Der Fall für Open

Sollten Sie proprietäre Lösungen für AVoIP meiden?

Wenn es eine Sache gibt, für die die Pro-AV-Branche bekannt ist, dann ist es die kontinuierliche Einführung und das Vertrauen auf proprietäre Systeme für Signalmanagementprodukte. Bedenken Sie, dass verwandte Branchen (Telekommunikation, Rundfunk, Kino, Streaming und digitale Bildbearbeitung) in kollaborativen, weltweiten Branchengruppen zusammenarbeiten, um Standards für die Audio- und Videoschnittstelle und -komprimierung zu entwickeln, zu testen und einzuführen. In der Zwischenzeit wählen wir oft einfach „Gewinner“ aus Gruppen konkurrierender proprietärer Systeme aus und bleiben bei diesen, wobei wir unsere Entscheidungen auf starke Marketing- und Verkaufsgespräche stützen.

Denken Sie an all die HDMI-basierten Umschalter und Extender, die in den letzten zwei Jahrzehnten angeboten wurden: Während die meisten von ihnen recht gut funktionierten, haben sich die dominierenden Produkte einfach so durchgesetzt, weil ihre Hersteller schon früh groß genug waren, um die Konkurrenz zu übertreffen, und ihnen schließlich einen eisernen Griff verschafften verdrängte alle Neuankömmlinge.

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Ähnliches erleben wir nun beim Übergang zur IT/IP-basierten Vermittlung und Verteilung von Videosignalen. Außerhalb der AV-Branche basieren die zum Komprimieren von Videos verwendeten Codecs auf Open-Source-Formaten, die aus Benutzergruppen hervorgegangen sind, ausgiebig getestet und verbessert wurden und schließlich standardisiert wurden. Die bekanntesten Beispiele sind die von der Moving Picture Experts Group (MPEG, gegründet 1988) und der Joint Photographic Experts Group (JPEG, gegründet 1992) entwickelten Beispiele.

Sowohl Profis als auch Verbraucher stoßen regelmäßig auf diese Codecs. Rundfunk-, Kabel- und Streaming-Videos verwenden alle MPEG-Codecs (MPEG-2, MPEG-4 H.264, HEVC H.265), während Fotografen (und Ihr Smartphone) auf JPEG-Varianten angewiesen sind. Das digitale Kino verwendet außerdem einen JPEG-basierten Codec, JPEG2000.

Die Vorteile der Standardisierung auf diese Open-Source-Codecs liegen auf der Hand: Jeder auf der Welt – mit einem kompatiblen Fernseher, Computer, Tablet, Telefon oder einem anderen Betrachtungsgerät – kann MPEG-Videostreams und JPEG-komprimierte Fotos über drahtlose oder kabelgebundene Verbindungen ansehen.

Von MPEG abgeleitete Codecs weisen typischerweise hohe Komprimierungsraten und eine entsprechend hohe Latenz auf. Sie sind in erster Linie auf Effizienz ausgelegt und minimieren Bitraten und Dateigrößen. Daher sind sie nicht für die Signalverteilung und -wiedergabe in Echtzeit geeignet.

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Auf der anderen Seite haben von JPEG abgeleitete Codecs eine sehr geringe Latenz und verwenden viel weniger Komprimierung, aber die resultierenden Videostreams weisen höhere Datenraten und große Dateigrößen auf. Wenn wir HDMI-basierte Signalverwaltungssysteme durch ein AV-over-IP-Äquivalent ersetzen wollen, um qualitativ hochwertige Videos mit geringer Latenz zu liefern, dann ist ein JPEG-basierter Codec – oder ein ähnliches proprietäres System, das leichte Komprimierung verwendet – die richtige Wahl der einzige Weg. Doch welches ist die beste Wahl?

Es gibt viele Möglichkeiten, Videosignale zu komprimieren. JPEG-Codecs führen dazu eine leichte Komprimierung einer Reihe von Standbildern des Videos durch, die dann mit Standardbildraten wiedergegeben werden. (Denken Sie an die Flip-Filme, die Sie als Kind gemacht haben.)

Jeder auf der Welt kann – mit einem kompatiblen Fernseher, Computer, Tablet, Telefon oder einem anderen Betrachtungsgerät – MPEG-Videostreams und JPEG-komprimierte Fotos über drahtlose oder kabelgebundene Verbindungen ansehen.

Im Gegensatz zur MPEG-Komprimierung, die eine „Kopieren und Wiederholen“-Methode verwendet, um redundante Bildinformationen von Frame zu Frame zu minimieren, kombiniert mit Frames, die vorwärts und rückwärts schauen, um räumliche und zeitliche Änderungen vorherzusagen (und daher die ganze Latenz), verwendet JPEG keine Frame-Interpolation und Vorhersage überhaupt. Alle Luminanz- und Farbinformationen in jedem JPEG-Videobild sind vollständig und können unabhängig von vorherigen und nachfolgenden Videobildern stehen.

Display Stream Compression (DSC), eine weitere leichte Komprimierungsmethode, die ursprünglich 2014 für Anzeigesignale entwickelt wurde, funktioniert auf ähnliche Weise und ist die Grundlage für einen proprietären Videocodec, der jetzt für die AV-Signalverwaltung vermarktet wird und die ältere HDMI-Version 2.0 verwendet. Der Unterschied zwischen DSC- und JPEG-Codecs besteht darin, dass DSC auf eine 2:1-Komprimierung beschränkt ist – gerade genug, um ein Ultra HD (4K)-Videosignal mit 8-Bit-RGB-Farbe durch einen 10-Gbit/s-Netzwerk-Switch zu übertragen.

