Je IP revoluce v TV produkci nevyhnutelná? Tradiční a moderní standardy při výrobě signálů

Televizní průmysl se stále častěji obrací k IP řešením, která nabízejí větší flexibilitu, škálovatelnost a efektivitu. Jedním z klíčových hráčů v této oblasti je relativně nový standard ST 2110, navržený pro univerzální IP přenos videa, audia a doprovodných dat. Níže se podíváme na hlavní rozdíly mezi SDI a ST 2110 a v jakých případech má stále smysl volit SDI a kdy už přechod na ST 2110 přináší jednoznačné výhody.

Starý svět SDI je pro nás tak trochu minulostí

Uvedl k přenosům z LOH 2024 Sotiris Salamouris, technický ředitel organizace OBS (Olympic Broadcasting Services) a pokračoval: „Neexistuje způsob, jak bychom mohli zvládnout tuto složitost a objem distribuce v živém prostředí pomocí zastaralé technologie.“ V článku o přenosu sportovní události ze sportoviště ke koncovému uživateli jsme zmínili, že hostitelská organizace OBS na olympijských hrách v Paříži vyprodukovala rekordních 11 000 hodin obsahu. Toto ohromující číslo, které odpovídá více než jednomu roku nepřetržitého sledování, by nebylo možné zajistit pomocí tradičních technologií. Správa a distribuce takového množství obsahu by nebyla v prostředí SDI proveditelná.

Pojďme se podrobněji podívat na rozdíly mezi tradičním přístupem přenosu pomocí SDI a moderním řešením na bázi ST 2110 v profesionálním televizním prostředí.

SDI – Tradiční přístup přenosu videa

První verze standardu SDI byla definována již na konci 80. let. Za vznikem tohoto standardu stojí organizace SMPTE (Society of Motion Picture and Television Engineers), která se zaměřuje na standardizaci technologií v oblasti filmu a televize. Hlavním důvodem vzniku SDI byl přechod z analogového zpracování signálu na digitální, kdy bylo potřeba vytvořit univerzální standard zajišťující kompatibilitu mezi různými zařízeními, jako jsou kamery, monitory, přepínací matice, vysílací servery, odbavovací pracoviště od různých výrobců. Kromě toho byl kladen důraz na zajištění co nejvyšší kvality přenášeného signálu.

Standard SDI splnil všechny tyto požadavky. Mezi jeho hlavní výhody patří vysoká spolehlivost, jednoduchost, široká kompatibilita napříč výrobci technologie a nízká latence. Důležitou vlastností je také jednoduchost instalace, která výrazně zkracuje dobu potřebnou pro řešení problémů.

Signál v systému SDI zpravidla proudí jedním směrem – z bodu A do bodu B. V případě složitějších konfigurací prochází signál několika aktivními prvky nebo je rozdělen pomocí distribučních zesilovačů (DA) či SDI matic. Tento sériový přenos, kde se na fyzickém přenosovém médiu (koaxiálním kabelu nebo optických vláknech) šíří pouze jeden video signál (popř. embedovaný signál s audiem a pomocnými signály), značně usnadňuje práci televizních techniků a inženýrů – a to i přes známý „špagetový“ systém, kdy je potřeba se orientovat ve spleti koaxiálních kabelů.

Instalace SDI videokabelů (Foto: Lukáš Marek)

V průběhu let se SDI standard vyvíjel a dnes existuje několik verzí. Zde jsou ty nejvýznamnější z nich:

SMPTE 259M (SD-SDI)
První SDI standard, vydaný v roce 1989, umožňoval přenos signálu ve standardním rozlišení SD (720 x 576 pixelů). Nejčastější přenosová rychlost byla 270 Mbps, což bylo ideální pro tehdejší potřeby televizní produkce.

SMPTE 292M (HD-SDI)
S nástupem vysokého rozlišení v roce 1998 byl vyvinut standard HD-SDI, který umožnil přenos ve formátech 720p a 1080i. Tento standard poskytoval výrazně vyšší přenosovou rychlost – 1,485 Gbps, což odpovídalo požadavkům na kvalitní HD video přenosy.

