La interfaz digital en serie ( SDI ) es una familia de interfaces de vídeo digital estandarizadas por primera vez por SMPTE (La Sociedad de Ingenieros de Cine y Televisión) en 1989. [1] [2] Por ejemplo, ITU-R BT.656 y SMPTE 259M definen digital Interfaces de vídeo utilizadas para vídeo de calidad de difusión . Un estándar relacionado, conocido como interfaz digital serial de alta definición (HD-SDI), está estandarizado en SMPTE 292M ; esto proporciona una velocidad de datos nominal de 1,485 Gbit/s. [3]
Se han introducido estándares SDI adicionales para admitir resoluciones de vídeo cada vez mayores ( HD , UHD y superiores), velocidades de fotogramas , vídeo estereoscópico (3D) , [4] [5] y profundidad de color . [6] HD-SDI de doble enlace consta de un par de enlaces SMPTE 292M, estandarizados por SMPTE 372M en 1998; [2] esto proporciona una interfaz nominal de 2,970 Gbit/s utilizada en aplicaciones (como cine digital o HDTV 1080P) que requieren mayor fidelidad y resolución que la que puede proporcionar la HDTV estándar. 3G-SDI (estandarizado en SMPTE 424M ) consta de un único enlace serie de 2.970 Gbit/s que permite sustituir el HD-SDI de doble enlace. Los estándares 6G-SDI y 12G-SDI se publicaron el 19 de marzo de 2015. [7] [8]
Estos estándares se utilizan para la transmisión de señales de vídeo digitales sin comprimir y sin cifrar (que incluyen opcionalmente audio integrado y código de tiempo) dentro de instalaciones de televisión; también se pueden utilizar para datos empaquetados. SDI se utiliza para conectar diferentes equipos como grabadoras, monitores, PC y mezcladores de visión. Las variantes coaxiales de la especificación varían en longitud, pero suelen tener menos de 300 metros (980 pies). Las variantes de fibra óptica de la especificación, como 297M, permiten una transmisión de larga distancia limitada únicamente por la longitud máxima de fibra o repetidores. SDI y HD-SDI normalmente sólo están disponibles en equipos de vídeo profesionales porque varios acuerdos de licencia restringen el uso de interfaces digitales no cifradas, como SDI, prohibiendo su uso en equipos de consumo. Varias cámaras DSLR profesionales con capacidad de vídeo y vídeo HD y todas las cámaras de consumo con capacidad de vídeo sin comprimir utilizan la interfaz HDMI , a menudo denominada HDMI limpio . Existen varios kits de modificación para reproductores de DVD y otros dispositivos existentes, que permiten al usuario agregar una interfaz digital en serie a estos dispositivos. [ cita necesaria ]
Todos los distintos estándares de interfaz digital en serie utilizan (uno o más) cables coaxiales con conectores BNC , con una impedancia nominal de 75 ohmios . Este es el mismo tipo de cable que se usa en configuraciones de video analógico, lo que potencialmente facilita las actualizaciones (aunque pueden ser necesarios cables de mayor calidad para tiradas largas con velocidades de bits más altas). La amplitud de señal especificada en la fuente es de 800 mV (±10%) pico a pico; Se pueden medir voltajes mucho más bajos en el receptor debido a la atenuación . Utilizando la ecualización en el receptor, es posible enviar 270 Mbit/s SDI a más de 300 metros (980 pies) sin el uso de repetidores, pero se prefieren longitudes más cortas. Las velocidades de bits HD tienen una longitud máxima más corta, normalmente 100 metros (330 pies). [9] [10]
Se transmiten señales de componentes digitales sin comprimir . Los datos se codifican en formato NRZI y se utiliza un registro de desplazamiento de retroalimentación lineal para codificar los datos y reducir la probabilidad de que haya largas cadenas de ceros o unos en la interfaz. La interfaz se sincroniza y sincroniza automáticamente. El encuadre se realiza mediante la detección de un patrón de sincronización especial , que aparece en la señal digital en serie (no codificada) como una secuencia de diez unos seguidos de veinte ceros (veinte unos seguidos de cuarenta ceros en HD); Este patrón de bits no es legal en ningún otro lugar dentro de la carga útil de datos.
