Последовательный цифровой интерфейс ( SDI ) — это семейство цифровых видеоинтерфейсов, впервые стандартизированных SMPTE (Обществом инженеров кино и телевидения) в 1989 году. [1] [2] Например, ITU-R BT.656 и SMPTE 259M определяют цифровые видеоинтерфейсы, используемые для вещательного видео. Соответствующий стандарт, известный как последовательный цифровой интерфейс высокой четкости (HD-SDI), стандартизирован в SMPTE 292M ; он обеспечивает номинальную скорость передачи данных 1,485 Гбит/с. [3]
Дополнительные стандарты SDI были введены для поддержки увеличения разрешения видео ( HD , UHD и выше), частоты кадров , стереоскопического (3D) видео , [4] [5] и глубины цвета . [6] Двухканальный HD-SDI состоит из пары каналов SMPTE 292M, стандартизированных SMPTE 372M в 1998 году; [2] это обеспечивает номинальный интерфейс 2,970 Гбит/с, используемый в приложениях (таких как цифровое кино или HDTV 1080P), которые требуют большей точности и разрешения, чем может обеспечить стандартный HDTV. 3G-SDI (стандартизированный в SMPTE 424M ) состоит из одного последовательного канала 2,970 Гбит/с, который позволяет заменить двухканальный HD-SDI. Стандарты 6G-SDI и 12G-SDI были опубликованы 19 марта 2015 года. [7] [8]
Эти стандарты используются для передачи несжатых, незашифрованных цифровых видеосигналов (опционально включая встроенный звук и временной код) в телевизионных установках; они также могут использоваться для пакетированных данных. SDI используется для соединения между собой различных единиц оборудования, таких как рекордеры, мониторы, ПК и видеомикшеры. Коаксиальные варианты спецификации варьируются по длине, но обычно не превышают 300 метров (980 футов). Оптоволоконные варианты спецификации, такие как 297M, позволяют осуществлять передачу на большие расстояния, ограниченные только максимальной длиной волокна или повторителями. SDI и HD-SDI обычно доступны только в профессиональном видеооборудовании, поскольку различные лицензионные соглашения ограничивают использование незашифрованных цифровых интерфейсов, таких как SDI, запрещая их использование в потребительском оборудовании. Несколько профессиональных видеокамер и DSLR- камер с поддержкой HD-видео и все потребительские камеры с поддержкой несжатого видео используют интерфейс HDMI , часто называемый чистым HDMI . Существуют различные комплекты модификаций для существующих DVD-плееров и других устройств, которые позволяют пользователю добавлять последовательный цифровой интерфейс к этим устройствам. [ необходима цитата ]
Различные стандарты последовательного цифрового интерфейса используют (один или несколько) коаксиальных кабелей с разъемами BNC с номинальным сопротивлением 75 Ом . Это тот же тип кабеля, который используется в аналоговых видеоустановках, что потенциально упрощает модернизацию (хотя для длинных участков при более высоких скоростях передачи данных могут потребоваться кабели более высокого качества). Указанная амплитуда сигнала на источнике составляет 800 мВ (±10%) от пика до пика; на приемнике можно измерить гораздо более низкие напряжения из-за затухания . Используя выравнивание на приемнике, можно отправлять 270 Мбит/с SDI на расстояние более 300 метров (980 футов) без использования повторителей, но предпочтительны более короткие длины. HD-битрейты имеют более короткую максимальную длину пробега, обычно 100 метров (330 футов). [9] [10]
Передаются несжатые сигналы цифровых компонентов . Данные кодируются в формате NRZI , а регистр сдвига с линейной обратной связью используется для скремблирования данных, чтобы уменьшить вероятность того, что длинные строки нулей или единиц будут присутствовать на интерфейсе. Интерфейс является самосинхронизирующимся и самотактирующимся. Кадрирование выполняется путем обнаружения специального шаблона синхронизации , который появляется в (нескремблированном) последовательном цифровом сигнале как последовательность из десяти единиц, за которыми следуют двадцать нулей (двадцать единиц, за которыми следуют сорок нулей в HD); этот битовый шаблон не является законным нигде в пределах полезной нагрузки данных.
