4K圖像載荷標(biāo)識符詳解和應(yīng)用

梁 彥

（作者單位：安徽廣播電視臺）

視頻畫面數(shù)據(jù)都是依賴數(shù)字分量串行接口（Serial Digital Interface，SDI）來傳輸。隨著電視技術(shù)的發(fā)展，以及各種視頻圖像采集數(shù)據(jù)的變化，SDI接口的數(shù)據(jù)率、載荷內(nèi)容也在不斷變化，同樣的數(shù)據(jù)率可以攜帶不同的載荷，如3G接口中不僅可以傳輸1920×1080 50P 4∶2∶2的視頻圖像，還可以傳輸1280×720 60P 4∶4∶4的圖像，還可以傳輸2個1920×1080 50i 4∶2∶2的視頻圖像[1]；同樣，同一視頻圖像數(shù)據(jù)可以在一個SDI接口中傳輸，也可以在多個SDI接口中傳輸，比如3840×2160 50P 4∶2∶2的視頻圖像可以在12G接口中傳輸，也可以在4個3G接口中傳輸[2]。因此，在接收端解碼時必須有一個說明告訴接收端采用什么樣的方式解碼接口中的內(nèi)容，同時能夠正確地顯示出來，這個說明就是和視頻圖像數(shù)據(jù)一起傳輸?shù)妮d荷標(biāo)識符。

1 載荷標(biāo)識符詳解

載荷標(biāo)識符屬于SDI接口輔助數(shù)據(jù)包的一種，也就是說載荷標(biāo)識符本身是行輔助數(shù)據(jù)包的載荷，輔助數(shù)據(jù)包又是SDI接口的載荷中的一種（還有視頻數(shù)據(jù)、音頻數(shù)據(jù)、時間碼等其他載荷）[3]。本文主要詳述載荷標(biāo)識符的相關(guān)的信息放置位置、一般格式和字段定義。

1.1 放置位置

根據(jù)電影和電視工程師協(xié)會（The Society of Motion Picture and Television Engineers，SMPTE） 發(fā) 布 的SMPTE ST 352和其他相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，載荷標(biāo)識符放置的位置主要依據(jù)幾個原則：一是放置在行輔助數(shù)據(jù)空間中EVA字段的后面，如果有行號和CRC字段則放在CRC1之后。二是放置的行號盡量不要和放置音頻包或擴(kuò)展音頻包的行相沖突。三是原則上載荷標(biāo)識符可以放在不和上面兩條相沖突的任意行，但為了使用方便，可以參考標(biāo)準(zhǔn)推薦的載荷標(biāo)識符放置行號（見表1）。

表1 載荷標(biāo)識符推薦放置行號

1.2 一般格式含義

載荷標(biāo)識符由4個字節(jié)組成，每個字節(jié)8個比特，這里需要注意的是目前常用的SDI接口的字段長度為10個比特，采用8個比特的載荷標(biāo)識符也是為了和以往的8比特SDI接口相兼容。目前，每個字節(jié)有相應(yīng)的含義（見表2），當(dāng)然并不是每個接口都用到所有的字節(jié)，也不是每一個標(biāo)準(zhǔn)都賦予了字段的含義，一些舊的標(biāo)準(zhǔn)對某些字段是保留字的字節(jié)，有些新的標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)賦予了新的含義，我們就按照新的含義來說明，請大家參考舊標(biāo)準(zhǔn)時注意這個問題。

表2 載荷標(biāo)識符各個字節(jié)的含義

1.2.1 字節(jié)1的含義

第1個字節(jié)是載荷標(biāo)識符中最重要的字節(jié)，主要包括兩部分內(nèi)容：版本號、載荷和數(shù)據(jù)接口標(biāo)識符。接收設(shè)備通過這兩個值就可以基本確定所傳輸?shù)膬?nèi)容。

第7位用來標(biāo)識載荷標(biāo)識符的版本號，2001年7月以前的版本值為0，以后的版本值為1。但在有些設(shè)備中顯示載荷標(biāo)識符的值時一般不顯示這一位的數(shù)值，而僅僅顯示后面6位的值，也就是載荷和數(shù)據(jù)接口標(biāo)識符。

第0～6位為載荷和數(shù)據(jù)接口標(biāo)識符，第1個字節(jié)的重要性主要體現(xiàn)在這個字段上，它把SMPTE ST 352標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的載荷內(nèi)容，包括有效行數(shù)、傳送速率、圖像映射結(jié)構(gòu)（普通映射、雙鏈接、雙數(shù)據(jù)流）、音頻傳輸方式（PCM、立體聲、壓縮編碼）等數(shù)據(jù)類型中的每一種具體值都使用不同的載荷和數(shù)據(jù)接口標(biāo)識符來唯一表示。我國電視標(biāo)準(zhǔn)常用的載荷和數(shù)據(jù)接口標(biāo)識符如表3所示：

表3 我國電視標(biāo)準(zhǔn)常用的載荷和數(shù)據(jù)接口標(biāo)識符

表3僅僅列出了部分載荷和數(shù)據(jù)接口標(biāo)識符的值，讀者可上SMPTE網(wǎng)站查看其他的有效載荷的值。另外，載荷和數(shù)據(jù)接口標(biāo)識符的數(shù)值必須向SMPTE委員會申請通過后才能使用。

1.2.2 字節(jié)2的含義

字節(jié)2主要包含4個內(nèi)容標(biāo)識，分別是傳輸逐行隔行標(biāo)識、圖像逐行隔行標(biāo)識、動態(tài)范圍特性、圖像幀速率。

第7位用來表示接口傳輸采用逐行傳輸還是隔行傳輸，0表示隔行，1表示逐行。第6位用來表示圖像掃描方式是隔行還是逐行，0表示隔行，1表示逐行。一般來講第6位和第7位的取值是一樣的。

