JPEG XS降低电缆带宽需求

鲍勃·科瓦奇

每当一项新的数字制作标准获得支持，旧的基础设施就会承受承载最先进的（即“广播质量”）信号的巨大压力。

在20世纪90年代，标准定义为SDI，其数据速率为270Mb/p。这比之前的模拟信号要求高得多，需要新的电缆，新的连接器，新的配线架，当然还有新的数字信号处理设备。当时，270Mb/s似乎是一个惊人的数据速率。

然后在2000年代中期，广播公司开始升级他们的设备到高清，其数据速率为1.5Gb/p。那是1080i和720p的高清，看起来数据量很大。

到推动1080p帧率“全高清”时，要求3Gb/p的数据率。已经安装HD-SDI的视频设施现在正在升级产品，支持高达HD-SDI两倍的数据率。

虽然适用于3G视频的电缆和连接器现在很常见，但现实情况是，铜缆的频率响应在3G已经开始达到极限。当4K出现时，我们知道其未压缩数据率将达到12Gb/s，有传言称，在同轴电缆上传输12G视频的距离短之又短，几乎是不可能的。

尽管有此传言，但一些聪明的工程师解决了这一难题，现在有了电缆和连接器可以用于连接实际设备的12G-SDI标准。它很有效，虽然频率越高，对电缆就越挑剔。在12G的数据率下，铜缆的轻微卷曲或弯曲半径有一点过紧都会导致信号迅速劣化。

“无损”压缩？

然而，还有一种方法来解决这个问题。如果有一个“无损”压缩系统，可以在不增加复杂性或延迟的情况下将必需的带宽减少4到8倍，会怎么样？

这个标准现在正在制定中，称为JPEG XS。

“JPEG-XS是一项新发展的压缩技术，它令人兴奋，因为它具有极低的延迟和极低的复杂性，”总部位于挪威的Nevion首席技术专家、Nevion英国技术中心主任安迪·雷纳说，“这是一种帧内压缩——它只是空间的，没有时间元素。它基于小波，在概念上可以看作是JPEG2000的许多小片。令人兴奋的是，用于JPEG XS-TICO的基本压缩技术在压缩率为4：1时视觉无损，而在JPEG XS中，对应的压缩比至少翻了一番，达到8：1。”

TICO是JPEG XS的前身，它倡导无损4：1压缩，允许在一根3G电缆上传输12G视频。视频行业的许多制造商都是TICO联盟的成员，也是JPEG XS背后的同一批开发者。

雷纳了解他所谈论的话题。除了获得了马丁勒萨姆技术创新金奖，雷纳还因JPEG 2000标准化成就荣获技术艾美奖。

当你想到压缩时，你通常会想到信号退化，信号被编解码时会有很多延迟，以及强大的处理器计算如何压缩和解压信号时增加的功耗。JPEG XS专门针对这些关注点。

“我认为它有潜力取代JPEG2000，成为夹层压缩的事实上的选择，”雷纳表示，“编码—解码延迟只有32视频行，这意味着只有几百微秒，与系统内的其它延迟（尤其是广域连接）相比微不足道。此压缩还针对FPGA、CPU和GPU上的空间利用率进行了优化，这意味着它在服务器技术上的应用也是非常可行的。”

保护优势

开发JPEG XS的团队的其它目标之一是它不针对任何分辨率，并且能够支持未来的格式要求，同时保护未压缩流的优势。这些优点包括互操作性、视觉无损质量、多代鲁棒性、低功耗、低编解码延迟、易于实现、芯片上小尺寸（不要求额外的DDR内存）以及在通用CPU和GPU上运行的快速软件。

“其它编解码都不能同时满足这些强烈要求，”比利时信号压缩和处理设备制造商IntoPIX创始人、压缩技术专家安东尼·德斯坎佩说，“JPEG XS因此可以在各个方面与未压缩的格式‘竞争，并显著减少带宽和视频数据。”

