【天影快讯】超高清制作标准案例解析——以福克斯电视台基于ST2110项目为例

　　巴黎奥运会将于2024年7月26日--8月11日在法国塞纳河畔举行。

　　IOC的全资公司OBS在电视转播领域的尝试备受广播电视行业和体育赛事组织关注。

　　巴黎奥运会的直播信号分为电视、广播和数字媒体三个大类，OBS作为主转播商负责制作巴黎奥运会三个大类的公用信号。

　　在电视台进行超高清信号制作过程中，必须要提到SMPTE ST2110(简称 ST 2110)。

　　ST 2110是由美国电影与电视工程师学会发布的一套通过IP传输媒体内容的标准，包括视频、音频和元数据，旨在确保在信号制作和分发过程中获得高质量和灵活性。

　　SMPTE ST 2110 标志着IP视频制作的转播公司和设备供应商必须采用明确的标准，开发可与其他符合ST 2110标准的产品互连互通的新产品。

　　ST2110标准的发布是超高清信号制作的一个重要节点，因为这些标准不仅表明电视转播行业正在全面拥抱IP视频制作，而且将视频流作为赛事转播的未来发展方向。

　　SMPTE ST 2110标准包含许多部分，从解决如何处理未压缩的视频流和音频流到映射元数据。

　　本文以福克斯WTTG/WDCA 电视台为例，梳理基于ST 2110标准搭建电视台进行超高清制作遇到的问题及解决方案。

　　2019年初，福克斯电视台与设备制造商、系统设计师和技术专家召开联合会议确定了初步建设方案。

　　方案明确了完全基于ST 2110标准进行制作和传输的可行性，而不是沿用原有混合SDI/IP标准进行制作和传输。

　　福克斯电视台在全美共拥有和运行28个媒体制作机构，WTTG/WDCA项目是其中之一，在首都华盛顿特区完成部署搭建工作。

　　01按照ST 2110标准部署设施

　　按照方案设计要求，所有ST 2110标准设备间的信号路由通过网络交换机执行，并且最大限度使用ST 2110接口。

　　如果某些设备尚未配备原生基于IP的ST 2110输入和输出接口，则明确指定了SDI到IP和IP到SDI的接口转换器。

　　这样可以按照ST 2110实时传输协议(RTP)流进行封装和分发，并可对具有SDI输入端的设备进行去封装操作。

　　此外，福克斯电视台的方案结合了SMPTE ST 2022-7标准，创建了两个完全一样、具备冗余的RTP媒体网络，分别用蓝色和红色标注设备和线缆，用紫色标注第三个网络，用于支持音频组件。

　　福克斯WTTG/WDCA电视台是美国第一个基于ST 2110技术完全从头开始建造的本地电视源设施。

　　02 比较SDI和ST 2110标准的差异

　　基于SDI标准的设施使用同轴电缆传输串行数字信号，而基于IP的设施设备使用光纤传输IP信号。

　　因此，在信号流、系统监控和故障排除方面存在较大技术差异。

　　SDI信号路径通常按照规划设计图进行布线，每个设备的输出端连接下一个设备的输入端，采用矩阵路由交换机、配线架和菊链方式连接器。

　　在ST 2110标准设施中，所有设备都通过线缆直接连接到网络路由器和转播设备控制器上，从而确定信号的路由和终端。

　　当需要在信号流中添加或移除设备时，技术维护人员可以使用同类基于IP网络关联的工具进行系统监控和故障排除，不需要任何形式的常规修补和切换。

　　03 系统路由器

　　搭建ST 2110标准系统通常使用市面采购的IP网络路由器实现路由功能，在福克斯WTTG/WDCA项目中，技术人员单独选择了特殊订购的路由器。

　　定制化的路由器用以支持未来4K超高清制作的数据速率，满足承载ST 2110标准的有效负载。

　　WTTG/WDCA系统大约有500个物理端点，支持约700个带冗余的视频流、800个带冗余的音频流和300个带冗余的辅助数据流。

　　在网络拓扑结构的核心，两个主干路由器分别用红色和蓝色标注，用于支持带冗余的媒体流，而叶交换机用作聚合交换低带宽的音频流。

　　04 转播控制系统

　　转播控制系统(BCS)管理并控制着数据源到端点之间的路由，从路由器控制面板或自动化系统接收到指令后，触发路由交换机。

　　随后与接收方进行通信，触发接收方向需要连接的发送方发出“加入”命令(JOIN)。

　　当组播订阅建立后，通过网络路由协议将组播流量从发送方分发至接收方。

　　05 制作控制室设备和演播室摄像机

　　视频制作设备的选择受到两个方面的影响。

　　第一，采购的制作设备必须基于ST 2110标准。

　　第二，其他福克斯电视台对于使用相同制作自动化和字幕系统的意愿。

　　由于WTTG/WDCA项目明确规定了60个输入端的标准，因此制作切换器需要大量的内部带，并进行固件升级。

　　这样可以增加缓冲区防止偶尔出现的数据爆发产生的带宽和空间压力。

　　演播室摄像机也需要进行固件升级，从而实现与ST 2110标准的合规性和兼容性。

　　06 主控设备

　　新方案设计完成时，主控设备方面主要有三个问题。

　　第一，由制作商提供的符合ST 2110标准的主控开关很少，因此，设计方案中取消了物理切换器，使用专用图形处理器完成电视字幕和视频效果的键控操作，从而取代虚拟切换器。

