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 цифровой видеоинтерфейсы, используемые для видео вещательного качества. Соответствующий стандарт, известный как последовательный цифровой интерфейс высокой четкости (HD-SDI), стандартизирован в SMPTE 292M ; это обеспечивает номинальную скорость передачи данных 1,485 Гбит/с. [3]
Были введены дополнительные стандарты SDI 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 стандартное HDTV. 3G-SDI (стандартизован в SMPTE 424M ) состоит из одного последовательного канала со скоростью 2,970 Гбит/с, который позволяет заменить двухканальный HD-SDI. Стандарты 6G-SDI и 12G-SDI были опубликованы 19 марта 2015 г. [7] [8]
Эти стандарты используются для передачи несжатых, незашифрованных цифровых видеосигналов (необязательно включая встроенный звук и временной код) в телевизионных средствах; их также можно использовать для пакетированных данных. SDI используется для соединения различных частей оборудования, таких как записывающие устройства, мониторы, ПК и видеомикшеры. Длина коаксиальных вариантов спецификации варьируется, но обычно она составляет менее 300 метров (980 футов). Оптоволоконные варианты спецификации, такие как 297M, допускают передачу на большие расстояния, ограниченную 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. Некоторые профессиональные зеркальные камеры с поддержкой видео и HD-видео, а также 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 добавить к этим устройствам последовательный цифровой интерфейс. [ нужна цитата ]
Во всех стандартах последовательного цифрового интерфейса используются (один или несколько) коаксиальные кабели с разъемами BNC с номинальным сопротивлением 75 Ом . Это тот же тип кабеля, который используется в аналоговых видеосистемах, что потенциально облегчает модернизацию (хотя для длительных прогонов с более высокими битрейтами могут потребоваться кабели более высокого качества). Заданная амплитуда сигнала на источнике составляет 800 мВ (±10%) от пика до пика; гораздо более низкие напряжения могут быть измерены на приемнике из-за затухания . Используя выравнивание на приемнике, можно отправлять SDI со скоростью 270 Мбит / с на расстояние 300 метров (980 футов) без использования ретрансляторов, но предпочтительнее использовать более короткие длины. Битрейты HD имеют меньшую максимальную длину передачи, обычно 100 метров (330 футов). [9] [10]
Передаются несжатые цифровые компонентные сигналы. Данные кодируются в формате NRZI , а регистр сдвига с линейной обратной связью используется для шифрования данных, чтобы уменьшить вероятность присутствия длинных строк нулей или единиц на интерфейсе. Интерфейс является самосинхронизирующимся и самосинхронизирующимся. Кадрирование осуществляется путем обнаружения специального шаблона синхронизации , который отображается 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 недопустим где-либо еще в полезных данных.
В последовательном цифровом видеосигнале используются несколько скоростей передачи данных:
SMPTE 297-2006 определяет оптоволоконную систему для передачи последовательных цифровых сигналов. Она предназначена для передачи сигналов SMPTE ST 259 (от 143 до 360 Мбит/с), сигналов SMPTE ST 344 (540 Мбит/с), SMPTE ST 292-1. /-2 сигналов (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 стандарт ST 297 также требует проведения испытаний на лазерную безопасность и маркировки всех оптических интерфейсов с указанием соответствия требованиям безопасности, применения и совместимости. [14]
8-битный параллельный цифровой интерфейс определен в Рек. ITU-R Rec. 601 ; это устарело (однако многие статьи различных стандартов предусматривают возможность 8-битного интерфейса).
В приложениях SD и ED формат последовательных данных определяется шириной 10 бит, тогда как в приложениях HD он имеет ширину 20 бит и разделен на два параллельных 10-битных потока данных (известных как Y и C ). Поток данных SD устроен следующим образом:
тогда как потоки данных HD устроены следующим образом:
Для всех последовательных цифровых интерфейсов (за исключением устаревших составных кодировок) исходной кодировкой цвета является формат 4:2:2 YCbCr . Канал яркости (Y) кодируется с полной полосой пропускания (13,5 МГц в SD 270 Мбит/с, ~75 МГц в HD), а два канала цветности (Cb и Cr) подвергаются субдискретизации по горизонтали и кодируются с половинной полосой пропускания (6,75 МГц или 37,5 МГц). Образцы Y, Cr и Cb расположены совместно (получены в один и тот же момент времени), а образец Y' получен в промежутке времени между двумя соседними образцами 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 «цветовой разницы»; дополнительную информацию см. в компонентном видео . В этом разделе обсуждается только собственная цветовая кодировка SDI; возможны другие кодировки цвета, если рассматривать интерфейс как общий 10-битный канал данных. Использование других колориметрических кодировок, а также преобразование в цветовое пространство RGB и обратно обсуждается ниже.