Se utilizan varias velocidades de bits en la señal de vídeo digital en serie:
SMPTE 297-2006 define un sistema de fibra óptica para transmitir señales digitales de bits en serie. Está diseñado para transmitir señales SMPTE ST 259 (143 a 360 Mbit/s), señales SMPTE ST 344 (540 Mbit/s), SMPTE ST 292-1 Señales /-2 (1.485 Gbit/s y 1.485/1.001 Gbit/s) y señales SMPTE ST 424 (2.970 Gbit/s y 2.970/1.001 Gbit/s). Además de las especificaciones ópticas, ST 297 también exige pruebas de seguridad láser y que todas las interfaces ópticas estén etiquetadas para indicar el cumplimiento, la aplicación y la interoperabilidad de la seguridad. [14]
Una interfaz digital paralela de 8 bits se define en la Rec. UIT-R. 601 ; esto está obsoleto (sin embargo, muchas cláusulas de los distintos estándares contemplan la posibilidad de una interfaz de 8 bits).
En aplicaciones SD y ED, el formato de datos en serie se define en 10 bits de ancho, mientras que en aplicaciones HD tiene 20 bits de ancho, divididos en dos flujos de datos paralelos de 10 bits (conocidos como Y y C ). El flujo de datos SD está organizado así:
mientras que los flujos de datos HD están organizados así:
Para todas las interfaces digitales en serie (excluidas las codificaciones compuestas obsoletas), la codificación de color nativa es el formato YCbCr 4:2:2 . El canal de luminancia (Y) se codifica en ancho de banda completo (13,5 MHz en 270 Mbit/s SD, ~75 MHz en HD), y los dos canales de crominancia (Cb y Cr) se submuestrean horizontalmente y se codifican en la mitad del ancho de banda (6,75 MHz o 37,5 MHz). Las muestras Y, Cr y Cb se ubican conjuntamente (se adquieren en el mismo momento en el tiempo) y la muestra Y' se adquiere en el momento intermedio entre dos muestras Y adyacentes.
En lo anterior, Y se refiere a muestras de luminancia y C a muestras de crominancia . Cr y Cb se refieren además a los canales de "diferencia de color" rojo y azul; consulte el vídeo componente para obtener más información. Esta sección sólo analiza la codificación de colores nativa de SDI; son posibles otras codificaciones de color tratando la interfaz como un canal de datos genérico de 10 bits. A continuación se analiza el uso de otras codificaciones colorimétricas y la conversión hacia y desde el espacio de color RGB .
La carga útil de vídeo (así como la carga útil de datos auxiliares) puede utilizar cualquier palabra de 10 bits en el rango de 4 a 1019 (004 16 a 3FB 16 ) inclusive; los valores 0–3 y 1020–1023 (3FC 16 –3FF 16 ) están reservados y es posible que no aparezcan en ninguna parte de la carga útil. Estas palabras reservadas tienen dos propósitos; se utilizan tanto para paquetes de sincronización como para encabezados de datos auxiliares.
Un paquete de sincronización (comúnmente conocido como señal de referencia de temporización o TRS ) ocurre inmediatamente antes de la primera muestra activa en cada línea, e inmediatamente después de la última muestra activa (y antes del inicio de la región de supresión horizontal ). El paquete de sincronización consta de cuatro palabras de 10 bits; las tres primeras palabras son siempre iguales: 0x3FF, 0, 0; el cuarto consta de 3 bits de bandera, junto con un código de corrección de errores. Como resultado, hay 8 paquetes de sincronización diferentes posibles.
En las interfaces HD-SDI y de doble enlace, los paquetes de sincronización deben ocurrir simultáneamente en los flujos de datos Y y C. (Se permite cierto retraso entre los dos cables en una interfaz de enlace dual; se espera que el equipo que admite enlace dual proteja el enlace principal para permitir que el otro enlace se ponga al día). En SD-SDI y en las interfaces de definición mejorada, solo hay un flujo de datos y, por lo tanto, solo un paquete de sincronización a la vez. Aparte de la cuestión de cuántos paquetes aparecen, su formato es el mismo en todas las versiones de la interfaz serie-digital.
Los bits de bandera que se encuentran en la cuarta palabra (comúnmente conocida como palabra XYZ ) se conocen como H, F y V. El bit H indica el inicio del espacio en blanco horizontal; y los bits de sincronización inmediatamente anteriores a la región de supresión horizontal deben tener H establecido en uno. Estos paquetes se denominan comúnmente paquetes de fin de vídeo activo o paquetes EAV . Asimismo, el paquete que aparece inmediatamente antes del inicio del vídeo activo tiene H establecido en 0; este es el inicio del paquete de vídeo activo o SAV .
Asimismo, el bit V se utiliza para indicar el inicio de la región de supresión vertical; un paquete EAV con V=1 indica que la siguiente línea (se considera que las líneas comienzan en EAV) es parte del intervalo vertical , un paquete EAV con V=0 indica que la siguiente línea es parte de la imagen activa.
