摘要：
本帖參考M. Miyazaki等人發表在SMPTE Motion Imaging Journal的文章UHDTV-2 Mezzanine Compression Codec For Miniaturized and Simplified UHD Production System，重點介紹了我們在生產應用中硬件壓縮的發展。底層壓縮方案經過多個編碼/解碼週期展現出最小的質量下降，使其適用於生產系統。Tiny Codec（TICO）編解碼器採用48 Gbits / s（59.94 Hz，10 bit，4：2：2）的未壓縮UHDTV-2比特流，並將其壓縮以適合單個12G數字分量串行接口（SDI）電纜。該設備還可以配備IP接口。這些改變可以顯着降低電纜和切換器的複雜性。
引言
2016年8月1日UHDTV-2測試廣播在日本開始使用，而NHK則從里約奧運會開始製作和播放各種節目。我們爲UHDTV-2生產開發了許多設備，如相機，轉播（OB）卡車，編輯系統等。但是，由於有大量UHDTV-2視頻數據，我們必須增加電纜數量，以實時連接所有設備。該因素也增加了設備尺寸和設施設置的複雜性。
數據壓縮技術被認爲是減少電纜數量的有效方法，但是將其作爲生產設施的基本格式而不僅僅作爲點對點傳輸設備，必須滿足以下要求。
- 圖像質量下降較小
- 延遲較小
- 即使重複壓縮/解壓縮，圖像質量也不會降低
UHDTV-2視頻流（59.94Hz，10比特，4：2：2）的比特率變爲48Gbits / s（TABLE 1）。當它被壓縮到1/4並且我們採用12G-SDI作爲接口時（最近已經變得實用），可以通過單根電纜傳輸UHDTV-2信號，就像當前的高清製作一樣。因此，我們專注於TICO壓縮技術，該技術具有高視頻質量，即所謂的視覺無損質量，壓縮率爲1/4，具有極低延遲的特性，如SMPTE公開文件中所述。
TICO Mezzanine壓縮技術
TICO 壓縮以其輕量級轉換過程而聞名，並且在現場可編程門陣列（FPGA）或專用集成電路（ASIC）中實現時不需要任何額外的硬件，如外部存儲器，因爲它只需緩衝幾行buffer only a few lines。它引起了許多製造商的關注，到目前爲止，已經發布了使用這種技術的多種產品。根據SMPTE RDD 35，可以支持高達10,240×10,240像素的圖像，並且作爲示例。本文介紹如何將UHDTV-1（3840×2160像素）UHDTV映射到3G-SDI或10 GbE。
在UHDTV-1編碼的情況下，每個圖像應水平劃分爲34個切片（一個切片= 3840×64），它們被獨立編碼和解碼（圖1）。由於TICO小波變換在line base logic上工作，因此可以在硬件實現上實現幾線的極低延遲，並且這種延遲是可以被修復的。
作爲一個關鍵特性（與基於離散餘弦變換（DCT）的編解碼器（如HEVC或H.264）相比），TICO的視覺無損質量（從第一個編碼階段實現）在經過連續編碼/解碼步驟後都得以保留。換句話說，圖像質量與編碼/解碼步驟的數量無關。這是因爲在第一次小波傳輸期間去除了不必要的高頻分量，進一步的解壓縮/壓縮只是在頻域和空間域之間轉換相同的數據。
當使用1/4壓縮率時，UHDTV-2碼流的傳輸將通過捆綁四條3G-SDI或10 GbE電纜來組成，但是對於UHDTV-2的進程和採樣來說，重要的是擁有一個單電纜每流傳輸，這會使得它易於處理並且簡化設施。因此，我們採用12G-SDI（SMPTE ST 2082）作爲設備的I / O接口。採用通過捆綁3G-SDI標準化的12G-SDI是合理的，例如UHDTV-2可以由四個UHDTV-1捆綁在一起。
圖1. TICO圖片佈置的示例（UHDTV-1的情況）
關於視覺無損
視覺無損質量是指在正常觀察條件下人眼無法檢測到損失的原始質量。目前沒有科學的方法來指定什麼是視覺無損質量，因爲它取決於每個人的觀看能力和許多不受控制的因素;然而，通常的，在峯值信噪比（PSNR）高於40 dB的情況下，我們能看到視覺無損質量。“視頻質量評估”將從技術和定量的角度來發展和解決質量問題，但是這裏讓我們用一個定性和實用的UHDTV-2視覺示例（圖2）來說明我們所說的人眼無法檢測到的視頻質量損失。：其中（a）放大x3; （b）放大 x12;（c）放大x100~; （d）放大x300~.
