浅议传输链路对远程制作的影响——基于JPEG-XS远程制作技术方案对比

本文通过对比以JPEG-XS为编码方式的OTN专线与SDWAN公网远程制作的技术方案，讨论了不同传输链路对远程制作的影响，从系统架构、信号传输方式和信号安全传输的探究等方面进行了技术方案的探索，并介绍了JPEG-XS编解码的特点、OTN专线和SD-WAN的定义及各自的优势。

远程制作相比于传统的制作方式有着节省人员成本和时间成本、现场转换快等优势，能够将摄像机的视频、音频、通话、Tally、控制等信号通过专网或是公网进行地域性的延伸。

随着SMPTE ST 2022、SMPTE ST 2110等IP广播标准的实施和完善以及JPEG-XS浅压缩技术在传输中的广泛应用，通过IP流来传输实时视频、音频、数据等信号变得越来越普遍。基于ST 2110标准的JPEG-XS浅压缩双向传输既保证了无损的图像质量，又降低了所需带宽的大小，同时满足了低延时的技术要求，让远程制作变得越来越容易实现。

对于远程制作来说，传输链路是非常重要的一个组成部分，可以依托于专网链路和公网链路。此远程制作技术方案的探索基于JPEG-XS编解码方式，对比了OTN专线与SD-WAN公网传输链路对远程制作的影响。

一、JPEG-XS编解码

JPEG-XS是JPEG委员会（正式名称为ISO/IEC SC29 WG1）的新国际标准。它具有可互操作的低延迟轻量级编码系统，从而提供视觉无损的图像压缩。

JPEG-XS编解码器的主要特征：

◆视觉无损的图像质量。原始图像或图像序列与编解码后结果之间的差异必须是人在正常观看条件下无法察觉的。JPEG-XS实现视觉无损所需的压缩比取决于图像本身的复杂程度以及目标应用的要求；

◆多代鲁棒性。JPEG-XS最高可达到10次重复编解码后质量不出现明显下降；

◆多平台兼容性。JPEG-XS可在CPU、GPU、FPGA以及ASIC等平台上实时运行并进行不同类型的端到端并行实现。在给定平台上的实时编码生成的码流能够在其他任何平台上进行实时解码，且不牺牲低复杂性和低延迟的特性；

◆低复杂性。硬件和软件的复杂性都很低。在软件方面，JPEG-XS的设计使i7处理器能够实时处理4K 4:4:4 60p的内容。在硬件方面，FPGA实现了不需要任何外部存储器，并且在处理4K 4:4:4 60p视频内容时不会超过Artix7 XC7A200T的50%或Cyclone5 5CEA9的25%；

◆低延迟。无论是在视频传输还是在AR/VR或其他任何需要信号与人机交互之间紧密同步的应用场景中，要保证累积的延迟低于人类感知阈值。为此，基于来自不同应用领域的输入，JPEG-XS提供了可扩展的算法延迟。

二、不同传输链路的系统架构

1. OTN专线

OTN（Optical Transport Network）光传送网，是以波分复用技术为基础、在光层组织网络的传送网。专线所需带宽越大成本越高，但可靠性强，可管可控，安全性较高且线路稳定。

传输链路是由总台技术局网络运行部配置的光华路办公区到复兴路办公区的光纤链路模拟实际使用场景的网络传输链路。

2. SD-WAN公网

SD-WAN（Software Defined Wide Area Network）即软件定义广域网，是将SDN技术应用到广域网场景中所形成的一种服务。公网链路复杂，使用成本低，但中间传输环节不可控。而SD-WAN可将网络的控制权集中管理起来，还具备负载均衡的能力，以此来增强网络的可靠性。

SD-WAN的优势：

◆灵活性：SD-WAN可以在可用的传输之间进行选择，在给定的时间为给定的应用程序选择最合适的传输，还可以设置策略，按需选择更昂贵或者更便宜的传输。控制带宽分配的是SD-WAN，而不是运营商；

◆可管理性：SD-WAN的中央管理控制台允许在需要时即时进行全局更改，通过使用多个传输/网络运营商来增强网络连接，如果其中一个发生故障，可以在几秒内转移至另一个。此外，SD-WAN还可以通过对所有流量进行加密来提高安全性；

◆低成本：SD-WAN技术可以通过删除或更换线路，允许集中管理和减少人员需求的方式来降低WAN连接的总体成本。

主备传输链路均使用两台华为S5700系列的交换机搭建GRE隧道，传输路径为200M公网链路，一端接口是联通，另一端接口是电信，通过SD-WAN进行优化。

GRE（General Routing Encapsulation，通用路由封装）是一种协议，用于将使用一个路由协议的数据包封装在另一协议的数据包中，是在网络上建立直接点对点连接的一种方法，目的是简化单独网络之间的连接。