В последовательном цифровом видеосигнале используются несколько скоростей передачи данных:
SMPTE 297-2006 определяет оптоволоконную систему для передачи цифровых сигналов битовой последовательности. Она предназначена для передачи сигналов SMPTE ST 259 (от 143 до 360 Мбит/с), сигналов SMPTE ST 344 (540 Мбит/с), сигналов SMPTE ST 292-1/-2 (1,485 Гбит/с и 1,485/1,001 Гбит/с) и сигналов SMPTE ST 424 (2,970 Гбит/с и 2,970/1,001 Гбит/с). В дополнение к оптическим спецификациям, ST 297 также требует проведения испытаний на безопасность лазеров и маркировки всех оптических интерфейсов для указания соответствия требованиям безопасности, применения и совместимости. [14]
8-битный параллельный цифровой интерфейс определен в Рекомендации МСЭ-Р 601 ; он устарел (однако многие положения в различных стандартах предусматривают возможность 8-битного интерфейса).
В приложениях SD и ED формат последовательных данных определяется шириной 10 бит, тогда как в приложениях HD он составляет 20 бит, разделенных на два параллельных 10-битных потока данных (известных как Y и C ). Поток данных SD организован следующим образом:
тогда как потоки данных HD организованы следующим образом:
Для всех последовательных цифровых интерфейсов (за исключением устаревших композитных кодировок) собственное кодирование цвета — это формат 4:2:2 YCbCr . Канал яркости (Y) кодируется в полной полосе пропускания (13,5 МГц в 270 Мбит/с SD, ~75 МГц в HD), а два канала цветности (Cb и Cr) подвергаются горизонтальной субдискретизации и кодируются в половинной полосе пропускания (6,75 МГц или 37,5 МГц). Выборки Y, Cr и Cb совмещены ( получены в один и тот же момент времени), а выборка Y' получена в момент времени на полпути между двумя соседними выборками Y.
В приведенном выше примере Y относится к образцам яркости , а C — к образцам цветности . Cr и Cb далее относятся к красному и синему каналам «цветового различия»; см. раздел Компонентное видео для получения дополнительной информации. В этом разделе обсуждается только собственное кодирование цветов SDI; другие кодирования цветов возможны при обработке интерфейса как универсального 10-битного канала данных. Использование других кодировок колориметрии и преобразование в цветовое пространство RGB и обратно обсуждаются ниже.
Видеополезная нагрузка (а также вспомогательные данные) может использовать любое 10-битное слово в диапазоне от 4 до 1019 (от 004 16 до 3FB 16 ) включительно; значения 0–3 и 1020–1023 (3FC 16 –3FF 16 ) зарезервированы и не могут появляться нигде в полезной нагрузке. Эти зарезервированные слова имеют две цели; они используются как для пакетов синхронизации, так и для заголовков вспомогательных данных.
Пакет синхронизации (обычно известный как опорный сигнал синхронизации или TRS ) появляется непосредственно перед первым активным образцом в каждой строке и сразу после последнего активного образца (и перед началом области горизонтального гашения ). Пакет синхронизации состоит из четырех 10-битных слов, первые три слова всегда одинаковы — 0x3FF, 0, 0; четвертое состоит из 3 битов флага вместе с кодом исправления ошибок. В результате возможны 8 различных пакетов синхронизации.
В интерфейсах HD-SDI и dual link пакеты синхронизации должны происходить одновременно в обоих потоках данных Y и C. (Некоторая задержка между двумя кабелями в интерфейсе dual link допустима; оборудование, поддерживающее dual link, должно буферизировать ведущий канал, чтобы позволить другому каналу догнать его). В интерфейсах SD-SDI и расширенной четкости есть только один поток данных и, следовательно, только один пакет синхронизации за раз. За исключением вопроса о том, сколько пакетов появляется, их формат одинаков во всех версиях последовательно-цифрового интерфейса.
Биты флагов, находящиеся в четвертом слове (обычно известном как слово XYZ ), известны как H, F и V. Бит H указывает на начало горизонтального пробела; а биты синхронизации, непосредственно предшествующие области горизонтального пробела, должны иметь H, установленный на единицу. Такие пакеты обычно называют пакетами End of Active Video или EAV . Аналогично, пакет, появляющийся непосредственно перед началом активного видео, имеет H, установленный на 0; это пакет Start of Active Video или SAV .
Аналогично бит V используется для указания начала области вертикального гашения; пакет EAV с V=1 указывает, что следующая строка (строки считаются начинающимися с EAV) является частью вертикального интервала , пакет EAV с V=0 указывает, что следующая строка является частью активного изображения.
Бит F используется в форматах с чересстрочной разверткой и сегментированными кадрами для указания того, исходит ли строка из первого или второго поля (или сегмента). В форматах с прогрессивной разверткой бит F всегда равен нулю.
