Еще раз о передаче сигнала HD-SDI
Н.И. Чура,
технический консультант,
компания «Фирма «ВидеоСКАН»
С появлением вначале трех, а теперь уже и четырех принципиально различных систем видеонаблюдения дальность передачи изображения становится даже некоторым конкурентным преимуществом или недостатком этих систем. Во всяком случае IP вышли в начале с лозунгом практически бесконечной дальности передачи по системе цифровых сетей. Сейчас HD система с аналоговым интерфейсом (CVI) обещает передачу HD изображения по «обычному» коаксиальному кабелю до 500 и даже до 1000 м.
*На первом изображении заметно даже заворачивание изображения справа налево.
К сожалению для очень распространенных и популярных сейчас кабелей REXANT, несмотря на весьма привлекательные цены практически невозможно ознакомиться с техническими характеристиками. Следовательно, для оценки передачи сигнала SDI надо изрезать не одну бухту кабеля. Во всяком случае, при испытаниях влияния дальности на качество изображения HD-CVI было обнаружено, что для кабеля КВК-2 компании REXANT потери более чем в 2 раза превышают потери «практического аналога» кабеля КВК-В-2 отечественного производства. Правда, как уже отмечалось выше, при аналоговой передаче изображение изменяется плавно, и точно оценить их достаточно сложно.
Но до сих пор и продавцам и пользователям до конца не ясно, какую дальность и по каким кабелям обеспечивается передача изображения HD-SDI. Так, можно ли транслировать HD-SDI на 200 м? И несмотря на то, что использование этого формата пока, в силу высокой стоимости, востребовано не сильно, эта неясность является дополнительным сдерживающим фактором применения данного формата.
В 2013 году мы проводили испытания оборудования для передачи и преобразования SDI сигнала южно корейской компании SeeEyes. Все оборудование работает с сигналом изображения Full HD с битрейтом до 1,5 Гбит/с.
Наиболее полно отвечающий техническим характеристикам кабеля RG-6/U российский кабель РК 75-4,8-319 действительно обеспечивал надежную передачу изображения на 200м и каскадное включение репитеров с интервалом в 200 м для обеспечения суммарной дальности в 1000 м.
Кабель с несколько более скромными параметрами РК75-4-361 обеспечивал дальность на аналогичном оборудовании 190 м. В испытаниях использовался измерительный монитор той же компании и видеорегистратор WEBGATE.
2. При всей сложности передачи сигнала HD-SDI это практически единственная система, которая обеспечивает точную передачу изображения «пиксель в пиксель». Минимум искажений и муара обеспечивается практическим отсутствием многократных преобразований разрешений и форматов цифрового и аналогового типа, что присутствует во всех других существующих системах видеонаблюдения.
Опубликовано на Портале «Мост Безопасности»
Технология видеонаблюдения HD-SDI – особенности и преимущества
Технология High-Definition Serial Digital Interface (HD-SDI) пришла в системы видеонаблюдения из HDTV (телевидения высокой четкости). Технически HD-SDI – это цифровой интерфейс для передачи сигнала с разрешением 720p, 1080i, 1080p и битрейтом 1,5 Гбит/сек. Такого разрешения достаточно для распознавания деталей картинки – таких, как лица людей или автомобильные номера.
Иногда можно услышать, что HD-SDI – некое промежуточное звено между аналоговыми и цифровыми IP-технологиями. Но так ли это? Верным является другое утверждение – что технология HD-SDI сочетает в себе достоинства и тех, и других.
Сигнал передается по обычному коаксиальному кабелю типа RG6. Качество и дальность передачи сигнала напрямую связаны с качеством кабеля. При дальности передачи более 130-150 метров рекомендуется применять повторители сигнала или перейти на оптоволоконные кабели.
В HD-SDI системах видеонаблюдения возможно использование видеокамер и видеорегистраторов как «чисто» SDI, так и гибридных (способных работать и с цифровым, и с аналоговым сигналом).
В целом HD-SDI видеонаблюдение является достойным конкурентом IP систем видеонаблюдения (по стоимости, разрешению и ряду других параметров) благодаря таким особенностям:
Следует отметить, что в HD-SDI поддерживается международный стандарт SMTPE-292. Благодаря этому в одной системе наблюдения может использоваться оборудованиеразных производителей, что делает такие системы еще привлекательнее для заказчиков.
HD-SDI видеонаблюдение – отличный выбор, если:
— вы хотите перейти с «аналога» на «цифру» без замены кабелей;
— речь идет о локальной системе с высокими требованиями в качеству картинки;
HD видеонаблюдение. Какие бывают HD-SDI камеры, стандарты, плюсы и минусы
HD система видеонаблюдения вобрала в себя все преимущества IP и аналогового оборудования. Передача видеопотока в формате HD осуществляется за счет HD-SDI интерфейса, а видео транслируется при помощи традиционного коаксиального кабеля. Каковы преимущества и недостатки HD-SDI камер перед аналоговыми и IP-устройствами?
