Полностью программные решения, работающие на стандартном аппаратном обеспечении (COTS), способны обеспечивать IP транспорт в строгом соответствии с современными стандартами SMPTE ST 2110.
Готово ли студийное производство к полностью программным решениям?
Несомненно, все мы понимаем ценность бесконечно масштабируемого и гибкого рабочего процесса. В наши дни быть полностью цифровым - это конфигурировать системы, увеличивать емкость, менять местоположение или даже менять приложение, над которым мы работаем, одним щелчком мыши. Но вещание не похоже на другие отрасли. Да, мы гордимся тем, что создаем своими руками, но правда в том, что это зачастую тяжелый труд. А где, на сегодняшний день, рабочие процессы создания видеоконтента являются наиболее важными с точки зрения формирования прибыли? В студийном производстве. Весь цикл студийного производства очень сложно развернуть исключительно на программном обеспечении, только с использованием IP технологий и на стандартном COST оборудовании.
До недавнего времени развертывание программных решений на стандартном коммерческом оборудовании (COTS) для организации процесса видеопроизводства на основе некомпрессированного видео SMPTE ST 2110 было связанно с целым рядом трудностей. Однако развитие технологий и последние достижения в обработке видео преодолели эти проблемы и раскрыли весь потенциал рабочих процессов на базе IP технологий, выполнив обещания производителей по масштабируемости и гибкости решений на базе программного обеспечения и IP.
В этой статье основное внимание будет уделено технологиям и решениям, которые позволяют вещательным компаниям и студиям в полной мере использовать преимущества организации рабочих процессов на основе полностью программных решений и IP инфраструктур применительно к системам прямого вещания и видеотрансляций. В частности, здесь будет описано, как программные приложения могут обеспечить очень низкую задержку, которая необходима для высококачественного вещательного производства.
Характеристики SMPTE ST 2110 и препятствия при использовании стандартного COTS оборудования
Стандартному COTS оборудованию сложно справиться с двумя уникальными характеристиками SMPTE ST 2110 - стандарта, определяющего передачу профессионального медиа контента по управляемым IP сетям. Для технических средств, реализующих ST 2110 программными методами, эти характеристики должны быть учтены, чтобы обеспечить истинный рабочий процесс на основе IP инфраструктуры с малой задержкой для студийного производства.
ST 2110 – характеристика №1: пропускная способность
В то время, когда классическое IPTV использует низкоскоростные сетевые каналы и соединения, профессиональное видео для студийной обработки требует значительно больших сетевых ресурсов. Так видео с разрешением 1080i требует скорости в сети 1.5 Gb/s, для стандарта 1080p требуется 3 Gb/s, а для передачи видео 4K UHDTV уже требуется до 12 Gb/s. Для программных решений на базе IP, чем больше требуемая пропускная полоса, тем больше ограничений и требований предъявляется к операционной системе и программному обеспечению.
ST 2110 - характеристика №2: высокая стабильность следования пакетов
Второй характеристикой SMPTE ST 2110, с которой аппаратному обеспечению COTS трудно справиться, является скорость следования пакетов.
SMPTE ST 2110 задает требования к отправителю пакетов, который должен обеспечивать строгие требования к передаче пакетов в условиях когда используются короткие буферы, что необходимо для обеспечения малой задержки. Интервал следования пакетов, измеряемый микросекундами, имеет очень малые допуски отклонения. Это легко достигается на аппаратных платформах, но очень сложно на COTS оборудовании по причинам, которые мы вскоре объясним.
Требования к малой задержке для студийного производства
Сравнение задержки для типичных студийных систем
Высокие требования к полосе пропускания и большая скорость следования пакетов, типичные для SMPTE ST 2110, способствуют увеличению задержки, что фатально для студий, работающих в прямом эфире (особенно при обработке некомпрессированного видео).С этими характеристиками просто невозможно было обрабатывать видео по ST 2110 на стандартном оборудовании COTS. И проблема не только в высоких требованиях стандарта ST 2110, но и в самом механизме функционирования стандартного COTS оборудования. В следующем разделе мы обсудим эти проблемы и последние инновации, которые теперь позволяют осуществлять обработку данных ST 2110 на стандартном COTS оборудовании.
Обзор программного обеспечения и стандартного COTS оборудования
Ниже для справки приведен типичный программный и аппаратный стек стандартного COTS оборудования. Сетевая карта - это мост между аппаратным и программным обеспечением. Этот рисунок демонстрирует и определяет некоторые ключевые элементы, которые появятся в этой статье.
3 проблемы в обработке ST 2110 на стандартном COTS оборудовании
Задача 1: Отсутствие буферизации/управления в RDP/UDP
Поскольку большинство драйверов сетевых карт не доставляют пакеты RTP / UDP в систему с гибкостью других типов пакетов, весь трафик UDP доставляется только одному ядру ЦП. В результате, невозможно использовать все доступные ядра и максимально увеличить количество обрабатываемых потоков. Расплатой за это являются потеря ресурсов и задержка.