В последовательном цифровом интерфейсе высокой четкости (и в двухканальном HD) предусмотрены дополнительные контрольные слова для повышения надежности интерфейса. В этих форматах четыре выборки, следующие сразу за пакетами EAV (но не за пакетами SAV), содержат поле циклической проверки избыточности и индикатор количества строк. Поле CRC предоставляет CRC предыдущей строки (CRC вычисляются независимо для потоков Y и C) и может использоваться для обнаружения ошибок битов в интерфейсе. Поле количества строк указывает номер текущей строки.
CRC и количество строк не предоставляются в интерфейсах SD и ED. Вместо этого может быть опционально использован специальный вспомогательный пакет данных, известный как пакет EDH, для обеспечения проверки CRC данных.
Каждому образцу в данном потоке данных назначается уникальная строка и номер образца. Во всех форматах первому образцу, следующему сразу за пакетом SAV, назначается номер образца 0; следующему образцу — образец 1; и так до слова XYZ в следующем пакете SAV. В интерфейсах SD, где есть только один поток данных, 0-й образец — это образец Cb; 1-й образец — образец Y, 2-й образец — образец Cr, а третий образец — образец Y'; шаблон повторяется оттуда. В интерфейсах HD каждый поток данных имеет свою собственную нумерацию образцов, поэтому 0-й образец потока данных Y — это образец Y, следующий образец — образец Y' и т. д. Аналогично, первый образец в потоке данных C — это Cb, за ним следует Cr, а затем снова Cb.
Строки нумеруются последовательно, начиная с 1, вплоть до количества строк в кадре указанного формата (обычно 525, 625, 750 или 1125 ( Sony HDVS )). Определение строки 1 несколько произвольно; однако оно однозначно указано соответствующими стандартами. В 525-строчных системах первая строка вертикального пробела — это строка 1, тогда как в других чересстрочных системах (625 и 1125 строк) первая строка после перехода бита F в ноль — это строка 1.
Обратите внимание, что строки считаются начинающимися с EAV, тогда как нулевой выборкой является выборка, следующая за SAV. Это приводит к несколько запутанному результату, когда первая выборка в данной строке видео 1080i — это выборка номер 1920 (первая выборка EAV в этом формате), а строка заканчивается на следующей выборке 1919 (последняя активная выборка в этом формате). Обратите внимание, что это поведение несколько отличается от аналоговых видеоинтерфейсов, где переход строки считается происходящим на синхроимпульсе, который происходит примерно на полпути через область горизонтального гашения.
Нумерация ссылок является проблемой только в многоканальных интерфейсах. Первому каналу ( основному каналу) назначается номер канала 1, последующим каналам назначаются увеличивающиеся номера каналов; таким образом, второй ( вторичный ) канал в двухканальной системе — это канал 2. Номер канала данного интерфейса указывается пакетом VPID, расположенным в вертикальном пространстве вспомогательных данных.
Обратите внимание, что структура данных в двухканальном режиме разработана таким образом, что первичный канал может быть подключен к одноканальному интерфейсу и при этом по-прежнему производить пригодное для использования (хотя и несколько ухудшенное) видео. Вторичный канал обычно содержит такие вещи, как дополнительные LSB (в 12-битных форматах), несовмещенные выборки в видео с выборкой 4:4:4 (так что первичный канал все еще действителен 4:2:2) и альфа-каналы или каналы данных. Если второй канал конфигурации двухканального канала 1080P отсутствует, первый канал все еще содержит действительный сигнал 1080i.
В случае видео 1080p60, 59,94 или 50 Гц по двойной ссылке; каждая ссылка содержит действительный сигнал 1080i с той же частотой полей. Первая ссылка содержит 1-ю, 3-ю и 5-ю строки нечетных полей и 2-ю, 4-ю, 6-ю и т. д. строки четных полей, а вторая ссылка содержит четные строки на нечетных полях и нечетные строки на четных полях. Когда две ссылки объединяются, результатом является изображение с прогрессивной разверткой на более высокой частоте кадров.