Описание стандарта
Стандарт HD-SDI изначально использовался в телевидении высокой четкости – HDTV, а в настоящее время его применяют для записи видео с камер наружного и внутреннего наблюдения на различных инфраструктурных объектах. В основе рассматриваемой технологии лежит SMPTE 292M – стандарт цифровых линий, позволяющий передавать по коаксиальному кабелю некомпрессированное видео высокого качество и четкости.
HD-SDI способен обеспечивать скорость передачи данных до 1,5 Гбит/с через обычный коаксиал. На выходе получается картинка с разрешением в 1080р. Все кадры видеопотока являются опорными: за их обработку отвечает кодек H.264 (MPEG-4 или AVC) – один из самых распространенных стандартов сжатия видео.
Главное отличие HDSDI от IP систем заключено в инфраструктуре. В IP-видеонаблюдении задействованы компьютерные (локальные, Ethernet) сети, а для HD-SD требуется прокладка коаксиальной линии.
Внешне видеорегистраторы HDSDI похожи на аналоговые, но отличаются:
В зависимости от модели регистратора скорость записи при 1080p может составлять 5, 15 и 30 кадров в секунду на каждый HD-канал. В случае с 720p – 15 или 30 к/с на один канал.
Технология впервые появилась на российском рынке в 2009 году, но из-за относительно высокой стоимости микросхем, позволяющих получить видео в HD качестве, не так распространена, как IP или аналоговые системы.
Преимущества и недостатки видеонаблюдения 1080p Full HD
Главным преимуществом HD-SDI камер является высокое качество изображения формата Full HD. Трансляция видеопотока производится без применения алгоритмов сжатия и шифрования, кодировка видео происходит в процессе записи информации на карту SD или HDD видеорегистратора. Подобный алгоритм обработки данных позволяет свести на нет задержки и сбои в работе подключенного оборудования, чего не скажешь об IP-устройствах с кодированным видеопотоком.
Для повышения чувствительности матрицы в видеонаблюдении 1080p Full HD применяется функция Sense Up, а для устранения размытости из-за тумана и снега – Defog. Благодаря системе развертывания, позволяющей нивелировать размытости и мерцания картинки, получается качественное изображение без квадратиков и шумов. Для сравнения: разрешение HDSDI видеокамер в 5 раз выше, чем у аналоговых образцов, и достигает 1920х1080.
Таким образом, характерными особенностями HD видеонаблюдения являются:
Выгодно отличают HD от аналоговых и IP-систем и такие преимущества, как:
Минусами HDSDI-камер являются:
Камеры видеонаблюдения HD 1080 незаменимы в случае модернизации имеющейся системы видеонаблюдения, давно установленной на контролируемом объекте. Их монтаж не требует серьезного вмешательства и нарушения целостности интерьера: достаточно демонтировать старые камеры и цифровые видеорегистраторы, разместив на их место новое оборудование. Применяя устройства HDSDI, можно создать надежную и современную гибридную систему наблюдения и перейти на принципиально новый уровень безопасности.
Системы видеонаблюдения стандарта HD-SDI
Предпосылки появления SDI-решений на рынке охранного видеонаблюдения
Обратимся к прошлому и вспомним, что до 2008 г. основным трендом было использование аналогового видеонаблюдения. А потом этот казавшийся непоколебимым тренд начал меняться: с увеличением производства началось стремительное снижение цен на системы IP-видеонаблюдения, причем цены снижались и на системы в целом, и на их компоненты. Это, естественно, повысило конкурентные позиции IP-систем на рынке. Многие эксперты всерьез заговорили о скором полном замещении аналоговых систем IP-системами, а появление и активное внедрение гибридных систем, ориентированных на использование как IP-, так и аналоговых камер, рассматривалось чуть ли не как последний рубеж обороны аналогового вчера рынка CCTV. Но реальность, как это часто случается, существенно подкорректировала прогнозы.
Примерно на стыке 2010–2011 гг. появилось достаточное количество инсталляторов, ориентированных на новый, доминирующий ныне IP-тренд, но не имеющих при этом достаточной квалификации и опыта для установки и настройки IP-систем. Рынок достаточно оперативно отреагировал на проблему: ведущие производители IP-оборудования начали очень тщательно разрабатывать техническую документацию, организовывать и проводить для монтажников обучающие семинары. Но так или иначе, массовое внедрение IP вызывало определенные сложности, связанные прежде всего с недостатком опыта и знаний тех, кто устанавливает (речь идет, естественно, о знаниях сферы IT). А это, согласитесь, проблема, которую быстро не решить.
Вот этот разрыв между желаемым (высоким разрешением систем видеонаблюдения) и действительным (далеко не всегда имеющейся возможностью устанавливать IP-системы) и стал одной из самых весомых предпосылок появления на рынке стандарта, который используется в профессиональном телевидении (Broadcast TV), когда цифровой несжатый видеосигнал на основе так называемого SDI-стандарта передается по коаксиальным проводам. В 2010 г. для рынка CCTV это было абсолютно новым явлением, но времена меняются, и на сегодняшний день данный подход постепенно набирает популярность.
