巴黎奧運會將于2024年7月26日--8月11日在法國塞納河畔舉行。

　　IOC的全資公司OBS在電視轉播領域的嘗試備受廣播電視行業和體育賽事組織關注。

　　巴黎奧運會的直播信號分為電視、廣播和數字媒體三個大類，OBS作為主轉播商負責制作巴黎奧運會三個大類的公用信號。

　　在電視臺進行超高清信號制作過程中，必須要提到SMPTE ST2110(簡稱 ST 2110)。

　　ST 2110是由美國電影與電視工程師學會發布的一套通過IP傳輸媒體內容的標準，包括視頻、音頻和元數據，旨在確保在信號制作和分發過程中獲得高質量和靈活性。

　　SMPTE ST 2110 標志著IP視頻制作的轉播公司和設備供應商必須采用明確的標準，開發可與其他符合ST 2110標準的產品互連互通的新產品。

　　ST2110標準的發布是超高清信號制作的一個重要節點，因為這些標準不僅表明電視轉播行業正在全面擁抱IP視頻制作，而且將視頻流作為賽事轉播的未來發展方向。

　　SMPTE ST 2110標準包含許多部分，從解決如何處理未壓縮的視頻流和音頻流到映射元數據。

　　本文以福克斯WTTG/WDCA 電視臺為例，梳理基于ST 2110標準搭建電視臺進行超高清制作遇到的問題及解決方案。

　　2019年初，福克斯電視臺與設備制造商、系統設計師和技術專家召開聯合會議確定了初步建設方案。

　　方案明確了完全基于ST 2110標準進行制作和傳輸的可行性，而不是沿用原有混合SDI/IP標準進行制作和傳輸。

　　福克斯電視臺在全美共擁有和運行28個媒體制作機構，WTTG/WDCA項目是其中之一，在首都華盛頓特區完成部署搭建工作。

　　01按照ST 2110標準部署設施

　　按照方案設計要求，所有ST 2110標準設備間的信號路由通過網絡交換機執行，并且最大限度使用ST 2110接口。

　　如果某些設備尚未配備原生基于IP的ST 2110輸入和輸出接口，則明確指定了SDI到IP和IP到SDI的接口轉換器。

　　這樣可以按照ST 2110實時傳輸協議(RTP)流進行封裝和分發，并可對具有SDI輸入端的設備進行去封裝操作。

　　此外，福克斯電視臺的方案結合了SMPTE ST 2022-7標準，創建了兩個完全一樣、具備冗余的RTP媒體網絡，分別用藍色和紅色標注設備和線纜，用紫色標注第三個網絡，用于支持音頻組件。

　　福克斯WTTG/WDCA電視臺是美國第一個基于ST 2110技術完全從頭開始建造的本地電視源設施。

　　02 比較SDI和ST 2110標準的差異

　　基于SDI標準的設施使用同軸電纜傳輸串行數字信號，而基于IP的設施設備使用光纖傳輸IP信號。

　　因此，在信號流、系統監控和故障排除方面存在較大技術差異。

　　SDI信號路徑通常按照規劃設計圖進行布線，每個設備的輸出端連接下一個設備的輸入端，采用矩陣路由交換機、配線架和菊鏈方式連接器。

　　在ST 2110標準設施中，所有設備都通過線纜直接連接到網絡路由器和轉播設備控制器上，從而確定信號的路由和終端。

　　當需要在信號流中添加或移除設備時，技術維護人員可以使用同類基于IP網絡關聯的工具進行系統監控和故障排除，不需要任何形式的常規修補和切換。

　　03 系統路由器

　　搭建ST 2110標準系統通常使用市面采購的IP網絡路由器實現路由功能，在福克斯WTTG/WDCA項目中，技術人員單獨選擇了特殊訂購的路由器。

　　定制化的路由器用以支持未來4K超高清制作的數據速率，滿足承載ST 2110標準的有效負載。

　　WTTG/WDCA系統大約有500個物理端點，支持約700個帶冗余的視頻流、800個帶冗余的音頻流和300個帶冗余的輔助數據流。

　　在網絡拓撲結構的核心，兩個主干路由器分別用紅色和藍色標注，用于支持帶冗余的媒體流，而葉交換機用作聚合交換低帶寬的音頻流。

　　04 轉播控制系統

　　轉播控制系統(BCS)管理并控制著數據源到端點之間的路由，從路由器控制面板或自動化系統接收到指令后，觸發路由交換機。

　　隨后與接收方進行通信，觸發接收方向需要連接的發送方發出“加入”命令(JOIN)。

　　當組播訂閱建立后，通過網絡路由協議將組播流量從發送方分發至接收方。

　　05 制作控制室設備和演播室攝像機

　　視頻制作設備的選擇受到兩個方面的影響。

　　第一，采購的制作設備必須基于ST 2110標準。

　　第二，其他福克斯電視臺對于使用相同制作自動化和字幕系統的意愿。

　　由于WTTG/WDCA項目明確規定了60個輸入端的標準，因此制作切換器需要大量的內部帶，并進行固件升級。

　　這樣可以增加緩沖區防止偶爾出現的數據爆發產生的帶寬和空間壓力。

　　演播室攝像機也需要進行固件升級，從而實現與ST 2110標準的合規性和兼容性。

　　06 主控設備

　　新方案設計完成時，主控設備方面主要有三個問題。

　　第一，由制作商提供的符合ST 2110標準的主控開關很少，因此，設計方案中取消了物理切換器，使用專用圖形處理器完成電視字幕和視頻效果的鍵控操作，從而取代虛擬切換器。

