实现用于专业视频的JPEG2000网络

赛灵思携手Barco Silex 推出的最新参考设计支持通过互联网协议网络传输JPEG2000 视频。

由于画质出众，JPEG 2000 已成为高画质视频压缩（包括电视广播商节目收集网络视频传输）的标准选择。因此视频设备供应商已经开始在各类传输解决方案中添加JPEG 2000 编/ 解码器，以支持各种接口和在某些情况下使用专有协议。

但这个趋势意味着视频服务提供商只有一个或者几个厂商的产品可供选择。随着2013 年4 月视频服务论坛（VSF）的TR-01 互联网协议网络视频传输建议书的出台为设备互操作性提供规范，这一困局才有了解决方案。赛灵思及其联盟计划认证成员Barco Silex 迅速携手支持这一互操作性规范。

Barco Silex 已经完成VSF TR-01建议书的参考设计。这种多通道JP2000 IP 视频传输解决方案最近已经公布在赛灵思网站上。它以赛灵思和Barco Silex 提供的IP 核为基础，方便广播设备OEM 厂商定制和集成。鉴于Barco Silex 的贡献，美国国家电视艺术科学院（National Academy of Television Arts and Sciences）为Barco Silex 颁发了2014 年技术与工程艾美奖（见图1）。

图1 - 负责参考设计的Barco Silex视频团队因实现JPEG 2000互操作性的标准化和量产化荣膺2014
年技术与工程艾美奖。从左至右分别是：Luc Ploumhans、Sake Buwalda、François Marsin、Jean-François Marbehant、Jean-Marie Cloquet和Vincent Cousin。

寻求一流的视频压缩
JPEG 2000 取代了旧的JPEG 标准，与其前身或MPEG 等其他常见格式相比，能提供众多优势。2004 年JPEG2000 通过美国好莱坞数字影院倡导组织(DCI) 规范要求，成为数字影院图像压缩的事实标准。由于具备画质无损压缩能力，JPEG2000 成为安保、存档和医疗应用的理想选择。

广播行业也对此表示关注。广播和视频服务企业拥有大量直播视频，需要通过他们所谓的节目收集网络（contribution network）中传输至后期制作和流媒体设施（图2），要求无延迟、画质无损。因此专业视频行业对画质无损压缩尤为感兴趣。即压缩方案需既能保持画质，又能实现高效存储和传输。

 

图2 - 广播企业的节目收集网络

此外JPEG2000 的其他创新还意味着广播行业的飞跃式发展。与MPEG 把各帧压缩为帧组不同，JPEG2000 视频流中的每一帧都单独压缩为静止帧。这种单帧压缩技术既能实现低时延，还能便于逐帧进行后处理和编辑。JPEG2000 视频流还能部分解压和观看，从而允许用同一视频流开展不同应用并提供不同观看体验。

另一大优势是视频流的传输容差能力强。与其它编解码器相比，纵使无法用前向纠错（FEC）纠正传输误差，这些误差在解码后对画质的影响也非常小。最后JPEG2000 在多次编/解码流程后还能保留原有画质，这对存在多个视频管理阶段的节目收集网络而言，意义十分重要。

鉴于这种需求，设备供应商迅速启动自己视频设备上的JPEG2000 编/ 解码器的实现工作。不过异地之间的传输，他们仍然有多种实现方案可供选择，诸如专有协议等。对视频服务提供商而言，不利之处在于他们必须在一家或几家厂商的产品中做出选择，而非构建匹配度最好、性价比最高的基础设施。

视频传输标准化建议
因此服务提供商提出了明确的传输标准化需求，以确保现有和未来设备之间实现更理想的互操作性。他们所需要的，是一种能够通过IP 网络理想组织的传输技术，因为IP 网络正在成为主流网络架构，能提供随时可供高吞吐量数据传输使用的标准化设备。自2007 年起，美国电影电视工程师协会（SMPTE）就公布了IP 视频传输的标准，并自那时起一直不断丰富完善。SMPTE 2022 就包括针对MPEG-2 传输流中恒定比特率视频信号的IP 协议（用于压缩视频的SMPTE 2022 1&2 ；以及用于未压缩视频的SMPTE 20225&6）。

以这些标准为基础，视频服务论坛于2013 年发布了VSF TR-01 文档，即《基于IP 的MPEG-2 TS 的JPEG 2000 广播配置文件视频传输》的建议书。VSF 是一家由服务提供商、用户和制造商组成的国际协会，致力于发展视频网络技术的互操作性、质量指标和培训。

任何符合VSF TR-01 的设备都会从SDI（串行数字接口）获取输入信号，而SDI 是广播行业无压缩点对点视频传输的既有标准。该设备将提取有效视频、音频和辅助数据（例如字幕），然后把视频压缩成JPEG 2000格式。得到的视频流与音频数据和辅助数据经多路复用为MPEG-2 传输流。该传输流随即按SMTPE 2022 封装为实时传输协议（RTP）流，并通过IP 发送给接收设备。接收器将对RTP/IP 流进行解封装操作，解复用MPEG-2 传输流，解码JPEG 2000，然后将视频、音频和辅助数据以SDI信号方式输出。