El bit F se utiliza en formatos de trama entrelazada y segmentada para indicar si la línea proviene del primer o segundo campo (o segmento). En los formatos de escaneo progresivo , el bit F siempre se establece en cero.
En la interfaz digital serial de alta definición (y en HD de doble enlace), se proporcionan palabras de verificación adicionales para aumentar la solidez de la interfaz. En estos formatos, las cuatro muestras que siguen inmediatamente a los paquetes EAV (pero no a los paquetes SAV) contienen un campo de verificación de redundancia cíclica y un indicador de recuento de líneas. El campo CRC proporciona un CRC de la línea anterior (los CRC se calculan de forma independiente para los flujos Y y C) y se puede utilizar para detectar errores de bits en la interfaz. El campo de recuento de líneas indica el número de línea de la línea actual.
El CRC y los recuentos de líneas no se proporcionan en las interfaces SD y ED. En su lugar, se puede utilizar opcionalmente un paquete de datos auxiliar especial conocido como paquete EDH para proporcionar una verificación CRC de los datos.
A cada muestra dentro de un flujo de datos determinado se le asigna una línea y un número de muestra únicos. En todos los formatos, a la primera muestra inmediatamente después del paquete SAV se le asigna el número de muestra 0; la siguiente muestra es la muestra 1; hasta la palabra XYZ en el siguiente paquete SAV. En las interfaces SD, donde solo hay un flujo de datos, la muestra 0 es una muestra Cb; la primera muestra es una muestra Y, la segunda muestra es una muestra de Cr y la tercera muestra es la muestra Y'; el patrón se repite a partir de ahí. En las interfaces HD, cada flujo de datos tiene su propia numeración de muestras, por lo que la muestra 0 del flujo de datos Y es la muestra Y, la siguiente muestra la muestra Y', etc. Del mismo modo, la primera muestra en el flujo de datos C es Cb, seguida de Cr. , seguido de nuevo por Cb.
Las líneas se numeran secuencialmente, comenzando desde 1 hasta el número de líneas por fotograma del formato indicado (normalmente 525, 625, 750 o 1125 ( Sony HDVS )). La determinación de la línea 1 es algo arbitraria; sin embargo, está claramente especificado en las normas pertinentes. En sistemas de 525 líneas, la primera línea del espacio en blanco vertical es la línea 1, mientras que en otros sistemas entrelazados (625 y 1125 líneas), la primera línea después de que el bit F pasa a cero es la línea 1.
Tenga en cuenta que se considera que las líneas comienzan en EAV, mientras que la muestra cero es la muestra que sigue a SAV. Esto produce el resultado algo confuso de que la primera muestra en una línea determinada de video 1080i es la muestra número 1920 (la primera muestra EAV en ese formato) y la línea termina en la siguiente muestra 1919 (la última muestra activa en ese formato). Tenga en cuenta que este comportamiento difiere algo de las interfaces de vídeo analógico, donde se considera que la transición de línea ocurre en el pulso de sincronización, que ocurre aproximadamente a la mitad de la región de supresión horizontal.
La numeración de enlaces sólo es un problema en las interfaces multienlace. Al primer enlace (el enlace principal ) se le asigna un número de enlace de 1, a los enlaces siguientes se les asignan números de enlace crecientes; entonces, el segundo enlace ( secundario ) en un sistema de enlace dual es el enlace 2. El número de enlace de una interfaz determinada se indica mediante un paquete VPID ubicado en el espacio de datos auxiliares vertical.
Tenga en cuenta que el diseño de datos en enlace dual está diseñado para que el enlace principal pueda alimentarse a una interfaz de enlace único y seguir produciendo vídeo utilizable (aunque algo degradado). El enlace secundario generalmente contiene cosas como LSB adicionales (en formatos de 12 bits), muestras no citadas en video muestreado 4:4:4 (para que el enlace principal siga siendo válido en 4:2:2) y canales alfa o de datos. . Si el segundo enlace de una configuración de enlace dual 1080P está ausente, el primer enlace aún contiene una señal 1080i válida.
En el caso de vídeo de 1080p60, 59,94 o 50 Hz a través de un enlace dual; cada enlace contiene una señal 1080i válida a la misma velocidad de campo. El primer enlace contiene las líneas 1.ª, 3.ª y 5.ª de los campos impares y la 2.ª, 4.ª, 6.ª, etc. líneas de los campos pares, y el segundo enlace contiene las líneas pares de los campos impares y las líneas impares de los campos pares. campos. Cuando se combinan los dos enlaces, el resultado es una imagen de escaneo progresivo a una velocidad de cuadro más alta.
