Введение

Семейство цифровых видеоинтерфейсов – это серийный цифровой интерфейс, используемый в профессиональном видео. Серийный цифровой интерфейс (SDI) – это семейство цифровых видеоинтерфейсов, впервые стандартизированных SMPTE (Обществом инженеров кино и телевидения) в 1989 году. Например, ITU R BT.656 и SMPTE 259M определяют цифровые видеоинтерфейсы, используемые для вещательного видео. Связанный стандарт, известный как серийный цифровой интерфейс высокой четкости (HD SDI), стандартизован в SMPTE 292M и обеспечивает номинальную скорость передачи данных 1,485 Гбит/с. Дополнительные стандарты SDI были разработаны для поддержки растущих разрешений видео (HD, UHD и выше), частоты кадров, стереоскопического (3D) видео и глубины цвета. Dual link HD SDI состоит из пары каналов SMPTE 292M, стандартизированных SMPTE 372M в 1998 году.

Эти стандарты используются для передачи несжатых, незашифрованных цифровых видеосигналов (с возможностью включения встроенного аудио и тайм-кода) внутри телевизионных студий и центров. Они также могут использоваться для передачи пакетированных данных. SDI применяется для соединения различного оборудования, такого как видеомагнитофоны, мониторы, компьютеры и видеомишеры. Коаксиальные варианты спецификации различаются по длине, но обычно короче, чем оптоволоконные варианты, такие как 297M, которые обеспечивают передачу на большие расстояния, ограниченную только максимальной длиной оптоволокна или использованием ретрансляторов. SDI и HD SDI обычно доступны только в профессиональном видеооборудовании, поскольку различные лицензионные соглашения ограничивают использование незашифрованных цифровых интерфейсов, таких как SDI, и запрещают их применение в потребительском оборудовании. Некоторые профессиональные видео- и HD-камеры DSLR, а также все потребительские камеры, поддерживающие несжатое видео, используют интерфейс HDMI, часто называемый "чистым" HDMI. Существуют различные комплекты для модернизации существующих DVD-плееров и других устройств, позволяющие добавить серийный цифровой интерфейс к этим устройствам.

Электрический интерфейс

Различные стандарты последовательного цифрового интерфейса используют (один или несколько) коаксиальных кабелей с разъемами BNC, с номинальным импедансом 75 Ом. Это тот же тип кабеля, который используется в аналоговых видеосистемах, что потенциально упрощает модернизацию (хотя для длинных участков с более высокой скоростью передачи данных могут потребоваться кабели более высокого качества). Номинальная амплитуда сигнала на передающей стороне составляет 800 мВ (±10%) пик-пик; на приемной стороне из-за затухания могут измеряться значительно более низкие напряжения. Используя эквалайзер на приемнике, можно передавать сигнал SDI со скоростью 270 Мбит/с без использования повторителей, но предпочтительнее использовать более короткие длины кабеля. Для HD-скоростей передачи данных максимальная длина кабеля меньше, обычно передаются несжатые цифровые компонентные сигналы. Данные кодируются в формате NRZI, а для перемешивания данных используется линейный регистр сдвига с обратной связью, чтобы снизить вероятность появления длинных последовательностей нулей или единиц на интерфейсе. Интерфейс самосинхронизирующийся и самовосстанавливающий тактовую частоту. Формирование кадра осуществляется путем обнаружения специальной синхронизирующей последовательности, которая на (неперемешанном) последовательном цифровом сигнале выглядит как последовательность из десяти единиц, за которыми следуют двадцать нулей (двадцать единиц, за которыми следуют сорок нулей в HD); эта битовая последовательность недопустима в других частях полезной нагрузки данных.

Другие интерфейсы

SMPTE 297 2006 определяет систему оптического волокна для передачи последовательных цифровых сигналов. Она предназначена для передачи сигналов SMPTE ST 259 (143–360 Мбит/с), 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). Помимо оптических характеристик, ST 297 также требует проведения испытаний по лазерной безопасности и маркировки всех оптических интерфейсов для указания соответствия требованиям безопасности, области применения и совместимости. Параллельный 8-битный цифровой интерфейс определяется Рекомендацией ITU-R Rec. 601; он устарел (однако многие пункты в различных стандартах допускают возможность использования 8-битного интерфейса).

