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SDI vs IP, estado actual

Cabecera del articulo SDI vs IP

Por Yeray Alfageme, Business Technology Manager Olympic Channel

En esta industria cambiante, y cada vez cambia más y más rápido, una de las cuestiones más profundas a abordar es el medio de transporte de la señal. Desde los años 90 el SDI ha sido el único método de transporte y ha ido evolucionando, pero ahora el transporte nativamente sobre redes de datos, el IP, viene para quedarse. Veamos de dónde venimos y a dónde vamos con el SDI y el IP.


 

Un poco de historia

Originalmente el video analógico se creó teniendo en cuenta las limitaciones de los monitores de la época. Estamos hablando de tubos de rayos catódicos, CRT, en blanco y negro, con una tasa de refresco muy lenta y que se basaban en la red eléctrica para sincronizarse con la señal, ya fueran 50 ó 60 Hz. Al tratarse originalmente de una señal en blanco y negro, al adoptarse el color y no disponer de mayor espacio radioeléctrico para el mismo, se tuvo que adaptar a la transmisión existente, lo cual dio lugar a las componentes de crominancia y deferencia de color. Todo ello condicionado por las limitaciones existentes.

Más adelante vino la digitalización, lo que supuso una gran mejora en el transporte de la señal y su calidad. Sin embargo, seguía basada en la forma de onda de la señal analógica con lo cual, lo que se hizo fue digitalizar el video analógico, entrelazado y limitado al tiempo de respuesta de los antiguos monitores CRT, con sus componentes de color diseñado en base a las limitaciones originales de la antigua tecnología sin adecuarla a las nuevas técnicas disponibles. Esta aproximación permitía el poder seguir transmitiendo las señales digitales en el mismo espacio por el cual se transportaban las analógicas, pero pocas más ventajas aportaba y dejaba de lado todas las oportunidades que ofrece la tecnología digital más allá de la intrínseca robustez y mejora de calidad. Como dato diremos que la digitalización, al menos sus estándares como SMPTE ST259 o ITU-R BT 601, comenzó allá por la década de los 90 y aun así en el año 2003 existían señales y emisiones analógicas…

Fotografia con diferentes cables ethernet de color azul

Y llegó el HD. De nuevo el paso a una tecnología más moderna seguía basado en la forma de onda de la señal analógica original, introduciendo exclusivamente una mejora en cuanto a la definición y el escaneado progresivo. La asunción de la limitación de los monitores CRT, inexistentes del todo en alta definición, y la limitación del espacio existente, siguen formando parte del diseño original de la señal HD, lo cual, visto en perspectiva, no parece muy lógico.

Y, como no, lo mismo ocurrió con el UHD. Realmente, tanto la señal de video transmitida como su capacidad siguen limitadas en origen al diseño original de la señal analógica con sus limitaciones y componentes asociados. Lo único positivo, en cuanto a la señal en sí, es que en UHD por fin nos olvidamos del escaneo entrelazado, ya que todos los monitores existentes ya son progresivos y su tiempo de respuesta es rápido. Esto supone una simplificación, pero no deja de ser una señal de video lineal con su forma de onda anticuada.

Además, la inclusión de nuevas técnicas como el HDR, High Dynamic Range, el WCG, Wide Colour Gamut, y la alta velocidad de muestreo, HFR, High Frame Rate, hacen necesario replantearse la situación, si no había sido necesario antes.

En paralelo al mundo de las telecomunicaciones audiovisuales se desarrolló el mundo de las telecomunicaciones de datos, casi de manera coetánea. Los ordenadores fueron cobrando más y más protagonismo en todas las industrias, se creó Internet y con él, los estándares para el intercambio de información entre sistemas alejados y la tecnología, y sobre todo el ancho de banda, fueron mejorando hasta hacer posible el universo digital de hoy en día. El detalle del ancho de banda nos resulta especialmente importante en nuestro caso, ya que es la principal limitación a la que nos enfrentamos a la hora de intercambiar contenidos audiovisuales a través de redes de datos.


 

Pero ¿qué es para nosotros la tecnología IP?

La podríamos definir como “un sistema de transporte de media digital que funciona sobre los estándares de redes IP convencionales”. Quizá decir esto sea no decir nada con lo que vayamos un poco más allá.