实现基于FPGA的参考解决方案
2012 年9 月，就在VSF 建议书发布之前，赛灵思和Barco Silex 宣布结成合作伙伴，共同开发IP 视频传输解决方案，旨在提供包含经硬件验证的IP核、参考设计和系统集成服务在内的综合性平台。在合作中，Barco Silex肩负系统集成商的作用，将赛灵思提供的内核（SMPTE 2022、SMPTE SDI、以太网MAC）与自己的高性能JPEG 2000 和DDR3 存储器控制器内核完美匹配在一起。其目标是支持广播设备OEM 厂商加速产品开发，把最先进的IP 视频传输功能添加到现有以及正在开发的产品中。

在此框架内，合作伙伴目前已经完成由四通道发送器- 接收器平台组成的参考设计（图3）。发送器能接收四路SDI 高清（HD）流（1080p30），有选择地用JPEG 2000 压缩，然后按VSF TR-01 标准通过1Gbps（经压缩）或10Gbps（未压缩）以太网传输。接收器平台则负责接收IP 流、并对其进行解封装和解压，然后将信号发给四路SDI 高清链路。

在发送器平台上，赛灵思SMPTE SDI 内核接收输入的SDI 视频流。在无压缩路径上，这些SDI 流先由赛灵思SMPTE 2022-5/6 IP 视频传输发送器内核进行多路复用并将其封装为固定大小的数据报，然后通过赛灵思10Gb 以太网MAC（10GEMAC）和10G PCS/PMA 内核发送出去。

在压缩路径上，SDI 流首先进入JPEG 2000 编码器完成压缩。接着它们按照VSF TR-01，由BarcoSilex设计的专用T S 引擎内核封装为MPEG-2 传输流。最后SMPTE 2022-1/2 IP 视频传输发送器内核将这些流打包为固定大小的数据报，并通过1GTEMAC 发送出去。此外，压缩后的流也可以使用10GEMAC 和10G PCS/PMA 内核在10Gb 链路上与未压缩的视频进行多路复用。

在接收器平台上， 先在10GEMAC 上收集未压缩流的以太网数据报，然后SMPTE 2022-5/6 IP视频传输接收器内核过滤数据报、解封装，解复用为单独的流，通过SMPTE SDI 内核输出SDI 视频。在10GEMAC 上收集经压缩的视频流的以太网数据则，然后由SMPTE 2022-1/2 IP 视频传输接收器内核和TS 引擎解封装，并馈送至JPEG 2000 解码器。解码器输出的视频则转换为SDI，并发送给SMPTE SDI 内核。

对四个通道的每一个通道而言，都可以独立于其他通道选择是作为压缩路径还是未压缩路径。

为互操作性解决方案奠定基础两家公司把参考设计实现在两个不同平台上，一个使用Zynq®-7000 All Programmable SoC，另一个使用Kintex®-7 FPGA。不过使用的模块可集成到各种解决方案中，以满足从低成本大批量应用到最严苛的高性能应用的全系列OEM 系统要求。使用的IP 核（如赛灵思SMPTE 2022）和以太网MAC LogiCORETM 模块，可用于直至UltraScale水平的全系列赛灵思FPGA 系统。

在编/ 解码方面， 参考设计采用了Barco Silex 的JPEG 2000 编码器/ 解码器IP 核。这些IP 属于经硬件验证被广泛采用的单芯片FPGA解决方案，可供高性能同步多通道720p30/60、1080i、1080p30/60 和2K/4K/8K JPEG 2000 编码/ 解码使用。这些内核也支持目前市场上现有的最丰富多样的JPEG 2000 选项。在把多路视频流拼接为平滑高数据速率系统中发挥关键作用的是来自Barco Silex 的DDR 存储器控制器。这款高度可定制的控制器经优化可实现高带宽，能够把访问重新排序，混合之后发送给SDRAM 的不同Bank。

两公司在2014 年2 月在弗吉尼亚州阿林顿举办的年度VidTrans 大会上以公开互操作性演示的形式展示了该参考设计的第一代。在VSF 组织的这次测试中，10 家公司（Artel、Barco Silex、Ericsson、Evertz、Imagine Communications、IntoPIX、Media Links、Macnica、Nevion和赛灵思）提供的技术和设备连在一起，演示使用JPEG 2000 编码器和解码器实时压缩720p30 和1080i60 高清内容并实时传输。

数月之后，Barco Silex 展示该参考设计已具备处理4K 和超高清（UHD）信号的能力。作为建议用作新一代视频分配的主要标准之一，4K视频能承载的像素数量是1080p 视频的四倍，能进一步提升图像分辨率和使用更大的视频显示器。以四SDI 模式使用参考设计的四个输入通道（通
过四条SDI 线缆传输4K），就可以输入4K 信号并通过IP 网络传输4K 信号。这样参考设计就能够用于高达4K的视频分辨率。

FPGA推动视频行业发展
赛灵思和视频专业厂商Barco Silex 的合作的目的是在专业视频市场中充分发挥基于FPGA 的平台的功能和灵活性。通过将Barco 的JPEG 2000 内核与赛灵思的传输内核结合使用，OEM厂商可以迅速生产和更新标准化广播设备，让他们的产品在工艺方面满足未来需求。

视频行业的IP 网络应用方兴未艾，参考设计的推出恰逢其时。OEM厂商能否在新兴市场分一杯羹取决于其产品上市速度。采用基于赛灵思FPGA 的可重编程解决方案，他们就能够在标准尚在发展演化中把产品推向市场。