SMPTE 424M (3G-SDI)
V roce 2006 byl zaveden standard 3G-SDI, který umožnil přenos signálu ve formátu 1080p při 50 nebo 60 snímcích za sekundu. Tento standard využívá přenosovou rychlost 2,97 Gbps.

SMPTE ST 2082 (12G-SDI)
V roce 2015 byl vydán standard 12G-SDI jako reakce na rostoucí poptávku po přenosu signálu v UHD 4K rozlišení (3840 x 2160 pixelů). Tento standard umožňuje přenos 4K videa při 60 snímcích za sekundu (fps) s přenosovou rychlostí 11,88 Gbps.

SMPTE ST-2083 (24G-SDI)
Představený v roce 2020. Standard 24G-SDI umožňuje přenos signálu v rozlišení UHD 8K (7680 x 4320 pixelů) při 60 snímcích za sekundu s maximální přenosovou rychlostí 23,76 Gbps. Pro přenos 8K signálu se však častěji používá Quad-Link 12G-SDI, což je technologie kombinující čtyři paralelní 12G-SDI signály. Tento přístup byl vyvinut pro 8K obsah ještě před zavedením 24G-SDI, který naopak umožňuje přenos signálu jedním kabelem.

Ačkoli je SDI stále osvědčeným standardem s mnoha výhodami, jako je spolehlivost, nízká latence a jednoduchost implementace, jeho nevýhody – jako omezená délka koaxiálních kabelů, složitá infrastruktura pro 8K instalace a vysoké náklady na přenosy na delší vzdálenosti – vedou k tomu, že jeho využití postupně klesá. Zejména v prostředích, kde je požadována vysoká flexibilita a škálovatelnost, už SDI začíná narážet na své limity. A právě tam se otevírá prostor pro moderní IP řešení a standard ST 2110.

Moderní přístup k přenosu videa v profesionálním prostředí – SMPTE ST 2110

S rostoucí potřebou televizního trhu distribuovat obsah efektivněji a flexibilněji vznikl standard pro přenos přes IP sítě – ST 2110. Tento standard, vyvinutý organizací SMPTE a poprvé představený v roce 2017, přináší výrazné technologické vylepšení oproti předchůdci SDI. Stejně jako SDI slouží k profesionálnímu přenosu audiovizuálního obsahu, ale s možností využití moderního IP prostředí.

ST 2110 umožňuje přenos nekomprimovaného videa prostřednictvím standardních ethernetových sítí s rychlostí 10 Gbps a vyšší, čímž poskytuje větší flexibilitu, škálovatelnost a efektivitu pro moderní televizní produkce. Tento standard je rozdělen do čtyř klíčových částí, které definují požadavky na časování a synchronizaci, video, audio a pomocná data.

ST 2110-10: Systémové požadavky

Tato část standardu definuje základní pravidla pro správnou spolupráci mezi jednotlivými komponenty systému. Klíčovým prvkem je synchronizace pomocí PTP (Precision Time Protocol), která umožňuje velmi přesné časování mezi video složkou, audio složkou a pomocnými daty. Na rozdíl od běžného NTP (Network Time Protocol), který poskytuje synchronizaci v milisekundách, PTP nabízí přesnost v rozmezí mikrosekund až nanosekund, což je ideální pro řešení, kde je nezbytné dokonalé sladění jednotlivých toků, například v živém vysílání nebo studiové produkci.

ST 2110-20: Přenos nekomprimovaného videa

V této části standardu se definuje přenos nekomprimovaného videa. Signál není degradován kompresí, čímž se zajišťuje vysoká kvalita obrazu a minimalizuje se zpoždění. Narozdíl od SDI nebo IP přenosu založeném na standardu ST 2022-6, má ST 2110-20 zásadní výhodu.  Přenáší pouze aktivní oblast obrazu a nezahrnuje skryté snímky (blanking intervals) nebo neaktivní části video signálu. Tento přístup optimalizuje šířku pásma, což vede k úspoře až 30 % v porovnání s tradičním SDI přenosem.

ST 2110-30: Přenos nekomprimovaného audia

ST 2110-30 je část standardu ST 2110 zaměřená na přenos nekomprimovaného PCM audia, vycházejícího z protokolu AES67, se kterým je plně kompatibilní.