　　第二，福克斯電視臺各分支機構的主控系統有統一標準，福克斯電視臺在全美管理運行著28個分支制作機構。

　　這些制作機構的主控攝入和播出系統采用了標準化設計，只能使用SDI I/O 接口，不是ST 2110 I/O接口。

　　第三，封閉式字幕處理設備并不兼容原生ST 2110 I/O標準，因此福克斯不得不購買24臺價格昂貴的處理器才能實現精準的字幕定位。

　　07 音頻設計

　　該項目采用了基于ST 2110標準的音頻制作控制臺，可以在不轉換為其他常用音頻格式的情況下在本地重新將音頻流進行路由分發。

　　音頻設備通過1千兆以太網接口直接與音頻聚合葉交換機連接。

　　08 PTP 定時和同步

　　在媒體網絡架構設計中執行鎖定到衛星信號的冗余精確時間協議(PTP)主時鐘。

　　正確的PTP設計對于確保ST2110系統中各種RTP視頻流、音頻流和輔助數據流精確同步至關重要。

　　09 工作人員培訓

　　由于新標準采用了大量新設備，設計團隊為電視臺使用人員制定了一個系統的操作培訓計劃，從基本的TCP/IP協議到各種網絡課程，幫助工作人員解決在IP化轉型中遇到的各種技術問題。

　　隨著ST 2110系統投入試運行，路由器控制、網絡硬件和其他設施設備的供應商技術人員也會進駐現場，提供設備操作和維護的專業指導。

　　2019年初，福克斯與設備商聯合啟動方案設計，2021年中旬，完成設備搭建與傳輸測試。

　　截至2023年初，按照SMPTE ST 2110 標準搭建的基于IP的媒體制作系統已連續18個多月平穩運行。

小    結

　　01 制作方式發生轉變

　　與原來的數字分量串行接口SDI或SMPTE 2022標準相比，SMPTE 2110標準的一個獨特方面是它允許分布式信號制作工作流。

　　分布式信號制作是與原有捆綁式制作方式相對應，捆綁式制作方式如SDI、SMPTE ST2022、NDI標準，將視頻、音頻和元數據組件綁定到單個流中，作為文件包進行路由傳輸。

　　分布式制作標準SMPTE ST2110與捆綁式制作方式不同，單獨管理視頻、音頻和元數據元素，并且通過不同的工作流進行路由傳輸。

　　單獨的媒體元素可以由專業的制作團隊和設備單獨處理，信號制作的所有媒體元素最終都匯聚在同一個目的地。

　　ST 2110的制作方式可以極大提高制作公司的靈活性，同時保證信號制作畫面質量。

　　02 從SDI向ST 2110的發展趨勢

　　從2022年北京冬奧會、世界杯及福克斯電視臺的案例研究來看，各國轉播商逐漸采用SMPTE ST2110標準，通過合并SDI的某些組件來簡化過渡帶來的影響。

　　例如，轉播商新購置的轉播卡車已經開始部署ST 2110標準的攝像機和轉播設備，同時仍與基于SDI標準的老式轉播車和制作設設備合并使用。

　　在信號傳輸帶寬不理想的條件下，能夠將視頻和音頻信號壓縮到100Mbps的NDI標準仍然十分重要，因為，ST 2110標準需要能夠支持10Gbps以上帶寬的IP網絡。

　　在SMPTE ST2110標準的基礎上，開源傳輸協議SRT也用于轉播制作的工作流。

　　根據信號制作成本、無損壓縮標準和設施設備要求，采用ST 2110標準制作高清視頻的帶寬要求約為2-3 Gbps。

　　這意味著ST 2110標準并不適用于通過互聯網進行遠程制作(REMI)的情況，因為基于互聯網進行遠程制作對帶寬的要求要低得多。

　　SRT協議可以將HEVC或H.264壓縮標準的媒體流與ST 2110制作工作流之間進行傳輸。

　　按照目前發展趨勢來看，SMPTE ST2110標準未來可能會取代SDI，但目前仍有很多信號制作仍需要通過互聯網進行低延遲和低帶寬的視頻流傳輸，尤其是基于云存儲的視頻制作平臺。

　　由于制作的靈活性和高效率，越來越多的轉播商都已經向IP轉型，這種轉型為內容創新打開了更多機會的大門。

　　在接下來10年，全球的轉播機構和媒體公司會將SMPTE ST 2110、NDI、SRT等多個標準結合在一起，采用基于IP的制作工作流，完成國際大型體育賽事的超高清信號制作。