第4位、第5位用來表示動態(tài)范圍特性，這兩位在4K視頻出現(xiàn)以前是作為保留位使用，默認(rèn)值是0。在有了4K視頻以后這兩位用來表示光電轉(zhuǎn)換方式，0h表示SDR，1h表示HLG，2h表示PQ，3h表示不明確的轉(zhuǎn)換方式。

第3位到第0位用來表示圖像的幀速率，0h表示未定義，5h表示25幀，9h表示50幀，Dh表示100幀。

1.2.3 字節(jié)3的含義

第3字節(jié)主要包含4個內(nèi)容標(biāo)識，分別是幅型比、圖像行采樣點(diǎn)數(shù)、色域空間、圖像采樣結(jié)構(gòu)。

第7位用來表示幅型比，0h表示4∶3，1h表示16∶9。

第6位用來表示圖像水平有效采樣點(diǎn)數(shù)，如果該接口是一個子鏈接，則表示該子鏈接對應(yīng)的子圖像的水平采樣點(diǎn)數(shù)，0表示1920，1表示2048。

第4位和第5位用來表示圖像的色域空間，這在2020色域出現(xiàn)以前是作為保留位使用的，默認(rèn)值是0h。在多色域出現(xiàn)后0h表示709色域，1h表示色彩空間在場色彩數(shù)據(jù)包中定義，2h表示ITU-R BT 2020色域（也就是SMPTE ST 2036-1色域），3h表示未定義。

第0～3位用來表示圖像采樣結(jié)構(gòu)，0h表示亮度色差4∶2∶2格式，1h表示亮度色差4∶4∶4格式，2h表示RGB 4∶4∶4格式，3h表示亮度色差4∶2∶0格式。

1.2.4 字節(jié)4的含義

第4字節(jié)主要包含4個內(nèi)容標(biāo)識，即鏈路標(biāo)識（如果有子鏈路的話則為子鏈路分配標(biāo)識）、亮度色差標(biāo)識、音頻復(fù)制狀態(tài)、采樣量化深度。

第5～7位用來表示鏈路標(biāo)識，這要根據(jù)具體的傳輸內(nèi)容而定。如果傳輸?shù)膬?nèi)容為單鏈路單圖像，則為0h；如果傳輸?shù)膬?nèi)容為4K 4鏈接方式，則4個鏈路分別為0h，4h，8h，Ch。

第4位為亮度色差標(biāo)識，0h表示亮度色差采用SMPTE ST 2036-1的Y’Cb’Cr’，1h表示亮度色差采用ITU-R BT.2100的ICtCp。

第3位為保留位，默認(rèn)為0h。

第2位為音頻復(fù)制狀態(tài)位，0h表示鏈接內(nèi)都是原始音頻沒有音頻復(fù)制，1h表示該鏈接的音頻為前面鏈接的音頻復(fù)制。

第0位和第1位表示該圖像的采樣量化深度。0h表示依照ITU-R BT.2100標(biāo)準(zhǔn)全范圍的10比特量化，僅僅不使用受保護(hù)的低四位和高四位。1h表示正常的10比特量化，2h表示12比特量化，3h同上一樣表示12比特的全范圍的12比特量化。

2 載荷標(biāo)識符實(shí)際測量結(jié)果

根據(jù)上文分析，可以得出我國常用信號的載荷標(biāo)識符表4。由于篇幅限制，表4所有的圖像采樣結(jié)構(gòu)都采用4∶2∶2格式，4K圖像默認(rèn)幀率都為50P，幅型比為16∶9。

表4 我國常用4K信號載荷標(biāo)識符

工作人員對部分信號利用相關(guān)測試儀器，實(shí)際測量了信號中的載荷標(biāo)識符，可以看到圖1為12G HLG和BT 2020信號，圖2為輸入信號為4K HLG BT 2020 4×2.97Gbps SI信號，載荷標(biāo)識符的測試結(jié)果和表4完全一致。

圖1 12G HLG和BT 2020信號載荷標(biāo)識符

圖2 4K HLG BT 2020 4×2.97Gbps SI信號圖像載荷標(biāo)識符

由于4K圖像的相關(guān)設(shè)備目前還處于試驗(yàn)投產(chǎn)階段，很多廠家的設(shè)備輸出并不能完全滿足國際標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)的要求，如圖3和圖4所示：

圖3載荷標(biāo)識符字節(jié)2和字節(jié)3標(biāo)注含義為SDR和709色域，造成這種情況可能是兩種原因。一是圖像色域和動態(tài)范圍標(biāo)注錯誤，二是在信號處理過程中色域和動態(tài)范圍信息插入錯誤。圖4則更明顯，除了動態(tài)范圍和色域以外第三個字節(jié)的16∶9標(biāo)識成了4∶3，這就顯然是標(biāo)識錯誤了。

圖3 載荷標(biāo)識符轉(zhuǎn)換錯誤

圖4 載荷標(biāo)識符標(biāo)識錯誤

3 結(jié)語

本文詳細(xì)說明了4K圖像載荷標(biāo)識符的定義和產(chǎn)生、用法；同時，列出目前我國4K圖像信號相關(guān)載荷標(biāo)識符，并對部分信號進(jìn)行實(shí)際測量。需要說明的是，不管是SDI信號，還是IP鏈路（載荷標(biāo)識符存在于輔助數(shù)據(jù)鏈路中，在SMPTE ST 2110標(biāo)準(zhǔn)中，輔助數(shù)據(jù)、視頻、音頻信息是分3條鏈路傳輸?shù)模﹫D像載荷標(biāo)識符都是設(shè)備識別、信號分析、故障排查的重要 工具。