Полезная нагрузка видео (а также полезная нагрузка вспомогательных данных) 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 (широко известный как опорный сигнал синхронизации или TRS ) возникает непосредственно перед первой активной выборкой в каждой строке и сразу после последней активной выборки (и перед началом области горизонтального гашения ). Пакет синхронизации состоит из четырех 10-битных слов, первые три слова всегда одинаковы — 0x3FF, 0, 0; четвертый состоит из 3 битов флага вместе с кодом исправления ошибок. В результате возможны 8 различных пакетов синхронизации.
В HD-SDI и двухканальном интерфейсе пакеты синхронизации должны присутствовать одновременно в потоках данных Y и C. (Некоторая задержка между двумя кабелями в двухканальном интерфейсе допустима; ожидается, что оборудование, поддерживающее двухканальный интерфейс, будет буферизовать ведущий канал, чтобы дать возможность другому каналу догнать его). В интерфейсах SD-SDI и расширенного определения существует только один поток данных и, следовательно, только один пакет синхронизации одновременно. За исключением количества пакетов, 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 начало горизонтального пробела; и биты синхронизации, непосредственно предшествующие области горизонтального гашения, должны иметь H, установленный в единицу. Такие пакеты обычно называются пакетами конца активного видео или EAV- пакетами. Аналогично, в пакете, появляющемся непосредственно перед началом активного видео, H установлен в 0; это начало активного видео или пакета SAV .
Аналогично, бит V используется для указания начала области вертикального гашения; Пакет EAV с V=1 указывает, что следующая строка (считается, что строки начинаются с EAV) является частью вертикального интервала , пакет EAV с V=0 указывает, что следующая строка является частью активного изображения.
Бит F используется в чересстрочных и сегментированных форматах кадров, чтобы указать, исходит ли строка из первого или второго поля (или сегмента). В форматах прогрессивной развертки бит F всегда установлен в ноль.
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 пакетами SAV), содержат поле проверки циклического избыточного кода и индикатор количества строк. Поле CRC предоставляет CRC предыдущей строки (CRC вычисляется независимо для потоков Y и C) и может использоваться для обнаружения битовых ошибок в интерфейсе. Поле количества строк указывает номер текущей строки.
CRC и количество строк не предоставляются в интерфейсах SD и ED. Вместо этого для обеспечения проверки CRC данных может дополнительно использоваться специальный пакет вспомогательных данных, известный как пакет EDH .
Каждой выборке в данном потоке данных присваивается уникальная строка и номер выборки. Во всех форматах первой выборке, следующей сразу за пакетом SAV, присваивается номер выборки 0; следующий образец — образец 1; вплоть до слова XYZ в следующем пакете SAV. В интерфейсах SD, где имеется только один поток данных, нулевой выборкой является выборка Cb; первый образец представляет собой образец Y, второй образец представляет собой образец Cr и третий образец представляет собой образец Y'; образец повторяется оттуда. В интерфейсах HD каждый поток данных имеет свою собственную нумерацию выборок, поэтому 0-я выборка потока данных Y — это выборка Y, следующая выборка — выборка Y' и т. д. Аналогично, первая выборка в потоке данных C — это Cb, за которой следует Cr. , за которым снова следует Cb.
Строки нумеруются последовательно, начиная с 1, до количества строк в кадре указанного формата (обычно 525, 625, 750 или 1125 ( Sony HDVS )). Определение линии 1 несколько условно; однако это однозначно предусмотрено соответствующими стандартами. В системах с 525 строками 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 считается, что строки начинаются с EAV, тогда как нулевая выборка — это выборка, следующая за SAV. Это приводит к несколько сбивающему с толку результату: первый сэмпл в данной строке видео 1080i имеет номер сэмпла 1920 (первый сэмпл EAV в этом формате), а строка заканчивается на следующем сэмпле 1919 (последний активный сэмпл в этом формате). Обратите внимание, что это поведение несколько отличается от аналоговых видеоинтерфейсов, где считается, что переход строки происходит во время синхроимпульса, который происходит примерно на полпути через область горизонтального гашения.