我們採用UHDTV-2幀並將其與得到的編碼/解碼幀進行比較。我們逐步放大，直到我們用人眼能夠區分差異。即使縮放到x100級別，仍然幾乎不可能看到差異，但在x300級別，人們可以開始看到一些細微的差別。我們的經驗表明，這些觀察結果與我們在圖片中看到的位置以及通常更具體的內容無關。我們將注意到TICO已經通過設計進行優化以準確再現尖銳邊緣和邊緣狀計算機圖形與字符（參見圖3）。
圖2. 對UHDTV-2幀進行視覺無損定性評估
圖3. 針對銳邊的UHDTV-2 TICO壓縮質量評估
UHDTV-2 TICO編解碼器
名爲VICO-8的開發編解碼器的插圖如圖4所示，其中一些主要規格在TABLE 2中介紹。這塊189×160 mm2的電路板用於FPGA的壓縮過程和12G-SDI EQ（均衡）與Drv（驅動）的關鍵部件（圖5）。電路板可以作爲編碼器或解碼器配置啓動，具體取決於板載撥碼開關設置。此外，由於小波變換的可擴展性，可以設置解碼器輸入UHDTV-2 TICO流，並輸出UHDTV-1視頻。我們還添加了TICO流分配輸出（在編碼器（ENC）模式下）和有源環通輸出（在解碼器（DEC）模式下）的功能，這在構建程序生產系統時很有用。
我們採用了TICO profile 2，它通過控制適應圖像複雜度的切片之間的比特率分配來改善視頻質量。延遲在編碼器的IP核處固定爲12.5線，在解碼器的IP核處固定爲6.5線。儘管有硬件I / O和相關邏輯，但從編碼器輸入到解碼器輸出的整個過程，我們可以實現小於40線（0.2毫秒）的極低延遲。
捆綁爲4x 12G-SDI（SMPTE ST 2082-12）的UHDTV-2未壓縮信號由編碼器以1/4的速率壓縮，在單個12G-SDI上產生TICO碼流輸出。與UHDTV-1情況類似，僅對有效視頻區域的數據進行編碼。
即使在12G-SDI上傳輸UHDTV-2 TICO碼流，我們也會保留SDI的容器，且可以處理外圍設備，如幀同步器，矩陣切換器，分配放大器，傳輸設備等，就像使用未壓縮的信號一樣。
圖4. 開發的UHDTV-2 TICO編解碼器（VICO-8）的外觀
圖5.開發模塊
視頻質量評估
爲了定量評估UHDTV-2 TICO編解碼器的質量，我們使用可用的圖像評估設備測量原始圖像的恢復圖像的PSNR。由於沒有與UHDTV-2圖像對應的評估裝置，因此採用評估每個UHDTV-1子圖像的方法（圖6）。對於原始圖像，使用其中記錄了日本圖像信息和電視工程師協會/無線電工業和商業協會（ARIB）標準運動圖像序列（圖7）的UHDTV-2播放器。通常，如果原始圖像的恢復圖像的PSNR超過40dB，則將其分類爲視覺無損，這是人眼無法區分的損失。UHDTV-2 TICO的性能在所有序列中都超過了這一值，其中大多數序列的質量大約爲50 dB。有一點是UHDTV-2播放器需要注意的，該播放器在錄製時會用Grassvalley-HQX壓縮材料。而原始圖像是解碼輸出，因此測量值可能與原始視頻略有不同。儘管如此，開發的編解碼器的高質量仍舊是毋庸置疑的。
我們還檢查了使用UHDTV-2 TICO進行多次編碼的性能。我們確認第二次編碼的PSNR幾乎與第一次的PSNR相同（TABLE 3）。
圖6. PSNR測量
圖7. ITE / ARIB超高清/寬色域標準測試序列的示例
TICO與UHDTV-2生產系統計劃
