高まるAV over IPへの要求

AV機器には、優れた品質と接続性が常に求められてきました。カメラやディスプレイの性能が向上するにつれ、キャプチャされて表示される映像や画像は「現実世界」で目にするものに限りなく近づいています。

この厳しい要求の最前線に立っているのが業務用AVです。そのユースケースは、会議室のコラボレーションディスプレイ、デジタルサイネージや大型LEDディスプレイ ウォールで提供されるビデオ映像の拡大など、近距離のディスプレイ間の相互通信がほとんどです。

ビデオフレームサイズとフレームレートがHDから4K、8Kへ、60fpsから120fpsへと上がる中、ビデオソースとディスプレイ間の接続帯域幅もこれに対応する必要があります。たとえば、HDMI 2.0で非圧縮の4Kp60ビデオを伝送する場合、最大18Gbpsものビットレートが使用されます。そのため、ケーブルの伝送距離は大きく制限されています。

使用するプロトコルにもよりますが、高い解像度とフレームレートをサポートするには、一般的に、圧縮するか、複数のビデオリンクを設けるか、規格とケーブル仕様をすべて一新するかのいずれかが必要でした。しかし現在、高帯域幅をサポートし、ポイントツーポイント接続のリーチを拡大し、インフラコストを削減し、ネットワーク上の装置をよりフレキシブルで俊敏に使用する方法として、AV over IPという新しい技術が登場しています。

AV over IP技術

新しい技術は何でもそうですが、先行サプライヤーが、本質的に独自仕様の技術であるものを標準化しようとした結果、業界が制約と妥協に悩まされることはよくあります。

その技術がきちんと動作し、相互運用性の問題もほとんどないのであれば大成功です。しかしながら、業務用AVシステムには、スケーラブルで、解像度やネットワーク速度に関わらず動作し、特定のベンダーの製品に縛られない技術が強く求められています。たとえば表1の比較をみると、真にスケーラブルでベンダー非依存の製品は、「SMPTE ST 2110」のみであることがわかります。

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    表1 - 業務用AV向けAV over IPの例

SMPTE ST 2110

SMPTE ST 2110規格は、今後何年にもわたり柔軟かつスケーラブルなシステムであり続けるよう、業界の選りすぐりの頭脳を結集して開発されました。その結果、ST 2110には、多くのサブ規格が存在します。次に例を挙げます。

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    表2 - SMPTE ST 2110規格

これらのサブ規格を組み合わせて、特定のアプリケーションやユースケースに対応できます。たとえば、テレビ放送事業者に非圧縮ビデオで問題はなくても、多くの業務用AVユーザーには 1Gbps CAT5ケーブルなどのコスト効率の高いインタフェースを使用できる圧縮ビデオ(ST 2110-22)が好まれます。さらに、RP 2110-23を使用すると、複数のリンクを統合できます。

もう1つの重要な要素は、タイミングとレイテンシです。低レイテンシを実現するには、ネットワークノードの同期が必要です。ST 2110-10では、ノードはST 2059規格に従って同期する必要があると定められています。ST 2059は次の2つのサブ規格で構成されます。

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    表3 - SMPTE 2059規格

これらのサブ規格は、PTP規格(IEEE 1588v2)の使用と、メディア(ビデオフレームなど)をアライメントするためにPTP時刻からのアライメントパルスを生成する方法を規定しています。

イーサネットによる同期は、最終的に得られる結果こそ似ているものの、ゲンロックによる同期とはまったく異なります。その理由は、イーサネットはパケットベースであり、パケットがネットワークを介して転送先に到着するまでにかかる時間は固定されていないためです。PTPプロトコルは、この問題を解決します。最良のタイミング結果を得るには、PTP対応スイッチ(Transparent Clock、Boundary Clock)を使用する必要がありますが、小規模なシステムでは必ずしも必要ではありません。PTP 同期は、完全なリップシンクを保証するだけでなく、ライブイベントやデジタルサイネージに対応する、超低レイテンシの完全に同期したビデオディスプレイ/ウォールを可能にします。

AV over IP の制御と管理

NMOS(Networked Media Open Specifications)とは、AMWA(Advanced Media Workflow Association)によって開発された仕様で、SMPTE ST2110で提供されるトランスポート層に加えて、制御および管理層を提供するIPベースのインフラで使用するために開発されました。

