Personalitatea JPEG XS permite crearea de canale de encoder si decoder utilizand Selenio SNP.
Daca nu sunteti familiarizati cu Selenio SNP gasiti mai multe informatii aici
Encoder JPEG XS
Encoder-ul se poate implementa utilizand unul din cele 4 procesoare ale Selenio SNP care va fi configurat sa lucreze cu personalitatea de encoder JPEG XS (JXSE).
Astfel raman libere inca 3 procesoare care pot fi utilizate pentru alte operatii cum ar fi conversii UHD-HD, HD-UHD, conversii HDR, gateway bidirectional SDI-IP, remapare UHD (SQD/2SI), procesare video, multiviwer de productie cu latenta redusa (1 frame), ACO HD sau UHD si multe altele.
Caracteristici encoder JPEG XS:
- poate fi configurat sa codeze 2 semnale de intrare UHD sau 8 semnale HD 1080p sau in combinatie (1 semnal UHD si 4 semnale HD 1080p), fiind echivalentul a 2 encodere discrete UHD sau a 8 encodere discrete HD 1080p (per procesor), respectiv 8 encodere discrete UHD sau a 32 encodere discrete HD 1080p (per unitate SNP)
- intrarile pot fi SDI, IP SMPTE ST 2022-6, IP SMPTE ST 2110-20
- personalitatea de encoder pastreaza toate functionalitatile existente in personalitatea de SYNC, inclusiv functia de Frame Sync (fara procesare de culoare) si audio Delay/Gain/Shuffle
- suporta generearea de proxy HD pentru semnalele UHD de la iesire
- semnalul de iesire cu compresie JPEG XS este in conformitate cu standardul SMPTE ST 2110-22 (transportul semnalelor video compresate) si SMPTE ST 2022-7 (redundanta/protectie) in ecosisteme 2110
- conformitate cu recomandarile VSF TR-08 privind transportul semnalelor video, audio si Ancillary:
Esenta JPEG XS este convertita intr-un stream RTP in concordanta cu RFC 9134 indeplinind in acelasi timp cerintele stadardului SMPTE ST 2110-22. Semnalele audio sunt convertite in stream-uri SMPTE ST 2110-30 (semnale audio PCM) si/sau stream-uri SMPTE ST 2110-31 (semnale audio non-PCM incapsulate in AES3). Semnalele de Ancillary sunt convertite in unul sau mai multe stream-uri SMPTE ST 2110-40.
Encoder-ul trimite stream-urile RTP in retea in conformitate cu SMPTE ST 2110-10 cu posibilitatea utilizarii modelului de redundanta conform SMPTE ST 2022-7 (propagare a stream-urilor prin doua retele diferite, primara si secundara).
- controlul foarte precis al ratei de bit la codare (care este o caracteristica specifica a JPEG XS).
- rate de bit pentru UHD in intervalul 500 Mbps - 2 Gbps (corespunzand unei rate de compresie intre 0.8 - 4 BPP)
- rate de bit pentru HD in intervalul 130 - 500 Mbps (corespunzand unei rate de compresie intre 0.8 - 4 BPP)
Conceptul de rata de compresie exprimata in BPP (Biti Per Pixel) este explicat in sectiunea de mai jos unde sunt prezentate caracteristicile compresiei JPEG XS.
Ratele de compresie se aleg in functie de aplicatie: 4 BPP pentru aplicatiii de productie video (calitate video maxima), 2.5 BPP pentru aplicatii de contriburie video (imagine fara artefacte vizuale) si 1.2 BPP pentru aplicatii de monitoriare/confirmare (unde calitatea imaginii nu este cel mai important criteriu). 
Decoder JPEG XS
Decoder-ul se poate implementa utilizand unul din cele 4 procesoare ale Selenio SNP care va fi configurat sa lucreze cu personalitatea de decoder JPEG XS (JXSD).
Astfel raman libere inca 3 procesoare care pot fi utilizate pentru alte operatii cum ar fi conversii UHD-HD, HD-UHD, conversii HDR, gateway bidirectional SDI-IP, remapare UHD (SQD/2SI), procesare video, multiviwer de productie cu latenta redusa (1 frame), ACO HD sau UHD si multe altele.
Caracteristici decoder JPEG XS:
- poate fi configurat sa decodeze 2 semnale de intrare UHD sau 8 semnale HD 1080p sau in combinatie (1 semnal UHD si 4 semnale HD 1080p), fiind echivalentul a 2 decodere discrete UHD sau a 8 decodere discrete HD 1080p (per procesor), respectiv 8 decodere discrete UHD sau a 32 edecodere discrete HD 1080p (per unitate SNP)
- intrare numai IP in conformitate cu standardul SMPTE ST 2110-22, sincronizata la PTP sau asincrona
- suporta stream-uri unicast si multicast inclusiv comutare "Hitless Merge"
- decodeaza stream-urile audio PCM (SMPTE ST 2110-30), non-PCM (SMPTE ST 2110-31) si Ancillary (SMPTE ST 2110-40)
- include functia de Frame Sync, procesare culoare (numai reglaje de baza) si audio Delay/Gain/Shuffle
- iesirea poate fi SDI, IP SMPTE ST 2022-6, IP SMPTE ST 2110-20
- iesirea poate fi sincronizata la referinta PTP a locatiei de destinatie
Aplicatii tipice cu SNP si JPEG XS
Aplicatia 1 - Distributie semnale intre locatii fizice separate
Aceasta aplicatie realizeaza distributia de semnale video intre locatii in situatiile in care exista limitari de largime de banda impuse de infrastructura existenta sau de costurile asigurarii benzii atunci cand legatura intre locatii este asigurata de un provider de ethernet.
