W transmisji AV-over-IP przepustowość łącza, latencja i jakość sygnału są ze sobą nierozerwalnie powiązane. Wszystkie trzy parametry zależą od rodzaju użytego kodeka, czyli algorytmu, który przekształca surowy obraz ze źródła w ciąg bitów, by po przesłaniu ich przez sieć IP przywrócić „oglądalny” format gotowy do zaprezentowania na wyświetlaczu.
Kodek (ang. codec) to złożenie dwóch słów: coder i decoder. Sygnały audiowizualne przesyłać można za pomocą różnych kodeków, a każdy z nich ma typowe dla siebie zastosowanie. Wady i zalety kodeków rozpatrywać można na tle pozostałych, dostępnych rozwiązań. Zaproponowany przez SDVoE Alliance tak zwany „Codec triangle”1 doskonale ilustruje zależności pomiędzy najważniejszymi cechami każdego kodeka – przepustowości, latencji i jakości obrazu. Przepustowość w tym modelu rozumiana jest jako ilość danych wykorzystywanych do przesyłania skompresowanego sygnału i mierzona w Mb/s lub Gb/s (megabity na sekundę lub gigabity na sekundę). Jakość obrazu to miara jak bardzo obraz na wyświetlaczu za dekoderem podobny jest do obrazu źródłowego. Latencja to miara czasu jaki upłynie od chwili dostarczenia obrazu do wejścia enkodera do momentu wyświetlenia go na wyświetlaczu.
Uzyskanie transmisji o małej przepustowości przy zachowaniu wysokiej jakości obrazu wymaga zastosowania kodeków wykorzystujących do kompresji obrazu zawansowane algorytmy. Te z kolei potrzebują więcej czasu na przetworzenie sygnału, a więc zwiększy się czas, po którym sygnał dotrze do wyświetlacza (latencja). Jeżeli oczekujemy, aby wyświetlony obraz miał wysoką, zbliżoną do źródłowej rozdzielczość i jednocześnie niską latencję, konieczne jest zastosowanie kodeka o małej kompresji. To oznacza, że sygnał zajmie dużą część przepustowości sieci IP. Jak się łatwo domyślić – wykorzystanie kodeka gwarantującego niską latencję i niewielkie wykorzystanie pasma drastycznie odbije się na jakości przesłanego obrazu. Naturalnie urządzenia kodujące i dekodujące obraz nie funkcjonują w oderwaniu od rzeczywistości. Podłączone są do przełącznika, który sygnał docierający na jeden z jego portów przekaże do docelowego wyświetlacza. Do niedawna na barkach integratora AV spoczywała odpowiedzialność związana z wyborem i konfiguracją przełącznika. Producenci nie sugerowali żadnego konkretnego modelu. Ten stan rzeczy zmienił się, gdy NETGEAR wprowadził na rynek przełączniki dedykowane dla branży AV. Oferując urządzenia z rodziny M4250, NETGEAR ułatwia stworzenie dowolnie dużej instalacji AV-over-IP. Naturalnie dobór właściwego przełącznika należy od niezbędnej, wymaganej przepustowości. Warto zadbać, by była ona jak najmniejsza.
„Codec Triangle”. Zaproponowany przez SDVoE Alliance idealnie obrazuje zależności pomiędzy rozdzielczością, przepustowością i latencją sygnału wideo.
Co jednak oznacza niska przepustowość? Jak bardzo efektywny musi być kodek by uznać, że optymalnie spełnia swoją rolę?
W nieskompresowanej formie przesłanie sygnału HDMI wymaga dużej przepustowości. Sygnał o rozdzielczości 3840 x 2160 pikseli, z próbkowaniem 4:4:4 (24-bitowym), i przy 60 klatkach na sekundę wymaga 12 Gb/s. Wylicza się to, mnożąc przez siebie liczbę pikseli w pojedynczej klatce, liczbę klatek i liczbę bitów niezbędnych do określenia każdego z trzech kolorów, a więc: 3840 × 2160 × 60 × 24=11 943 936 000 bitów
Zatem 11,9 Gb/s to przepustowość niezbędna do przesłania nieskompresowanego obrazu w rozdzielczości UHD. By w pełni wykorzystać przepustowość oferowaną przez NETGEAR M4250, konieczne jest zmniejszenie tego parametru. Kodek typu „intra frame”, jakim jest JPEG2000, ma bardzo niską kompresję oraz latencję, wymagając jednocześnie dużej przepustowości. Algorytm działania „intra frame” oznacza kompresję i przesyłanie każdej ramki obrazu. Kodek o wysokiej kompresji, jak na przykład H.264, wykorzystuje „inter frame” – algorytm, który grupując sąsiednie, podobne do siebie ramki, kompresuje je, oszczędzając przepustowość. Takie przetwarzanie wprowadza jednak dużą latencję, a obraz na wyświetlaczu ma znacząco niższą jakość niż treść źródłowa.