幅広いメーカーの製品間で単純明快な相互運用性を実現する手段を提供し、エンドユーザーとサービスプロバイダーが、複数のメーカーが提供する最高水準のコンポーネントを使用してシステムを構築できるようにすることを目的としています。

さらに、NMOSの仕様はEBU(European Broadcasters Union:欧州放送連合)によって、「IPベースのメディア施設を構築および管理するための最小ユーザー要件」の一部として義務化されています。AMWA が提供しているNMOS仕様はいくつかありますが、主要なコンポーネントはIS-04、IS-05、IS-08の3つです。

IS-04、検出と登録

IS-04は、ネットワーク上のST 2110デバイスを検出および登録可能にし、各デバイスの機能を公開できるようにします。RDS(Registration and Discovery Server)は、MDNSまたはDNS-SDを介して自動的に検出され、業務用AV業界で待ち望まれていた真の「プラグアンドプレイ」を実現します。

IS-05、接続管理

IS-05により、ST 2110デバイスを任意のブロードキャストコントローラーによって標準的な方法で設定および切り替えできるようになります。ブロードキャストコントローラーの例としては、HDMIルーターのようなボタンパネル、シンプルなHTTP APIによるソフトコントローラーパネルが挙げられます。NMOSにより、ベンダー固有の制御プログラミングは過去のものになりました。

IS-08、オーディオチャネルマッピング

IS-08は、オーディオチャネルマッピングを導入します。これは、トランスミッタまたはレシーバーにおけるオーディオチャネルの再マッピングを可能にする重要な機能です。IS-08 APIでは、複数のさまざまなオーディオ ストリームを任意のレシーバーに伝送できます。

今後の開発

標準化の次なるステージの主な目標は、相互運用性と使いやすさをさらに高めることです。IS-09は現在開発中の仕様で、ネットワーク上のメディアノードが最初に起動するときに、グローバルシステムパラメーターへのアクセス権を付与するシステムレベルAPIを定義します。

これにより、接続(再接続)した直後に動作開始できるようになります。JT-NM TR1001.1は、ユーザーの介入は最小限にして、接続と設定をより簡単にできるようにすることを目的としています。その他、NMOSはセキュリティ面にも力を入れています。これには、不正なユーザーによってAVシステムが危険にさらされることがないようにする、HTTPS(暗号化制御)とアクセス制御が含まれます。

相互運用性

ST 2110は、複数のベンダー間のシームレスな相互運用性を目指して、ゼロから設計されました。これは、ST 2110の導入を加速する鍵となります。エンドユーザーは特定のベンダーに囲い込まれることを望まないため、相互運用性の向上を歓迎しています。

相互運用性テストを容易に行えるようにするため、EBUとIRTは、JT-NM(Joint Taskforce on Networked Media)と協力して、「JT-NM Tested」という試験プログラムを開始しました。世界中のST 2110製品のベンダーは、大規模なプラグフェスト(相互接続性を試験するイベント)に定期的に招かれます。JT-NMは、パケットの電気的な搬送とNMOS制御システムの両方について互換性試験を管理しています。詳細なレポートは、JT-NM.orgに公開されています。これらのレポートのおかげで、購入したシステムが相互運用可能であることを確信できます。

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    図1 - JT-NMテスト

ケーススタディ - 業務用AV市場向けのKVM over IP

キーボードとマウス拡張のためのUSB over IPはST 2110規格には明示的に定義されてはいませんが、PESA Switching Systems社は、ST 2110およびNMOS制御の骨組みをベースにしたKVMシステムを開発するため、Nextera Video社と契約しました。このシステムでは、異なる場所にあるコンピューターをIPネットワークに接続して、ユーザーはIPネットワーク圏内のどこからでもコンピューターを制御できます。

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    図2 - NMOS制御によるKVM over IP

このシステムは、一般的な1Gメタルイーサネットリンク上で最大4Kp60のビデオをサポートし、コストパフォーマンスの高いスケーリングが可能です。視覚的にロスレスな圧縮と超低レイテンシにより、遠く離れた場所にあるPCを、まるで目の前にあるかのように違和感なく使用できます。