Нумерация ссылок является проблемой только в многоканальных интерфейсах. Первой ссылке ( основной ссылке) присваивается номер ссылки 1, последующим ссылкам присваиваются возрастающие номера ссылок; Итак, 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 спроектирована таким образом, что основной канал может передаваться в одноканальный интерфейс и по-прежнему создавать пригодное для использования (хотя и несколько ухудшенное) видео. Вторичная ссылка обычно содержит такие вещи, как дополнительные младшие разряды (в 12-битных форматах), несовмещенные семплы в дискретизированном видео 4:4:4 (так что первичная ссылка все еще действительна 4:2:2) и альфа-каналы или каналы данных. . Если второй канал двухканальной конфигурации 1080P отсутствует, первый канал по-прежнему содержит действительный сигнал 1080i.
В случае видео 1080p60, 59,94 или 50 Гц по двухканальному каналу; каждая ссылка содержит действительный сигнал 1080i с одинаковой скоростью передачи данных. 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 нечетных полей и нечетные строки четных полей. поля. Когда два канала объединяются, результатом является изображение с прогрессивной разверткой и более высокой частотой кадров.
Как и SMPTE 259M , SMPTE 292M поддерживает стандарт SMPTE 291M для вспомогательных данных. Вспомогательные данные предоставляются в виде стандартизированного транспорта для полезной нагрузки, не связанной с видео, в последовательном цифровом сигнале; он используется для таких вещей, как встроенный звук , субтитры , тайм-код и другие виды метаданных . Вспомогательные данные обозначаются пакетом из трех слов, состоящим из 0, 3FF, 3FF (противоположным заголовку пакета синхронизации), за которым следует двухсловный идентификационный код, слово счета данных (обозначающее 0–255 слов полезной нагрузки), фактическая полезная нагрузка и контрольная сумма, состоящая из одного слова. За исключением использования в заголовке, коды, запрещенные для полезной нагрузки видео, также запрещены для полезной нагрузки вспомогательных данных.
Конкретные применения вспомогательных данных включают встроенное аудио, EDH, VPID и SDTI.
В приложениях с двойной связью вспомогательные данные в основном находятся в первичном канале; вторичная ссылка должна использоваться для вспомогательных данных только в том случае, если на первичной ссылке нет места. Единственным исключением из этого правила является пакет VPID; оба канала должны иметь действительный пакет VPID.
Последовательные интерфейсы HD и SD обеспечивают 16 каналов встроенного звука. В двух интерфейсах используются 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 в 48 кГц, 24-битные аудиоканалы вместе с видео. Обычно сохраняется 24-битный звук PCM с частотой 48 кГц (20 бит в SD, но с возможностью расширения до 24 бит), напрямую совместимый с цифровым аудиоинтерфейсом AES3 . Они помещаются в периоды (горизонтального) гашения, когда сигнал SDI не несет ничего полезного, поскольку приемник генерирует свои собственные сигналы гашения из TRS.
В двухканальных приложениях доступно 32 канала аудио, 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 стандартной четкости не содержит контрольной суммы, CRC или другой проверки целостности данных, пакет EDH ( обнаружение и обработка ошибок ) может быть дополнительно помещен в вертикальный интервал видеосигнала. Этот пакет включает в себя значения CRC как для активного изображения, так и для всего поля (исключая те строки, на которых может произойти переключение и которые не должны содержать полезных данных); оборудование может вычислить свою собственную CRC и сравнить ее с полученной CRC, чтобы обнаружить ошибки.
EDH обычно используется только с интерфейсом стандартной четкости; наличие слов CRC в интерфейсе HD делает пакеты EDH ненужными.
Пакеты VPID (или идентификатор полезной нагрузки видео) все чаще используются для описания формата видео. В ранних версиях последовательного цифрового интерфейса всегда можно было однозначно определить формат видео, 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) обеспечивает способ уникально и однозначно идентифицировать формат полезной нагрузки видео.
Активная часть видеосигнала определяется как те выборки, которые следуют за пакетом SAV и предшествуют следующему пакету EAV; где в соответствующих пакетах EAV и SAV бит V установлен в ноль. Именно в активной части хранится фактическая информация об изображении.