El esquema 1 corresponde al modelo ISO/OSI de capas que describe los diferentes protocolos implicados en una comunicación de datos IP. El transporte de video se basa en la capa 3, la capa de red, con algunas aplicaciones de capas superiores. Queda fuera del ámbito de este articulo el profundizar en la descripción del modelo de transporte IP, pero hay multitud de artículos disponibles que se extienden de una forma muy divulgativa y comprensiva en el mismo.

Esquema en el que figura el modelo ISO/OSI de capas

Una de las características más importantes a tener en cuenta es que el transporte de datos se basa en paquetes, al contrario que la señal de video lineal y continua, aunque digital, que usábamos antes sobre SDI, lo cual es un cambio conceptual. Además, estos paquetes pueden perderse y desordenarse, lo cual implica que habrá que implementar métodos que corrijan estos posibles errores, algo no tenido en cuenta antes en nuestra industria.

Estos conceptos son fácilmente comprensibles por cualquier ingeniero informático que se precie, pero quizá no sean tan familiares para ingenieros audiovisuales acostumbrados a lidiar con señales. De la misma manera hay asuntos como el delay o la sincronía que todos nosotros tenemos presentes y consideramos críticos que nuestros colegas informáticos o de redes de datos no los consideran como tal. Ya no hablemos de la pérdida de paquetes.

Entonces, ¿por qué considerar el IP como método de transporte pare nuestras señales?

Una de las principales características del entorno IP es que es infinitamente más barato que un sistema de transporte de señales IP tradicional bajo la misma capacidad. Al tratarse de un sistema universal y presente en cualquier lugar, incluso en cada una de nuestras casas, el precio del hardware y su variedad es mucho mayor y barato. ¿Quién tiene una matriz SDI en casa? Sin embargo, cualquiera tiene un router para su acceso a Internet.

Sin embargo, el que se trate de un medio con pérdidas, como hemos comentado antes se pueden producir perdidas de paquetes, el que haya que esperar a que los paquetes sean ordenados, ya que pueden desordenarse por el camino, aportando latencia, y el no ser algo familiar para la mayoría de profesionales de nuestro sector, frena su inevitable implementación.

Pros y contras de los modelos de tecnología IP

Las redes de datos están diseñadas para admitir y corregir la pérdida de paquetes y disponen de sistemas de buffering capaces de reordenarlos, pero introducen delay. Además, el perder paquetes no es crítico para las redes de datos ya que reconstruyen los mismos o los reenvían sin afectarlos, algo que no es así en señales de video.

Un método que permite corregir la pérdida y reordenación de paquete es el FEC, Forward Error Correction. El FEC básicamente transmite información extra que permite reconstruir la trama de datos, pero tiene algunos inconvenientes. Aumenta la información transmitida, con lo que disminuye la capacidad del medio para transmitir información útil, y aumenta el delay, en ocasiones de manera aleatoria, lo cual es fatal para una señal de video.


 

Video sobre IP, el pasado

Antes los circuitos de datos tenían menos capacidad que el tamaño de las señales de video. Una señal SD de 270 Mbps no cabe por un circuito de datos de 100 Mbps con lo que es obligatorio el uso de compresión. Es entonces cuando surgieron estándares como el MPEG-2 o el JPEG2K, que permitían comprimir la señal de video sin pérdidas, permitiendo reconstruirla en el otro extremo y transportarla por un medio de datos de menor capacidad que la señal reconstruida.

Cuando la capacidad fue aumentando y enlaces de 1 Gbps fueron más comunes, se pudo transmitir señales sin comprimir mediante redes IP. Por ejemplo, una señal SD de 270 Mbps cabe sin problemas en un enlace de 1 GBPS y una señal HD, ya sea 1.5 G ó 3 G, en uno de 10 Gbps. Esto parece bastante sencillo, pero se está desaprovechando gran capacidad del medio y seguimos sin aplicar lo que esta nueva tecnología nos ofrece para la transmisión, con lo que veamos cómo podemos optimizarlo.


