一種4鏈路1.5 G-SDI傳輸4K/30P圖像的方法

董騰飛,袁家德

(福州大學(xué)物理與信息工程學(xué)院,福建 福州 350116)

0 引言

近幾年,隨著數(shù)字電視技術(shù)的發(fā)展和人們對(duì)視頻質(zhì)量要求的提升,高清晰度電視和超高清晰度電視逐漸成為主流. 而數(shù)字分量串行接口(即SDI(serial digital interface)[1]接口)的易用性、非壓縮性、高清實(shí)時(shí)性和利用率高等特性,特別適合用于長(zhǎng)距離傳輸高質(zhì)量的視頻圖像. 而4K[2]視頻清晰度高、圖像細(xì)節(jié)豐富、色彩艷麗、觀感好,越來(lái)越成為當(dāng)下數(shù)字電視的主流. 由于受到當(dāng)前傳輸帶寬的限制,現(xiàn)在的廣播電視信號(hào)多采用4K/30P規(guī)格的電視信號(hào),而非更為流暢的4K/60P和4K/120P. 在傳輸超清電視信號(hào)時(shí),若選擇單路SDI則需要極高的帶寬和碼率,甚至需要對(duì)視頻源進(jìn)行壓縮合并,因此,選擇4鏈路傳輸更為合適. 目前,無(wú)論是SMPTE的標(biāo)準(zhǔn)還是其他的研究,大都針對(duì)4鏈路3 G-SDI傳輸4K/60P視頻,或者雙鏈路1.5 G-SDI傳輸1 080P視頻,然而對(duì)于使用4鏈路1.5 G-SDI(即HD-SDI)傳輸4K/30P視頻并沒(méi)有詳細(xì)的涉及. 基于這一點(diǎn),本研究著重探討使用4鏈路1.5 G-SDI傳輸4K/30P視頻的方法.

1 SMPTE標(biāo)準(zhǔn)下的系統(tǒng)框架

通過(guò)對(duì)SMPTE ST 425-5[3]和SMPTE ST 435-1[4]標(biāo)準(zhǔn)的深入研究,總結(jié)出了如圖1所示的4鏈路1.5 G-SDI 的系統(tǒng)框架. 源圖像通過(guò)雙樣本交織分割的方法,分割為四幅子圖像,每幅子圖像單獨(dú)映射為一路SDI.

圖1 基本框架圖Fig.1 Basic frame diagram

2 源圖像處理模塊(雙樣本交織分割)

圖2 雙樣本交織分割Fig.2 2-sample interleave division

子圖像1和子圖像2中的像素點(diǎn)來(lái)源于源圖像中偶數(shù)行的像素點(diǎn),子圖像3和子圖像4中的像素點(diǎn)來(lái)源于源圖像中奇數(shù)行的像素點(diǎn). 源圖像中偶數(shù)行每?jī)蓚€(gè)連續(xù)的水平像素點(diǎn)分別依次分給子圖像1和子圖像2. 同理,源圖像中的奇數(shù)行每?jī)蓚€(gè)連續(xù)的水平像素點(diǎn)分別依次分給子圖像3和子圖像4. 具體的源圖像和子圖像中像素點(diǎn)的對(duì)應(yīng)關(guān)系如表1所示.

表1 源圖像和子圖像中對(duì)應(yīng)像素點(diǎn)和行號(hào)的關(guān)系

3 子圖像映射模塊

圖3 子圖像映射過(guò)程解析Fig.3 Analysis of sub image

圖1中的“過(guò)程2： 子圖像映射為SDI基本流”可以理解為首先將子圖像映射為兩路數(shù)據(jù)流(即亮度流和色度流),然后兩路數(shù)據(jù)流交錯(cuò)復(fù)用為一路SDI基本流[5],如圖3所示.

在進(jìn)行子圖像映射之前,要先清楚地了解數(shù)據(jù)流的基本結(jié)構(gòu)和1.5 Gb·s-1基本流的結(jié)構(gòu),如圖4,圖5所示.

數(shù)據(jù)流的基本格式是固定的,子圖像中的亮度信息映射到數(shù)據(jù)流1中,色度信息映射到數(shù)據(jù)流2中,因?yàn)椴蓸臃绞綖?∶2∶2,因此映射完成后,兩路數(shù)據(jù)流的長(zhǎng)度相等, 見(jiàn)圖4. 映射完成后,兩路數(shù)據(jù)流交錯(cuò)復(fù)用為一路1.5 G-SDI基本流,如圖5所示.

圖4 數(shù)據(jù)流基本結(jié)構(gòu)Fig.4 Basic structure of data stream

圖5 1.5 Gb·s-1 基本流結(jié)構(gòu)Fig.5 Basic structure of 1.5 Gb·s-1 basic stream

3.1 VPID數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

有效載荷標(biāo)識(shí)符(VPID)使用了描述SMPTE串行數(shù)字接口(SDI)接口規(guī)范的4個(gè)重要字節(jié),包括： 數(shù)字接口標(biāo)準(zhǔn)、幀率、采樣結(jié)構(gòu)、縱橫比、比色法、比特深度和信道(鏈路)分配等. 對(duì)于數(shù)據(jù)能否正確傳輸和恢復(fù)有著十分重要的作用.

因?yàn)楸狙芯恐赜懻摰氖荋ANC空間中VPID 的填充,因此數(shù)據(jù)流中其他字節(jié)的填充請(qǐng)參見(jiàn)標(biāo)準(zhǔn)SMPTE ST 292-1.

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)SMPTE ST 292-1[6],VPID(Payload Identifier)應(yīng)該映射到數(shù)據(jù)流1(亮度流)中的輔助數(shù)據(jù)空間(HANC)中.

