Una rete Jpeg 2000 per il video professionale

Grazie alla sua qualità superiore, Jpeg 2000 è emerso come lo standard di elezione per la compressione video di alta qualità, incluso il trasporto di video nelle reti di infrastruttura delle emittenti televisive. Di conseguenza, i fornitori di apparecchiature video hanno iniziato ad aggiungere encoder e decoder Jpeg 2000 ad una varietà di soluzioni di trasporto, supportando diverse interfacce e talvolta persino usando protocolli proprietari. Questa tendenza, tuttavia, ha vincolato i fornitori di servizi video ai prodotti di uno o di alcuni fornitori. Una soluzione a questo è giunta nel 2013, con la pubblicazione della raccomandazione TR-101 del Video Services Forum per il trasporto di video su reti IP, una specifica per l’interoperabilità delle apparecchiature. Xilinx e Barco Silex, un membro certificato dello Xilinx Alliance Program, hanno fin da subito unito le proprie forze per supportare lo sforzo di interoperabilità. Barco Silex ha ora completato una realizzazione di riferimento della raccomandazione Vsf TR-101. La soluzione video-over-IP multicanale con Jpeg 2000 è pubblicata sul sito web di Xilinx. È basata su blocchi di proprietà intellettuale di Xilinx e di Barco Silex, ed è pronta per essere personalizzata e integrata da Oem che producono apparecchi di trasmissione. A riconoscimento di questo sforzo, la National Academy of Television Arts and Sciences ha conferito a Barco Silex il Technology & Engineering Emmy Award nel 2014.

Una tecnica superiore di compressione video
Jpeg2000 soppianta lo standard Jpeg, più datato, e offre numerosi vantaggi rispetto al suo predecessore o su altri formati popolari come Mpeg. Dal 2004, Jpeg2000 è diventato il formato standard di fatto per la compressione delle immagini nel cinema digitale attraverso la specifica Dci (Digital cinema initiative) patrocinata da Hollywood. La possibilità di una compressione senza perdite di immagini, rende Jpeg2000 ideale per applicazioni in campo medicale, della sicurezza e dell’archiviazione. Anche l’industria delle trasmissioni video ne ha preso atto. Le società di trasmissioni e di servizi video dispongono di ingenti quantità di video dal vivo che deve essere trasportato alla postproduzione e agli stabilimenti attrezzati per le dirette streaming all’interno delle cosiddette reti di contribuzione, senza ritardi o perdita di qualità video. Di particolare interesse per l’industria del video professionale, di conseguenza, è la possibilità di ottenere una compressione senza perdite video – ossia, uno schema di compressione che mantiene la qualità dell’immagine e ugualmente consente l’efficiente archiviazione e trasporto del video. Inoltre, le altre innovazioni nella tecnica di compressione Jpeg2000 hanno anche significato un passo in avanti per l’industria delle trasmissioni video. Ciascuna trama nel flusso video è compressa singolarmente come una trama fissa, al contrario dei formati Mpeg, i quali comprimono le trame in gruppi. Questa tecnica di compressione a singola trama consente di ottenere una latenza ridotta, ma rende anche possibile una semplice post-lavorazione e il montaggio per singola trama. Un flusso video Jpeg2000 può anche essere parzialmente decompresso e visualizzato, rendendo possibili diverse applicazioni e esperienze di visualizzazione dallo stesso flusso. Un altro grande vantaggio è la resilienza rispetto agli errori di trasmissione nel flusso. Se gli errori di trasmissione non possono essere corretti usando uno schema di correzione degli errori Fec (Forward error correction), essi avranno un impatto visivo più ridotto dopo la decodifica rispetto ad altri codec. Infine, Jpeg2000 preserva la qualità dell’immagine anche dopo più processi di codifica/decodifica, il che è di importanza fondamentale nelle reti di contribuzione con diversi stadi di gestione del video. Accorgendosi di questo interesse, i produttori di apparecchiature hanno ben presto iniziato a realizzare encoder e decoder Jpeg2000 nel proprio repertorio di prodotti per il video. Tuttavia, per il trasporto fra sedi diverse, essi disponevano ancora di una scelta fra un’ampia gamma di opzioni realizzative, inclusi i protocolli proprietari. L’inconveniente per i fornitori di servizi video era che essi dovevano vincolarsi ai prodotti di uno o più fornitori, anziché assemblare l’infrastruttura più adatta e più economica.