Пакеты синхронизации

Пакет синхронизации (обычно известный как временной опорный сигнал или TRS) возникает непосредственно перед первым активным отсчетом на каждой строке и непосредственно после последнего активного отсчета (и перед началом горизонтального интервала гашения). Пакет синхронизации состоит из четырех 10-битных слов, первые три слова всегда одинаковы – 0x3FF, 0, 0; четвертое слово состоит из 3 битов флага и кода коррекции ошибок. В результате существует 8 различных возможных пакетов синхронизации. В интерфейсах HD SDI и сдвоенной связи пакеты синхронизации должны одновременно присутствовать как в потоке данных Y, так и в потоке данных C. (Некоторая задержка между двумя кабелями в интерфейсе сдвоенной связи допустима; оборудование, поддерживающее сдвоенную связь, должно буферизировать ведущий канал, чтобы другой канал мог синхронизироваться). В интерфейсах SD SDI и повышенной четкости существует только один поток данных и, следовательно, только один пакет синхронизации в каждый момент времени. За исключением вопроса о количестве пакетов, их формат одинаков во всех версиях последовательного цифрового интерфейса. Биты флагов, содержащиеся в четвертом слове (обычно известном как слово XYZ), обозначаются как H, F и V. Бит H указывает на начало горизонтального интервала гашения; и биты синхронизации, непосредственно предшествующие горизонтальному интервалу гашения, должны иметь H, установленный в единицу. Такие пакеты обычно называют пакетами «Конец активного видео» или EAV. Соответственно, пакет, появляющийся непосредственно перед началом активного видео, имеет H, установленный в 0; это пакет «Начало активного видео» или SAV. Аналогично, бит V используется для обозначения начала вертикального интервала гашения; пакет EAV с V=1 указывает, что следующая строка (строки считаются начинающимися с EAV) является частью вертикального интервала, а пакет EAV с V=0 указывает, что следующая строка является частью активного изображения. Бит F используется в чересстрочных и сегментированных форматах кадров для указания того, из первого или второго поля (или сегмента) получена строка. В форматах прогрессивной развертки бит F всегда устанавливается в ноль.

Счетчик линий и CRC

В серийном цифровом интерфейсе высокой четкости (и в HD с двойной связью) предусмотрены дополнительные контрольные слова для повышения устойчивости интерфейса. В этих форматах четыре отсчета, непосредственно следующие за пакетами EAV (но не за пакетами SAV), содержат поле циклического избыточного кода (CRC) и индикатор номера строки. Поле CRC содержит CRC предыдущей строки (CRC вычисляются независимо для потоков Y и C) и может использоваться для обнаружения битовых ошибок в интерфейсе. Индикатор номера строки указывает номер текущей строки. В интерфейсах SD и ED CRC и номера строк не предоставляются. Вместо этого для проверки данных может опционально использоваться специальный пакет дополнительных данных, известный как пакет EDH.

Нумерация линий и образцов

Каждой выборке в данном потоке данных присваивается уникальный номер строки и номер выборки. Во всех форматах первому образцу, непосредственно следующему за пакетом SAV, присваивается номер образца 0; следующий образец – образец 1; и так далее до слова XYZ в следующем пакете SAV. В интерфейсах SD, где присутствует только один поток данных, образец с номером 0 является образцом Cb; образец с номером 1 – образцом Y, образец с номером 2 – образцом Cr, а образец с номером 3 – образцом Y'; далее шаблон повторяется. В интерфейсах HD каждый поток данных имеет собственную нумерацию образцов, поэтому образец с номером 0 потока данных Y является образцом Y, следующий образец – образцом Y', и так далее. Аналогично, первый образец в потоке данных C – это Cb, за которым следует Cr, а затем снова Cb. Строки нумеруются последовательно, начиная с 1, до количества строк в кадре указанного формата (обычно 525, 625, 750 или 1125 (Sony HDVS)). Определение строки 1 в некоторой степени произвольно; однако оно однозначно определено соответствующими стандартами. В 525-строчных системах первая строка вертикального интервала является строкой 1, в то время как в других разностных системах (625 и 1125 строк) первой строкой является строка, следующая за переходом бита F в ноль. Важно отметить, что строки считаются начинающимися с EAV, а нулевая выборка – это выборка, следующая за SAV. Это приводит к несколько запутанному результату: первый образец в данной строке видео 1080i имеет номер 1920 (первый образец EAV в этом формате), а строка заканчивается следующим образцом 1919 (последний активный образец в этом формате). Следует отметить, что такое поведение несколько отличается от аналоговых видеоинтерфейсов, где переход строки считается происходящим на синхроимпульсе, который возникает примерно на середине горизонтального интервала гашения.