Cu o singura unitate SNP instalata in fiecare locatie se pot transmite 16 stream-uri HD 1080p si receptiona in acelasi timp 16 stream-uri HD 1080p utilizand o retea cu viteza de 10 Gbps.
Aplicatia 2 - Asigurarea legaturilor "Ground-to-Cloud" si "Cloud-to-Ground" in cazul inplementarilor de playout sau alte aplicatii broadcast in Cloud
Aceasta aplicatie rezolva transferul de materiale catre si dinspre Cloud. Datorita constrangerilor de banda, JPEG XS este alegerea facuta de AWS pentru asigurarea latentei reduse si a celorlalte avantaje asociate ecosistemelor SMPTE ST 2110.
- AWS are implementare pentru transferul de materiale in Cloud prin intermediul AWS MediaConnect
- transferul de materiale dinspre insulele "On-premise" catre AWS se face utilizand una sau mai multe sectiuni de procesor din Selenio SNP configurate ca encodere JPEG XS
- transferul de materiale dinspre AWS catre insulele "On-premise" se face utilizand una sau mai multe sectiuni de procesor din Selenio SNP configurate ca decodere JPEG XS
- legatura este redundanta (conform SMPTE ST 2022-7) in ambele capete ale lantului (reprezentata in diagrama prin link-urile albastre si rosii catre AWS si dinspre AWS)
Ce este JPEG-XS si cum este diferit fata de alte metode de compresie ?
Pe fondul cresterii vertiginoase a largimii de banda a semnalelor video necompresate cu rezolutii 4K si 8K si frame rate-uri superioare celor utilizate in prezent s-a creat situatia in care transmisia acestor semnale necompresate in aplicatii de productie live sa nu poata fi sustinuta de infrastructurile IT existente la ora actuala.
De aceea era necesara crearea unei alte tehnologii de compresie cu raport de compresie moderat ("Lightweight compression") care sa permita cresterea in rezolutie, frame rate si numar de stream-uri pastrand toate avantajele semnalelor necompresate: interoperabilitate, imagine fara artefacte vizuale observabile in urma compresiei, consum redus de resurse atat in implementarile hardware cat si software, consum redus de energie si complexitate redusa in procesele de codare/decodare, suport pentru standarde HDR si nu in ultimul rand o latenta redusa necesara productiilor video live.
Tehnologiile de compresie actuale JPEG, JPEG 2000, HEVC nu indeplinesc necesitatile reale ale aplicatiilor de broadcast si productie video, nefiind concepute pentru latenta foarte mica si complexitate redusa insotita in acelasi timp o compresie fara artefacte vizuale:
- JPEG 2000 utilizeaza un algoritm de codare complex necesitand numeroase resurse hardware si software pentru implementarile in timp real, iar latenta nu este suficient de redusa pentru aplicatiile de productie live
- HEVC, ca si codec de distributie are o complexitate foarte mare (care duce la consum mare de energie si resurse hardware/software) si o robustete modesta a copiilor multi-generatie (numar de procese de codare/decodare succesiva suferite pe lantul de transmisie)
- VC-2 este un codec de complexitate redusa, insa tehnologia de compresie are limitari in privinta calitatii imaginii
- ProRes este un codec bazat pe procesarea de macroblocuri de 16 x 16 pixeli, facand imposibile implementari cu latenta mai mica de 32 linii video
Pe scurt, codec-ul JPEG XS are urmatoarele caracteristici:
- codec intra-frame ce utitilizeaza transformarea discreta Wavelet (din aceeasi familie cu JPEG2000)
- latenta foarte mica - mai mica de 1ms pentru un proces complet de codare/decodare (latenta de codare/decodare mai mica de 32 linii video). In comparatie, JPEG200 are o latenta de 3 frame-uri sau 60ms (pentru rata de refresh de 50 Hz)
- imagine lipsita de artefacte vizuale (inclusiv flickering) pentru rate de compresie de pana la 10:1. Se poate merge si cu rapoarte de compresie mai mari utile pentru aplicatii de monitorizare video (acolo unde o ecomonisirea largimii de banda este principalul criteriu). Lipsa vizuala a artefactelor de compresie este evaluata riguros conform standardului ISO/IEC 29170-02 atat pentru imagini naturale cat si pentru imagini sintetice (generate de calculator)
- suporta semnale video cu rezolutiii de la SD pana la 8k si rate de refresh pana la 120 Hz
- suporta semnale cuantizate pe 8, 10, 12, 16 biti (per componenta)
- compatibil cu semnale video cu esantionare 4:4:4, 4:2:2 si 4:2:0
- formate de pixel RGB, YUV, YCrCb, XYZ, Raw Bayer
- compatibilitate completa cu standardele HDR. Compresia semnalelor video cu HDR necesita nu numai suportul pentru cuantizare pe mai mult de 10 biti per componenta de culoare, dar si suport pentru proprietatile de semnalizare a culorilor primare, a caracteristicii de transfer, a calculului in virgula mobila. Compresia eficienta a contentului cu HDR necesita ajustarea unor parametri specifici in algoritmul de compresie in comparatie cu materialele cu SDR
- robustete in procese de prelucrare multi-generatie (procese de codare/decodare succesiva suferite pe lantul de transmisie). JPEG XS suporta 10 cicluri de codare/decodare succesiva fara degradarea observabila a calitatii
- complexitate redusa a algoritmului de compresie atat in implementari software cat si hardware. JPEG XS are o complexitate mult mai redusa in comparatie cu alte codec-uri inter-frame, fapt care determina implementari mult mai ecomomice care nu necesita utilizarea unei memorii externe.