Al igual que SMPTE 259M , SMPTE 292M admite el estándar SMPTE 291M para datos auxiliares. Los datos auxiliares se proporcionan como un transporte estandarizado para cargas útiles que no son de vídeo dentro de una señal digital en serie; se utiliza para cosas como audio incrustado , subtítulos , código de tiempo y otros tipos de metadatos . Los datos auxiliares se indican mediante un paquete de 3 palabras que consta de 0, 3FF, 3FF (lo opuesto al encabezado del paquete de sincronización), seguido de un código de identificación de dos palabras, una palabra de recuento de datos (que indica entre 0 y 255 palabras de carga útil), la carga útil real y una suma de verificación de una palabra. Además de su uso en el encabezado, los códigos prohibidos para la carga útil de vídeo también están prohibidos para la carga útil de datos auxiliares.
Las aplicaciones específicas de datos auxiliares incluyen audio integrado, EDH, VPID y SDTI.
En aplicaciones de doble enlace, los datos auxiliares se encuentran principalmente en el enlace principal; el enlace secundario se utilizará para datos auxiliares sólo si no hay espacio en el enlace principal. Una excepción a esta regla es el paquete VPID; ambos enlaces deben tener presente un paquete VPID válido.
Tanto la interfaz serie HD como la SD proporcionan 16 canales de audio integrado. Las dos interfaces utilizan diferentes métodos de encapsulación de audio: SD usa el estándar SMPTE 272M, mientras que HD usa el estándar SMPTE 299M. En cualquier caso, una señal SDI puede contener hasta dieciséis canales de audio (8 pares) integrados de 48 kHz y 24 bits junto con el vídeo. Normalmente, se almacena audio PCM de 48 kHz, 24 bits (20 bits en SD, pero ampliable a 24 bits) , de una manera directamente compatible con la interfaz de audio digital AES3 . Estos se colocan en los períodos de supresión (horizontales), cuando la señal SDI no lleva nada útil, ya que el receptor genera sus propias señales de supresión a partir del TRS.
En aplicaciones de doble enlace, hay 32 canales de audio disponibles, ya que cada enlace puede transportar 16 canales.
SMPTE ST 299-2:2010 amplía la interfaz 3G SDI para poder transmitir 32 canales de audio (16 pares) en un solo enlace.
Como la interfaz de definición estándar no incluye suma de verificación, CRC u otra verificación de integridad de datos , se puede colocar opcionalmente un paquete EDH ( detección y manejo de errores ) en el intervalo vertical de la señal de video. Este paquete incluye valores CRC tanto para la imagen activa como para todo el campo (excluyendo aquellas líneas en las que puede ocurrir la conmutación y que no deberían contener datos útiles); El equipo puede calcular su propio CRC y compararlo con el CRC recibido para detectar errores.
Normalmente, EDH sólo se utiliza con la interfaz de definición estándar; la presencia de palabras CRC en la interfaz HD hace que los paquetes EDH sean innecesarios.
Los paquetes VPID (o identificador de carga útil de vídeo) se utilizan cada vez más para describir el formato de vídeo. En las primeras versiones de la interfaz digital en serie, siempre era posible determinar de forma única el formato de vídeo contando el número de líneas y muestras entre las transiciones H y V en el TRS. Con la introducción de interfaces de doble enlace y estándares de marco segmentado, esto ya no es posible; por lo tanto, el estándar VPID (definido por SMPTE 352M) proporciona una forma de identificar de forma única e inequívoca el formato de la carga útil de vídeo.
La parte activa de la señal de vídeo se define como aquellas muestras que siguen a un paquete SAV y preceden al siguiente paquete EAV; donde los paquetes EAV y SAV correspondientes tienen el bit V puesto a cero. Es en la parte activa donde se almacena la información de la imagen real.
En la interfaz digital serie son posibles varias codificaciones de colores. El caso predeterminado (y el más común) son datos de vídeo muestreados linealmente de 10 bits codificados como 4:2:2 YCbCr . (YCbCr es una representación digital del espacio de color YPbPr ). Las muestras de vídeo se almacenan como se describe anteriormente. Las palabras de datos corresponden a los niveles de señal de los respectivos componentes de vídeo, como sigue:
Tenga en cuenta que la escala de los canales luma y croma no es idéntica. El mínimo y el máximo de estos rangos representan los límites de señal preferidos, aunque la carga útil de video puede aventurarse fuera de estos rangos (siempre que las palabras de código reservadas de 0 a 3 y 1020 a 1023 nunca se utilicen para la carga útil de video). Además, la señal analógica correspondiente puede tener excursiones más allá de este rango.
