二、絕對延時

1.絕對延時是怎么產生的？有沒有辦法進行測量？

如果說相對延時是將視頻或音頻其一作為參考系，那么絕對延時則是以TAI、UTC、GPS等作為參考系，設備內部進行信號處理以及設備間或系統間信號傳輸交互都要耗費一定時間，這個時間就是絕對延時。IP信號內部處理的延時主要來自于Buffer，幀同步功能開啟需要Buffer，最大延時1幀。在RX端一般也會有Buffer，用來將IP編解碼（根據信號格式不同，延時一般在幾行到幾十行）、數據包封裝、網絡傳輸、2022-7倒換（ST 2022-7 ClassD 150μs）這些模塊產生的比較小的延時，統一以幀精度校準，方便下游設備繼續進行信號處理。概括來說，從A設備發流經交換機到B設備，如果A設備開啟幀同步，那么B設備的輸出延時為2幀；A設備未開啟幀同步，B設備的輸出延時則為1幀。

圖11：公版IP網關內部信號處理流程

一般來講基于FPGA的IP設備絕對延時較小且穩定，比如索尼CAM+CCU （來自成像器1幀），HDCE IP適配器（單獨使用TX1幀，TX-RX Pair模式2幀），IPG（1次SDI-IP-SDI往返轉換1幀）、切換臺（直切1行，特技1幀）；另一些軟件服務器類設備，比如基于軟件的多畫面分割器、虛擬植入等等，它們的絕對延時相比FPGA類設備要大一點，并且不固定。

圖12：IP攝像機系統延時示意

設備信號處理的絕對延時不容易直接測量，比較簡單直接的方式是咨詢廠家。有時為了核實廠家所給信息是否準確，也可以采用下文介紹的相對測試法進行輔助驗證。

●?相對測試法：

相對測試法的核心思路是刻意控制LipSync視音頻信號產生“錯位”，比如想要測量某視頻設備信號的處理時間，便可將解嵌后的LipSync視頻信號經過該設備，而音頻信號跳過該設備，由于IPG對于視音頻信號處理時長相等，示波器所讀出的AV Delay實際上便是該設備視頻信號處理時間。使用此方法時建議規劃最短鏈路完成測試，以免引入誤差。

比如圖13中：(A1V2) AV Delay=V2-V1=IP MV絕對延時

圖13：相對測試法測量IP MV絕對延時

2. IP系統絕對延時怎么計算？

系統絕對延時=∑各設備絕對延時+∑交換機轉發時間+∑設備間信號傳輸時間 ≈∑各設備絕對延時

通常音頻系統絕對延時都小于視頻系統絕對延時，所以后文討論的系統絕對延時指的都是視頻系統。在IP系統中，交換機數據轉發時間（約5μs）以及各設備間信號傳輸時間通常小到可以忽略。如前文所述，大部分IP設備自帶幀級別精度的校準，所以將系統鏈路中所經過設備的信號處理時間求和，即可近似為系統整體的絕對延時。圖14為根據某4K IP轉播車系統實際案例所繪制用于示意系統絕對延時的框圖，供參考。

需要注意的一點是，自帶幀精度的設備要根據其工作模式來確定一幀等于多少ms，比如工作在4K模式的RX IPG取20ms計算，HD模式RX IPG取40ms計算，搭載MC50選件用于上下變換的IPG經實測應取40ms計算。

圖14：絕對延時理論計算框圖

由此可見，無論是設備層面，還是系統層面，IP系統中的絕對延時與基帶系統都是相近的。

3.什么場景需要關注絕對延時？如何測量絕對延時？

絕對延時是量化監看鏈路時常用到的概念，將監看鏈路中信號的所有傳輸和處理時間疊加求和后的數值就是監看鏈路整體的絕對延時。通俗講就是現場發生一個事件，至導播在電視墻上觀看到此事件經過了多長時間。不同于相對延時可以優化調整為零，絕對延時無法去除，只能盡量減少。通過圖15可以清晰地對比區分絕對延時和相對延時。

圖15：絕對延時示意

根據過往經驗，絕大多數系統監看鏈路延時處于主觀可接受范圍內，但在個別大型、復雜系統的特殊應用場景下，監看絕對延時過大的問題暴露，并引發一系列連鎖反應，在制作過程中對導播、攝像等工作人員產生干擾，進而影響制作體驗與節目質量，后文將以實際案例分析絕對延時過大可能帶來的問題。

