All-IP Camera演进

本次演讲来自AIMS NAB NY 2020，演讲者为Grass Valley公司的strategic account manager：Robert Erickson，主要讲述了IP Camera的相关技术方案和发展演进。

Robert认为，过去传统相机行业的研究工作是很有挑战性的，一方面，相机采集的海量视频图像数据需要经压缩处理才能进行传输，另一方面SDI也会带来很多限制（带宽、物理接口等方面），而在当时，相机中视频图像的传输和后续处置工作只能依靠基站和外接设备完成。大约五年前Grass Valley发布了一款IP Camera（网络摄像机），受限于当时的技术水平，很多功能无法集成于相机镜头之中，因此仍需借助基站。直到去年，他们才真正做到让镜头的输出随心所欲、任人指定。而更重要的是SMPTE标准的发布，使相机的IP化更进一步，以往需要硬件连接才能完成的数据传输工作现在可以完全依靠以太网做到。具体来说，当你想使用相机中的图像资源时（即使它远在千里之外），只需要把它接在支持PTP的网络系统中，即可实现远程共享，而不需要与相机物理连接。综上所述Robert指出，相机行业的变革是技术提升、多媒体标准发布、用户支持这三点共同的功劳。

System Overview

接下来，Robert对IP Camera的整个系统框架进行了概述，下图为Robert设想中IP Camera System的未来架构（其中相当一部分目前已经实现）。

如图可以看到，IP相机中并没有使用基站，这是因为相机镜头就可以基于SMPTE标准产生视频流。将相机与CCU（相机控制单元）通过交换机连入网络，经网络层IP路由后它们将获得各自的IP地址并发现对方，从而进入工作状态。Robert指出，CCU的数据信号传输和供电实际是基于PoE技术进行的，因此不需要电缆或光纤等物理连接。

图中的Camera Control Server是未来设想之一，期望它能提供与计算机相连的html5接口（或者甚至是ipad支持的专用app），以此实现用户对相机的远程操控，在Robert的构想中，甚至camera shading也可能支持远程操作，但如何让shader获得video和相机当前操作的相关信息仍然是个难点，并且如果进行远程shading，那么codec和latency之间的权衡也会成为问题，具体来说，如果从按下快门到从屏幕中看到需要120ms（甚至500ms）的延时，那么用户能否接受？诸如此类的设计问题还有许多，因此仍需进一步讨论与规划。关于Camera Control Server的部署位置问题，Robert认为只要控制latency在可接受范畴，即使camera和camera shader在洛杉矶而camera control server在香港也无妨。

1x Speed UHD 2110-20

关于信号的传输，供应商们的通常做法是：在摄像机镜头上配备SFP光模块，转换得到光信号后将其注入standard SMPTE光缆中，一段传输距离（可达3KM）后就可将该线缆接到三层交换机，如图所示。这套方案在工业界已经较为普遍和成熟，因此Grass Valley的目标是在已有技术的基础上寻求突破。

接着，Robert以单camera、单stream和的简单情景为例讲述了IP Camera中信号的输入输出方式，如下图所示。

该例中，UHD视频流的传输采用了SMPTE 2110-20技术，而音频和intercom则采用ST 2110-30进行传输。此外，camera shader等工具也需要集成在这个media network中，因此这些操作可以使用同一个IP进行（没有人愿意为了camera shading而再连接一个以太网）。Robert指出，该框架最棒的地方在于：SMPTE标准无处不在，替代了所有的线缆连接（如图可以看到没有任何线缆留存）。具体来说，不论timing、signal、audio还是state changes，这一切都借助同一个media network来完成。事实上，传统框架中UHD通常码率为12Gb/s，1080P为3Gb/s，但基于SMPTE标准的这个框架中，60HZ的UHD信号仅需要11.1Gb带宽，而1080P占用带宽也略有降低，虽然每台摄像机节约的资源是有限的，但在具有很多摄像机的组网中（例如世界杯这样的大型直播现场），这会带来可观的效果。

3x Speed UHD SMTPE ST 2110-23

如果采用高帧率（HFR，high frame rate）技术呢？Robert也给出了解释。高帧率UHD（以3x为例）的码率为惊人的47.2Gb/s，为了适应这样的海量数据，需要给相机配备100Gb的QSFP，但是如果再使用该相机拍摄1080i的视频流，就会造成大量的带宽资源浪费。因此相机设计中必须进行抉择：是为其配备QSFP/SFP/SFP+中的一个，还是使用时根据当前清晰度和帧率在三者中进行选择。

最后，Robert指出，camera shading事实上是非常复杂的。近年来，HDR和WCG（wide color gamut）成为工业界的一股潮流，然而在进行HDR、WCG设计时，有很多参数需要进行选择和调整，下图中列举了一些例子。