三、信号传输方式

1. 视频信号

视频信号采用JPEG-XS的编码方式传输，相较于未压缩的ST 2110-20信号，根据JPEG-XS编码压缩比的不同，降低了传输所需的带宽，同时满足低延时的技术需求。

前端摄像机直接输出JPEG-XS信号通过OTN专线或者SD-WAN公网传输至后端核心交换机。通过XIP-3901-JPEG-XS板卡和SNP进行解码，解码后的ST 2110-20的IP流进行上变换等操作后参与制作。后端使用Virtuoso JPEG-XS对PGM信号进行JPEG-XS编码并通过OTN专线或者SD-WAN公网传输至前端摄像机作为返送监看。

远程制作的核心问题在于对低延时信号传输的需求，对比信号延时发现，OTN专线传输延时更小，画面更稳定，SD-WAN公网链路传输时同步状态下延时为20ms，异步状态下延时为30ms，能够满足远程制作的基本需求。

2. 音频与通话信号

音频和通话信号均以ST 2110-30的方式进行传输。前端LDX100摄像机直接输出音频和通话的ST 2110-30的流进入前端CE6865交换机，通过OTN专线或者SD-WAN公网链路传输到后端核心交换机，再进入后端音频和通话系统。

3. 控制与Tally信号

远程制作当中另一个要面临的问题就是Tally和控制信号的传输问题。以OTN专线为传输链路时，摄像机与OCP可以直接注册到CCS-ONE，通过C2IP进行控制，CCS-ONE从IP Tally系统获取Tally信息传输给前端摄像机。

在SD-WAN公网链路传输时，摄像机与OCP通过二层方式无法注册到CCS-ONE，因此将Tally和控制信号通过三层路由的方式注册到后端CCS-ONE服务器上的Name-server选件服务，通过三层路由完成后端OCP与前端LDX100摄像机的控制传输，同样IP Tally系统通过CCS-ONE服务器将Tally信息传输给前端摄像机。

四、信号安全传输的探究

对于远程制作来说，传输信号的质量至关重要，通过OTN专线传输时画面稳定，信号传输质量很高，而通过SD-WAN公网传输偶尔会出现画面闪黑的情况，因此对于SD-WAN公网传输的技术方案还需增加对信号安全传输的探究。

1. 主备无缝切换机制

在系统中添加备路链路，与主路链路组成无缝切换机制（2022-7），两个链路都使用华为S5700系列的交换机搭建GRE隧道，传输路径为200M公网链路，一端接口是联通，另一端接口是电信，通过SD-WAN进行优化。前端摄像机输出主备JPEG-XS信号分别进入前端主备交换机，通过主备SD-WAN公网链路传输至后端主备核心交换机。

经过长时间的观察，没有再发现闪黑现象，并且为了进一步验证2022-7机制是否有作用，我们人工断掉前端摄像机的主路或者备路、前端主备路任意交换机的上联接口、后端接收设备的主路或者备路，后端接收画面均正常，没有受到切断任一传输链路的任何影响。由此可以认为通过主备链路无缝切换机制（2022-7）改善了SD-WAN公网传输信号闪黑的情况。

2. SD-WAN公网传输链路的带宽对信号传输的影响

前端摄像机输出JPEG-XS信号，通过主备链路同时传输，在SD-WAN上检测到上下行最大带宽为95M。通过分别单独限制主路带宽、备路带宽，同时限制主备带宽发现信号的传输质量随着链路带宽的增加而稳定。经过多次调节带宽限制，发现当链路需要传输95M的流量时，链路带宽不得小于150M，即传输流量总带宽与链路带宽比最好为1:1.5。

五、总结

目前可通过JPEG-XS等编码方式来降低远程制作传输所需的带宽，简单而高效的编码方案令其延迟和复杂度始终保持在极低水平。

通过对OTN专线和SD-WAN公网传输远程制作技术方案的对比，可以发现OTN专线传输视音频信号质量更好，安全性更高，延时更小，Tally和控制传输更加简单且基本可以实时控制，但是传输链路所需成本更高；相对于专网传输环境下，公网传输成本更低，同时利用SD-WAN的特性提高了公网传输的稳定性和可靠性，虽然信号传输质量不如专线，Tally和控制信号传输需要依靠Name-server来实现，但通过主备无缝倒换机制与调节链路带宽等操作，可以实现信号的稳定传输，且延时较小可以满足远程制作的基本要求。

随着科技的进步，远程制作、云制作等均在快速发展，实现远程制作的方式越来越多，远程制作的应用也越来越广泛。高质量、低延时的远程制作依旧是重要的研究课题，在考虑技术要求的同时，还应该考虑最大可能地节约制作经费，实现应用远程制作的初衷，对此还需要对更多模式下的远程制作进行研究和探讨。

来源：选自2022年第9期《现代电视技术》

作者：中央广播电视总台崔昕怡