Standardizzare il trasporto video
C’era di conseguenza una chiara domanda da parte dei fornitori di servizi per un sistema di trasporto standardizzato, allo scopo di assicurare una migliore interoperabilità fra gli apparecchi esistenti e quelli futuri. Era necessario un sistema di trasporto che potesse essere meglio organizzato su reti IP, le quali stavano diventando l’architettura di rete prevalente, con apparecchiature standardizzate per il trasporto di dati ad alta velocità. A partire dal 2007, la Society of Motion Picture and Television Engineers ha pubblicato uno standard per il trasporto video su IP, che da allora è stato esteso. L’Smpte 2022 include, tra l’altro, protocolli IP per segnali video con velocità di trasmissione dati costante in flussi di trasporto MPEG-2 (Smpte 2022 1&2 per il video compresso e Smpte 2022 5&6 per il video non compresso). Prendendo queste specifiche come base, Il Video Services Forum ha pubblicato nel 2013 il proprio documento Vsf TR-01, una raccomandazione tecnica intitolata “Trasporto di video con profili di trasmissione Mpeg-2 TS su IP.” Il Vsf è un’associazione internazionale, composta da service provider, utenti e produttori, dedicata all’interoperabilità, ai parametri di qualità e alla formazione legata alle tecnologie delle reti video. Qualsiasi dispositivo conforme alle raccomandazioni Vsf TR-01 preleverà il proprio ingresso da un segnale Sdi (Serial digital interface), lo standard tradizionale per il trasporto punto-punto di video non compresso nell’industria delle trasmissioni video. Il dispositivo estrarrà il video attivo, l’audio e i dati ausiliari (per esempio, le didascalie) e comprimerà il video in formato Jpeg 2000. Il flusso risultante è multiplato in un flusso di trasporto Mpeg-2 assieme con l’audio e con i dati ausiliari. Questo flusso è nuovamente incapsulato in base allo standard Smpte 2022 in un flusso Rtp (Real-time transport protocol) ed è trasmesso su IP ad un dispositivo di ricezione. Il ricevitore de-incapsulerà il flusso Rtp/IP, demultiplerà il flusso di trasporto Mpeg 2, decodificherà il Jpeg 2000 e porrà il video, l’audio e i dati ausiliari sul segnale Sdi in uscita.

Una soluzione di riferimento basata su Fpga
Nel 2012, ancor prima che venisse pubblicata la raccomandazione Vsf, Xilinx e Barco Silex annunciarono una collaborazione per sviluppare soluzioni Video-over-IP. L’obiettivo era di offrire una piattaforma completa di blocchi di proprietà intellettuale validati su hardware, progetti di riferimento e servizi di integrazione di sistema. In questo sforzo, Barco Silex ha assunto il ruolo di integratore di sistema, combinando i core di Xilinx con i propri core Jpeg 2000 ad alte prestazioni e con i controllori di memoria Ddr3. L’obiettivo era di consentire ai produttori Oem di apparecchi di trasmissione di accelerare il proprio sviluppo di prodotti e di aggiungere le più recenti funzionalità video ai loro prodotti esistenti e a quelli attualmente in fase di sviluppo. A questo proposito, i partner hanno ora completato un progetto di riferimento, composto da una piattaforma trasmettitore-ricevitore a quattro canali. Il trasmettitore è in grado di prelevare fino a quattro flussi Sdi (1080p30) ad alta definizione, comprimerli opzionalmente con Jpeg2000 e inviarli su interfaccia Ethernet a 1 Gbps (con compressione) o 10 Gbps (non compressi) in base alle raccomandazioni Vsf TR-01. La piattaforma ricevitore, per contro, può ricevere il flusso IP, de-incapsularlo e decomprimerlo e porlo su un massimo di quattro connessioni Sdi HD. Nella piattaforma trasmettitore, i core Smpte Sdi di Xilinx ricevono i flussi Sdi video in arrivo. Sul percorso non compresso, questi flussi Sdi sono multiplati e incapsulati in datagrammi con dimensioni fisse dal blocco trasmettitore Smpte 2022-5/6 video-over-IP di Xilinx, e sono inviati attraverso i core 10-Gigabit Ethernet Mac e 10G Pcs/Pma di Xilinx. Sul percorso compresso i flussi Sdi dapprima vanno all’encoder Jpeg 2000 per la compressione. Successivamente, essi sono incapsulati in pacchetti di flusso di trasporto Mpeg-2 in base alle raccomandazioni Vsf TR-01 ad opera del core TS Engine dedicato, realizzato da Barco Silex. Infine, il core trasmettitore Video-over-IP Smpte 2022-1/2 raggruppa i flussi in datagrammi di dimensioni fisse e li invia attraverso il Temac 1G. In alternativa, i flussi possono essere multiplati con canali video non compressi su una connessione a 10 Gbit usando core 10Gemac e 10G Pcs/Pma. Sulla piattaforma in ricezione, i datagrammi Ethernet dei flussi non compressi sono raccolti presso il 10 Gemac. Il core ricevitore Video-over-IP Smpte 2022-5/6 filtra i datagrammi, li de-incapsula e li demultipla in flussi singoli, e produce in uscita video Sdi attraverso i core Sdi Smpte. I datagrammi Ethernet dei flussi compressi sono raccolti al 10 Gemac, de-incapsulati dal core ricevitore Video-over-IP Smpte 2022-1/2 e dal TS Engine, e sono inviati in ingresso al decoder Jpeg 2000. La sua uscita video è convertita in formato Sdi ed è quindi inviata ai core Sdi Smpte. Per ciascuno dei quattro canali, è possibile scegliere il percorso non compresso o quello compresso indipendentemente da quanto accade sugli altri canali.

