HARMAN：如何以1Gbps傳輸4K網(wǎng)絡(luò)視頻

    隨著視頻分辨率的日漸提高，市場對高清視頻的傳輸與交換方案也提出了更多要求。對這類高清視頻的傳輸與交換而言，帶寬是亟待突破的首個瓶頸。

    傳輸諸如4K或超高清（UHD）之類的高清視頻需要非常大的網(wǎng)絡(luò)帶寬。4K視頻（2160p60）在全彩與無壓縮情況下傳輸需要占用12 Gbps帶寬，而全彩的1080p視頻即使在每秒60幀的情況下傳輸也只需要3 Gbps帶寬。由此可見，4K這一未來的專業(yè)視頻分辨率在分配傳輸方面還面臨著諸多障礙。

    這些障礙之所以存在，其最大的原因是現(xiàn)行網(wǎng)絡(luò)標準幾乎無法匹配相應(yīng)的帶寬需求，尤其當高清視頻的分配多于一個房間時。傳輸無壓縮 4K視頻對線纜要求極其嚴格，甚至可能需要用到光纖，這也就導(dǎo)致傳輸系統(tǒng)的安裝成本大大提高。更令人頭疼的是，現(xiàn)行的分配傳輸技術(shù)（千兆以太網(wǎng)、萬兆以太網(wǎng)、3G-SDI或HDBaseT）均無法達到2160p60分辨率下的全彩取樣要求。1 Gbps的千兆以太網(wǎng)（GbE）與2.97 Gbps的3G-SDI甚至無法支持全彩無壓縮的1080p60視頻的傳輸。

    下表中羅列了無壓縮普通高清與超高清視頻在不同分辨率、像素、幀率、色彩取樣率情況下傳輸所需要的帶寬，其中多數(shù)高清視頻所要求的帶寬均超過1 Gbps。

    如需利用現(xiàn)有的分配和交換技術(shù)來傳輸高清視頻，應(yīng)考慮對視頻做一定程度的壓縮處理。例如，采用JPEG2000 壓縮標準并進行合理設(shè)置，壓縮后視頻占用的帶寬將大大降低，不僅可在現(xiàn)有的標準線纜中傳輸，還可通過用戶現(xiàn)有的IP網(wǎng)絡(luò)進行切換。

    提及專業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域的視頻壓縮，人們通常擔心的是想象中的延時（即原始信號與播放終端之間的時間差）以及劣質(zhì)的畫面。而這些聯(lián)想多是由各大網(wǎng)絡(luò)流媒體網(wǎng)站所造成的。為了將視頻傳輸給各類網(wǎng)絡(luò)中成千上萬的用戶，流媒體網(wǎng)站多會采用MPEG2、MPEG4或 H.264格式視頻，網(wǎng)絡(luò)帶寬要求低，因此，也就要求其中的視頻經(jīng)過高度壓縮。不過，在一個更受控制的專業(yè)環(huán)境下，通過對壓縮技術(shù)的精心挑選與應(yīng)用，壓縮后的視頻亦可兼具高清晰度與低延時性。

    要了解壓縮技術(shù)對延時與畫質(zhì)的影響，首先應(yīng)了解網(wǎng)絡(luò)音視頻的分配傳輸原理。當進行IP視頻傳輸時，首先必須對視頻進行“編碼”，將視頻信號轉(zhuǎn)為網(wǎng)絡(luò)可識別的數(shù)字信號。當信號傳輸至播放終端，再將信號“解碼”，即將網(wǎng)絡(luò)數(shù)字信號轉(zhuǎn)回視頻信號，最后通過電視或投影儀顯示。整個視頻傳輸過程涵蓋四個步驟，每個步驟都會對視頻終端延時造成影響。

    用飛機航班來比喻視頻傳輸過程再貼切不過。第一步的編碼好比登機，即將目標視頻傳上網(wǎng)絡(luò)。第二步的傳輸將信號從源設(shè)備傳輸至終端設(shè)備，這就是飛機的整個航程。第三步的解碼就是下機，網(wǎng)絡(luò)信號將重新轉(zhuǎn)化為視頻信號。最后一步的播放就好似乘客提取行李離開機場。

    這其中涉及到的播放速度是整個視頻傳輸分配過程中常常被忽略的環(huán)節(jié)。哪怕整個視頻傳輸過程極其給力，但只要顯示器無法進行快速的像素還原，都有可能造成視頻播放的延時。多數(shù)顯示器都設(shè)有“游戲”模式（不同廠商的叫法不一），可以更快速地還原視頻畫面，并將延時最小化。

    與真實的飛機航行不同，視頻的“航程”（傳輸速度）是整個傳輸過程中用時最短的環(huán)節(jié)，多數(shù)網(wǎng)絡(luò)音視頻技術(shù)下的傳輸延時比一幀畫面還要短。而編碼過程中的壓縮（以及解碼過程中的解壓縮）則是影響視頻質(zhì)量與延時性的最關(guān)鍵因素。

    JPEG2000（應(yīng)用于AMX SVSI N2000系列）與基于行的小波壓縮（LBWC，應(yīng)用于AMX SVSI N1000系列）可實現(xiàn)幀壓縮或幀內(nèi)壓縮，不存在傳統(tǒng)多幀壓縮所帶來的附加延時。此外，JPEG2000支持區(qū)塊化（Tiling）技術(shù)，可將圖像分成若干區(qū)塊進行傳輸。利用JPEG2000 壓縮與區(qū)塊化技術(shù)，壓縮后視頻的延時可由全幀的 32-50 毫秒降低至 10-15 毫秒。

    低延時高保真編解碼技術(shù)能以小于1 Gbps的網(wǎng)絡(luò)帶寬傳輸高品質(zhì)視頻。當視頻達到現(xiàn)有帶寬要求，那么利用現(xiàn)有的企業(yè)IP網(wǎng)絡(luò)即可實現(xiàn)視頻的傳輸與交換，也就是說，用戶利用現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施即可傳輸專業(yè)級高品質(zhì)視頻，這將大大降低整個系統(tǒng)的成本、簡化系統(tǒng)安裝程序、給予系統(tǒng)更好的擴展性。

    SVSI 的4K視頻采用了JPEG2000 編解碼技術(shù)，無需1Gbps帶寬亦能輕松傳輸。將該編解碼技術(shù)與區(qū)塊化技術(shù)相結(jié)合，不僅給予了視頻高品質(zhì)畫質(zhì)，亦將延時減少至一幀以內(nèi)。事實上，JPEG2000 所帶來的高品質(zhì)視頻效果已令這一編解碼技術(shù)在各大電影工作室、電視網(wǎng)絡(luò)甚至美國國會圖書館得以廣泛應(yīng)用。

    將低帶寬傳輸技術(shù)與高品質(zhì)編解碼技術(shù)融合，專業(yè)級高品質(zhì)視頻也能以低成本的方式實現(xiàn)在校園內(nèi)的分配傳輸。

    有關(guān)現(xiàn)行4K視頻分配傳輸技術(shù)的局限性問題，在我們近期發(fā)布的《關(guān)于以1Gbps傳輸4K視頻的挑戰(zhàn)與應(yīng)對方案之探索》（“4K over 1 Gbps Video Distribution: Exploring the Challenges and Solutions”）白皮書中有詳細闡述，其中也描述了不同的設(shè)置對視頻帶寬與畫質(zhì)的影響，以及各類案例。