 

Video sobre IP nativo, el presente

Una señal de video HD de 1.5 G, por ejemplo, además de la imagen visual, transmite mucha información como CRC, sincronismos, VANC o HANC propia del entorno SDI pero no necesaria en entornos IP. La aproximación de codificar esta señal en IP y luego reconstruirla mantiene esta información innecesaria y gasta ancho de banda y recursos. Aproximadamente 448 Mbps de los 1.5 Gbps de una señal SDI HD es información no necesaria dejando en unos 1.037 Gbps la información de imagen a transmitir. Casi cabe en un enlace de 1 Gbps cuando antes hacían falta 10 Gbps.

Además, al tratarse de paquetes de datos, su versatilidad es mucho mayor permitiendo transportar diferentes resoluciones, estándares, profundidades de color e incluso frecuencias de muestreo por el mismo medio. Un ejemplo de la simplificación que supone la adopción de la tecnología IP de una manera nativa en nuestro entorno tiene que ver con el conexionado de los diferentes sistemas.

En el diagrama 1 vemos un ejemplo de un sistema de producción con sus enlaces SDI entre todos los equipos para producir la señal final.

Esquema de conexión - Diagrama 1

Y en el diagrama 2 podemos ver un sistema equivalente interconectado mediante enlaces IP y una red de datos intermedia.

Diagrama 2 esquema de conexión IP

Como puede apreciarse, el número de enlaces se minimiza y además los equipos pueden estar en localizaciones diferentes en el caso de la red IP. Sin embargo, al interconectar los equipos SDI cada componente sabe qué tiene conectado en cada puerto. Esto no ocurre en el entorno IP y debemos implementar un protocolo que permita a los equipos encontrar los otros sistemas automáticamente. Este protocolo se llama NMOS, Network Media Open Specifications y simplifica la interconexión de equipos de video sobre IP al igual que ocurría con los sistemas SDI aprovechando las mejoras de un entorno de datos.

Todo esto, y mucho más, está recogido en el estándar ST2110, famoso ya en nuestra industria y que establece las reglas y los estándares para el uso de redes comunes IP para el transporte y producción de señales audiovisuales. Este estándar contempla elementos como:

–              Sincronización.

–              Video sin compresión.

–              Audio.

–              Transporte de metadata.

–              NMOS.

–              …

Es un estándar en desarrollo y la SMPTE está trabajando en ello, pero sin duda llegará el momento en el que todos nuestros equipos sean IP, y solo IP, debido a las ventajas que ofrece simplificando y abaratando la adopción de nuevas tecnologías y ofreciendo nuevas maneras de distribución y emisión de contenidos.

Por ejemplo, cuando queríamos transmitir video lineal, SDI, en largas distancias disponíamos de las siguientes opciones:

–              Un circuito de fibra óptica oscura dedicado.

–              Radioenlaces terrestres.

–              Enlaces satelitales.

–              Alquilar un circuito a un operador.

Todos ellos caros y en ocasiones no disponibles en determinadas localizaciones. Sin embargo, con permitiendo transmitir las señales, con la garantía suficiente, mediante enlaces de datos estándar, esto abarata y hace muy accesible el transmitir casi cualquier señal desde cualquier sitio.

Cables de color azul conectados

De hecho, vayamos más allá. ¿Por qué disponer de una unidad móvil si cada cámara puede transmitir su señal hasta el centro de producción? De esta manera se centraliza toda la producción de una manera mucho más segura en un único punto permanente y la infraestructura necesaria es mínima. Incluso cada operador podría estar en localizaciones diferentes, el grafista, el mezclador, el operador de repeticiones,… O incluso puede que algunas de estas funciones dejen de existir y se conviertan en otras nuevas que aún no imaginamos, ¿Quién sabe?

Conceptos como producción remota, operación remota, grabación en cualquier lugar, edición on-site, publicación inmediata en cualquier localización etc. son posibles tan solo aplicando los beneficios que el medio IP nos proporciona.

Como se puede intuir, la adopción de tecnología IP en nuestra industria es, posiblemente, el cambio más disruptivo al que nos enfrentamos en toda nuestra historia. Pero al mismo tiempo es apasionante poder participar en él y ver a dónde nos llevarán los siguientes cambios. Seguro que no habrá que esperar mucho.

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