Нумерация ссылок

Нумерация каналов связи актуальна только для многоканальных интерфейсов. Первому каналу (основному каналу) присваивается номер 1, последующим каналам – последовательно возрастающие номера; таким образом, второй (дополнительный) канал в системе с двумя каналами связи имеет номер 2. Номер канала связи данного интерфейса указывается в пакете VPID, расположенном в вертикальном дополнительном пространстве данных. Следует отметить, что структура данных в двухканальной связи разработана таким образом, чтобы основной канал можно было подавать в интерфейс с одним каналом связи, при этом получая работоспособное (хотя и несколько ухудшенное) видео. Дополнительный канал обычно содержит такие данные, как дополнительные младшие биты (в 12-битных форматах), несмещенные отсчеты в видео с дискретизацией 4:4:4 (чтобы основной канал оставался действительным 4:2:2), а также альфа- или каналы данных. Если второй канал в конфигурации с двумя каналами связи 1080P отсутствует, первый канал все равно содержит действительный сигнал 1080i. В случае видео 1080p60, 59.94 или 50 Гц при использовании двухканальной связи, каждый канал содержит действительный сигнал 1080i с той же частотой полей. Первый канал 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 второй канал содержит четные строки нечетных полей и нечетные строки четных полей. При объединении этих двух каналов получается изображение с прогрессивной разверткой с более высокой частотой кадров.

Дополнительные данные

Как и SMPTE 259M, SMPTE 292M поддерживает стандарт SMPTE 291M для дополнительных данных. Дополнительные данные предоставляются в качестве стандартизированного транспорта для невидео полезной нагрузки в последовательном цифровом сигнале и используются для таких целей, как внедренное аудио, скрытые субтитры, таймкод и другие виды метаданных. Дополнительные данные обозначаются пакетом из трех слов, состоящим из 0, 3FF, 3FF (отличное от заголовка пакета синхронизации), за которым следуют двухсловный идентификационный код, слово счетчика данных (указывающее количество от 0 до 255 слов полезной нагрузки), сама полезная нагрузка и однословная контрольная сумма. Коды, запрещенные для полезной нагрузки видео, за исключением их использования в заголовке, также запрещены для полезной нагрузки дополнительных данных. Конкретные области применения дополнительных данных включают внедренное аудио, EDH, VPID и SDTI. В приложениях с двойной связью дополнительные данные в основном находятся на основной линии; вторичная линия должна использоваться для дополнительных данных только в том случае, если на основной линии недостаточно места. Исключением из этого правила является пакет VPID: обе линии должны содержать действительный пакет VPID.

Встроенный звук

И HD, и SD последовательные интерфейсы обеспечивают 16 каналов встроенного звука. Оба интерфейса используют различные методы инкапсуляции звука: SD использует стандарт SMPTE 272M, а HD – стандарт SMPTE 299M. В любом случае, сигнал SDI может содержать до шестнадцати аудиоканалов (8 пар) встроенного 48 кГц, 24-битного звука вместе с видео. Как правило, используется 48 кГц, 24-битный (20 бит в SD, но расширяемый до 24 бит) PCM-аудио, хранящееся способом, напрямую совместимым с цифровым аудиоинтерфейсом AES3. Эти каналы размещаются в (горизонтальных) интервалах обратного хода, когда сигнал SDI не передает полезную информацию, поскольку приемник генерирует собственные сигналы обратного хода из TRS. В приложениях с двойной связью доступно 32 канала звука, так как каждая связь может передавать 16 каналов. SMPTE ST 299 2:2010 расширяет интерфейс 3G SDI, позволяя передавать 32 аудиоканала (16 пар) по одной связи.

