP的转换设备转成IP信号后直接进入交换机。随着支持IP端口输入输出的设备越来越多，未来转换成本将持续降低，核心IP交换的方式也可容易实现系统的扩展和链路冗余。
图4 交换机在系统中作用示意图
如前文所述，目前IP化方案中，交换机的选择有专用交换机和通用交换机之分。端口处理带宽是交换机的核心指标，对于作为采用较多的通用性交换机来说，由于目前4K无压缩IP信号带宽约12G，结合净切换双倍带宽的考虑，端口带宽应保证大于25G。结合目前电信行业市场中交换机的情况，可以预见25G、40G、100G交换机应成为广电视频IP化后为主要选择的产品。
4.2
多画面分割器
多画面分割器是监控系统的重要组成设备，IP化系统下需具备适当的IP端口与交换机适配，并保持输入信号的源名。IP系统下的信号接入不再是通过线缆引输入输出信号进画分监看，而是直接与交换机相连。目前，市场上的IP画分产品普遍端口带宽为10G，不支持无压缩4K信号显示，与交换机之间的通信只能以私有码流标准或高清域的ST-2022-6标准进行，但考虑到目前HD到UHD的发展尚在过渡阶段，可以满足系统搭建需求。
4.3
IPG板卡
IPG是IP GATE的通俗化的简称，是目前SDI向IP过渡阶段的必备周边设备，解决了现有SDI信号接入到IP系统中的输入输出转换问题。市场上目前除了单一IP转换功能的IPG板卡外，还有集成了格式转换功能的IPG板卡，类似IP编码 传统上下交叉变换功能，为系统组成的灵活性提供更多保障。
4.4
系统监控管理软件
不同于传统SDI系统中信号可见即所得的便捷性，IP系统中所有视频信号流都封装在IP码流中，不具有明显的辨识性，因此更加突出了系统管理软件的重要。交换机是IP系统的核心设备，其管理软件必然是建立在交换机管理之上。目前交换机的选择尚存在专用和通用两种路线，从现有产品化来看，专用交换机由于开放了底层源码，便于控制和优化交换机运行，从可视化和控制的便捷性角度管理软件能达到的效果更优，这其中以Evertz的Magnum软件为代表；通用交换机应用于广电场景，往往需要在原有交换机软件的基础上进行二次开发、优化。在目前IP化初始阶段，还需进一步优化，代表性的如在Cisco交换机的DCNM软件基础上开发的SDNO管理监控软件。
5 未来发展展望
5.1
4K未必IP
4K制作需要以视频信号IP化为推动力，但从本质上说，这两者确实是不同的技术方向。目前，IP化的标准进程已经很清晰，但过渡到产品的成熟和整体成本的稳定还需要一定的时间。国内电视台具体情况参差不齐，在数字化、高清化到4K制作的演化过程中，应结合本台实际需求和承受能力稳健前行，避免冒进和重复投资，至少在目前看，非IP方式的4K制作还是更适合中小型电视台。
5.2
ST-2110标准环境下的统一
2017年9月，SMPTE已经颁布了ST-2110标准的10/20/30三个系列标准，其中10系列标准（System Overview &Timing Model）为总体标准，20系列标准（Uncompressed Active Video）为视频压缩标准，30系列标准（PCM Audio compatible with AES67）为音频压缩标准，参照了音频AES67标准，保证了整体衔接。目前，40系列标准（Ancillary Data）即辅助数据标准还需要协调不同厂家品牌之间的兼容性，尚在征求意见过程中，预计2018年整个标准全部完成，4K信号在IP化领域的互联互通已经指日可待。
5.3
IP化的远期意义
在媒体融合的大背景下，电视中心制播域的视音频传输架构完全IP化将大大推动全台网络化、云技术等部署的进程。通过软件定义可以把电视台从采集制作到播发的全部运作从硬件转移到软件，传统两层皮的架构方式逐渐向统一的IP化通用架构转变，从而简化结构、降低成本，实现管理的安全便捷，进而推动传统媒体由单一渠道采集、烟囱式生产、封闭式传播向全媒体汇聚、平台化生产、多渠道播发的IP化新型制播方式转变，加快资源在多种媒体渠道间流转和协调化生产的效率。
选自《演艺科技》2018年第3期 牛睿《基于IP技术的超高清电视节目制作》，转载请标注：演艺科技传媒。更多详细内容请参阅《演艺科技》。
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