賽靈思攜手Barco Silex 推出的最新參考設計支持通過互聯網協議網絡傳輸JPEG2000 視頻。

由于畫質出眾，JPEG 2000 已成為高畫質視頻壓縮（包括電視廣播商節目收集網絡視頻傳輸）的標準選擇。因此視頻設備供應商已經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議。

但這個趨勢意味著視頻服務提供商只有一個或者幾個廠商的產品可供選擇。隨著2013 年4 月視頻服務論壇（VSF）的TR-01 互聯網協議網絡視頻傳輸建議書的出臺為設備互操作性提供規范，這一困局才有了解決方案。賽靈思及其聯盟計劃認證成員Barco Silex 迅速攜手支持這一互操作性規范。

Barco Silex 已經完成VSF TR-01建議書的參考設計。這種多通道JP2000 IP 視頻傳輸解決方案最近已經公布在賽靈思網站上。它以賽靈思和Barco Silex 提供的IP 核為基礎，方便廣播設備OEM 廠商定制和集成。鑒于Barco Silex 的貢獻，美國國家電視藝術科學院（National Academy of Television Arts and Sciences）為Barco Silex 頒發了2014 年技術與工程艾美獎（見圖1）。

圖1 - 負責參考設計的Barco Silex視頻團隊因實現JPEG 2000互操作性的標準化和量產化榮膺2014
年技術與工程艾美獎。從左至右分別是：Luc Ploumhans、Sake Buwalda、Fran?ois Marsin、Jean-Fran?ois Marbehant、Jean-Marie Cloquet和Vincent Cousin。

尋求一流的視頻壓縮
JPEG 2000 取代了舊的JPEG 標準，與其前身或MPEG 等其他常見格式相比，能提供眾多優勢。2004 年JPEG2000 通過美國好萊塢數字影院倡導組織(DCI) 規范要求，成為數字影院圖像壓縮的事實標準。由于具備畫質無損壓縮能力，JPEG2000 成為安保、存檔和醫療應用的理想選擇。

廣播行業也對此表示關注。廣播和視頻服務企業擁有大量直播視頻，需要通過他們所謂的節目收集網絡（contribution network）中傳輸至后期制作和流媒體設施（圖2），要求無延遲、畫質無損。因此專業視頻行業對畫質無損壓縮尤為感興趣。即壓縮方案需既能保持畫質，又能實現高效存儲和傳輸。

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圖2 - 廣播企業的節目收集網絡

此外JPEG2000 的其他創新還意味著廣播行業的飛躍式發展。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。這種單幀壓縮技術既能實現低時延，還能便于逐幀進行后處理和編輯。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用并提供不同觀看體驗。

另一大優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，這對存在多個視頻管理階段的節目收集網絡而言，意義十分重要。

鑒于這種需求，設備供應商迅速啟動自己視頻設備上的JPEG2000 編/ 解碼器的實現工作。不過異地之間的傳輸，他們仍然有多種實現方案可供選擇，諸如專有協議等。對視頻服務提供商而言，不利之處在于他們必須在一家或幾家廠商的產品中做出選擇，而非構建匹配度最好、性價比最高的基礎設施。

視頻傳輸標準化建議
因此服務提供商提出了明確的傳輸標準化需求，以確保現有和未來設備之間實現更理想的互操作性。他們所需要的，是一種能夠通過IP 網絡理想組織的傳輸技術，因為IP 網絡正在成為主流網絡架構，能提供隨時可供高吞吐量數據傳輸使用的標準化設備。自2007 年起，美國電影電視工程師協會（SMPTE）就公布了IP 視頻傳輸的標準，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 協議（用于壓縮視頻的SMPTE 2022 1&2 ；以及用于未壓縮視頻的SMPTE 20225&6）。

以這些標準為基礎，視頻服務論壇于2013 年發布了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 是一家由服務提供商、用戶和制造商組成的國際協會，致力于發展視頻網絡技術的互操作性、質量指標和培訓。

任何符合VSF TR-01 的設備都會從SDI（串行數字接口）獲取輸入信號，而SDI 是廣播行業無壓縮點對點視頻傳輸的既有標準。該設備將提取有效視頻、音頻和輔助數據（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據和輔助數據經多路復用為MPEG-2 傳輸流。該傳輸流隨即按SMTPE 2022 封裝為實時傳輸協議（RTP）流，并通過IP 發送給接收設備。接收器將對RTP/IP 流進行解封裝操作，解復用MPEG-2 傳輸流，解碼JPEG 2000，然后將視頻、音頻和輔助數據以SDI信號方式輸出。