監看鏈路絕對延時有哪些測量方法呢？比較常用的是圖16所示秒表拍照法。用電腦打開在線秒表，并在電腦前架設一臺訊道機，對準電腦屏幕拍攝，將拍攝信號調度至大屏，最后用手機高快門同時拍照大屏和電腦。通過計算電腦秒表及大屏回顯時間的差值即可得到監看鏈路近似絕對延時。類似的方法，還可以用放機輸出帶有時碼的畫面至大屏替代秒表。不過以上兩種方法均存有一定誤差，主要源自于秒表自身精度，不論秒表還是時碼，一秒內的跳變次數都是有限的，手機拍攝到的數值也經常會介于變化過程中一個模糊的數值。所以此方法理論最大誤差會發生在電腦和電視其中一個剛剛跳變為新數值，另一個處于即將跳變的狀態時，即最大誤差為秒表步進分度值乘以2。

圖16：利用在線秒表對比三種不同HDMI轉換盒轉換速度

還可以引申前文介紹的相對測試法來測量監看鏈路的絕對延時，如圖17所示，將LipSync測試信號解嵌，視頻信號經監看鏈路送至大屏，用攝像機拍攝大屏并將本機信號輸出至示波器；音頻信號完成解嵌后直接送至示波器，示波器讀出的數值即為監看鏈路的延時。

圖17：LipSync測試監看鏈路絕對延時

此外，拍攝大屏LipSync信號的方法理論上也可用于測量監看、監聽的相對延時，這時需要用機頭MIC拾監聽音箱聲音給到示波器，見圖18。但拍攝大屏LipSync信號在實測過程中，發現需要反復調整攝像機畫面構圖，直至示波器能夠正確識別信號，需要相當耐心。

圖18：LipSync測試監看、監聽鏈路相對延時

（上述兩種測試方法可能存在一定誤差，僅供參考）

圖19：靈活使用LipSync測試信號實例

4.實際案例剖析

近期交付的4K IP轉播車系統，越來越多的導演區電視墻設計方案采用以商顯或高端電視機為主，輔以專業級監視器的拼接方案，屏幕尺寸通常為55英寸，數量則根據車體布局設計確定。

圖20所示是比較典型的“5+1”案例。由設備布局圖可見，該系統第一導演區共有6塊大屏，其中采用5臺電視機顯示分割畫面，為導播提供信號源監看；1臺索尼PVM-X550專業監視器進行全屏顯示，用以精準呈現系統4K末級HDR畫面的最終效果。

圖20：“5+1”導演區電視墻拼接方案

但是此轉播車系統在制作大型綜藝節目中發現了以下問題：經過音頻主管與導播主觀判斷，需要在導演區監聽延時器加300ms的延時，電視監看與音箱監聽間相對定時才不至于察覺出明顯不同步。

一個比較特殊的情況是，由于導播需要通過節目音樂來找準切換節奏，進行機位調度，加之個人工作習慣，無論單耳耳麥還是雙耳耳麥佩戴都不是很適應。如果采用通話面板的鵝頸話筒又會將導演區大音量監聽反饋回通話系統，送回機位通話耳機中，與現場擴聲疊加后產生聲學效應對攝像師工作產生干擾，導致攝像無法聽清楚導播指令，影響了節目制作效率。

現場為了能夠以最快速度解決此問題，優先考慮治標，從通話系統入手，降低通話面板拾取到導演區監聽的音量。經過咨詢通話廠家，與通話面板適配的鵝頸話筒基本都是心形指向或全向電容麥。考慮如果采用強指向話筒替代鵝頸話筒可能會讓導播聲音更加突出，于是在桌面上臨時固定了一個強指向話筒，正對導播，通過模擬轉IP網關接入IP通話系統中。實測在攝像機端聽導播講話有一定改善，可以勉強聽清指令。但是這種解決方法效果還不夠理想，只能作為臨時應對方案。

圖21：在導演臺面架設強指向話筒作為臨時改善方案

因為300ms的監看監聽相對延時遠超出了經驗值，側面說明監看鏈路整體絕對延時一定也是過大的。于是利用節目彩排間隙，繼續尋找視頻鏈路中帶來較大延時的環節或設備，判斷能否針對性進行優化，改善監看絕對延時量，目標將監看絕對延時減小至200ms以內。為此首先要找出監看鏈路中絕對延時最大的節點，并盡可能減少其延時量。

