1. 专业视频、音频及数据的IP化

SMPTE ST 2110标准是许多广电公司、制播系统、工作室、供应商、行业协会、用户组和全球工程师团队多年合作及改进的结果,旨在替代原先在电视台、转播车和视频网络中长期使用的SDI。

视频服务论坛(VideoServices Forum,VSF)创建了“TR-03文档——IP化传输无压缩基本视频流的技术建议”并将其提交给SMPTE以创建一套新的IP标准。该文档经过发展和完善,形成了通过可管理IP网络传输媒体流及如何精准计时的方法。

在VSF的基础上,SMPTE联合了IEEE的PTP(精确时间协议,IEEE 1588 PTP)改进了PTP的操作;联合AES(音频工程协会)改进了网络音频传输;联合AMWA(高级媒体流程协会)采用了NMOS(媒体开放规范)——一套用于发现、注册、连接和管理ST 2110网络的开放协议和相关软件;联合EBU(欧洲广电联盟)创建了用户需求和测试协议,以确保按照标准制造的设备兼容性。

这些小组和来自JT-NM(网络媒体联合工作组)的小组共同协调关键工作,帮助全球广电从电信号的SDI流程过渡到更灵活、多用途的IP化流程,以更贴合向当今多平台、混合观看、熟悉IP的用户提供内容。

SMPTE ST 2110标准为实时制作、播出和其他专业媒体应用定义了IP上分开基本流的传输、同步和描述方法。每个流都独立由ST 2110系统计时,可以在网络结构上采用不同的路由,通过单播或组播到达一个或多个接收器。使用PTP时钟同步音频-视频-数据,无论数据包如何路由,所有流都准确同步。

《SMPTE ST 2110可管理IP网络专业媒体标准套件》旨在为专业媒体行业向通用IP(互联网协议)机制发展做出贡献。

2. ST-2100标准

  • ST 2110-10:2017:系统时钟和定义
    该系列工程文档定义了一个关联到共用参考时钟的可扩展RTP实质流系统,提供了一种指定它们的时间关系的方法。本标准规定了系统时序模型并要求共用到所有实质流。
  • ST 2110-20:2017:无压缩视频
    通过IP网络以RTP协议实时传输无压缩视频的方法。定义了SDP信令方法,为接收端提供必要的图像技术和说明元数据
  • ST 2110-30:2017:PCM数字音频
    基于AES67通过IP网络以RTP协议实时传输PCM数字音频流的方法。定义了SDP信令方法,为接收端提供必要的元数据。非PCM数字音频信号和压缩音频信号不在本标准的范围内。
  • ST 2110-21:2017:视频的流量整形和传递时序
    定义SMPTE ST2110-10视频RTP流离开RTP发送端时的测量时序模型,并定义发送端SDP参数,用于指示这些流的时序属性。
  • ST 2110-22:2019:CBR压缩视频
    使用共同参考时钟,通过IP网络以RTP协议实时传输CBR压缩视频的方法。
  • ST 2110-22:2022:CBR压缩视频
    使用共同参考时钟,通过IP网络以RTP协议实时传输CBR压缩视频的方法。
  • ST 2110-31:2018:AES3透明传输
    使用网络参考时钟,通过IP网络以RTP协议实时传输AES3信号的方法。
  • ST 2110-40:2018:SMPTE ST 291-1辅助数据
    使用公共参考时钟,通过IP网络以RTP协议实时传输与数字视频相关的SMPTE ST 291-1辅助(ANC)数据包的方法。
  • ST 2110-43:2021:用于Caption和Subtitle的TTML(定时文本标记语言)
    在SMPTE ST2110-10系统中以RTP协议实时传输TTML(用于Caption和Subtitle)数据的方法。

3. ST-2100说明

3.1. ST 2110-10:系统架构和同步

ST 2110-10有几个重要特性:

  • 音频、视频和辅助数据轨或素材作为单独的流进行传输,这些流被称为“实质”。例如,一个5.1 JPEG mp4素材可以有9个实质:一个视频实质、6个分开的音频实质、2个CC字幕实质(英语和中文)。
  • 采用RTP(Real-timeTransport Protocol)传输流内容。
  • 采用SIP(SessionInitiation Protocol)管理RTP流的连接和分布,包括IP组播一对多分布。
  • 采用PTP(PrecisionTime Protocol)为所有实质提供全局微秒级精度计时。同步基于SMPTE 2059。