压缩格式有很多，包括一些因它们保持严肃的制作工作的高质量能力而被广泛使用的格式，我们真的需要JPEG XS编解码吗？

“JPEG XS与现有的来自JPEG、MPEG或其它标准化委员会的编解码的主要区别在于，压缩效率不是主要目标，”德斯坎佩说：“而其它解码主要关注效率，不考虑延迟或复杂性，JPEG XS解决了以下问题：‘我们如何最终取代未压缩的视频？”

对电视行业的许多人来说，从未压缩格式转换到压缩格式听起来并不明智。考虑这一问题的唯一原因是，未压缩4K视频的高带宽达到了铜线电缆所能支持的极限。

也就是说，JPEG XS可以在带宽上有很大差别。

“JPEG XS典型的视觉无损质量操作点在10：1左右，”德斯坎佩说，“然而，在确定最大压缩比时，考虑分辨率和内容类型非常重要。例如，对于给定的质量水平，自然内容通常达到更高的压缩比。在其开发过程中，JPEG XS已经在最严格的质量评估程序（ISO/IEC 29170-2，‘视觉无损编码评估程序）下进行了测试，寻求保证原始图像和压缩图像之间“难以辨别的闪烁”的阈值——这一措施通常被称为‘视觉透明度。”

不同种类的内容

根据JPEG XS工作组的测试，表1显示了不同类型内容（屏幕内容、计算机生成图像（CGI）和自然图像）的编解码性能。表中较低的压缩比特率定义了具有自然内容的性能，而较高的范围是用于要求完全视觉透明性的更复杂内容。

对于广播公司来说，总图像质量是个大问题，但不是唯一的问题。也许同样重要的是延迟，JPEG XS也应该解决这个问题。

“在延迟方面，在有多个编码和解码步骤的现场制作工作流程中使用MPEG-4/H.264和HEVC/H.265会导致数秒汇集的延迟，”德斯坎佩说，“JPEG XS有1ms延迟，因此可以在整个现场制作工作流中运行，不会产生一个MPEG-4/ H.264编码/解码步骤的延迟。尽管为最后一英里分发给消费者，我们需要H.265，但在分发之前，我们尽量避免在制作工作流中有任何额外的延迟。”

德斯坎佩表示，JPEG XS标准于2019年9月在IBC 2019上正式确定。

“就标准化过程本身的状况而言，JPEG XS第一部分（核心编码系统）已经颁布并作为一个国际标准，”他说，“第2部分和第3部分[分别为概要文件和传输格式]已经定稿，ISO正在准备立即颁布。第4部分和第5部分（分别为一致性测试和参考软件）正在进行投票表决，将于今年年底颁布。”

除了为JPEG XS工作的这些标准之外，如AIMS、VSF、SMPTE、TICO联盟和IETF这样的标准机构和行业组织之间还有一些正在进行的联系。2019年NAB展会的IP Showcase举办了一个JPEG XS在ST2110-22的演示。

致力于实现

德斯坎佩表示，几家广电设备供应商已经在致力于即将发布的产品的实现。他还指出了该标准的另一个特点，使其与IP视频要求兼容。

德斯坎佩说：“JPEG XS使用恒定的比特率，因此对于可靠的IP视频传输非常重要，特别是在将压缩视频作为‘第22部分添加到ST 2110的情况下。”

为什么将这种新格式命名为JPEG XS？JPEG2000系统中有一些先例，它们也用于高质量视频传输。然而为什么是“X”？

“我认为最有趣的事情是它的名字，”雷纳说，“它的字面意思是特小！”

无论是否特别小，JPEG XS对于相关人员的影响都是很大的。

雷纳说：“我由衷地希望，这将在明年成为事实上的夹层压缩标准。”

接下来一些制作设施可能会增加8K视频能力。目前，处理未压缩的8K视频数据的唯一方法是将其分成4个12G信号，原因是带宽远远超出了电缆网络在一根电缆上的传输能力。JPEG XS可能是使8K制作工具容易進入高端设施的润滑剂。B&P