首先被懷疑的是IP MV，因為在設備IP化早期階段，基于軟件的IP MV產品延時就非常大，雖然后來被基于FPGA的IP MV取代，但未經測試尚不清楚本系統內配置的新型產品延時究竟有多大。

圖22：利用相對延時法測量IP MV信號處理時間

采用相對測試法對本系統中IP MV進行測量，結果為40ms，屬于中規中矩的范圍，看來不是監看鏈路總體延時過大的主要原因。之后又用秒表拍照法測試了第二懷疑對象IP-HDMI轉換盒，結果在40ms內（無法精確測量）。既然IP MV以及IP-HDMI轉換盒延時都不至于產生太大影響，鏈路中其他設備CCU、切換臺、IPG信號處理時長又是已知很小且固定的，那么鏈路中可懷疑對象只剩下顯示設備了。

顯示終端總輸入延時=圖像傳輸到顯示終端的時間+顯示終端對圖像進行解析處理的時間+屏幕顯示圖像的時間。高質量的專業監視器是基于FPGA，延時小于一幀；其它顯示終端會有不同情況，既有延時低的情況，也有延時大的情況，例如為了給觀者帶來更艷麗流暢的畫面體驗，會由圖像處理芯片對畫面進行增強和補償，對畫面解析處理會引入一定量的延時。高端顯示終端提供了延時優化方法——將圖像模式改為游戲模式可有效降低HDMI輸入延時。實測多臺不同型號電視的游戲模式，相比標準模式可以降低約120-200ms延時。

圖23：利用服務器帶時碼監看對比游戲模式和標準模式

該系統把大屏調整為游戲模式后，經過重新校對，監聽延時器由原先的300ms可以調整至140ms左右，監看鏈路絕對延時過大的問題得到改善，但導播不戴通話耳麥且監聽音量非常大的極端應用場景中，機位通話還是會存留一定瑕疵。需要留心的一點是，更改商顯或電視的圖像模式后，不要忘記對其重新校色。

5.遠程制作、分布式制作延時

雖然在孤島系統內，絕對延時受關注程度不如相對延時，但在由多套子系統組成的遠程制作系統中，絕對延時需要被重視起來。比如大型賽會期間，轉播車系統需回傳信號至MCR，此時轉播車系統、MCR系統以及兩者之間的信號傳輸都可以視作一個獨立延時環節，其中任一環節絕對延時過大都可能會影響到遠程制作的質量，所以此時測量系統絕對延時是十分有必要的。

不同于系統內部各設備之間的信號傳輸延時小到可以忽視，多地間比如基于LAN/WAN的遠程制作、分布式制作或者是5G回傳時，信號壓縮編解碼以及傳輸延時無法忽略。為了確保信號質量，規避制作風險，該如何對信號傳輸延時進行精確測量呢？

其中難點就在于多地間如何采取一致的時間參考源作為共同的測量基準。國外一家公司提供了基于PTP或NTP網絡時間協議的完整測量方案：現場端用IOS手機下載App，攝像機對準手機拍攝，在系統內部署的信號分析儀即可以毫秒級精度測量出相對延時、絕對延時，還可以校準多機位一致性。在異地遠程制作環境中，通過在關鍵節點部署多臺信號發生儀和分析儀，可以實現分段測量，比如圖24案例，方案中將遠程制作劃分為4個段，為了便于理解，筆者進行了標注——藍色箭頭代表信號發生儀發出測試信號，紫色箭頭代表信號分析儀接收測試信號，相同數字為一組，測量的是所標數字相同段的絕對延時。

值得一提的是，此產品在大型活動中有所應用，一些轉播車上也有它的身影，但是經了解其售價也相對昂貴。

圖24：遠程制作延時示意

總結

IP系統在相對延時和絕對延時兩方面表現與傳統基帶系統十分接近，沒有超出我們的期待，也沒有表現出過大延時。由于各系統設計不盡相同，很難概括出簡單的公式或是經驗法則，典型值只能用作參考。長話短說，在一套精心設計的IP系統中，不應與基帶系統在延時方面有太大的差異。

編輯：黃飛