Процесс идет достаточно медленно, но неуклонно. Ведущие эксперты считают, что это интересно, это заслуживает внимания, но прорывов ожидать не нужно. Не случайно производители и инсталляторы, словно сговорившись, не форсируют продвижение данного подхода. Общая тенденция – постепенность, и в ее русле следуют сейчас все.
Был и есть ряд корейских и тайваньских компаний, которые вложили значительные ресурсы в разработку и продвижение данного направления. Правда, при этом они не забывали и о развитии своих традиционных направлений: IP- и аналоговых систем.
Стандарт SDI: ограничения и преимущества
Как и любое новое решение, оборудование SDI было поначалу дорогим. Это касалось как отдельных компонентов, так и систем в целом. Сегодня этот недостаток практически устранен, массовое производство позволило существенно снизить стоимость оборудования. Стоимость SDI-камер существенно ниже аналогичных IP-камер. Достаточно дороги SDI-регистраторы, но это проходящая проблема, тенденция к уменьшению стоимости наблюдается достаточно устойчивая.
Вторая проблема: поскольку для передачи сигнала используется коаксиальный кабель, есть ограничения дальности передачи. Как правило, если мы говорим о передаче full HD- разрешения, т. ею о стандарте SMPTE 424M (3G-SDI), то здесь ограничения порядка 100–150 м. То есть во многих случаях нужно использовать дополнительное оборудование – ретрансляторы SDI-сигнала, что, конечно, приводит к некоторому удорожанию системы в целом. При этом, поскольку речь идет о передаче цифрового сигнала, можно использовать большое количество ретрансляторов без каких-либо потерь. Есть к тому же обходные пути, например, использование SDI-оптических передатчиков и передача сигнала по оптоволокну. Но опять же нужно задействовать дополнительное оборудование и, соответственно, дополнительные материальные ресурсы.
Еще одна проблема – записывающие устройства, т. е. SDI-видеорегистраторы. На рынке уже представлен ряд моделей 4-, 8-, 16-канальных как в варианте Stand-alone, так и в виде плат видеоввода. Нужно понимать, что запись сигнала высокого разрешения диктует необходимость использования больших дисковых пространств. Это общая проблема как для SDI-камер высокого разрешения, так и для мегапиксельных IP-камер, просто ее нужно знать и быть готовым к ее решению. Ограничение преодолимо, рынок постоянно обновляет предложение по объемам жестких дисков, стоимость систем хранения данных неуклонно снижается.
Основное преимущество применения стандарта SDI – простота решений. Удобство внедрения систем SDI действительно уникально. Фактически любой объект с проложенным коаксиальным кабелем можно оснастить SDI-камерами. Это технически гораздо проще и дешевле, нежели создание системы IP-видеонаблюдения.
Подключение SDI-камер – это просто подключение BNC-коннектора к специальному SDI-выходу камер. Не требуется установка IP-адреса, создание соответствующей инфраструктуры, использование специальных коммутаторов, маршрутизаторов.
По коаксиальному же кабелю осуществляется и питание камер. Правда, требуется специальное оборудование – SDI-ресиверы либо инжекторы питания. В функции данных устройств входит также возможность передачи аудиосигнала и сигналов управления, если мы имеем дело с поворотными камерами. Это существенное преимущество перед аналоговыми системами и аналогично IP-системам.
Что очень важно – SDI-камеры формируют цифровой некомпрессированный видеосигнал, лишенный артефактов сжатия. Отсутствует латентность – от момента самого действия до появления изображения на экране проходит 0 секунд. Есть ряд применений, когда какие-либо задержки недопустимы. Например, в медицине, казино.
То, что камера передает некомпрессированный сигнал, это большой плюс с точки зрения отображения видео. Но когда мы говорим о создании системы, то надо иметь в виду, что необходимо предусмотреть и систему записи. На этом этапе нужно обеспечить компрессию сигнала. Впоследствии при воспроизведении мы уже наблюдаем декодированный сигнал, подвергнутый компрессии при записи. То есть все преимущества высокого качества, отсутствие артефактов сжатия и латентности актуальны только на этапе живого просмотра.
Еще одно ограничение, которое было у SDI-решений, – отсутствие на раннем этапе коммутирующего оборудования. Для SDI-камер долгое время такового не было, и можно было вести речь только о создании небольших систем, насчитывающих 4, 8, 16 каналов. Но сегодня уже предложен ряд решений по SDI-коммутации. Это еще один шаг по завоеванию доли рынка и серьезная конкуренция аналоговым решениям.
Отсутствие компрессии в камерах позволяет существенно снизить цену. Но при этом давайте не будем забывать, что в записывающих устройствах компрессия необходима, стоимость SDI-регистратора поэтому выше, чем соответствующих систем записи видео от IP-камер (NVR).
