IP 기반 방송 미디어 제작 장비 영상 전송 인터페이스 기술 동향(1/3회)

금일은 IP 기반 방송미디어 제작 장비 영상 전송 인터페이스 기술 동향에 대하여 살펴보겠습니다.

IP 기반 방송 미디어 제작 장비 영상 전송 인터페이스 기술 동향(1/3회)

 

 

1. IP 기반 영상 전송 인터페이스 기술 동향

1) IP 기반 방송 장비 호환성 확장과 SMPTE 표준 발전

O 2018년 ST 2110 표준이 도입된 지 만 5년이 지난 지금, IP 기반 방송 장비들 간의 상호 호환성이 계속해서 확장되고 있습니다. 이는 다양한 회사의 장비들이 서로 원활하게 스트림을 주고받고, 장치의 매개 변수를 제어할 수 있게 만들었습니다. 이러한 변화로 인해 방송 장비 산업과 시장의 경쟁 구도가 IP 호환성을 중심으로 크게 재편되고 있습니다.

O 초창기 IP 방송장비를 주도해온 Sony, Grass Valley 등이 자사 장비 간의 호환성만을 보장하는 폐쇄성으로 진입장벽을 형성해 왔으나, 최근에는 타사 장비의 스트림 제어와 네트워크 제어 영역까지 확장해 나가고 있습니다.

O 더불어 거대한 IT 산업의IP 기반 COTS(Commercial off-the-shelf, 상용 기성품) 장비는 규모의 경제를 통한 안정성과 축적된 원천 기술을 기반으로 방송 산업에 막대한 영향을 끼치고 있습니다. (아래 그림1. 참조)

그림 1. 방송 시스템의 인터페이스와 장비 프러임의 진화

 

O 위의 그림 1에서 볼 수 있듯이, 방송 제작, 편집, 배포에 사용되는 주요 장비들이 IP 기반 소프트웨어나 소프트웨어 정의 하드웨어로 발전하면서 더욱 유연한 호환성과 다양한 포맷을 지원하게 되었습니다. 모니터, 마이크, 스피커와 같은 몇 가지 장비를 제외하면 대부분의 장비들이 IP 기반으로 전환되었습니다.

O 방송 장비 제조사들이 IP 기반의 영상 전송 기술 표준인 SMPTE ST-2110, SMPTE 2059, NMOS 등에 적극 대응하고 발전시키면서, 국내외 방송사들이 IP 기반 방송 인프라를 설계하는 데 큰 진전을 이루었습니다.

 

 

2) 제작용 UHD 영상 전송 인터페이스 기술 표준화 동향

O 표준화가 완료된 4K UHD 영상 전송 표준인 ST-2082-10, ST-2022, ST-2110의 표준화 규격은 아래와 같습니다.

O SMPTE ST-2082

* 2015년에 완성된 SMPTE 표준으로SDR(표준 명암비, Standard Dynamic Range) 및 HDR(고명함비, High Dynamic Range) 소스 이미지 형식과 보조 데이터를2160 Line 12Gb/s 인터페이스 내에 Single-link, Dual-link and Quad-link SDI로 매핑하는 방법을 정의한 표준입니다.

* ST-2082 표준은 다양한 형식이 있지만 주요 두가지 표준인 SMPTE ST 425-5, ST 2082-10 표준은 아래와 같습니다.

 

표 1. SMPTE 2082 표준, 출처: https://en.wikipedia.org/wiki/SMPTE_2022

Interface	표준	내용	해상도	샘플링	최대 프레임Rate
12G-SDI	SMPTE ST 425-5	Quad Link 3G Interface	4096 X 2160	4:2:2 & 4:2:0 10bit	60P
			3840 X 2160	4:2:2 & 4:4:4 10~12bit	30P
	ST 2082-10	12G Interface	3840 X 2160	4:2:2 10bit	60P
			4096 X 2160	4:4:4 12bit & 4:4:4:4 10bit	30P

 

O SMPTE ST-2022

* 2007년에 도입된 ST- 2022는 SMPTE의 표준으로 IP 네트워크를 통한 디지털 비디오 전송 방법을 설명하며 지원되는 비디오 형식은 MPEG-2 및 직렬 디지털 인터페이스를 포함합니다.

* 12G-SDI신호를 IP로 캡슐링한 신호로 3840 X 2160, 60P 기준 약12Gbps 전송률로 총 8개 부분의 표준화로 아래와 같이 구성되어 있습니다.