Как и SMPTE 259M , SMPTE 292M поддерживает стандарт SMPTE 291M для вспомогательных данных. Вспомогательные данные предоставляются как стандартизированный транспорт для полезной нагрузки, не относящейся к видео, в последовательном цифровом сигнале; он используется для таких вещей, как встроенное аудио , субтитры , временной код и другие виды метаданных . Вспомогательные данные обозначаются пакетом из 3 слов, состоящим из 0, 3FF, 3FF (противоположность заголовку пакета синхронизации), за которым следует двухсловный идентификационный код, слово количества данных (указывающее 0–255 слов полезной нагрузки), фактическая полезная нагрузка и контрольная сумма из одного слова. За исключением их использования в заголовке, коды, запрещенные для полезной нагрузки видео, также запрещены для полезной нагрузки вспомогательных данных.
Конкретные приложения вспомогательных данных включают встроенное аудио, EDH, VPID и SDTI.
В приложениях с двойным каналом вспомогательные данные в основном находятся на первичном канале; вторичный канал должен использоваться для вспомогательных данных только в том случае, если на первичном канале нет места. Исключением из этого правила является пакет VPID; в обоих каналах должен присутствовать действительный пакет VPID.
Оба последовательных интерфейса HD и SD обеспечивают 16 каналов встроенного звука. Эти два интерфейса используют разные методы инкапсуляции звука — SD использует стандарт SMPTE 272M, тогда как HD использует стандарт SMPTE 299M. В любом случае сигнал SDI может содержать до шестнадцати аудиоканалов (8 пар) встроенных 48 кГц, 24-битных аудиоканалов вместе с видео. Обычно хранится 48 кГц, 24-битный (20 бит в SD, но расширяемый до 24 бит) PCM- звук, способом, напрямую совместимым с цифровым аудиоинтерфейсом AES3 . Они размещаются в (горизонтальных) периодах гашения, когда сигнал SDI не несет ничего полезного, поскольку приемник генерирует собственные сигналы гашения из TRS.
В двухканальных приложениях доступны 32 аудиоканала, поскольку каждое соединение может передавать 16 каналов.
SMPTE ST 299-2:2010 расширяет интерфейс 3G SDI, позволяя передавать 32 аудиоканала (16 пар) по одному каналу.
Поскольку интерфейс стандартного определения не несет контрольной суммы, CRC или другой проверки целостности данных , пакет EDH ( Error Detection and Handling ) может быть опционально помещен в вертикальный интервал видеосигнала. Этот пакет включает значения CRC как для активного изображения, так и для всего поля (за исключением тех строк, на которых может происходить переключение, и которые не должны содержать полезных данных); оборудование может вычислять свой собственный CRC и сравнивать его с полученным CRC для обнаружения ошибок.
EDH обычно используется только с интерфейсом стандартной четкости; наличие слов CRC в интерфейсе HD делает пакеты EDH ненужными.
Пакеты VPID (или идентификатор видеополезной нагрузки) все чаще используются для описания видеоформата. В ранних версиях последовательного цифрового интерфейса всегда можно было однозначно определить видеоформат, подсчитав количество строк и выборок между переходами H и V в TRS. С появлением двухканальных интерфейсов и стандартов сегментированных кадров это стало невозможно; таким образом, стандарт VPID (определенный SMPTE 352M) предоставляет способ уникальной и недвусмысленной идентификации формата видеополезной нагрузки.
Активная часть видеосигнала определяется как те образцы, которые следуют за пакетом SAV и предшествуют следующему пакету EAV; где соответствующие пакеты EAV и SAV имеют бит V, установленный на ноль. Именно в активной части хранится фактическая информация об изображении.
В последовательном цифровом интерфейсе возможны несколько кодировок цвета. По умолчанию (и наиболее распространенный случай) используются 10-битные линейно-дискретизированные видеоданные, закодированные как 4:2:2 YCbCr . (YCbCr — это цифровое представление цветового пространства YPbPr ). Образцы видео сохраняются, как описано выше. Слова данных соответствуют уровням сигнала соответствующих видеокомпонентов, как указано ниже:
Обратите внимание, что масштабирование каналов яркости и цветности не идентично. Минимальное и максимальное значения этих диапазонов представляют предпочтительные пределы сигнала, хотя полезная видеонагрузка может выходить за пределы этих диапазонов (при условии, что зарезервированные кодовые слова 0–3 и 1020–1023 никогда не используются для полезной видеонагрузки). Кроме того, соответствующий аналоговый сигнал может иметь отклонения дальше за пределы этого диапазона.