Почему SDI-подход не составит реальной конкуренции IP-решениям? Дело в том, что стандарт SDI объединяет несколько субстандартов, ориентированных на передачу разрешения разного уровня. Это обычный HD-SDI 720p (SMPTE 292M) и так называемый 3G-SDI (SMPTE 424M), ориентированный на передачу full HD-разрешения (1080p). Кстати говоря, последний более требователен к коммуникациям, дальность до репитера составляет 100–150 м. Но мы не видим перспектив к дальнейшему повышению разрешения в рамках стандарта SDI. В то время как IP-системы ежегодно обновляются, появляются новые модели с разрешением 3, 5, 9 мегапикселей, SDI-решения с точки зрения разрешения будут в положении отстающих и догоняющих.
Но все равно их появление на рынке охранного телевидения – шаг вперед, качественный скачок с точки зрения разрешения и, соответственно, информативности видео по сравнению с аналоговыми.
На что необходимо обращать внимание при выборе SDI-камер
Коль скоро мы имеем дело с несжатым потоком, все детали видео становятся отлично видны при живом подключении «камера-монитор». Но и все формируемые камерой шумы могут быть также хорошо видны. Поэтому важно обращать внимание на соотношение сигнал/шум и всегда самостоятельно оценивать работу камеры в условиях пониженной освещенности.
На сегодняшний день в SDI-камерах в основном используются матрицы CMOS от трех основных производителей: Sony, OmniVision, Aptina. Очень многое определяется сенсором. Скажем, такая базовая характеристика, как минимальная освещенность. Выбор хорошей камеры – это выбор хорошего сенсора.
Но это не все. Очень важны электроника камеры, используемые процессоры. При сравнении двух камер разных производителей, построенных на одном и том же сенсоре, мы можем иметь разный результат. В камерах используются свои процессоры цифровой обработки, которые могут обеспечить разные характеристики: точность цветопередачи, чувствительность, динамический диапазон. Это три ключевых момента. И, конечно, возможности камер с точки зрения интерфейса подключения. Если, например, мы говорим про камеры «день-ночь», должен быть контрольный вход «день-ночь» для синхронизации работы камеры с ИК-прожектором.
Другое оборудование
Выбор кабеля. Обширная тема, скажу кратко: выбор проводки для передачи SDI-сигнала необходимо выполнять гораздо внимательнее, нежели в аналоговых системах. Требования к качеству кабеля гораздо выше. Опять же не будем забывать об ограничении по дальности.
Другие компоненты SDI-систем – разветвители сигнала – устройства, позволяющие распределить поток от камер на несколько потребителей. SDI-приемники выполняют целый ряд функций: производят регенерацию сигнала, имеют HDMI-выход для подключения монитора. Кроме того, они являются инжекторами питания по коаксиальному кабелю. К ним можно также подключать системную клавиатуру, с помощью которой очень удобно входить в меню настроек, управлять поворотными камерами.
К промежуточным устройствам также можно отнести передатчики SDI по оптоволокну, матричные коммутаторы.
Записывающая часть
Здесь два основных направления: Stand-alone видеорегистраторы и платы видеозахвата для SDI-интерфейса. У Stand-alone SDI-регистраторов имеется ограничение, связанное с процессорной мощностью. Ведь они имеют дело с потоком высокого разрешения 1920 х 1080. На сегодняшний день большинство моделей пока еще не обеспечивает запись в реальном времени на максимальном разрешении. Но есть возможность выбора промежуточного разрешения 720p. В этом случае видео может быть записано практически в real time. В ближайшей перспективе новые устройства, которые обеспечивают запись в real time большого количества каналов.
Гибридные системы основаны, как правило, на компьютерных платформах. Имеются SDI-платы видеоввода, ориентированные на создание PC-based регистраторов. Их применение позволяет в составе одной системы сочетать произвольное количество аналоговых, IP- и SDI-камер. Гибридная SDI/аналоговая/IP-система – очень перспективное, на мой взгляд, направление на нашем рынке.
Насколько готов рынок к широкому использованию SDI-решений?
Ситуация любопытная: никто не хочет быть революционером, брать на себя риски по активному продвижению SDI-стандарта в охранном наблюдении, делать эту тему доминирующей. В то же время к теме SDI подключилось очень большое количество компаний. Многие разработчики считают интерес к этой теме несколько синтетическим – повсеместные разговоры не являются подтверждением существования серьезной доли рынка. Пока она, особенно в России, очень мала, но нужно отдавать себе отчет в том, что она будет расти. Вряд ли можно говорить о возможной серьезной конкуренции с IP. Конкуренция будет с аналоговыми системами. Произойдет ли какое-то замещение, отберут ли SDI-решения серьезную долю рынка у аналоговых систем, сейчас сказать сложно, но то, что конкуренция будет, – это факт.
В обзорной части материала читатели могут познакомиться с представленными на рынке SDI-решениями.
Камера HD-SDI формата Full HD SCB-6000 (Samsung Techwin)
Модель SCB-6000 – это мегапиксельная цифровая камера HD-SDI. Данная камера использует технологию HD-SDI для передачи мегапиксельных изображений HD без прерывания сигнала или запаздывания видеосигнала. Она предназначена для видеонаблюдения с целью обеспечения повышенной безопасности, например в казино, банках и отелях. Модель SCB-6000 может передавать видео в режиме реального времени с разрешением Full HD (1920 x 1080) на расстояние до 100 м со скоростью 30 кадров в секунду. Кроме того, она оснащена встроенными функциями «день-ночь», SSDR и SSNRIII.