3.2. ST 2110-20:无压缩视频传输

SMPTE 2110-20定义了传输无压缩视频实质的关键要求,它建立于IETF RFC 4175(无压缩视频的RTP携带格式)。

3.3. ST 2110-21:传输时序

SMPTE 2110-21根据设备的传输时序行为定义了三种类别:NL(Narrow Linear)、N(Narrow)和W(Wide)。NL发送器以恒定码率传输。N发送端可以在垂直消隐间隔期间暂停传输。W发送端旨在支持2110的软件实现,并遵守不太严格的传输时序要求。W类型接收端应该能够接收任何类型的发送端。

NL型视频信号的所有数据包在每个视频帧的持续时间内均匀分布。

N型发送端在对应于传统SDI视频信号的VBI(垂直消隐间隔)或VANC(垂直辅助数据空间)期间内没有发送数据包。因此,类型N每个帧周期内将出现明显间隙。

W型数据包之间拥有人为设定的传输间隙。此类别用以适应基于软件的发送端。但要注意W型会对接收端产生影响,接收端需要相应增加其输入缓冲区的大小。一个含有大量W型发送端的系统,需要使用具有足够大内存的网络设备来实现。

在进行了流量整形后,视频流的带宽也出现了变化,经过计算可以得出:NL型一直以接近9G左右的带宽恒定速率传输;N型先以12G的速率传输一会,再歇会;W型的带宽非常混乱,最高可以达到25G。

3.4. ST 2110-2:恒定码率的压缩视频传输

SMPTE 2110-22规定了传输压缩视频的关键要求。压缩标准需要提供恒定码率、现有RTP协议和低延迟以满足实时制作需求。大多数SMPTE 2110-22实施使用由JPEG(Joint Photographic Experts Group)创建的JPEG XS轻量化低延迟压缩格式来满足SMPTE 2110标准要求。JPEG XS编码在软硬件实现中仅有小于1毫秒的几个视频行的延迟。SMPTE 2110-22在实时制作环境中用作无压缩视频(SMPTE 2110-20)的替代方案。SMPTE 2110-22非常适合用在较低带宽的本地实时IP化制作、远程制作、供源或基于云的制作中。

4. NMOS(网络媒体开放规范)

SMPTE ST 2110标准是专业广电IP化传输的基础,规范了视频、音频、辅助数据等基本流在IP网络中的独立封装格式、同步时钟机制及实时传输协议,旨在替代原先在电视台、转播车和视频网络中长期使用的SDI。然而该标准聚焦于物理层和数据层的技术实现,并未涉及系统应用层的设备发现、注册、连接管理、配置等功能,这使得大规模IP化制播系统面临设备互联互通困难、信号调度流程复杂等挑战。为此,AMWA(Advanced Media Workflow Association)主导开发了NMOS(网络媒体开放规范),制订了一系列开源的、免费的规范,使IP基础设施上的媒体设备在控制层上具有互操作性,大大简化了IP化网络中的设备互连管理。

5. SPMTE 2022

SMPTE 2022描述了如何通过IP网络发送数字视频。支持的视频格式包括MPEG-2和SDI,该标准于2007年推出,并在此后的几年中得到了扩展。SMPTE 2022是实现广电向IP过渡的重要技术。

5.1. 标准分类
· ST 2022-1:2007 –视音频IP传输的前向纠错
· ST 2022-2:2007 –MPEG-2 TS CBR的IP单向传输
· ST 2022-3:2010 - MPEG-2TS VBR的IP单向传输
· ST 2022-4:2011 - MPEG-2 TS 非分段CBR/VBR的IP单向传输
· ST 2022-5:2013 – 高码率媒体信号IP传输(Transport of High Bit Rate MediaSignals,HBRMT)的前向纠错
· ST 2022-6:2012 - 高码率媒体信号IP传输(Transport of High Bit Rate Media Signals,HBRMT)
· ST 2022-7:2019 - RTP数据包的无缝保护切换
· ST 2022-8:2019 – 专业媒体的可管理IP网络传输:ST 2110-10系统中的ST 2022-6 信号时序

5.2. HBRMT(高码率媒体传输)

HBRMT(Transport of High Bit Rate Media Signals,高码率媒体传输)以前称为HBRAV-IP(HighBit Rate Audio Video Over IP,高码率音视频的IP传输),是面向视音频信源服务的高码率供源的数据封装和FEC(Forward Error Correction,前向纠错)标准,在以太网络上高达3Gb/s。HBRMT由SMPTE 32NF网络技术委员会作为SMPTE 2022的第5部分和第6部分发布。HBRMT支持SDI无压缩和JPEG 2000压缩视音频格式。