摘要：
本帖參考M. Miyazaki等人發表在SMPTE Motion Imaging Journal的文章UHDTV-2 Mezzanine Compression Codec For Miniaturized and Simplified UHD Production System，重點介紹了我們在生産應用中硬體壓縮的發展。底層壓縮方案經過多個編碼/解碼周期展現出最小的品質下降，使其适用于生産系統。Tiny Codec（TICO）編解碼器采用48 Gbits / s（59.94 Hz，10 bit，4：2：2）的未壓縮UHDTV-2比特流，并将其壓縮以适合單個12G數字分量串行接口（SDI）電纜。該裝置還可以配備IP接口。這些改變可以顯着降低電纜和切換器的複雜性。
引言
2016年8月1日UHDTV-2測試廣播在日本開始使用，而NHK則從裡約奧運會開始制作和播放各種節目。我們為UHDTV-2生産開發了許多裝置，如相機，轉播（OB）卡車，編輯系統等。但是，由于有大量UHDTV-2視訊資料，我們必須增加電纜數量，以實時連接配接所有裝置。該因素也增加了裝置尺寸和設施設定的複雜性。
資料壓縮技術被認為是減少電纜數量的有效方法，但是将其作為生産設施的基本格式而不僅僅作為點對點傳輸裝置，必須滿足以下要求。
- 圖像品質下降較小
- 延遲較小
- 即使重複壓縮/解壓縮，圖像品質也不會降低
UHDTV-2視訊流（59.94Hz，10比特，4：2：2）的比特率變為48Gbits / s（TABLE 1）。當它被壓縮到1/4并且我們采用12G-SDI作為接口時（最近已經變得實用），可以通過單根電纜傳輸UHDTV-2信号，就像目前的高清制作一樣。是以，我們專注于TICO壓縮技術，該技術具有高視訊品質，即所謂的視覺無損品質，壓縮率為1/4，具有極低延遲的特性，如SMPTE公開檔案中所述。
TICO Mezzanine壓縮技術
TICO 壓縮以其輕量級轉換過程而聞名，并且在現場可程式設計門陣列（FPGA）或專用內建電路（ASIC）中實作時不需要任何額外的硬體，如外部存儲器，因為它隻需緩沖幾行buffer only a few lines。它引起了許多制造商的關注，到目前為止，已經釋出了使用這種技術的多種産品。根據SMPTE RDD 35，可以支援高達10,240×10,240像素的圖像，并且作為示例。本文介紹如何将UHDTV-1（3840×2160像素）UHDTV映射到3G-SDI或10 GbE。
在UHDTV-1編碼的情況下，每個圖像應水準劃分為34個切片（一個切片= 3840×64），它們被獨立編碼和解碼（圖1）。由于TICO小波變換在line base logic上工作，是以可以在硬體實作上實作幾線的極低延遲，并且這種延遲是可以被修複的。
作為一個關鍵特性（與基于離散餘弦變換（DCT）的編解碼器（如HEVC或H.264）相比），TICO的視覺無損品質（從第一個編碼階段實作）在經過連續編碼/解碼步驟後都得以保留。換句話說，圖像品質與編碼/解碼步驟的數量無關。這是因為在第一次小波傳輸期間去除了不必要的高頻分量，進一步的解壓縮/壓縮隻是在頻域和空間域之間轉換相同的資料。
當使用1/4壓縮率時，UHDTV-2碼流的傳輸将通過捆綁四條3G-SDI或10 GbE電纜來組成，但是對于UHDTV-2的程序和采樣來說，重要的是擁有一個單電纜每流傳輸，這會使得它易于處理并且簡化設施。是以，我們采用12G-SDI（SMPTE ST 2082）作為裝置的I / O接口。采用通過捆綁3G-SDI标準化的12G-SDI是合理的，例如UHDTV-2可以由四個UHDTV-1捆綁在一起。
圖1. TICO圖檔布置的示例（UHDTV-1的情況）
關于視覺無損
視覺無損品質是指在正常觀察條件下人眼無法檢測到損失的原始品質。目前沒有科學的方法來指定什麼是視覺無損品質，因為它取決于每個人的觀看能力和許多不受控制的因素;然而，通常的，在峰值信噪比（PSNR）高于40 dB的情況下，我們能看到視覺無損品質。“視訊品質評估”将從技術和定量的角度來發展和解決品質問題，但是這裡讓我們用一個定性和實用的UHDTV-2視覺示例（圖2）來說明我們所說的人眼無法檢測到的視訊品質損失。：其中（a）放大x3; （b）放大 x12;（c）放大x100~; （d）放大x300~.