Высокое разрешение Full HD (1920 x 1080, 30 кадр/с), HD (1280 x 720, 60 кадр/с). Минимальная освещенность – 1 лк при F1.2 (цвет), 0,1 лк (ч/б). SSNRIII (3D+2D), RS-485, два вида питания.
Всепогодная ИК-камера формата HD-SDI JTW-HD1080TDN-V212IR (Jetek Pro)
Предназначена для построения профессиональных систем видеонаблюдения.
Матрица – 1/3″ Panasonic Progressive Scan Color CMOS Sensor. Формат сигнала: HD-SDI 1080P/30fps. Чувствительность – 0,02 Lux(увеличение чувствительности DSS x 60).
Блок светодиодов – 63 шт., макс. – 80 м. Вариофокальный объектив f = 2,8
12 мм с внешней регулировкой, автодиафрагма. «День-ночь» (TND, механический ИК-фильтр). 3D DNR. Цифровой зум х64.
OSD (экранное меню), BLC(компенсация засветки), AWB (автоматический баланс белого), приватное маскирование. Питание – 12 В. Габаритные размеры: 230 (W) x170 (H) x 100 (D) мм.
Профессиональный гибридный видеорегистратор формата HD-SDI JVR-HD9 (Jetek Pro)
Один канал HD-SDI разрешением HD (1280 x 720P) 25 к/с. Восемь аналоговых каналов разрешения D1 (720 x 480) 100 к/с. Картинка высокого разрешения, автоматический выбор соотношения сторон 4:3, 16:9. Формат сжатия H.264. Запись в реальном времени. Триплекс (одновременно запись, воспроизведение, сеть). Полная поддержка сети. USB-порт/DVDRW для резервного копирования. Контроль потери сигнала. Пред и постзапись. Функциональное воспроизведение. Поддержка дисков до 3 SATA. Встроенные сервисы ActiveX / DDNS. Поддержка 3G (Symbian, Windows mobile, Blackberry, I-Phone, Android). RS-485.
Регистратор MDR-H0004C (MICRODIGITAL)
HD-SDI регистратор MDR-H0004С обладает рядом особенностей, которые ставят их в один ряд с самыми современными устройствами видеозаписи, работающими в формате HD-SDI. Запись и воспроизведение на каждый канал с качеством Full HD (1920 х 1080). ПО центрального поста наблюдения CMS Pro. Встроенный web-сервер. Сетевой клиент для iPhone, Android, Windows Mobile, Blackberry.
Видеовход – 4хHD-SDI. Видеовыход – 1HDMI (макс. 1920 x 1280p, выбор) / 1 VGA (макс. 1280 x 720p, выбор). Аудиовход/выход – 2/1 RCA. Скорость записи HD-SDI – 15 к/сек (1280 х 720) / 7 к/сек (1920 х 1080). Сеть – 10/100/1000 Ethernet.
Уличная 2.0 мегапиксельная HD-SDI видеокамера MDC-H6290F-24 с ИК-подсветкой (MICRODIGITAL)
Цифровой видеовыход 1080 p 60/50 к/сек. Компенсация задней засветки (BLC). Автоматическая регулировка усиления (AGC). Шумоподавление (DNR). Встроенные ИК-диоды и объектив. Внешняя регулировка объектива. Погодозащищенный корпус IP66. Рабочие температуры – от-30 ºС до +50 ºC.
Матрица – 2.0 Megapixel 1/3” Progressive CMOS. Разрешение – 1920 х 1080 пикс. Цифровой видеовыход – 1920 х 1080 пикс. 60/50 к/сек SMPTE-292M. Минимальная освещенность – 0,3 лк (цвет) / 0 лк (ИК-вкл). Объектив – 3,6 мм. ИК-подсветка – 24 ИК-диода.
STR-HD1612 (Smartec)
HD-SDI цифровой видеорегистратор H.264; 16 каналов видео/аудио. Встроенный SATA HDD не менее 2 Тб (возможность установки 8 дополнительных HDD). Разрешение записи 1920 x 1080(p), 1920 x 1080 (i), 1280 x 720(p), темп записи – 240 изображений/c (1280 x 720), 120 изображений/c (1920 x 1080). Выходы монитора: главный HDMI/VGA, Spot HDMI/HD-SD. ALARM (16)/RELAY (2). Пульт ИК-ДУ в комплекте, встроенный DVD-RW. RS-232. RS-485 (телеметрия PTZ, ATM/POS), eSATA, 2 USB, сетевой (2xEthernet, 1 Gb/s). 220 В. Габариты – 440 х 132 х 480 мм. ПО SMS в комплекте.
Интерфейсы SDI/HD-SDI: проблемы, характеристики, структура
Зачем нужны цифровые форматы телевидения?
Как известно, изначально телевидение, как и все прочее, было аналоговым и в основном остается таковым до сих пор. Только сейчас начинается активный переход к цифровому ТВ, практически совпадающий по времени с принятием стандартов и внедрением телевидения высокой четкости.