Während DSC in der Vergangenheit mit einer Komprimierung von bis zu 3:1 demonstriert wurde, hat eine JPEG-Version namens JPEG XS (ISO/IEC 21122) viel höhere Komprimierungsverhältnisse erreicht und zeigte nur eine minimale Signalverschlechterung. Da JPEG XS weniger Komprimierung als MPEG-Codecs, aber mehr als andere von JPEG abgeleitete Codecs verwendet, wird es manchmal als „Mezzanine-Level“-Codec bezeichnet.

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Auf der NAB Show 2018 demonstrierte der japanische Rundfunksender NHK 8K-Video (7680 x 4320 Pixel) mit 4:2:2 10-Bit-Farbe, komprimiert 6:1, das über einen 10-Gbit/s-Netzwerk-Switch läuft. (Für diejenigen, die sich für Mathematik interessieren: Die unkomprimierte Datenrate betrug 47,7 Gbit/s und das resultierende komprimierte Signal betrug knapp 8 Gbit/s.)

Und NHK hat bei der Demo nicht geschummelt. Sie verwendeten ein Video eines Wasserballspiels und zeigten das komprimierte Signal auf einem 70-Zoll-8K-LCD-Fernseher. Wie jeder, der sich mit der Videokomprimierung auskennt, weiß, ist es sehr schwierig, sich bewegendes und spritzendes Wasser zu komprimieren, ohne dass Artefakte entstehen. Es war jedoch schwierig, im dekodierten Signal Hinweise auf Aliasing oder andere Artefakte zu erkennen.

JPEG XS als Codec gibt es schon seit mehr als einem Jahrzehnt. Eine Pro-AV-Marke hat damit Full-HD-Signale komprimiert und über einen 1-Gbit/s-Netzwerk-Switch weitergeleitet. Und während lange Zeit die gängige Meinung bei JPEG-basierten Komprimierungssystemen darin bestand, die 4:1-Komprimierung nicht zu überschreiten, hat JPEG XS ein viel größeres Gewicht erreicht und ist auf 10:1 mit akzeptablen Ergebnissen bei gleichzeitig geringer Latenz gestiegen.

JPEG XS lässt sich problemlos in eine Vielzahl von Anwendungen integrieren. Von der JPEG XS-Website: „JPEG XS funktioniert mit… professionellen Videoverbindungen (3G/6G/12G-SDI), IP-Transport (SMPTE 2022-5/6 & SMPTE 2110), Echtzeit-Videospeicherung, Speicherpuffern, Omni- gerichtete Videoerfassungssysteme, am Kopf montierte Displays für virtuelle oder erweiterte Realität und Bildsensorkomprimierung.

Während es sich bei JPEG XS ausschließlich um einen Video-Codec handelt, kann es problemlos über Standard-IP-Netzwerke mit den entsprechenden Headern über Switches übertragen werden, die für die Weiterleitung von „Jumbo“-Ethernet-Frames mit mehr als 1.536 Bytes eingestellt sind. (MPEG-Video kann in Standard-Ethernet-Frames übertragen werden.) Und JPEG XS lässt sich problemlos neben branchenüblichen Audio-Codecs und Steuersignalpaketen sowie Zusatzdaten (Untertitel, Bewertungen und sogar Zusatzsprachen) übertragen. Auch von der Website von JPEG XS: „Sein Design bietet verschiedene Parallelitätsgrade und ermöglicht eine effiziente Implementierung auf verschiedenen Plattformen wie FPGAs, ASICs, CPUs und GPUs.“

Wenn Sie in den letzten Jahren große Branchenmessen wie NAB, ISE, InfoComm und IBC besucht haben, ist Ihnen sicherlich aufgefallen, dass die Grenzen zwischen Rundfunk, Kino und Pro AV und sogar Unterhaltungselektronik verschwimmen. Die verbleibenden Unterschiede verschwinden im Wesentlichen, sobald alle diese Branchensegmente auf AV-over-IP-Netzwerke migrieren.

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Heutzutage findet man bei professionellen Videokameras (HDMI) die gleichen Videoschnittstellen wie bei Fernsehern und Computermonitoren (wiederum HDMI) sowie serielle Datenschnittstellen (3G und 12G-SDI). Jetzt sind 10-Gb-Netzwerk-Switches mit integrierten HDMI-Anschlüssen verfügbar, was die Grenzen noch weiter verwischt.

Die Erkenntnis hieraus ist, dass MPEG- und JPEG-Codecs kontinuierlich verbessert werden. Gerade als H.264 durch H.265 ersetzt wird, soll die nächste Generation hocheffizienter Codecs (Versatile Video Codec oder VVC) 50 % effizienter sein – eine praktische Sache, wenn Sie 4K- oder sogar 8K-Videos streamen.

Und so verhält es sich auch mit JPEG-basierten Codecs: JPEG XS wurde erfolgreich mit Kompressionsraten von bis zu 16:1 getestet und wird zweifellos weiter verbessert. Und das Beste daran: Es funktioniert mit jeder Videoquelle – Basisband oder Display – und nutzt Software-Kodierung und -Dekodierung auf jeder Anzeigeplattform und in jedem IT-Netzwerk.

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Pete Putman, CTS, KT2B, ist der Präsident von ROAM Consulting.

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