ЭДГ

Поскольку интерфейс стандартного разрешения не содержит контрольной суммы, CRC или другой проверки целостности данных, пакет EDH (обнаружение и обработка ошибок) может быть опционально размещен в вертикальном интервале видеосигнала. Этот пакет включает в себя значения CRC как для активной области изображения, так и для всего поля (за исключением строк, на которых может происходить переключение, и которые не должны содержать полезной информации); оборудование может самостоятельно вычислить CRC и сравнить его с полученным CRC для обнаружения ошибок. EDH обычно используется только с интерфейсом стандартного разрешения; наличие CRC в интерфейсе HD делает пакеты EDH ненужными.

VPID

Пакеты VPID (или идентификатор полезной нагрузки видео) все чаще используются для описания видеоформата. В ранних версиях последовательного цифрового интерфейса всегда можно было однозначно определить видеоформат, подсчитывая количество строк и отсчетов между H и V переходами в TRS. С появлением двухканальных интерфейсов и стандартов сегментированных кадров это стало невозможным; таким образом, стандарт VPID (определенный SMPTE 352M) предоставляет способ однозначной и недвусмысленной идентификации формата полезной нагрузки видео.

Видео полезная нагрузка и запятая

Активной частью видеосигнала определяются отсчеты, следующие за пакетом SAV и предшествующие следующему пакету EAV, при условии, что соответствующие пакеты EAV и SAV имеют бит V, установленный в ноль. В активной части хранится непосредственно информация об изображении.

Цветовая кодировка

В серийном цифровом интерфейсе возможно использование нескольких цветовых кодировок. По умолчанию (и в большинстве случаев) применяются 10-битные линейно дискретизированные видеоданные, кодируемые в формате 4:2:2 YCbCr. (YCbCr – это цифровая форма представления цветового пространства YPbPr). Выборки видео хранятся, как описано выше. Слово данных соответствует уровням сигнала соответствующих видеокомпонентов следующим образом:

Канал яркости (Y) определяется так, что уровню сигнала 0 мВ соответствует кодовое слово 64 (40 шестнадцатеричное), а 700 милливольт (полный масштаб) – кодовое слово 940 (3AC шестнадцатеричное). Для каналов цветности 0 мВ соответствует кодовому слову 512 (200 шестнадцатеричное), -350 мВ – кодовому слову 64 (40 шестнадцатеричное), а +350 мВ – кодовому слову 960 (3C0 шестнадцатеричное). Следует отметить, что масштабирование каналов яркости и цветности не идентично. Минимальные и максимальные значения этих диапазонов представляют собой предпочтительные пределы сигнала, однако полезная нагрузка видео может выходить за эти пределы (при условии, что зарезервированные кодовые слова от 0 до 3 и от 1020 до 1023 никогда не используются для полезной нагрузки видео). Кроме того, соответствующий аналоговый сигнал может отклоняться за пределы этого диапазона.

Колориметрия

Поскольку YPbPr (и YCbCr) оба происходят из цветового пространства RGB, требуется способ их преобразования. Существует три колориметрии, обычно используемые с цифровым видео: приложения SD и ED обычно используют колориметрическую матрицу, определенную в ITU R Rec. 601. Большинство приложений HD, с двойной связью и со скоростью 3 Гбит/с используют другую матрицу, определенную в ITU R Rec. 709. Стандарты MUSE HD 1035 строк, определенные SMPTE 260M (в основном использовавшиеся в Японии и в настоящее время в значительной степени устаревшие), использовали колориметрическую матрицу, определенную SMPTE 240M. Эта колориметрия в настоящее время используется редко, поскольку форматы 1035 строк были заменены форматами 1080 строк.