Цифровые форматы ТВ очень перспективны по многим причинам:
Однако неоспоримые преимущества цифровой обработки ощутимо теряют свою привлекательность из-за того, что существует необходимость многократной транспортировки сигнала из студии в студию, с одного аппаратного комплекса или компьютера на другой. При этом многочисленные преобразования из аналоговой в цифровую форму и наоборот не менее губительны, чем сложные операции обработки и передача на большие расстояния аналогового сигнала.
Уже давно появились средства цифровой видеозаписи, позволяющие исключить критическую стадию аналого-цифрового преобразования. Весьма логично было бы вслед за этим избавиться и от всех промежуточных преобразований, оставив лишь одно – из цифры в аналог – в самом конце тракта, непосредственно перед передачей в эфир. Аналоговое телевещание пока что превалирует с большим перевесом, хотя постепенный переход на цифровое уже начинается, что позволит наконец полностью избавиться от лишних ЦАП’ови АЦП. Причем не только в студиях и на телецентрах, но и во многих случаях на приемной стороне: ведь такие распространенные на сегодня дисплеи, как плазменные панели и DLP-проекторы, являются цифровыми по своей сути. Несомненно, что и светодиодные дисплеи, которые в будущем наверняка вытеснят плазменные, жидкокристаллические и тем более кинескопные телевизоры, также будут цифровыми. Стопроцентная реализация потенциала цифрового дисплея возможно только при наличии полностью цифрового тракта.
… и конкретно SDI?
Итак, первоочередной целью, поставленной перед студиями, была организация распределительных кабельных сетей для передачи цифрового видео вещательного уровня качества без потерь. Естественно, физическая замена среды распространения – кабельных сетей – была бы связана с высокими капиталовложениями. Поэтому стояла задача адаптировать цифровые потоки под уже имеющиеся коммуникации коаксиального кабеля, которые долгие годы служили для передачи аналогового сигнала. При этом достаточно было частично заменить, а частично дополнить состав аппаратных комплексов, не вмешиваясь в конструктив зданий и помещений (перепрокладка кабелей – это по сути капремонт, а значит, не только деньги, но и время).
Однако просто оцифровать компонентный сигнал, с которым имеют дело в профессиональной сфере, недостаточно. К тому же, поскольку в эфир передается полный телевизионный сигнал, представляющий собой композитный видеосигнал плюс звук в форме частотно-модулированной поднесущей, значительная часть студийных магистралей имела не трех-, а однолинейную структуру. Значит, необходимо было разработать специальный цифровой формат видео, которым и стал SDI – Series Digital Interface, или последовательный цифровой интерфейс, требующий всего одного коаксиального кабеля для передачи трех сигналов – яркости и двух цветоразностных компонент. И обеспечивающий доставку видео без потерь на расстояния, типичные для студий и телецентров.
Какие проблемы стояли на пути создания формата SDI?
Основная проблема – большие массивы данных и соответственно скорости их передачи, неизбежно возникающие при оцифровке и без того достаточно высокочастотного видеосигнала. Спектр цифрового видео имеет очень большую протяженность в области высоких частот: это сотни мегагерц. Широкая полоса тракта необходима не только для обеспечения нужной скорости передачи, но и для сохранения по возможности изначально прямоугольной формы импульсов. При вырождении ее в синусоиду постепенно накапливается джиттер (дрожание фаз фронтов), возрастает количество ошибок, сигнал теряет помехоустойчивость, одно из главных преимуществ цифрового представления сигнала. Джиттер может наблюдаться в широкой полосе частот. Различают низкочастотный джиттер, или НЧ дрейф (drift, wander) ниже 10 Гц, который почти не влияет на качество сигнала (медленное изменение тактовой частоты) и высокочастотный, приводящий к деградации сигнала. Допустимое значение ВЧ-джитера составляет 0,2 х T: 740 пс для 270 Мбит/с (стандартное телевидение), 135 пс для 1,485 Гбит/с (ТВ высокой четкости), где T – длительность тактового импульса.
Рис. 1. Джиттер
На приемной части от джиттера полностью избавляются путем восстановления тактовой частоты данных (перетактирования, reclocking). Однако существуют пределы степени деградации формы сигнала, при превышении которых полное восстановление становится невозможным.
Коаксиальный кабель – практически идеальная среда распространения высокочастотных сигналов (при условии согласованности линии передачи по входам и выходам с компонентами тракта), однако и она накладывает определенные ограничения по частоте, и тем боле жесткие, чем длиннее линия передач. Это касается не только аналоговых, но и цифровых сигналов.