VPID長(zhǎng)度為4個(gè)Byte,是用來(lái)確認(rèn)數(shù)字接口所傳輸?shù)呢?fù)載類型的. 對(duì)于1 125線逐行掃描格式的視頻,VPID應(yīng)插入到第10行的HANC(水平輔助數(shù)據(jù)空間)中. 其一般結(jié)構(gòu)如表2所示.

VPID輔助數(shù)據(jù)包的具體結(jié)構(gòu)參見(jiàn)文[7]表1c. 其中,ADF,DID,SDID,DC為固定值000h、3FFh、3FFh,41h,01h,04h. 具體參見(jiàn)標(biāo)準(zhǔn)SMPTE ST 291-1.

本研究中4K視頻格式參數(shù)特征與VPID各個(gè)Byte的對(duì)應(yīng)關(guān)系如表3所示. VPID中的Byte1的值與所使用的接口有關(guān),這里使用的是1.485 G-SDI接口,因此,VPID Byte1的值應(yīng)為85 h.

表2 VPID的一般結(jié)構(gòu)

表31.485G-SDI接口下1080線圖像的VPID

Tab.3VPIDfor1080-lineinterlacedandprogressivepayloadsona1.485G-SDI

ByteBit7bit6bit5bit4bit3bit2bit1bit0Byte110000101Byte2隔行傳輸(0)逐行傳輸(1)保留保留幀率Byte3保留1920(0)2048(1)16∶9(1) 未知(0)保留采樣結(jié)構(gòu)Btye4ch1(0h), ch2(1h), ch3(2h), ch4(3h)保留保留保留8bit(0)10bit(1)

Byte2：

Byte2用于確認(rèn)圖像率和圖像傳輸掃描時(shí)所用的方式.

Bits b3到b0用于確認(rèn)圖像的幀率,標(biāo)準(zhǔn)SMPTE ST 352[7]規(guī)定,圖像的幀率為30幀·s-1時(shí),Bits b3～b0的值應(yīng)為7h.

因此,Byte2 的值應(yīng)該為C7h.

Byte3：

Byte3用于定義所使用的屏幕縱橫比,水平像素陣列尺寸以及采樣結(jié)構(gòu).

Bit7保留,應(yīng)設(shè)置為0.

Bit6用于定義子圖像有效像素區(qū)域水平采樣點(diǎn)數(shù)；

b6為0h時(shí),表示有1 920個(gè)有效像素點(diǎn)；

b6為1h時(shí),表示有2 048個(gè)有效像素點(diǎn).

Bit5用于定義子圖像的縱橫比.

b5為0h時(shí),表示子圖像的縱橫比未知;

b5為1h時(shí),表示子圖像的縱橫比為16∶9;

Bits b3到b0用于確定所使用的采樣結(jié)構(gòu),具體值的設(shè)置如表4所示.

因此,在本文所規(guī)定的視頻規(guī)格下,Byte3應(yīng)設(shè)置為20h.

Byte4：

Byte4用于信道識(shí)別和像素量化深度定義. 但是在其他標(biāo)準(zhǔn)中也可以用作其他作用.

當(dāng)用做信道識(shí)別時(shí)Bits b7到b5定義如下：

b7到b5為0h時(shí),表示單信道模式或者多信道模式下的信道1；

b7到b5為1h時(shí),表示多信道模式下的信道2；

b7到b5為2h時(shí),表示多信道模式下的信道3；

?

b7到b5為7h時(shí),表示多信道模式下的信道8.

Bit0用于定義像素量化深度. 當(dāng)量化深度為8 bits時(shí),Bit0 置0； 當(dāng)量化深度為10 bits時(shí),Bit0 置1.

因此,Byte4 的值應(yīng)這樣設(shè)置： 鏈路1為01h,鏈路2為21h,鏈路3為41h,鏈路4為61h.

表4采樣結(jié)構(gòu)比特值對(duì)應(yīng)

Tab.4Assignmentofsamplingstructurevalues

Byte3 b3∶b0值0h1h2h3h4h5h6h7h采樣結(jié)構(gòu)4∶2∶2(Y/Cb/Cr)4∶4∶4(Y/Cb/Cr)4∶4∶4(R/G/B)4∶2∶04∶2∶2∶4(Y/Cb/Cr/A)4∶4∶4∶4(Y/Cb/Cr/A)4∶4∶4∶4(R/G/B/A)SMPTE ST 2048-2 FSByte3 b3∶b0值8h9hAhBhChDhEhFh采樣結(jié)構(gòu)4∶2∶2∶4(Y/Cb/Cr/D)4∶4∶4∶4(Y/Cb/Cr/D)4∶4∶4∶4(R/G/B/D)保留保留保留4∶4∶4(X'Y'Z)保留

4 結(jié)語(yǔ)

對(duì)SMPTE標(biāo)準(zhǔn)中沒(méi)有明確提及的4鏈路1.5 G-SDI傳輸4K/30P的方法進(jìn)行深入的探究和實(shí)驗(yàn). 先后參考標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的單鏈路1.5 G-SDI,雙鏈路1.5 G-SDI和多鏈路3 G-SDI等多種傳輸結(jié)構(gòu),提出了一種基于4鏈路1.5 G-SDI傳輸4K/30P視頻的框架結(jié)構(gòu)和映射方法,其難點(diǎn)在于子圖像的映射模塊和VPID的填充部分. 經(jīng)過(guò)反復(fù)的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證和FPGA仿真,在嘗試多種VPID填充方式之后,終于找到了本研究所討論的具體填充方法. 結(jié)果表明,所提出的子圖像映射方法和VIPD填充方法完全可行.