 

표 2. SMPTE 2022 8개 부분 표준, 출처: https://en.wikipedia.org/wiki/SMPTE_2022

표준	내용	비고
ST 2022-1	Forward Error Correction for Real-Time Video/Audio Transport Over IP Networks	Compressed Signal
ST 2022-2	Unidirectional Transport of Constant Bit Rate MPEG-2 Transport Streams on IP Networks	Compressed Signal
ST 2022-3	Unidirectional Transport of Variable Bit Rate MPEG-2 Transport Streams on IP Networks	Piecewise constant VBR
ST 2022-4	Unidirectional Transport of Non-Piecewise Constant Variable Bit Rate MPEG-2 Streams on IP Networks	Non Piecewise constant VBR
ST 2022-5	Forward Error Correction for Transport of High Bit Rate Media Signals over IP Networks (HBRMT)	Uncompressed Video
ST 2022-6	Transport of High Bit Rate Media Signals over IP Networks (HBRMT)	Uncompressed Video
ST 2022-7	Seamless Protection Switching of SMPTE ST 2022 IP Datagrams	Uncompressed Video
ST 2022-8	SMPTE Standard - Professional Media Over Managed IP Networks: Timing of ST 2022-6 Streams in ST 2110-10 Systems	Uncompressed Video

 

O SMPTE ST-2110

* 제작용 영상 전송 표준은 IP 네트워크를 통한 Uncompressed 또는 Compressed디지털 비디오를 전송하며, 비디오, 오디오, 보조 데이터는 별도 스트림으로 전송되는 점에서 SMPTE 2022 표준과는 다릅니다. 대역폭 효율성보다는 전송 품질과 유연성이 더 중요한 미디어 제작 및 배포 장비에서 사용하도록 설계되었습니다.

* 비디오, 오디오, 보조 데이터 등의 개별 전송 신호 표준과 동기화 방식 표준은 아래 표와 같습니다.

 

표 3. SMPTE 2110 표준, 출처 : https://en.wikipedia.org/wiki/SMPTE_2110

표준	내용	비고
ST 2110-10	System architecture and synchronization. Synchronization is based on SMPTE 2059
(System: RTP, SMPTE ST 2059, SDP)	RTP stream over UDP, Multicast (IGMPv2/3) or Unicast, One SDP per RTP Stream, PTP(SMPTE ST 2059-1 &-2)
ST 2110-20	Uncompressed video transport, based on SMPTE 2022-6
(Video: Based on RFC 4175)	Raster size up to 32x32, Format agnostic (frame, colour space, bit depth, TCS), Saves bandwidth
ST 2110-21	Traffic shaping and network delivery timing
	Defines three classes of devices based on their transmission timing behavior: NL (for Narrow Linear), N (for Narrow), and W (for Wide)
ST 2110-22	Compressed Video Essence
	J2K, TICO, AVCI, JPEG-XS, MFC (MyFavoriteCodec)
ST 2110-30	Audio transport, based on AES67
(Audio: AES67 & RFC 3190 기반)	비압축 PCM Audio, 48KHz Sampling, 16~24 bit depth, Channel count & timing defined in levels A ~C
ST 2110-31	Transport of AES3 formatted audio
(압축 오디오)	Dolby ®E 등
ST 2022-40	Transport of ancillary data
(Ancillary Data: RFC 8331 which is based on SMPTE ST 2038)	Not strictly “SDI abstracted data”: no audio (HANC), VANC data(CC. SCTE, VITC, AF, VChip), RTP time stamps for sync with video
ST 2110-43	Transport of Timed Text Markup Language for captions and subtitles in systems conforming to SMPTE ST 2110-10
(TTML: Timed Text Markup Language)	Previously referred to as Distribution Format Exchange Profile (DFXP), is an XML-based W3C standard for timed text in online media

 

3) 제작용 UHD 영상 전송용 SDI & IP 기술의 비교

O UHD 방송 시스템을 도입하려는 국내외 방송사들이 가장 중요한 과제로 삼고 있는 것은 방송 제작 장비 간의 인터페이스를 12G-SDI로 할지, 아니면 IP 인프라로 할지 선택하는 문제입니다. 방송사 기술운영 관계자들의 인터뷰와 사례 발표를 통해 두 가지 표준을 비교한 결과는 아래 표와 같습니다.