Din punct de vedere software, JPEG XS a fost conceput astfel incat un procesor i7 sa fie capabil sa prelucreze semnale 4K 4:4:4 60p in timp real.
Din punct de vedere hardware, JPEG XS a fost conceput astfel incat un FPGA sa nu necesite memorie externa si sa nu ocupe mai mult de 50% din capacitatea de procesare a unui Artix7 XC7A2007T sau 25% din Cyclone5 5CEA9 la prelucrarea aceluiasi semnal 4K 4:4:4 60p in timp real.
- consum redus de energie asociat proceselor de codare/decodare. Este o consecinta a algoritmului de complexitate redusa si a faptului ca JPEG XS nu necesita o memorie externa pentru procesare inter-frame, fiind o tehnologie de compresie ce lucreasa pe grupuri de linii din frame si nu pe un frame intreg. La polul opus, codec-urile inter-frame bazate pe compresia H.264 sau H.265 necesita multa memorie pentru algotitmul lor bazat pe GOP. Aceste compresii (in special H.265) sunt mari consumatoare de energie.
- interoperabilitate multi-platforma. JPEG XS permite implementari in timp real pe toate tipurile de platforme: procesare CPU, GPU, FPGA si ASIC. Codec-ul permite existenta mai multor grade de paralelism in procesare intre o pereche encoder-decoder fara a sacrifica complexitatea redusa sau latenta minima.
- rata de bit constanta (CBR)
- controlul foarte precis al ratei de bit la codare este o caracteristica specifica a JPEG XS. Acest tip de compresie utilizeaza parametrul BPP (Bit Per Pixel) care in cazul de fata exprima rata de compresie (fiind prezent ca parametru de configurare in encoder).
Termenul BPP a fost si in trecut utilizat pentru a exprima rata de bit a unui semnal video:
| Rata de bit [Mbps] = (Rezolutia in pixeli x Numarul de frame-uri/secunda) x BPP |
In cazul unui semmnal necompesat cu esantionare 444 pe 8 biti, numarul de biti per pixel este 24 BPP (3 culori x 8 biti = 24).
Acelasi semnal compresat cu JPEG XS cu 4 BPP inseamna un raport de compresie de 6:1
Acelasi semnal compresat cu JPEG XS cu 2.5 BPP inseamna un raport de compresie de 9.6:1
Controlul precis al ratei de bit la iesirea encoder-ului permite "incadrarea" in canale de banda deja existente, mapate atat in SDI cat si in IP. Mai jos sunt prezentate cateva exemple:
- conformitate cu standardul SMPTE ST 2110-22 (transportul semnalelor video compresate) si ST 2022-7 (redundanta/protectie) in ecosisteme 2110
- standard de facto pentru contributie video 4k si 8k cu latenta redusa in cloud (implementari in AWS MediaConnect si AWS Live).
La ora actuala exista in exploatare o retea vest-europeana de productie video distribuita pentru transmiterea in direct a evenimentelor sportive care leaga mai multe tari cu un total de 2000 Km de fibra optica ce utilizeaza compresia JPEG XS.
Locatiile de productie video distribuita sunt implementate nativ in SMPTE ST 2110, iar factorii decisivi care au dus la implementarea acestei solutii au fost latenta foarte mica la utilizarea JPEG XS, economia de banda si integrarea nativa a JPEG XS in ecosisteme 2110.
Pentru oferta sau intrebari va rugam sa ne scrieti pe Această adresă de email este protejată contra spambots. Trebuie să activați JavaScript pentru a o vedea.