В последовательном цифровом интерфейсе возможны несколько цветовых кодировок. По умолчанию (и наиболее распространенный случай) — 10-битные видеоданные с линейной выборкой, закодированные как 4:2:2 YCbCr . (YCbCr — это цифровое представление цветового пространства YPbPr ). Образцы видео сохраняются, как описано выше. Слова данных соответствуют уровням сигналов соответствующих видеокомпонентов следующим образом:
Обратите внимание, что масштабирование каналов яркости и цветности не идентично. Минимальный и максимальный из этих диапазонов представляют собой предпочтительные пределы сигнала, хотя полезная нагрузка видео может выходить за пределы этих диапазонов (при условии, что зарезервированные кодовые слова 0–3 и 1020–1023 никогда не используются для полезной нагрузки видео). Кроме того, соответствующий аналоговый сигнал может выходить за пределы этого диапазона.
Поскольку YPbPr (и YCbCr) оба получены из цветового пространства RGB , требуются средства преобразования. В цифровом видео обычно используются три колориметрии :
Двухканальные интерфейсы и интерфейсы 3 Гбит/с дополнительно поддерживают другие кодировки цветов, помимо 4:2:2 YCbCr, а именно:
Если используется кодировка RGB, все три основных цвета кодируются так же, как канал Y; значение 64 (40 шестнадцатеричный) соответствует 0 мВ, а 940 (3AC шестнадцатеричный) соответствует 700 мВ.
12-битные приложения масштабируются так же, как и их 10-битные аналоги; дополнительные два бита считаются младшими битами .
Для частей областей гашения по вертикали и горизонтали, которые не используются для вспомогательных данных, рекомендуется присвоить выборкам яркости кодовое слово 64 (40 шестнадцатеричных), а выборкам цветности — 512 (200 шестнадцатеричных); оба из которых соответствуют 0 мВ. Допустимо кодировать аналоговую информацию вертикального интервала (например, временной код вертикального интервала или тестовые сигналы вертикального интервала) без нарушения интерфейса, но такое использование является нестандартным (и вспомогательные данные являются предпочтительным средством передачи метаданных). Однако преобразование аналоговых сигналов синхронизации и пакетных сигналов в цифровые не рекомендуется, да и в цифровом интерфейсе это не требуется.
Различные форматы изображений предъявляют разные требования к цифровому гашению, например, все так называемые 1080-строчные форматы HD имеют 1080 активных строк, но всего 1125 строк, а остальное составляет вертикальное гашение. [1]
Различные версии последовательного цифрового интерфейса поддерживают множество видеоформатов:
Помимо описанного здесь обычного последовательного цифрового интерфейса, существует несколько других подобных интерфейсов, которые похожи на последовательный цифровой интерфейс или содержатся в нем.
Существует расширенная спецификация, называемая SDTI ( последовательный интерфейс передачи данных ), 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 реального времени (2x, 4x,...). Соответствующий стандарт, известный как HD-SDTI, обеспечивает аналогичные возможности через интерфейс SMPTE 292M.
Интерфейс SDTI определяется SMPTE 305M. Интерфейс HD-SDTI определяется 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 оптическому волокну. ASI — это популярный способ транспортировки вещательных программ из студии к конечному оборудованию для передачи, прежде чем они достигнут зрителей, сидящих дома.
Стандарт ASI является частью стандарта цифрового видеовещания (DVB).
Стандарт SMPTE 349M: Транспортировка альтернативных форматов исходного изображения через SMPTE 292M определяет средства инкапсуляции нестандартных видеоформатов с низким битрейтом 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 удовлетворения требований форматов с более низким битрейтом; вместо этого он предоставляет средства, с помощью которых весь формат SDI (включая слова синхронизации, вспомогательные данные и полезные данные видео) может быть инкапсулирован и передан как обычные полезные данные в потоке размером 292 МБ.
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 . В основном он используется в потребительской сфере, но все чаще применяется в профессиональных устройствах, включая несжатое видео, часто называемое чистым HDMI .
Стандарт G.703 — еще один высокоскоростной цифровой интерфейс, изначально разработанный для телефонии.
Стандарт HDcctv воплощает адаптацию SDI для приложений видеонаблюдения, не 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 для CoaXPress достигает 12,5 Гбит/с по одному коаксиальному кабелю. В стандарт также включены восходящий канал со скоростью 41 Мбит/с и питание по коаксиальному кабелю.