我們采用UHDTV-2幀并将其與得到的編碼/解碼幀進行比較。我們逐漸放大，直到我們用人眼能夠區分差異。即使縮放到x100級别，仍然幾乎不可能看到差異，但在x300級别，人們可以開始看到一些細微的差别。我們的經驗表明，這些觀察結果與我們在圖檔中看到的位置以及通常更具體的内容無關。我們将注意到TICO已經通過設計進行優化以準确再現尖銳邊緣和邊緣狀計算機圖形與字元（參見圖3）。
圖2. 對UHDTV-2幀進行視覺無損定性評估
圖3. 針對銳邊的UHDTV-2 TICO壓縮品質評估
UHDTV-2 TICO編解碼器
名為VICO-8的開發編解碼器的插圖如圖4所示，其中一些主要規格在TABLE 2中介紹。這塊189×160 mm2的電路闆用于FPGA的壓縮過程和12G-SDI EQ（均衡）與Drv（驅動）的關鍵部件（圖5）。電路闆可以作為編碼器或解碼器配置啟動，具體取決于闆載撥碼開關設定。此外，由于小波變換的可擴充性，可以設定解碼器輸入UHDTV-2 TICO流，并輸出UHDTV-1視訊。我們還添加了TICO流配置設定輸出（在編碼器（ENC）模式下）和有源環通輸出（在解碼器（DEC）模式下）的功能，這在建構程式生産系統時很有用。
我們采用了TICO profile 2，它通過控制适應圖像複雜度的切片之間的比特率配置設定來改善視訊品質。延遲在編碼器的IP核處固定為12.5線，在解碼器的IP核處固定為6.5線。盡管有硬體I / O和相關邏輯，但從編碼器輸入到解碼器輸出的整個過程，我們可以實作小于40線（0.2毫秒）的極低延遲。
捆綁為4x 12G-SDI（SMPTE ST 2082-12）的UHDTV-2未壓縮信号由編碼器以1/4的速率壓縮，在單個12G-SDI上産生TICO碼流輸出。與UHDTV-1情況類似，僅對有效視訊區域的資料進行編碼。
即使在12G-SDI上傳輸UHDTV-2 TICO碼流，我們也會保留SDI的容器，且可以處理外圍裝置，如幀同步器，矩陣切換器，配置設定放大器，傳輸裝置等，就像使用未壓縮的信号一樣。
圖4. 開發的UHDTV-2 TICO編解碼器（VICO-8）的外觀
圖5.開發子產品
視訊品質評估
為了定量評估UHDTV-2 TICO編解碼器的品質，我們使用可用的圖像評估裝置測量原始圖像的恢複圖像的PSNR。由于沒有與UHDTV-2圖像對應的評估裝置，是以采用評估每個UHDTV-1子圖像的方法（圖6）。對于原始圖像，使用其中記錄了日本圖像資訊和電視工程師協會/無線電工業和商業協會（ARIB）标準運動圖像序列（圖7）的UHDTV-2播放器。通常，如果原始圖像的恢複圖像的PSNR超過40dB，則将其分類為視覺無損，這是人眼無法區分的損失。UHDTV-2 TICO的性能在所有序列中都超過了這一值，其中大多數序列的品質大約為50 dB。有一點是UHDTV-2播放器需要注意的，該播放器在錄制時會用Grassvalley-HQX壓縮材料。而原始圖像是解碼輸出，是以測量值可能與原始視訊略有不同。盡管如此，開發的編解碼器的高品質仍舊是毋庸置疑的。
我們還檢查了使用UHDTV-2 TICO進行多次編碼的性能。我們确認第二次編碼的PSNR幾乎與第一次的PSNR相同（TABLE 3）。
圖6. PSNR測量
圖7. ITE / ARIB超高清/寬色域标準測試序列的示例
TICO與UHDTV-2生産系統計劃