ST 2110-40: Přenos pomocných dat

ST 2110-40 se zaměřuje na přenos pomocných dat (Ancillary Data), která mohou zahrnovat časové kódy, titulky, metadata pro kamery a produkci, a další řídicí a synchronizační informace. V tradičních SDI systémech jsou tato data často skryta v neaktivních částech signálu, zatímco u ST 2110 jsou přenášena samostatně, což zjednodušuje správu a zvyšuje flexibilitu.

Kromě výše zmíněných částí standard ST 2110 zahrnuje také specifikace pro komprimovaný přenos, popřípadě rozšiřuje tyto základní standardy. Za zmínku stojí ST 2110-22, který definuje přenos komprimovaného videa přes IP sítě. Tento standard umožňuje efektivní kompresi videa a snižuje tím nároky na šířku pásma, aniž by došlo k výraznému snížení kvality obrazu. To je ideální pro instalace, kde by nekomprimované video představovalo problém pro šířku pásma, například při přenosu ve vysokém rozlišení nebo při přenosu na dlouhé vzdálenosti. Podporované kompresní formáty, jako je JPEG XS, jsou oblíbené pro svou nízkou latenci a vysokou kvalitu obrazu.

V čem spočívá hlavní výhoda ST 2110

Z výše uvedených klíčových částí protokolů ST 2110-10,20,30,40 lze vyčíst jednu zásadní výhodu. Video, audio a pomocná data jsou přenášeny odděleně pomocí unicastových nebo multicastových adres. Toto představuje zásadní rozdíl v přístupu šíření dat.

Pokud bychom chtěli v SDI řešení přenášet, na jednom fyzickém médiu, současně video, audio a pomocná data, museli bychom je sloučit (embedovat). Pro tento proces jsou potřeba další aktivní zařízení v řetězci, což zvyšuje složitost systému a pravděpodobnost vzniku chyb. Podobně na tom je i standard ST 2022-6, který převádí SDI signál včetně embedovaných složek na IP přenos s pouze jednou unicastovou nebo multicastovou adresou.

Díky oddělenému přenosu se ST 2110 stává mnohem flexibilnější a škálovatelnější. To znamená, že je možné efektivně řídit velké datové toky a síťové prvky v infrastruktuře. Síť se zjednodušuje, protože již nejsou potřeba komplikované SDI matice, embedery nebo de-embedery. Například, když chceme přenášet pouze audio signál do audio kontrolní místnosti nebo audio režie, není třeba přenášet celé datové toky videa, což šetří šířku pásma. Tento přístup také umožňuje levnější a efektivnější plánování síťové infrastruktury. Například pro přenos pouze audio složek lze využít levnější switche, protože není zapotřebí velká šířka pásma.

Další výhodou je flexibilita při distribuci obsahu. Při přenosu signálů z mezinárodních sportovních událostí mohou jednotlivé televizní nebo rozhlasové stanice přijímat video signál s různými jazykovými mutacemi. Systém umožňuje jednoduše nastavit, které konkrétní audio složky budou odeslány jednotlivým televizním stanicím. Pro rozhlasové stanice naopak lze snadno filtrovat video složku, čímž se ušetří značná šířka pásma.

Zjednodušený příklad přenosu komponent v sítí ST 2110 (Autor: Lukáš Marek)

Topologie sítě ST 2110 – redundantní spine/leaf

Díky své topologii sítě je řešení založené na standardu ST 2110 vysoce škálovatelné a umožňuje snadné připojení nových zařízení, jako jsou kamery, režie, studia, kontrolní místnosti, playout servery, kodéry, dekodéry nebo servery, bez nutnosti složitých úprav infrastruktury.

Signály jsou efektivně distribuovány pomocí multicastů, což umožňuje přenos dat z jednoho zdroje na více destinací, aniž by bylo třeba každému příjemci zvlášť kopírovat data. Tento přístup výrazně snižuje potřebu nové kabeláže, což nejen zjednodušuje technickou implementaci, ale přináší i nákladovou úsporu.