　　第二，福克斯电视台各分支机构的主控系统有统一标准，福克斯电视台在全美管理运行着28个分支制作机构。

　　这些制作机构的主控摄入和播出系统采用了标准化设计，只能使用SDI I/O 接口，不是ST 2110 I/O接口。

　　第三，封闭式字幕处理设备并不兼容原生ST 2110 I/O标准，因此福克斯不得不购买24台价格昂贵的处理器才能实现精准的字幕定位。

　　07 音频设计

　　该项目采用了基于ST 2110标准的音频制作控制台，可以在不转换为其他常用音频格式的情况下在本地重新将音频流进行路由分发。

　　音频设备通过1千兆以太网接口直接与音频聚合叶交换机连接。

　　08 PTP 定时和同步

　　在媒体网络架构设计中执行锁定到卫星信号的冗余精确时间协议(PTP)主时钟。

　　正确的PTP设计对于确保ST2110系统中各种RTP视频流、音频流和辅助数据流精确同步至关重要。

　　09 工作人员培训

　　由于新标准采用了大量新设备，设计团队为电视台使用人员制定了一个系统的操作培训计划，从基本的TCP/IP协议到各种网络课程，帮助工作人员解决在IP化转型中遇到的各种技术问题。

　　随着ST 2110系统投入试运行，路由器控制、网络硬件和其他设施设备的供应商技术人员也会进驻现场，提供设备操作和维护的专业指导。

　　2019年初，福克斯与设备商联合启动方案设计，2021年中旬，完成设备搭建与传输测试。

　　截至2023年初，按照SMPTE ST 2110 标准搭建的基于IP的媒体制作系统已连续18个多月平稳运行。

小    结

　　01 制作方式发生转变

　　与原来的数字分量串行接口SDI或SMPTE 2022标准相比，SMPTE 2110标准的一个独特方面是它允许分布式信号制作工作流。

　　分布式信号制作是与原有捆绑式制作方式相对应，捆绑式制作方式如SDI、SMPTE ST2022、NDI标准，将视频、音频和元数据组件绑定到单个流中，作为文件包进行路由传输。

　　分布式制作标准SMPTE ST2110与捆绑式制作方式不同，单独管理视频、音频和元数据元素，并且通过不同的工作流进行路由传输。

　　单独的媒体元素可以由专业的制作团队和设备单独处理，信号制作的所有媒体元素最终都汇聚在同一个目的地。

　　ST 2110的制作方式可以极大提高制作公司的灵活性，同时保证信号制作画面质量。

　　02 从SDI向ST 2110的发展趋势

　　从2022年北京冬奥会、世界杯及福克斯电视台的案例研究来看，各国转播商逐渐采用SMPTE ST2110标准，通过合并SDI的某些组件来简化过渡带来的影响。

　　例如，转播商新购置的转播卡车已经开始部署ST 2110标准的摄像机和转播设备，同时仍与基于SDI标准的老式转播车和制作设设备合并使用。

　　在信号传输带宽不理想的条件下，能够将视频和音频信号压缩到100Mbps的NDI标准仍然十分重要，因为，ST 2110标准需要能够支持10Gbps以上带宽的IP网络。

　　在SMPTE ST2110标准的基础上，开源传输协议SRT也用于转播制作的工作流。

　　根据信号制作成本、无损压缩标准和设施设备要求，采用ST 2110标准制作高清视频的带宽要求约为2-3 Gbps。

　　这意味着ST 2110标准并不适用于通过互联网进行远程制作(REMI)的情况，因为基于互联网进行远程制作对带宽的要求要低得多。

　　SRT协议可以将HEVC或H.264压缩标准的媒体流与ST 2110制作工作流之间进行传输。

　　按照目前发展趋势来看，SMPTE ST2110标准未来可能会取代SDI，但目前仍有很多信号制作仍需要通过互联网进行低延迟和低带宽的视频流传输，尤其是基于云存储的视频制作平台。

　　由于制作的灵活性和高效率，越来越多的转播商都已经向IP转型，这种转型为内容创新打开了更多机会的大门。

　　在接下来10年，全球的转播机构和媒体公司会将SMPTE ST 2110、NDI、SRT等多个标准结合在一起，采用基于IP的制作工作流，完成国际大型体育赛事的超高清信号制作。