計(jì)算演播室IP視頻信號帶寬

韋斯·辛普森

計(jì)算一個IP網(wǎng)上視頻信號要求的帶寬不很難，但確實(shí)要求相當(dāng)熟悉基礎(chǔ)技術(shù)和封包格式。對像估算某一網(wǎng)絡(luò)連接上可傳輸?shù)囊曨l數(shù)量或計(jì)算傳輸兩個設(shè)施之間信號的長距離連接之成本這樣的任務(wù)來說，獲得正確的答案非常重要。

本文將探討1080p59.94視頻信號以兩個目前流行的不壓縮IP視頻傳輸格式傳輸時將消耗的帶寬。

第一個格式為SMPTE ST 2022-6，它最初為在長距離網(wǎng)絡(luò)上傳輸不壓縮信號（包括所有嵌入音頻及其它包含在HANC和VANC空間內(nèi)的信號）而設(shè)計(jì)。這個格式目前依然受歡迎，原因是它很容易接收一個SDI信號源（SD、HD或3G），將它轉(zhuǎn)換為ST 2022-6以便在IP連接上傳輸，并且在不改變一個比特的情況下在目的地恢復(fù)為完全相同的SDI信號。它已經(jīng)被很多設(shè)備供應(yīng)商廣泛采用，并且在不少業(yè)內(nèi)活動（如VSF（視頻服務(wù)聯(lián)盟）主辦的VidTrans）上證實(shí)了互操作性。

另一個格式較新，但它允許以獨(dú)立的IP打包流形式傳輸每種媒體要素（視頻、音頻等）。這種方式無需嵌入和解嵌音頻及其它信號到傳輸?shù)腟DI流中，并且如下面的計(jì)算所示，減少視頻傳輸所需的IP網(wǎng)絡(luò)帶寬。VSF TR-03建議基于RFC 4175，它接收成組像素，并直接把它們映射到RTP包。此推薦標(biāo)準(zhǔn)預(yù)計(jì)很快演進(jìn)為SMPTE ST 2110-20，它將使用類似的包格式。

包有效載荷

計(jì)算信號帶寬的第一步是估計(jì)每個包內(nèi)可傳輸?shù)拿襟w要素量。對于ST 2022-6，這一步很容易，每個包攜帶固定的1376B有效載荷。對于VSF T R-03，可能有好幾種選擇，因此為簡化計(jì)算，每個包含1920像素的視頻行將被分為4個各有480像素的相等部分。使用4：2：2取樣，每對像素要求4個10b取樣（2個亮度和2個色度），這相當(dāng)于40b或5B。因此，480像素將占（480/2）*5=1200B。

包報(bào)頭和開銷

如圖1所示，在每一層，當(dāng)包通過協(xié)議棧時，增加了新報(bào)頭。對于ST 2022-6，增加了一個高碼率媒體報(bào)頭。對于TR-03（即將成為ST 2110-20），使用了一個8B有效載荷報(bào)頭。接著，加上12B RTP報(bào)頭和8B UDP報(bào)頭，隨后是IPv4報(bào)頭和8B UDP報(bào)頭。在以太網(wǎng)層，14B的標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)報(bào)頭往往被一個4B VLAN標(biāo)記擴(kuò)張，而所需的4B幀檢驗(yàn)序列被添加到包，因此總共有22B的開銷。在標(biāo)準(zhǔn)的路徑上傳輸時，每個以太網(wǎng)幀之前有一個8B前導(dǎo)碼，隨后是一個相當(dāng)于12B長度的幀間間隔，總開銷等于20B長度。

包傳輸速率計(jì)算

一旦知道了每個包的大小，計(jì)算信號帶寬所需的另一因素是每秒包數(shù)量。這必須用原始信號速率計(jì)算。

對于ST 2022-6，由于傳輸整個 1080p59.94有效載荷，此計(jì)算必須基于完整視頻幀。每行有2200個取樣，每幀有1125行，每個取樣有20b（采用4：2：2 10b取樣），每幀總字節(jié)數(shù)為6187500。每個包有1376B，也就是每個視頻幀有4492個包。在59.94fps，總包速率為269550包/秒。

對于TR-03/ST 2110-20，僅僅傳輸有效視頻區(qū)。由于每個包攜帶一個視頻行的四分之一，一個完整的視頻幀需要4x1080 = 4320個包。以59.94fps幀率，此碼流將每秒消耗258941個包。

為獲得總碼率，余下的就是包速率乘以以比特為單位的包尺寸。如圖1最后一行所示，2022-6信號帶寬約比1080p視頻正常要求的2.97Gb/s高200Mb/s，而TR-03/ST 2110-20比原生SDI低約300Mb/s。

音頻怎么樣？

在現(xiàn)代化制作設(shè)施內(nèi)唯一的其它高帶寬信號就是音頻信號。在ST 2022-6中，音頻信號是在SDI有效載荷內(nèi)傳輸?shù)?，因此對音頻無額外的帶寬要求（假定音頻聲道數(shù)量少于S D I能夠傳輸?shù)臄?shù)量）。

但在TR-03/SMPTE ST 2110中，將需要分配更多帶寬給音頻。由于一個48 KHz、24b立體聲信號占不到3Mb/s，因此音頻流一般不是千兆級網(wǎng)絡(luò)上的大負(fù)擔(dān)。

值得注意的問題

任何傳輸I P視頻信號的網(wǎng)絡(luò)連接中指配的實(shí)際帶寬要比本文中計(jì)算的原生碼率大。特別是部分由于視頻（帶VANC所在間隔的像素塊）的突發(fā)性，穿過每個網(wǎng)絡(luò)躍點(diǎn)應(yīng)當(dāng)提供更多帶寬，大于本文中計(jì)算的數(shù)量。SMPTE委員會目前正在研究增加帶寬的建議量。B&P