Значит, нужно либо довольствоваться малыми расстояниями, что не всегда возможно, либо сжимать цифровой поток. Алгоритмы эффективного сжатия, основанные на отбрасывании информации малой степени заметности, существуют и широко применяются, и все они предполагают сжатие с потерями: MPEG-2, MPEG-4, DV (Motion JPEG) и пр. Надо сказать, что сжатие (например, MPEG-2 для DVB) используется для вещания в эфир, при этом субъективное восприятие качества картинки при однократной декомпрессии сжатого сигнала на приемной стороне остается достаточно высоким, а в стандартный частотный диапазон одного аналогового канала удается уложить до 3-6 цифровых каналов. Незаменимо оно и для уплотнения информации на внешних носителях (DVD, цифровая магнитная запись, винчестер). Помимо собственно изображения, сжатые форматы позволяют записывать и передавать многоканальный звук, различные дополнительные материалы и пр. Но при многократных циклах сжатия и распаковки сигнала происходит необратимая потеря качества с накоплением характерных артефактов изображения. Поэтому в пределах студии передача сигнала должна осуществляться без сжатия или с неглубоким сжатием без потерь.
Итак, формат SDI позволил решить задачу передачи цифровых видеоданных внутри студий как без цифро-аналоговых и аналого-цифровых преобразований, так и без многократных сжатий и распаковок, максимально сохранив при этом преемственность коммуникаций (как коаксиальных, так и оптоволоконных) и аппаратных комплексов. Многие компоненты, такие, как обычные и матричные коммутаторы, усилители-распределители и пр., применявшиеся в аналоговом ТВ, при условии определенного запаса по полосе частот с успехом работают с сигналами SDI.
Характеристики формата SDI
Формат SDI соответствует Рекомендациям МСЭ-Р ВТ.656 и стандарту SMPTE-259M (Society of Motion Picture and Television Engineers – Общество инженеров в области техники кино и телевидения). Помимо стандартного телевидения, он применим также для телевидения высокой четкости (версия HD-SDI SMPTE-292M). Передача сигнала осуществляется согласно Рекомендации МСЭ-Р ВТ.601 (а также дополнению «В» для формата 16:9). Среда распространения – единичный коаксиальный кабель 75 Ом с терминалами BNC. Либо оптоволоконная линия передач (одномодовое волокно, длина волны 1310±40 нм) с лазерными передатчиком и приемником (Рекомендация МСЭ-Р BT.1367). Оптоволоконная линия терминируется разъемами ST.
Рис. 2. Физический интерфейс SDI: коаксиальный кабель, разъем BNC,
оптический разъем, лазерный передатчик
Затухание в линии не должно превышать 30 дБ/100 м на частоте 100 МГц (для стандартного телевидения) и 20 дБ/100м на частоте 750 МГц для ТВЧ. Соответственно примерные расстояния для передачи без ошибок составляют 280 м (СТВ) и 50 м (ТВЧ). С целью увеличения расстояний транспортировки, как и в случае с аналоговым видео, применяются повторители. Наилучшие результаты дают приборы с коррекцией амплитудной характеристики (подъем высоких частот), позволяющие в значительной степени восстановить форму импульсов. Еще лучше, если одновременно с восстановлением формы производится перетактирование сигнала.
Оптоволокно же дает возможность передавать данные без потерь более чем на 50 км.
Рис. 3. Число ошибок в сигнале SDI в зависимости от длины кабеля
(кабель Belden 8281)
Передача является односторонней, без квитирования (подтверждения о получении данных приемной стороной).
Передача каждой из трех компонент видео – Y, Cb, Cr – осуществляется последовательно в виде двоичных кодов. Вещательным стандартом является модель 4:2:2, предполагающая, что на цветоразностные компоненты приходится вдвое меньше отсчетов, чем на яркостную, и соответственно вдвое ниже разрешение по цветам по сравнению с яркостью. Фактически «4:2:2» означает, что из каждой четверки соседних пикселей в строке яркость кодируется для каждого, а цветоразностные компоненты – через один (первая двойка). Кроме этого, точно так же обстоят дела с соответствующими пикселями следующей строки (вторая двойка). Формула 4:4:4 означает равнозначность кодировки для все пикселей и строк (и по яркости, и по цветоразностным компонентам). А формула 4:2:0 означает, что информация о цвете передается не в каждой строке, а через строку.
Модель 4:2:2 хорошо согласуется с особенностями восприятия зрительного аппарата и применяется для того чтобы снизить объем данных. Однако существует возможность работы и с моделью 4:4:4, хотя и при меньших расстояниях передачи (физически реализуемая, хотя и выходит за рамки стандарта SDI). Это необходимо на стадии обработки по цвету, когда для корректного пересчета цифровых последовательностей требуется повышенное разрешение во избежание набега ошибки. Предусмотрена также передача оцифрованного в формате SDI композитного видеосигнала (модель 4:0:0), хотя на практике она применения не находит.
Данные кодируются с частотой выборки 13,5 МГц (яркость) или 6,75 МГц (цветоразностные компоненты). Разрешение составляет 10 бит для каждой компоненты (ранее применялось 8-битное кодирование, ныне устаревшее).