雖然通過捆綁多根同軸電纜完成了單一視頻流的實際實現，但是電纜數量的增加使得生產系統的連接變得複雜，並且使得設施的規模呈指數級增長。換句話說，減少電纜數量是使生產系統小型化或簡化的最有效方法之一，一個視頻流傳輸所使用的電纜數量最好也是一根，而廣播技術在其歷史進程中也一直努力朝着該目標發展。
例如，圖8示出了基於3G-SDI的未壓縮系統和使用TICO壓縮的基於12G-SDI的系統之間的比較。爲了使討論更容易，我們在一個非常小規模的生產系統（有三個攝像頭）上進行比較。我們可以看到使用12G-SDI和TICO可以將電纜數量減少到1/6，矩陣切換器的交叉點減少到1/256。由於傳統的視頻製作切換器往往在其輸入塊處具有矩陣切換器，因此減少物理接口的數量對於最小化電纜的數量也是有效的。如果將來在外圍設備（如攝像機，錄像機播放器或監視器）中實施TICO編解碼器，則電纜數量將進一步減少。生產規模越大，緊湊型設計的優點越高，效果就越好，尤其是安裝在尺寸或設備重量有限的系統中,例如安裝在轉播車內。
圖8. 生產系統的比較
IP接口的期望和問題
將IP接口引入生產系統（圖9）正日漸趨緊。它具有以下潛力：
- 使用高速IP設備減少電纜數量;
- 使用網絡集線器簡化系統設置;
- 利用交互式通信功能實現同步和中央系統管理;
- 與遠程生產系統具有良好的親和力;
- 降低系統成本。
其中，大多數廣播公司所期待的似乎是通過引入最初爲消費者開發的設備來降低成本。 由於在非屏蔽雙絞線（UTP）中十分實用的10 GbE已經變得流行，因此UHDTV-1接口的一些解決方案採用輕量級壓縮技術的單根電纜。然而，在考慮UHDTV-2時，即使使用輕壓縮技術，我們也必須捆綁其中的四根電纜或引入更高速的接口，例如40 GbE。如上所述，引入單電纜每流傳輸是有效的，但如果高速IP接口的每比特率成本不低於SDI，則反而有些得不償失。
圖9. 基於IP的生產系統的示例
另一方面，對於處理各種設備以適應各種程序的廣播者來說，重要的是不同的製造商能夠允許設備之間的通信。在SMPTE，他們討論了統一的可互操作IP接口（SMPTE ST 2110），最終的結果也將成爲未來向IP接口全面過渡的先決條件。
至於TICO，引入具有SMPTE ST 2022-5 / 6的IP接口的編解碼器設備是實用的。當高速以太網發展並且易於引入時，UHDTV-2 TICO將在IP接口中進行調整，並且會出現SMPTE ST 2110的標準化。
結論
對於UHDTV的進步和傳播來說，使用單根電纜製作每個流的物理接口非常重要。開發的UHDTV-2 TICO編解碼器設備可以在單個12G-SDI上傳輸UHDTV-2信號（59.94 Hz，10 bit，4：2：2），視覺無損，延遲極低; 而且，即使重複編碼和解碼，它也不會產生質量降級。因此，我們可以將其作爲程序生產系統的基本格式引入。
UHDTV-2 TICO也適用於IP接口。但是，在向項目生產設施引入IP時，有必要降低高速網絡設備的成本並統一標準或保持不同格式之間的兼容性。介於IP接口的各種優點，因此我們期望可以早日建立能夠引入該接口的環境。
相關鏈接
1. 高吞吐量JPEG 2000（HTJ2K）：新的算法和機會
參考文獻
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