Obraz źródłowy i jego wersja po kompresji kodekiem H.264. Na pierwszy rzut oka oba obrazy wydają się być w podobnej rozdzielczości, jednak na wielkoformatowym wyświetlaczu akceptowalny będzie tylko oryginał.
A co z opóźnieniem sygnału?
Na opóźnienie sygnału wpływa zarówno zastosowany kodek, jak i sposób transportu sygnału. Przy transmisji IP przełącznik sieciowy wykona swoją pracę w czasie mniejszym niż jedna milisekunda. Można więc przyjąć, że zastosowanie na przykład wyżej wspomnianego przełącznika NETGEAR nie wprowadzi zauważalnej latencji. Kodek, który mocno kompresuje obraz, na przykład H.264, wykona swoją pracę w czasie co najmniej 100 milisekund. Dodatkowo, typowy monitor dodaje kolejne 30 milisekund. Takie wartości są nie do zaakceptowania w zastosowaniach wymagających zerowej latencji, jak na przykład transmisje obrazu z sali operacyjnej do znajdującego się w odległej lokalizacji chirurga. Z powodzeniem wystarczą natomiast do prowadzenia wideokonferencji czy transmisji na bardzo duże odległości.
W salach konferencyjnych optymalnym rozwiązaniem jest przesłanie treści szybko, w wysokiej jakości i z przepustowością zapewnianą przez standardowe przełączniki sieciowe. Na rynku istnieje rozwiązanie wykorzystujące klasę kodeków „pixel pipeline”. To te rozwiązania pozwalają na przesłanie obrazu tak, aby obraz w wysokiej rozdzielczości – nawet 4K, przesłany został z latencją 0,07 ms i z przepustowością nie większą niż 9 Gb/s. Użycie przełącznika wyposażonego w porty 10 GB/s zapewni przesył 9 GB/s obrazu oraz nawet 1GB/s innych danych – na przykład sygnałów sterujących, Internetu czy cyfrowego dźwięku.
Należy wspomnieć tutaj o współczynniku redukcji, określającym jak bardzo kompresowany jest początkowa wartość niezbędnej przepustowości. Dla pixel pipeline jest to zaledwie 1,3:1 (stąd wcześniej wspomniana przepustowość 9 Gb/s). W rezultacie użycie przełącznika sieciowego, w szczególności dedykowanego przez NETGEAR dla instalacji AV, pozwala znacząco ograniczyć koszty typowe dla klasycznego rozwiązania z zastosowaniem sprzętowej matrycy HDMI, przy zachowania takiej samej szybkości działania. Co więcej – pozwala na zbudowanie rozproszonej matrycy audiowizualnej (w której przełączanie sygnałów realizowane może być przez kilka przełączników sieciowych) i wyeliminowanie pojedynczego potencjalnego punktu awarii.
Konfiguracja portów przełącznika NETGEAR M4250, nawet dla wymagającego zadania wiernego przesłania obrazu, jest bardzo łatwa. Warto jednak wcześniej zdefiniować niezbędne parametry obrazu przy wykorzystaniu trójkąta kodeków SDVoE.
Dobór odpowiedniego rozwiązania sprzętowego wykorzystującego właściwy kodek jest więc niezmiernie ważnym zadaniem, gdy wyświetlany obraz musi mieć wysoką rozdzielczość, być prezentowany z niską latencją i przy użyciu urządzeń zdolnych do przesłania danych z rozsądną przepustowością. NETGEAR jako jeden z założycieli SDVoE Alliance natywnie wspiera bezstratny kodek opracowany przez tę organizację. Kodery i dekodery znaleźć można w portfolio wielu producentów sprzętu audiowizualnego, często wraz z cyfrowym przesyłem dźwięku w standardzie Dante czy AVB. Same przełączniki NETGEAR można skonfigurować nawet w 30 sekund. Oprócz opisanego wyżej kodeka wspierają one także inne rozwiązania, opracowane przez różnych producentów – takich jak AMX czy Crestron. I choć dzięki nieustannemu rozwojowi zarówno sprzętu, jak i oprogramowania wbudowanego w przełączniki ich konfiguracja jest coraz łatwiejsza, to jednak warto dogłębnie przeanalizować wymagania stawiane każdej instalacji i optymalnie dobrać zarówno sam przełącznik, jak i urządzenia z nim współpracujące. Użycie przełącznika NETGEAR ma jeszcze jedną, dodatkową zaletę. Producent oferuje swoją pomoc przy walidacji poprawności projektu instalacji AV-over-IP, i warto z tej pomocy skorzystać by uniknąć ewentualnych kłopotów już podczas uruchamiania instalacji.
tekst: Andrzej Pawluś, „AVIntegracje”
zdjęcia: NETGEAR