Ottenere soluzioni interoperabili
Le società hanno realizzato il progetto di riferimento sotto forma di due piattaforme, una usando il SoC Interamente Programmabile Zynq-7000 e l’altro usando gli Fpga Kintex-7. Tuttavia i blocchi che sono usati possono essere integrati in soluzioni che rispondono alla gamma completa di requisiti di sistema degli Oem, dalle applicazioni a basso costo e in grandi volumi alle applicazioni ad alte prestazioni più esigenti. I blocchi di proprietà intellettuale che sono stati usati, come i blocchi Smpte 2022 ed Ethernet MAC LogiCORE di Xilinx, sono disponibili per la gamma completa di sistemi Fpga di Xilinx, fino al livello UltraScale. Il progetto di riferimento include l’encoder Jpeg 2000 di Barco Silex e i blocchi IP decoder per la codifica e la decodifica. Queste ultime sono soluzioni Fpga validate su silicio, ampiamente adottate per codifica e decodifica simultanea multicanale di tipo 720p30/60, 1080i, 1080p30/60 e 2K/4K/8K Jpeg 2000. Tali core supportano anche lo spettro più ampio possibile di opzioni Jpeg2000 esistenti sul mercato. Essenziale per unire assieme più flussi video in un sistema omogeneo, caratterizzato da velocità elevate di trasmissione dati, è il controllore di memoria Ddr3 di Barco Silex. Questo controllore altamente adattabile è ottimizzato per ottenere larghezze di banda elevate, riordinando gli accessi e mischiandoli in diversi banchi della Sdram. Le aziende hanno presentato una prima generazione di questo progetto di riferimento in una dimostrazione pubblica di interoperabilità, durante la conferenza annuale VidTrans che si è tenuta nel 2014 in Virginia. Durante questa prova organizzata dal Vsf, 10 aziende (Artel, Barco Silex, Ericsson, Evertz, Imagine Communications, IntoPix, Media Links, Macnica, Nevion e Xilinx) hanno fornito la tecnologia e gli apparecchi che sono stati interconnessi per dare dimostrazione di trasmissioni in diretta di contenuto HD 720p30 e 1080i che viene compresso in tempo reale usando gli encoder e i decoder Jpeg 2000. Qualche mese dopo, Barco Silex ha dimostrato che il progetto di riferimento potrebbe anche gestire segnali 4K e Uhd (Ultra high definition). Il video 4K, uno degli standard più importanti proposti per la distribuzione video di prossima generazione, trasporta quattro volte il numero di pixel rispetto al video 1080p, consentendo una maggiore definizione dell’immagine e l’uso di display di dimensioni maggiori. Usando i quattro canali di ingresso del progetto di riferimento in modalità Sdi quadrupla (4K trasportati su quattro cavi Sdi), è ora anche possibile di prendere come ingresso un segnale 4K e inviarlo sulla rete IP. Questo rende il progetto di riferimento pronto per le risoluzioni video fino a 4K.

Fpga e industria video
L’obiettivo della collaborazione fra Xilinx e lo specialista video Barco Silex è stato di sfruttare la potenza e l flessibilità delle piattaforme basate su Fpga nel mercato del video professionale. Combinando i core Jpeg 2000 di Barco e i core di trasporto di Xilinx, gli Oem potrebbero produrre e aggiornare rapidamente degli apparecchi di trasmissione standardizzati, rendendo i loro prodotti a prova di futuro all’interno del processo. Il progetto di riferimento arriva in un periodo in cui l’uso di reti IP nell’industria video sta incominciando a prendere piede. La capacità degli Oem di catturare una quota di questo nuovo mercato dipenderà da quanto rapidamente essi potranno ottenere prodotti finiti. Con soluzioni riprogrammabili basati su Fpga di Xilinx, essi possono lanciare prodotti anche quando gli standard si stanno ancora evolvendo.

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