Поскольку YPbPr (и YCbCr) оба получены из цветового пространства RGB , требуется средство преобразования. Существует три колориметрии, которые обычно используются с цифровым видео:
Интерфейсы dual-link и 3 Гбит/с дополнительно поддерживают другие цветовые кодировки помимо 4:2:2 YCbCr, а именно:
Если используется кодировка RGB, все три основных цвета кодируются таким же образом, как и канал Y; значение 64 (40 hex) соответствует 0 мВ, а 940 (3AC hex) соответствует 700 мВ.
12-битные приложения масштабируются аналогично своим 10-битным аналогам; дополнительные два бита считаются младшими битами .
Для частей областей вертикального и горизонтального гашения, которые не используются для вспомогательных данных, рекомендуется, чтобы образцам яркости было назначено кодовое слово 64 (40 hex), а образцам цветности — 512 (200 hex); оба из которых соответствуют 0 мВ. Допустимо кодировать аналоговую информацию о вертикальном интервале (такую как временной код вертикального интервала или тестовые сигналы вертикального интервала) без нарушения интерфейса, но такое использование нестандартно (и вспомогательные данные являются предпочтительным средством для передачи метаданных). Однако преобразование аналоговых сигналов синхронизации и импульсных сигналов в цифровые не рекомендуется, и ни то, ни другое не является необходимым в цифровом интерфейсе.
Различные форматы изображений имеют различные требования к цифровому гашению, например, все так называемые 1080-строчные HD-форматы имеют 1080 активных строк, но 1125 общих строк, а остальное — вертикальное гашение. [1]
Различные версии последовательного цифрового интерфейса поддерживают многочисленные видеоформаты:
Помимо обычного последовательного цифрового интерфейса, описанного здесь, существует несколько других подобных интерфейсов, которые похожи на последовательный цифровой интерфейс или содержатся в нем.
Существует расширенная спецификация, называемая SDTI ( Serial Data Transport Interface ), которая позволяет передавать сжатые (т. е. DV , MPEG и другие) видеопотоки по линии SDI. Это позволяет передавать несколько видеопотоков по одному кабелю или передавать видео быстрее, чем в реальном времени (2x, 4x,...). Родственный стандарт, известный как HD-SDTI, обеспечивает аналогичные возможности по интерфейсу SMPTE 292M.
Интерфейс SDTI определен стандартом SMPTE 305M. Интерфейс HD-SDTI определен стандартом SMPTE 348M.
Спецификация асинхронного последовательного интерфейса (ASI) описывает, как передавать транспортный поток MPEG (MPEG-TS), содержащий несколько видеопотоков MPEG, по медному коаксиальному кабелю сопротивлением 75 Ом или многомодовому оптоволокну. ASI — популярный способ передачи вещательных программ из студии на конечное передающее оборудование, прежде чем они достигнут зрителей, сидящих дома.
Стандарт ASI является частью стандарта цифрового видеовещания (DVB).
Стандарт SMPTE 349M: Transport of Alternate Source Image Formats through SMPTE 292M определяет способ инкапсуляции нестандартных и низкоскоростных видеоформатов в интерфейс HD-SDI. Этот стандарт позволяет, например, мультиплексировать несколько независимых видеосигналов стандартной четкости на интерфейс HD-SDI и передавать их по одному проводу. Этот стандарт не просто настраивает синхронизацию EAV и SAV для соответствия требованиям низкоскоростных форматов; вместо этого он предоставляет способ, с помощью которого весь формат SDI (включая слова синхронизации, вспомогательные данные и полезную нагрузку видео) может быть инкапсулирован и передан как обычная полезная нагрузка данных в потоке 292M.
Интерфейс HDMI — это компактный аудио/видеоинтерфейс для передачи несжатых видеоданных и сжатых/несжатых цифровых аудиоданных с устройства, совместимого с HDMI, на совместимый компьютерный монитор , видеопроектор , цифровое телевидение или цифровое аудиоустройство . Он в основном используется в потребительской сфере, но все чаще используется в профессиональных устройствах, включая несжатое видео, часто называемое чистым HDMI .
Стандарт G.703 — еще один высокоскоростной цифровой интерфейс, изначально разработанный для телефонии.
Стандарт HDcctv представляет собой адаптацию SDI для приложений видеонаблюдения, его не следует путать с TDI — похожим, но другим форматом для камер видеонаблюдения.
Стандарт CoaXPress — это еще один высокоскоростной цифровой интерфейс, изначально разработанный для интерфейсов промышленных камер. Скорость передачи данных CoaXPress достигает 12,5 Гбит/с по одному коаксиальному кабелю. В стандарт также включены восходящий канал 41 Мбит/с и питание по коаксиалу.