實現基于FPGA的參考解決方案
2012 年9 月，就在VSF 建議書發布之前，賽靈思和Barco Silex 宣布結成合作伙伴，共同開發IP 視頻傳輸解決方案，旨在提供包含經硬件驗證的IP核、參考設計和系統集成服務在內的綜合性平臺。在合作中，Barco Silex肩負系統集成商的作用，將賽靈思提供的內核（SMPTE 2022、SMPTE SDI、以太網MAC）與自己的高性能JPEG 2000 和DDR3 存儲器控制器內核完美匹配在一起。其目標是支持廣播設備OEM 廠商加速產品開發，把最先進的IP 視頻傳輸功能添加到現有以及正在開發的產品中。

在此框架內，合作伙伴目前已經完成由四通道發送器- 接收器平臺組成的參考設計（圖3）。發送器能接收四路SDI 高清（HD）流（1080p30），有選擇地用JPEG 2000 壓縮，然后按VSF TR-01 標準通過1Gbps（經壓縮）或10Gbps（未壓縮）以太網傳輸。接收器平臺則負責接收IP 流、并對其進行解封裝和解壓，然后將信號發給四路SDI 高清鏈路。

在發送器平臺上，賽靈思SMPTE SDI 內核接收輸入的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 視頻傳輸發送器內核進行多路復用并將其封裝為固定大小的數據報，然后通過賽靈思10Gb 以太網MAC（10GEMAC）和10G PCS/PMA 內核發送出去。

在壓縮路徑上，SDI 流首先進入JPEG 2000 編碼器完成壓縮。接著它們按照VSF TR-01，由BarcoSilex設計的專用T S 引擎內核封裝為MPEG-2 傳輸流。最后SMPTE 2022-1/2 IP 視頻傳輸發送器內核將這些流打包為固定大小的數據報，并通過1GTEMAC 發送出去。此外，壓縮后的流也可以使用10GEMAC 和10G PCS/PMA 內核在10Gb 鏈路上與未壓縮的視頻進行多路復用。

在接收器平臺上， 先在10GEMAC 上收集未壓縮流的以太網數據報，然后SMPTE 2022-5/6 IP視頻傳輸接收器內核過濾數據報、解封裝，解復用為單獨的流，通過SMPTE SDI 內核輸出SDI 視頻。在10GEMAC 上收集經壓縮的視頻流的以太網數據則，然后由SMPTE 2022-1/2 IP 視頻傳輸接收器內核和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換為SDI，并發送給SMPTE SDI 內核。

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兩家公司把參考設計實現在兩個不同平臺上，一個使用Zynq?-7000 All Programmable 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用到最嚴苛的高性能應用的全系列OEM 系統要求。使用的IP 核（如賽靈思SMPTE 2022）和以太網MAC LogiCORETM 模塊，可用于直至UltraScale水平的全系列賽靈思FPGA 系統。

在編/ 解碼方面， 參考設計采用了Barco Silex 的JPEG 2000 編碼器/ 解碼器IP 核。這些IP 屬于經硬件驗證被廣泛采用的單芯片FPGA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。這些內核也支持目前市場上現有的最豐富多樣的JPEG 2000 選項。在把多路視頻流拼接為平滑高數據速率系統中發揮關鍵作用的是來自Barco Silex 的DDR 存儲器控制器。這款高度可定制的控制器經優化可實現高帶寬，能夠把訪問重新排序，混合之后發送給SDRAM 的不同Bank。

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）提供的技術和設備連在一起，演示使用JPEG 2000 編碼器和解碼器實時壓縮720p30 和1080i60 高清內容并實時傳輸。

數月之后，Barco Silex 展示該參考設計已具備處理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準之一，4K視頻能承載的像素數量是1080p 視頻的四倍，能進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 網絡傳輸4K 信號。這樣參考設計就能夠用于高達4K的視頻分辨率。

FPGA推動視頻行業發展
賽靈思和視頻專業廠商Barco Silex 的合作的目的是在專業視頻市場中充分發揮基于FPGA 的平臺的功能和靈活性。通過將Barco 的JPEG 2000 內核與賽靈思的傳輸內核結合使用，OEM廠商可以迅速生產和更新標準化廣播設備，讓他們的產品在工藝方面滿足未來需求。

視頻行業的IP 網絡應用方興未艾，參考設計的推出恰逢其時。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，他們就能夠在標準尚在發展演化中把產品推向市場。