Передача сигнала стандартного телевидения происходит со скоростью потока 270 Мбит/с, для чего достаточно полосы канала в 250 МГц. В соответствии со спецификацией LVDS (Low Voltage Differential Signaling, или дифференциальная передача низкоуровневых сигналов) биты кодируются не напряжением, а перепадами уровней напряжения (размах его составляет 800±80 мВ). Это обеспечивает высокую помехозащищенность (по аналогии частотная модуляция аналогового сигнала меньше подвержена воздействию помех по сравнению с амплитудной). Поскольку важны не сами уровни, а только перепады, полярность сигнала значения не имеет, и поэтому в тракте с одинаковым успехом могут применяться как неинвертирующие, так и инвертирующие усилительные элементы.
Исходный цифровой поток скремблируется («перемешивается), на приемной же стороне производится его восстановление (дескремблирование). Эта операция применяется для более равномерного распределения энергии сигнала по всему его спектру, который приближается в результате к шумовому и создает меньше вредных наводок на соседние коммуникации.
Помимо собственно видео, в формате SDI возможна передача звука (стандартные 4 канала или больше) и временного кода.
Структура сигнала SDI
Для стандартного телевидения различают форматы SDI, соответствующие стандартам NTSC (60 полей/с, 525 строк в кадре) и PAL/SECAM (50/625).
Каждая строка в начале и конце имеет специальные маркеры, или метки SAV (Start of Active Video) и EAV (End of Active Video). Между метками SAV и EAV передаются собственно видеоданные (720 отсчетов сигнала яркости Y и по 360 отсчетов цветоразностных каналов Cr, Cb). Между окончанием предыдущей (EAV) и началом следующей строки (SAV) могут передаваться дополнительные данные, сюда же вставляются отсчеты каналов звукового сопровождения.
Рис. 4. Структура сигнала SDI
Рис. 5. Структура кадра SDI
Для ТВЧ структура сигнала SDI (в данном случае – HD SDI) остается прежней, изменяются только количество отсчетов в каждой строке и число строк в кадрах. Согласно стандарту SMPTE-292M передача ТВЧ осуществляется на скорости 1,485 Гбит/с при частоте кадров 24, 25, 30 Гц (прогрессивная развертка) или 50, 60 Гц (чересстрочная развертка). Существуют также версии формата HD SDI с частотами кадровой развертки 59,94, 29,97 и 23,976 Гц и скоростью потока 1,4835 Гбит/с, обеспечивающие совместимость различными вариантами NTSC.
Получение сигнала SDI
Если SDI получается из аналоговых композитного сигнала или S-Video, сначала эти сигналы декодируются и раскладываются на составляющие: яркость Y, а также цветоразностные сигналы U (или Cr) и V (или Cb). Уровни этих сигналов определяются следующими соотношениями:
Y = 0,299R+0,578G+0,114B; U = R-Y; V = B-Y, R – красный, G – зеленый, B – синий.
Затем каждая компонента оцифровывается и подается на кодер, в котором данные собираются в последовательности, соответствующей структуре SDI. Звук включается в структуру SDI (в промежутках между метками EAV и SAV) с помощью специальных устройств – эмбеддеров, на приемной же стороны он вновь извлекается из сигнала с помощью деэмбеддеров. Звуковое сопровождение может подаваться на вход эмбеддера в цифровом виде (по интерфейсу S/PDIF) либо в аналоговом.
Стандарт SMPTE-272M предусматривает возможность внедрения до 16 каналов цифрового звука с различными частотами дискретизации, разрядностями и способами синхронизации (всего 10 вариантов).
В SDI возможно ввести и другие данные, например телетекст. Это не предусмотрено стандартом, но физически реализуемо и часто применяется на практике.
Формат SDTI
Часто возникает потребность передачи сжатого оцифрованного видеосигнала. Для этого вполне можно использовать SDI, но снова возникает проблема лишних преобразований: декомпрессии (перед передачей) и повторного сжатия. Поэтому на базе SDI был создан специальный формат передачи сжатых данных – SDTI (Serial Digital Transport Interface), стандарт SMPTE-305M. Синоним SDTI – QSDI, принятый у разработчиков аппаратуры DVCAM. SDTI обеспечивает передачу сигнала быстрее, чем в реальном времени – несжатый сигнал передается со скоростью до 360 Мбит/с, а сжатый до 200 Мбит/ с, то есть в 4 раза быстрее, чем сжатый компонентный 4:2:2 (50 Мбит/с). Передача происходит быстрее реального времени. Стандарт предусматривает 8 каналов аудио, тайм-код и пр. В качестве среды распространения используется такой же коаксиальный кабель, как и в SDI, а также оптоволоконные линии. Первая версия формата – SDT – сочетала в себе основные особенности интерфейсов DVCAM и Betacam SX (Sony) и DVCPRO (Panasonic). SDTI обладает односторонней совместимостью с SDI (компоненты стандарта SMPTE-305M корректно работают с SMPTE-259M), что обеспечивает преемственность оборудования и дает возможность плавного перехода с одного формата на другой без глобальной замены.
Структура сигнала SDTI в целом та же, что и у SDI, но данные в области активного видео пакетируются. Между метками EAV и SAV (т.е. в служебной области) в каждой строке присутствуют специальные коды, оповещающие приемную сторону о том, что данная строка содержит информацию в формате SDTI.