雖然通過捆綁多根同軸電纜完成了單一視訊流的實際實作，但是電纜數量的增加使得生産系統的連接配接變得複雜，并且使得設施的規模呈指數級增長。換句話說，減少電纜數量是使生産系統小型化或簡化的最有效方法之一，一個視訊流傳輸所使用的電纜數量最好也是一根，而廣播技術在其曆史程序中也一直努力朝着該目标發展。
例如，圖8示出了基于3G-SDI的未壓縮系統和使用TICO壓縮的基于12G-SDI的系統之間的比較。為了使讨論更容易，我們在一個非常小規模的生産系統（有三個攝像頭）上進行比較。我們可以看到使用12G-SDI和TICO可以将電纜數量減少到1/6，矩陣切換器的交叉點減少到1/256。由于傳統的視訊制作切換器往往在其輸入塊處具有矩陣切換器，是以減少實體接口的數量對于最小化電纜的數量也是有效的。如果将來在外圍裝置（如錄影機，錄像機播放器或螢幕）中實施TICO編解碼器，則電纜數量将進一步減少。生産規模越大，緊湊型設計的優點越高，效果就越好，尤其是安裝在尺寸或裝置重量有限的系統中,例如安裝在轉播車内。
圖8. 生産系統的比較
IP接口的期望和問題
将IP接口引入生産系統（圖9）正日漸趨緊。它具有以下潛力：
- 使用高速IP裝置減少電纜數量;
- 使用網絡集線器簡化系統設定;
- 利用互動式通信功能實作同步和中央系統管理;
- 與遠端生産系統具有良好的親和力;
- 降低系統成本。
其中，大多數廣播公司所期待的似乎是通過引入最初為消費者開發的裝置來降低成本。 由于在非屏蔽雙絞線（UTP）中十分實用的10 GbE已經變得流行，是以UHDTV-1接口的一些解決方案采用輕量級壓縮技術的單根電纜。然而，在考慮UHDTV-2時，即使使用輕壓縮技術，我們也必須捆綁其中的四根電纜或引入更高速的接口，例如40 GbE。如上所述，引入單電纜每流傳輸是有效的，但如果高速IP接口的每比特率成本不低于SDI，則反而有些得不償失。
圖9. 基于IP的生産系統的示例
另一方面，對于處理各種裝置以适應各種程式的廣播者來說，重要的是不同的制造商能夠允許裝置之間的通信。在SMPTE，他們讨論了統一的可互操作IP接口（SMPTE ST 2110），最終的結果也将成為未來向IP接口全面過渡的先決條件。
至于TICO，引入具有SMPTE ST 2022-5 / 6的IP接口的編解碼器裝置是實用的。當高速以太網發展并且易于引入時，UHDTV-2 TICO将在IP接口中進行調整，并且會出現SMPTE ST 2110的标準化。
結論
對于UHDTV的進步和傳播來說，使用單根電纜制作每個流的實體接口非常重要。開發的UHDTV-2 TICO編解碼器裝置可以在單個12G-SDI上傳輸UHDTV-2信号（59.94 Hz，10 bit，4：2：2），視覺無損，延遲極低; 而且，即使重複編碼和解碼，它也不會産生品質降級。是以，我們可以将其作為程式生産系統的基本格式引入。
UHDTV-2 TICO也适用于IP接口。但是，在向項目生産設施引入IP時，有必要降低高速網絡裝置的成本并統一标準或保持不同格式之間的相容性。介于IP接口的各種優點，是以我們期望可以早日建立能夠引入該接口的環境。
相關連結
1. 高吞吐量JPEG 2000（HTJ2K）：新的算法和機會
2. JPEG-XS：用于IP視訊的母片圖像編解碼器
參考文獻
1.SMPTE RDD 35:2016, “TICO Lightweight Codec Used in IP Networked or in SDI Infrastructures.”
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