Решение 1: Передача трафика RTP / UDP на несколько ядер ЦП
Компания TAG Video Systems решила проблему буферизации/управления в RDP/UDP, переписав стандартный сетевой драйвер, который работает с UDP. Был разработан специальный компонент сетевого драйвера с высокой пропускной способностью UDP, который позволяет маршрутизировать пакеты с любого сетевого интерфейса на любое ядро, обеспечивая максимальную архитектурную эффективность для приложения и сводя к минимуму ненужные и медленные передачи данных между ядрами. Новый драйвер позволяет полностью использовать преимущества многоядерной архитектуры с тем, чтобы обеспечить обработку ST 2110 с высокой производительностью и меньшей задержкой.
Задача 2: Ядро ОС не может справиться с жесткими временными требованиями ST 2110
Обрабатывая запросы приложений, ОС и сетевых интерфейсов, платформа не всегда может отправлять пакеты с точностью по времени, требуемой SMPTE ST 2110. Но ошибкам при передаче места нет, и поэтому для соответствия высоким требованиям стабильности приложение отдает приоритет механизмам синхронизации, что значительно уменьшает вычислительные ресурсы для остальных задач. И, как следствие, такое перераспределение ресурсов приводит к увеличению времени обработки самого видео, то есть к большим задержкам.
Решение 2. Новый сетевой драйвер
TAG Video Systems рассмотрела неспособность ядра ОС справиться с жесткими временными требованиями ST 2110 и переписала сетевой драйвер. Компания дополнила сетевой драйвер элементом TAG UDP, который использует низкоуровневые возможности сетевого контроллера, чтобы освободить ядра ЦП от ответственности за поддержание временной синхронизации пакетов. С архитектурной точки зрения сетевой драйвер является правильным местом для выполнения этой задачи (в отличие от уровня ОС и приложения). Такой подход освобождает прикладной уровень от чрезвычайно жестких требований по обработке в реальном времени. При этом, остальная часть сетевого драйвера может продолжать предоставлять возможности для других типов сетевого трафика.
Задача 3: Двойное копирование данных
При традиционном подходе приложение записывает пакеты данных в свою собственную память приложения, и оттуда они копируются в локальный буфер сетевого интерфейса. Этот двухэтапный процесс вносит задержку, и требует дополнительных ресурсов, которые могут быть использованы для повышения производительности приложения.
Решение 3. Устранение двойного копирования данных
TAG Video Systems устранила проблемы синхронизации и задержки, вызванные двойным копированием данных самым простым способом - удалила двойное копирование. Решение заключается в использовании сетевого драйвера, который позволяет размещать пользовательские данные приложения непосредственно в памяти сетевого интерфейса. Это означает, что приложение записывает данные один раз, и сетевой интерфейс может отправлять их без дальнейших задержек. Это, в свою очередь, позволяет программному обеспечению TAG Video Systems соответствовать жестким временным требованиям к передаче данных ST 2110.
Достижение максимальной производительности программных решений в видеопроизводстве
IP технологии открыли эру применения программных решений в телевизионном вещании. Вещатели получили возможность использовать полностью программные решения и COTS оборудование для обеспечения рабочих процессов, базирующихся на несжатом видео SMPTE ST 2110. Основным преимуществом и движущей силой такого перехода на программные решения является масштабируемость и максимальная гибкость рабочего процесса вещания, что позволяет производить продукт высочайшего качества наиболее экономичным способом.
Переход на полностью программные решения и стандартное COTS оборудование позволит вещательной индустрии обеспечить гибкость и быстроту адаптации к новым условиям, которые мы уже видим в других отраслях. Хотя реализация технологии ST 2110 предъявляет нетривиальные требования к программным решениям, последние инновации позволили создать ряд приложений для видеопроизводства и трансляций, в частности систему отображения и мониторинга. TAG Video Systems смогла решить наиболее сложные задачи и полностью удовлетворить требованиям видеопроизводства и вещания с малой задержкой и, тем самым, проложила путь и для других приложений.
Готовы сделать следующий шаг?
Если да, то подайте заявку на пробную полную версию решения TAG Multiviewer, Monitoring & Probing. Это полностью программное решение, базирующееся на IP технологиях и легко устанавливаемое на COTS оборудовании. Пробная версия предоставляется бесплатно на 90 дней. Попробуйте, и ощутите новые возможности, которых вы никогда раньше не получали от подобных решений!
О компании TAG VS LTD
Компания TAG VS LTD специализируется разработке инновационных систем мониторинга цифрового телерадиовещания высококачественных MultiViewer решениях. Уникальный подход к созданию программного обеспечения позволил компании создать многофункциональные инструменты мониторинга, позволяющие осуществлять контроль из любой точки мира.