Como YPbPr (y YCbCr) se derivan del espacio de color RGB , se requiere un medio de conversión. Hay tres colorimetrías que normalmente se utilizan con vídeo digital:
Las interfaces de doble enlace y 3 Gbit/s admiten además otras codificaciones de color además de 4:2:2 YCbCr, a saber:
Si se utiliza una codificación RGB, los tres primarios se codifican de la misma manera que el canal Y; un valor de 64 (40 hexadecimal) corresponde a 0 mV y 940 (3AC hexadecimal) corresponde a 700 mV.
Las aplicaciones de 12 bits se escalan de manera similar a sus contrapartes de 10 bits; los dos bits adicionales se consideran LSB .
Para las partes de las regiones de supresión vertical y horizontal que no se utilizan para datos auxiliares, se recomienda asignar a las muestras de luma la palabra de código 64 (40 hex) y a las muestras de croma 512 (200 hex); ambos corresponden a 0 mV. Está permitido codificar información de intervalo vertical analógico (como código de tiempo de intervalo vertical o señales de prueba de intervalo vertical) sin romper la interfaz, pero dicho uso no es estándar (y los datos auxiliares son el medio preferido para transmitir metadatos). Sin embargo, no se recomienda la conversión de señales de sincronización analógica y de ráfaga a digitales, y tampoco es necesaria en la interfaz digital.
Los diferentes formatos de imagen tienen diferentes requisitos para la supresión digital; por ejemplo, todos los llamados formatos HD de 1080 líneas tienen 1080 líneas activas, pero 1125 líneas en total, y el resto es supresión vertical. [1]
Las distintas versiones de la interfaz digital serie admiten numerosos formatos de vídeo:
Además de la interfaz digital en serie normal que se describe aquí, existen otras interfaces similares que son similares a una interfaz digital en serie o que están contenidas dentro de ella.
Existe una especificación ampliada llamada SDTI ( Serial Data Transport Interface ), que permite transportar secuencias de vídeo comprimidas (es decir, DV , MPEG y otras) a través de una línea SDI. Esto permite múltiples transmisiones de video en un solo cable o una transmisión de video más rápida que en tiempo real (2x, 4x,...). Un estándar relacionado, conocido como HD-SDTI, proporciona una capacidad similar a través de una interfaz SMPTE 292M.
La interfaz SDTI está especificada por SMPTE 305M. La interfaz HD-SDTI está especificada por SMPTE 348M.
La especificación de interfaz serie asíncrona (ASI) describe cómo transportar un flujo de transporte MPEG (MPEG-TS), que contiene múltiples flujos de video MPEG, a través de un cable coaxial de cobre de 75 ohmios o fibra óptica multimodo. ASI es una forma popular de transportar programas transmitidos desde el estudio hasta el equipo de transmisión final antes de que lleguen a los espectadores sentados en casa.
El estándar ASI forma parte del estándar Digital Video Broadcasting (DVB).
El estándar SMPTE 349M: Transporte de formatos de imagen de origen alternativo a través de SMPTE 292M , especifica un medio para encapsular formatos de video no estándar y de menor tasa de bits dentro de una interfaz HD-SDI. Este estándar permite, por ejemplo, multiplexar varias señales de vídeo independientes de definición estándar en una interfaz HD-SDI y transmitirlas por un cable. Este estándar no se limita a ajustar la sincronización de EAV y SAV para cumplir con los requisitos de los formatos de menor tasa de bits; en cambio, proporciona un medio por el cual un formato SDI completo (incluidas palabras de sincronización, datos auxiliares y carga útil de video) puede encapsularse y transmitirse como carga útil de datos ordinaria dentro de un flujo de 292 M.
La interfaz HDMI es una interfaz compacta de audio/video para transferir datos de video sin comprimir y datos de audio digital comprimidos/sin comprimir desde un dispositivo compatible con HDMI a un monitor de computadora , proyector de video , televisión digital o dispositivo de audio digital compatible . Se utiliza principalmente en el área de consumo, pero cada vez se utiliza más en dispositivos profesionales, incluido el vídeo sin comprimir, a menudo llamado HDMI limpio .
El estándar G.703 es otra interfaz digital de alta velocidad, diseñada originalmente para telefonía.
El estándar HDcctv representa la adaptación de SDI para aplicaciones de videovigilancia, que no debe confundirse con TDI, un formato similar pero diferente para cámaras de videovigilancia.
El estándar CoaXPress es otra interfaz digital de alta velocidad, diseñada originalmente para interfaces de cámaras industriales. Las velocidades de datos para CoaXPress llegan hasta 12,5 Gbit/s a través de un único cable coaxial. El estándar también incluye un canal de enlace ascendente de 41 Mbit/s y alimentación por cable coaxial.