AV over IP のための適応型プラットフォーム

AV over IPやST 2110といった新しい技術の台頭にあたり、変化に適応できることが重要です。IPベースの実装に特化して設計されるデバイスもありますが、多くの機器設計者はプログラマブルなプラットフォームを導入する方を好みます。

たとえば、スタンドアロンFPGA、より一般的には、FPGAファブリックと組み込みArmプロセッサを合わせたSoCなどです。これにより、ソフトウェアとAVドメイン間、イーサネット/IPトラフィック間に理想的なリンクが提供され、ビデオ、オーディオ、ソフトウェア処理機能のインタフェースを同一のデバイスに統合できます。プログラム可能であるということは、今後も移り変わる新しいビデオ形式やコーデックに適応でき、スケーラビリティと完全なフレキシビリティが実現され、マルチチャネルAVや信頼性の高いネットワーク伝送を可能にするソフトウェアスタックにも対応できるということです。さらに、Nextera Video社やAdeas社をはじめとするFPGAコアサプライヤーは、市場投入までの期間を短縮する包括的なソリューションを提供しています。

まとめ

ST 2110は元々、テレビ放送業界のために開発された規格でしたが、ハイエンド市場向けの非圧縮10/25Gから、コモディティ市場向けの圧縮1Gまで、業務用AVの多くのアプリケーションにうまく適合します。解像度やネットワーク速度に制限がなく、共通規格(NMOS)の制御インタフェースにより、コスト効率の高いコントローラーを実現可能です。さらに、ST 2110/NMOSの相互運用性により、エンドユーザーはマルチベンダーソリューションをシームレスに利用できます。

著者プロフィール

ジェド・デーム(Jed Deame)
Nextera Video
CEO

NMOS/ST2110技術のサプライヤーであるNextera Videoの創設者兼CEO。
30年以上のProAVおよび放送ビデオ処理の経験を蓄積しており、業界のコンファレンスで定期的に講演を行っている。Nexteraに入社する前は、RGB SpectrumとBarcoで役員として勤務。Barco以前は、Teranexの共同創立者で、「Teranexビデオコンピュータ」でエミー賞を受賞。Teranexビデオコンピュータは、映像処理を、専用のハードウェアからリアルタイムのソフトウェアベースのソリューションに置き換えるというパラダイムを生み出したことで知られる。
セントラルフロリダ大学で電気工学とコンピュータサイエンスの学位を取得。

アントワン・ハーマンズ(Antoine Hermans)
Adeas
CTO

オランダの独立系デザイン会社Adeasの共同設立者で、顧客固有の電子モジュール、IPコア、組み込みシステムの開発などを担当。
1995年にオランダのアイントホーフェンにあるフォンティス応用科学大学を卒業し、電子工学の理学士号を取得。以降、10年以上にわたり、主に放送局やプロフェッショナルオーディオ・ビデオ市場向けの設計サービスを提供している複数の企業で、(上級)エレクトロニクス設計者、プロジェクトリーダー、R&Dの責任者を務めてきた。2005年より、AdeasのCTOに就任し、Adeasの主要顧客およびAdeas IPコアファミリのためのアーキテクチャFPGAおよびシステム設計を担当。PCI-Express、Ethernet、SDI、Video over IP、同期などの最新の(オーディオとビデオ)通信とインタフェース標準についての深い知識を有している。

ロバート・グリーン(Robert Green)
Xilinx
業務用AVB(オーディオ/ビデオおよび放送機器)シニア マネージャー

プログラマブルロジック業界で25年、ザイリンクスでは過去20年間、業務用AVBおよびコンシューマの垂直市場に従事。現在は、業務用オーディオ、AV over IP、ビデオ処理など、さまざまなオーディオおよびビデオ技術に関するザイリンクスのマーケティングを支援し、EMEA 地域における主要な顧客のサポートしている。

テキサス・インスツルメンツ社のデザイン・エンジニアとしてキャリアをスタート。同社にて民生用TVセット用のNICAMステレオ・オーディオASICを開発。その後、英国の代理店Macro ElectronicsでAMD/Vantis、Philips、Motorola、AT&T/Lucentのプログラマブルデバイスをサポートするフィールドアプリケーションエンジニア(FAE)を務めた後、ザイリンクスに入社。

リバプール・ジョンムーア大学で電気電子工学のBEng(Hons)学位を取得。