5G+8K示范项目技术方案—2019法网公开赛

本文为媒矿工厂编译的技术文章

原标题:8K EXPERIMENT AT ROLAND GARROS 2019

原文链接:https://www.francetelevisions.fr/lab/projets/8K-Experiment-at-Roland-Garros-2019

翻译整理:武国庆 刘孝勇

引言

图1 用于2019年法网公开赛的相机

在2019年法国网球公开赛期间,法国电视台使用Orange部署的试用5G本地网络,向连接的电视和移动设备展示了8K视频直播。本文介绍了项目技术方案并解释了各合作方如何协作,共同塑造8K和5G的未来。

项目起源和定义

几个月前,法国电视公司(France television)技术创新总监Bernard Fontaine产生一个大胆的想法:“将8K的实时视频通过5G网络传输到连接电视和移动设备上”。这个梦想促成了后续的项目开展。

8K是一种视频分辨率格式,已由ITU-R标准化为UHD-2,具有以下参数:7640x4320x60 / 120(使用ITU-R BT.2100色彩空间表示),8K的分发已由日本ARIB定义,视频采用HEVC Main 10和HEE AAC视频编码。在这个试验中,使用HLG生产和HLG分发。对于VOD,选择使用PQ10,因为它更适合生产工作流程。

5G是ITU-T开发的一种新的传输标准,可以提供非常高的速度(高达1Gbps)。对于法网公开赛8K实验,目标是250Mbps。广播公司正在考虑使用5G来传输免费的电视频道,使用5G标准(eMBMS),如3GPP第14版或更高版本所规定的。鉴于目前的技术水平,这次试验仅使用单播技术。

内容制作和传输工作流程

目标是尽可能多地重用现有技术,以便很短时间内完成系统构建。在制作方面,实验在Philippe Chatrier 球场使用了两台8K的高清广播摄像机,4x12G SDI信号由Ereca通过光纤传输到位于法国电视基地的前端。然后将4x12G SDI信号馈送到8K Blackmagic Design switcher,然后馈送给所有不同的编码器。图2描述了生产和SDI传输工作流程。

图2 法国电视的制作和SDI传输工作流程

实时编码工作流程

编码方面,综合使用多种技术进行基准测试,同时也提供一些备份和冗余:

  • NEC 8K实时编码器,已部署于日本8K NHK服务,基于硬件并输出TS组播,这是一个4RU设备。
  • Advantech编码器最近在NAB 2019上发布并演示了一款带有Spin Digital的一体化实时编码器/打包器,它也是基于硬件的,并且产生单比特率HLS流,这是一个1 RU设备。
  • Intel SVT-HEVC 8K原型版采用IP输入,以HLS格式生成实时、自适应流输出; 使用的服务器是2RU服务器,运行在双Intel Xeon Platinum 8180处理器上。
  • NEC编码器TS输出馈送到运行在双Intel服务器处理器Xeon Gold 6152上的Harmonic Cloud VOS Origin服务器,该处理器执行以下功能:直播打包到DASH格式、Live 2 VOD提取和Web服务器。

文件编码工作流程

一旦实时馈送经过分块(chunk)转换为VOD文件,就可以进一步优化处理。实验目标之一是兼容支持非8K和HLG的移动设备。因此,实验采用了一个8K HLG SBR(单比特率)文件,并将其转换为ABR(自适应比特率)文件,用于HDR10电视或SDR移动设备。此功能由Harmonic Cloud VOS媒体处理单元执行,该单元运行在双Intel Xeon Platinum 8180服务器处理器上。云媒体处理器还执行其他任务。它采用了ProRes 444 HDR10格式的VOD资源,并将其转换为多种输出格式:

  • DASH ABR SDR BT 709适用于移动设备
  • DASH SBR BT 2020 HDR10 for TV
  • HEVC Main 10的出口在BT 2020 HDR10的65Mbps处,用于卫星(Eutelsat)分配到配备DVB-S2调谐器的8K电视
  • 在SDR BT 709中以100Mbps的HEVC Main 10输出TS,以便由Tiledmedia进行个性化8K广播的进一步处理。

编码比特预算

这里为不同的编码器定义了以下目标:

表1 在2019法网公开赛中的8k实验

软件定义的存储

为了集中管理所有视频资产(即mezzanine, catch-up TV and VOD),实验需要一个功能强大的NAS解决方案。英特尔提供了两个容量为96 TB的NAS服务器,用于在所有视频处理元件之间共享(见图3)。NAS服务器使用Intel NVME SSD存储,基于带有10G卡的双Intel Xeon Gold 6152服务器处理器。

联网

数据中心网络和管理网络由Juniper的QFX 5100-48T提供。基础设施由SRX 4200防火墙保护。

图3为数据中心的图片,由英特尔服务器技术和Juniper提供网络方面的支持。

图3 数据中心

视频处理工作流程摘要

图4在一个图中展示了部署在2019年法网公开赛上的平台所支持的所有不同工作流程。

图4 电视和移动设备的交付工作流程

实验平台所支持的不同服务总结如下表:

表2 实验平台所支持的不同服务

对应的相关技术参数如下表所示:

表3 服务对应的相关技术参数

从架构角度看,源内容使用硬件编码器(NEC,Advantech)进行编码,而其余处理,包括实时转码(Intel),Origin(谐波),NAS(Intel),文件转码和媒体处理(Harmonic)是基于云,因此可以部署在私有云(如在法网公开赛中)或公共云(用于事件应用程序)。

5G分发和设备

实验决定为两台8K电视机提供最高100Mbps的单播模式。使用5G最先进的传输,单个链路可达250Mbps。

由于无法获得支持IP输入的8K电视,使用PC解码流并通过4xHDRM 2.0夏普8K电视进行馈送。实验为PC播放器使用了两种不同的技术。

第一个解码器来自Spin Digital。它是一个完全基于软件的解码器,使用下一代台式级英特尔酷睿i9处理器,以60fps实时解码8K,以及GPU渲染和显示8K图像。SpinPlayer支持SDR和HDR流。

第二个是开源VLC解码器,有两种不同的风格:

  • 使用强大的Intel i7 8700 K处理器的Nvidia加速解决方案
  • 使用功能强大的Intel i9 9980XE处理器的全软件解决方案

注意:Windows尚不支持HLG信号,因此实验在播放器中将HLG转换为HDR10。

每台PC通过4x HDMI 2.0连接到支持HLG和HDR10的高清 8K 70寸电视; 在实验的例子中,它总是在HDR10模式下使用。

VLC开发了一个平板电脑界面,如图5所示,可以使用触摸菜单控制电视。

图5 VLC开发的平板电脑界面

所有IP流都从法国电视台上传到两个基站:

  • 一个服务于法国电视展厅
  • 一个服务于Orange展厅

对于5G接收,实验使用官方FFT合作伙伴Oppo手机作为5G网关,通过Wi-Fi路由所有IP传入流量。

实验还在Orange展示厅测试了DASH ABR SDR中VOD资产对Oppo手机直接超过5G的回放。从上面描述的ABR阶梯中,手机上的VLC播放器选择提供最佳流媒体体验的表现形式。

图6 5G分发和客户

分发到卫星

为了解决广播电视观看问题,实验中使用DTH接收(DVB-S2),并使用Harmonic Cloud VOS Media处理器以65Mbps的速度对内容进行编码。内容是TS文件通过卫星发送并传输到位于法国电视展厅的8K电视上。

图7 TS到DVB-S2电视工作流程

个性化8K流媒体到平板电脑

8K技术的一个好处是它可以用一台摄像机拍摄整个球场。使用tiling技术,您可以将此视频流式传输到“传统”移动设备(即智能手机,平板电脑),让用户在内容中导航并放大。Tiledmedia开发的tiling技术可以确保内容以一种平板电脑只能检索视频中出现的部分的方式进行流媒体传输,而且只能以显示视频的分辨率进行流媒体传输。与传统方法相比,保障了高质量,而非传统使用数字变焦的方法,会导致模糊结果。它还确保不会浪费带宽或设备解码器资源。实验中使用Tiledmedia的技术来讲8K内容进行tile化,并通过CDN分发在公共互联网上提供高达25Mbps的码率来消费法网公开赛输出内容。

在工作流方面,Harmonic的Cloud VOS Media处理器讲HDR10中的ProRes文件转换为SDR BT 709,然后创建一个HEVC 100Mbps TS文件。该文件通过FTP发送给Tiledmedia,Tiledmedia在公共云中对其进行处理,并通过其在法国电视展厅的平板电脑上运行的应用程序提供内容。该应用程序通过CDN检索其tiled内容,作为5G接入网络的最后一个链接。5G提供了最低的延迟来按时获得tile,并提供了最好的体验质量。虽然实验目前的工作流程是按需的,但是平铺技术适用于实时服务,其glass-to-glass延迟与现代OTT流媒体系统相当 - 即低于10秒。

图8 个性化广播到平板工作流程

图9显示了投射到平板电脑屏幕的8K视频:

图9 8K视频投射到平板电脑屏幕

图10显示了屏幕大小窗口,该窗口导航到存储在CDN中的8K内容,并通过平铺机制传送。

图10 屏幕大小窗口

工作现场的设备

图11显示了用于通过5G网络生产8K的设备:左侧机架上的诺基亚5G设备,位于中间机架上的英特尔服务器,托管所有基于SW的媒体处理,位于右侧机架上的Juniper网络设备,全部用于SDI分发的硬件处理元件,实时贡献编码。

图11 用于通过5G网络生产8K的设备

结论

该项目在法网公开赛开赛前2个月开始。该系统在不到一周的时间内在法国电视台和Orange上演。它需要所有相关公司的通力合作,并考虑到实验开发的所有新元素和服务,这一项雄心勃勃的8K流媒体项目。

实验中创建的平台可满足电视和移动设备的Live,catchup和VOD的多种需求。它支持经典流媒体,但也支持新的沉浸式服务,例如使用8K和5G技术的个性化广播。

虽然实验使用5G进行传输,但光纤和DOCSIS 3.1可以并且已经被用于通过有线网络传输8K。因此,消费者现在可以有更多选择,也可以享受新的移动体验。

这只是8K和5G之旅的开始,也许是2024年巴黎奥运会的第一个踏脚石。相信到那时,实验中展示的所有技术都将达到足够的成熟度,可以大规模部署到消费者手中。

本文分享自微信公众号 - 媒矿工厂(media_tech)

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原始发表时间:2019-08-01

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