O 이 비교표에는 미래의 기술 동향도 반영되었지만, 직관적인 운영 측면을 제외하고는 IP 기반 전송 기술이 구성의 효율성, 기능의 유연성, 포맷 확장성에서 더 우수하다는 결과가 도출되었습니다.

 

표 4. UHD 영상 전송 기술 비교(우수 보통, 미흡)

항목	구분	내용	12G-SDI	ST-2110
기술 측면	전송 대역	영상 신호 전송 대역폭	약 12Gbps	약 10.6Gbps
	전송 거리	배선용 케이블 전송 거리	20M~70M	100M ~
	물리적 제약	케이블 양, 비용, 무게	상대적으로 2배 이상 소요	상대적으로 낮음
	기술 지원	기술 진화에 따른 장비 제조사 기술 지원 이슈	모듈러/라우터 등 생산 축소로 기술 지원 축소 예견	IP스위치는 대규모 IT 산업의 COTS 장비로 이슈 발생 가능성 낮음
운영 측면	운영 안정성	장애 방지 이중화 구성	용이함	상대적으로 물리적 구성은 쉬우나 구현 방식이 복잡함
	규모 확장성	물리적인 시스템 확장성	장비 인터페이스 간 물리적 확장으로 상대적 복잡 함	상대적으로 용이하게 확장 가능
	장비 복잡성	물리적 복잡도와 관련한 Risk 요소	상대적으로 물리적 복잡도 높지만 Hardware기반 구성으로 Risk 요소 적음	상대적으로 물리적 복잡성 낮지만 Risk 요소는 많음
	원격 제작	원격 및 N:M 제작 송출 시스템 운영	인터페이스 간 Hardware 방식으로 복잡하게 구현	IP 기반으로 상대적으로 용이함
	통합 관리	파일 기반 시스템과의 통합 운용 효율성	별개의 시스템으로 IP Gateway를 통한 연결	공통의 IP 기반으로 통합 운영에 유연함
	자원 공유	Software Base/Defined 기반의 멀티 기능 유연성	Baseband 특징상 Port별 Hardware 종속성이 높아 멀티기능 유연성이 낮다	Software Defined System 친화적으로 자원 공유가 용이함
호환 측면	ROI (Return On Investment, 투자대비 효과)	투자 대비 물리적, 인적, 공간적 비용 절감 율	상대적으로 낮음	IT COTS 장비의 가격 하락은 진행형이며
	향후 고화질 포맷 자유도	HD, 4K, 8K 등 다양한 포맷 수용성	자유도 낮아 시스템 변경 필요	Software Defined System 구성이 용이하여 유연성 높음
	S/W 유연성	Software 또는 Software Defined System	상대적으로 유연성이 낮음	Software 또는 Software Defined System 기반으로 변환되어 유연성이 높음

 

O 위 항목 중 하나인 전송거리의 예를들면, 아래 그림은 케이블 제조사인 CANARE사의 케이블 데이터 시트를 보여줍니다. 이 데이터 시트에 따르면, L-3.3CUHD 케이블의 전송 거리는 약 60미터입니다. 그러나 실제 현장에서는 비디오 패치와 커넥터 손실, 장비 성능 등의 환경 변수로 인해 실제 전송 거리는 약 25미터 정도입니다.

그림 2. 12G-SDI 신호 전송 손실, 출처: CANARE_ENG DATA SHEET

 

그림 3. UHD 케이블 전송 거리, 출처: CANARE_ENG DATA SHEET

 

 

O 위 표와 제조사 데이터 시트, 참조 문헌, UHD 시스템 운영자 인터뷰, 그리고 방송 장비 제조사의 고급 장비 스펙 분석 결과를 바탕으로, 아래와 같이 그래픽을 활용한 점수표로 재구성해보았습니다.

O 이 그래프는 방송 시스템 운영 환경(전문 인력, 장비 성능, 편성 프로그램, 원격 운영 등)의 변수를 고려할 때, 정량적 평가가 다소 달라질 수는 있지만 큰 변동은 없을 것으로 보입니다.

그림 4. 제작용 UHD 영상 전송 기술 비교, 출처: 방송과 기술, 인터넷, UHD 방송시스템 관리자

 

다음 회차에는 IP 기반 방송시스템 설계를 위한 참조 모델에 대하여 살펴보겠습니다.

 

 

 

정보통신기술사 김차신