Standard ST 2110 převážně využívá redundantní topologii typu spine/leaf (páteř/list). Páteřní switche, známé jako spine, tvoří základ sítě, zatímco leaf switche slouží k připojení koncových zařízení, jako jsou kamery a další výše uvedené technologie. Základní konfigurace této topologie zahrnuje dva páteřní (core) switche a několik edge (leaf) switchů. Edge switche jsou propojeny s core switchi prostřednictvím oddělených sítí, které jsou obecně označovány jako Red a Blue. Tento 1+1 model zajišťuje dvě zcela nezávislé sítě, čímž poskytuje vysokou spolehlivost a odolnost.

Pro zajištění maximální spolehlivosti celého systému je v tomto 1+1 modelu implementován protokol ST 2022-7. Ten umožňuje současný přenos identického signálu na dvou zcela oddělených cestách. Pokud dojde k selhání jedné z těchto cest, druhá pokračuje v přenosu bez jakéhokoliv přerušení. Přijímací zařízení, které podporuje protokol ST 2022-7, přijímá data z obou cest zároveň a neustále porovnává oba signály. V případě ztráty paketů nebo selhání jedné z cest použije nepoškozená data z druhé cesty.

Softwarově definované sítě

Další technologií, která se v instalacích ST 2110 často využívá, jsou softwarově definované sítě (SDN – Software-Defined Networking). SDN představuje moderní přístup k návrhu, správě a provozu sítí, kdy je klíčovým inovativním prvkem oddělení řídící vrstvy (control plane) od datové vrstvy (data plane).

Datová vrstva zajišťuje samotný přenos dat mezi zařízeními v síti, tedy přepínání paketů, zatímco řídící vrstva je zodpovědná za rozhodování o toku dat – tedy za určení, jak a kam budou data přenášena. Tento koncept umožňuje centralizované řízení sítě pomocí softwarových aplikací. Z jednoho centrálního místa lze snadno monitorovat celou síť, aktualizovat směrovací tabulky a pravidla na všech zařízeních, sledovat zatížení sítě a provádět změny v reálném čase.

Výhody SDN zahrnují:

• Větší flexibilitu – snazší přizpůsobení sítě aktuálním potřebám.
• Rychlejší implementaci změn – změny lze provádět okamžitě a efektivně.
• Programovatelnost sítě – umožňuje programování a automatizaci síťových funkcí.

Všechny tyto klíčové vlastnosti jsou ideální pro moderní televizní systémy založené na standardu ST2110.

Základní schéma topologie sítě ST 2110 (Autor: Lukáš Marek)

Kdy použít osvědčené SDI řešení a kdy přejít na moderní ST 2110

Výhody standardu ST 2110 jsou nesporné, ale spolehlivá a principiálně jednoduchá SDI řešení bude ještě nějaký čas dominovat v televizním průmyslu. Televizní stanice totiž zatím nemají dostatečnou motivaci měnit stávající SDI infrastruktury za nová řešení. Hlavním důvodem jsou vysoké náklady na kompletní výměnu infrastruktury a potřeba přeškolení zaměstnanců.

I když lze využít tzv. hybridní řešení, kdy nově zakoupená zařízení podporující ST 2110 jsou připojena do stávající SDI sítě prostřednictvím brán (gateways), není v tomto případě plně využit potenciál nového standardu. Dalším důvodem jsou nové požadavky na znalosti a dovednosti televizních techniků a inženýrů. S přechodem na IP technologie vzroste poptávka po multidisciplinárních odbornících, kteří kombinují znalosti v oblasti studiových TV technologií, IP sítí a IT. Ti, kteří se dokážou přizpůsobit tomuto novému ekosystému, budou klíčovými hráči v oblasti médií a televize.

Nasazení ST2110 má však obrovský smysl tam, kde se budují nová studia, televizní stanice a kde je kladen důraz na vysokou flexibilitu a škálovatelnost. Ideálními příklady jsou olympijské hry, fotbalové přenosy, koncerty, vzdálená produkce nebo multiplatformní distribuce obsahu.

Není pochyb o tom, že standard ST 2110 v televizní výrobě jednou nahradí osvědčené SDI. Robustní nasazení tohoto řešení na olympijských hrách v Paříži a jeho zcela bezproblémový provoz naznačuje, že pro následnou distribuci s použitím cloudu a zabezpečených přenosových protokolů (SRT) se budou do vysílací infrastruktury stále více implementovat IP řešení.

Úvodní foto: Václav Udatný