Вертикальные и горизонтальные области загорания

Для частей вертикальных и горизонтальных интервалов развертки, не используемых для дополнительных данных, рекомендуется присваивать выборкам яркости кодовое слово 64 (40 в шестнадцатеричной системе), а выборкам цветности – 512 (200 в шестнадцатеричной системе); оба значения соответствуют 0 мВ. Разрешено кодировать аналоговую информацию вертикального интервала (например, временной код вертикального интервала или тестовые сигналы вертикального интервала) без нарушения работы интерфейса, однако такое использование считается нестандартным (а дополнительные данные являются предпочтительным способом передачи метаданных). Преобразование аналоговых синхроимпульсов и сигналов цветовой синхронизации в цифровые, однако, не рекомендуется и не требуется в цифровом интерфейсе. Различные форматы изображения предъявляют разные требования к цифровой развертке; например, все так называемые HD-форматы с 1080 линиями имеют 1080 активных линий, но в общей сложности 1125 линий, а остальное приходится на вертикальную развертку.

Связанные интерфейсы

В дополнение к описанному здесь стандартному последовательному цифровому интерфейсу, существует несколько других подобных интерфейсов, схожих с ним или являющихся его частью.

SDTI

Существует расширенная спецификация под названием SDTI (Serial Data Transport Interface), которая позволяет передавать сжатые (например, DV, MPEG и другие) видеопотоки по линии SDI. Это обеспечивает возможность передачи нескольких видеопотоков по одному кабелю или видео со скоростью, превышающей реальное время (2x, 4x и т.д.). Связанный стандарт, известный как HD SDTI, предоставляет аналогичные возможности через интерфейс SMPTE 292M. Интерфейс SDTI специфицирован стандартом SMPTE 305M, а интерфейс HD SDTI – стандартом SMPTE 348M.

АСИ

Спецификация асинхронного последовательного интерфейса (ASI) описывает способ передачи MPEG Transport Stream (MPEG TS), содержащего несколько MPEG видеопотоков, по 75-омному коаксиальному медному кабелю или многомодовому оптическому волокну. ASI является распространенным способом доставки телевизионных программ из студии на конечное передающее оборудование перед тем, как они достигнут зрителей. Стандарт ASI входит в состав стандарта цифрового вещания (DVB).

SMPTE 349M

Стандарт SMPTE 349M: Транспорт альтернативных источников изображений через SMPTE 292M, определяет способ инкапсуляции нестандартных видеоформатов с пониженной скоростью передачи данных в интерфейсе HD SDI. Этот стандарт позволяет, например, мультиплексировать несколько независимых видеосигналов стандартной четкости на интерфейс HD SDI и передавать их по одному кабелю. В отличие от простой корректировки временных параметров EAV и SAV для соответствия требованиям форматов с пониженной скоростью передачи данных, этот стандарт предоставляет возможность инкапсулировать и передавать весь формат SDI (включая слова синхронизации, вспомогательные данные и видеопоток) как обычные данные полезной нагрузки в потоке 292M.

HDMI

Интерфейс HDMI – это компактный аудио/видеоинтерфейс для передачи несжатых видеоданных и сжатых/несжатых цифровых аудиоданных с HDMI-совместимого устройства на совместимый компьютерный монитор, видеопроектор, цифровой телевизор или цифровое аудиоустройство. Он широко используется в бытовой технике, но всё чаще применяется и в профессиональном оборудовании, включая передачу несжатого видео, которое часто называют "чистым HDMI".

G.703

Стандарт G.703 — это ещё один высокоскоростной цифровой интерфейс, изначально разработанный для телефонии.

HDcctv

Стандарт HDcctv представляет собой адаптацию SDI для применения в системах видеонаблюдения, его не следует путать с TDI – схожим, но отличным форматом для камер видеонаблюдения.

Коакспресс

Стандарт CoaXPress – это еще один высокоскоростной цифровой интерфейс, изначально разработанный для промышленных камер. Скорость передачи данных в CoaXPress достигает 12,5 Гбит/с по одному коаксиальному кабелю. В стандарт также включен восходящий канал связи со скоростью 41 Мбит/с и питание по коаксиальному кабелю.