入 門 書 4K 映 像 SDI 伝 送 技 術 の 基 礎 はじめに わが 国 では 2000 年 にBSデジタル 放 送 による 高 画 質 HDTV 放 送 が 開 始 された その 後 デジタル 放 送 は4K さらには8K 放 送 といった 更 なる 高 画 質 化 に 向 けての 準 備 が 進 められている 本 書 では 4K 映 像 信 号 の 伝 送 に 使 われるSDIに 関 する 規 格 の 特 徴 を 説 明 すると 供 に SDI 信 号 を 取 り 扱 う 上 で 必 要 とされる 基 礎 知 識 と 用 語 を 解 説 し SDI 信 号 についての 理 解 を 深 めるための 技 術 資 料 として 役 立 つよう 構 成 している SDI 信 号 は 一 部 のプロフェッショナル 放 送 用 機 器 のイン タフェースに 使 用 されている 印 象 があるが NTSC コン ポジット 信 号 などアナログ 映 像 信 号 で 使 われていたBNC ケーブルを 利 用 してデジタル 映 像 信 号 を 伝 送 できること から 監 視 カメラなどのアナログ 映 像 機 器 をデジタル 化 する 場 合 において 既 に 敷 設 されたBNCケーブルを 利 用 できるため 業 務 用 像 機 器 や 医 療 用 機 器 などの 分 野 で SDI 信 号 を 利 用 する 動 きがある jp.tektronix.com
入 門 書 図 1. 4K 映 像 イメージサイズ 図 2. 4K 映 像 の 色 域 4K 映 像 の 特 徴 4K 映 像 の 特 徴 として 次 の3つが 挙 げられる 第 一 に 空 間 解 像 度 の 向 上 で あ る UHDTV1(3840 2160) ま た は デ ジ タ ル シ ネ マ(4096 2160) はHDTV (1920 1080)に 対 して4 倍 の 画 素 数 を 持 つ これにより 画 面 の 隅 々まで 高 精 細 な 表 現 が 可 能 になるため より 臨 場 感 のあ る 映 像 コンテンツを 生 成 することができる 図 1 第 二 に 色 再 現 性 の 向 上 である HDTVの 色 表 現 範 囲 はHDTV で 使 われたITU-R BT.709-5に 対 して より 広 い 色 域 を 扱 うこ とができるようITU-R BT.2020で 規 定 される 色 域 を 採 用 した これにより 色 の 表 現 領 域 が 拡 大 され 深 みのある 赤 や 緑 青 の 表 現 が 可 能 となる 図 2 第 三 に 輝 度 ダイナミックレンジの 拡 張 である SMPTE ST 2084:High Dynamic Rangeやドルビー ビジョンなどHDR (High Dynamic Range) 方 式 を 利 用 することで 輝 度 の 変 化 を きめ 細 かく 表 現 でき 映 画 などのダイナミックレンジが 広 い 映 像 において 白 とび 黒 つぶれといった 問 題 の 回 避 に 効 果 がある ことから 採 用 されつつある 4K 映 像 の 伝 送 4K 映 像 はHDTVに 対 して4 倍 のデータ 量 を 持 つが データ 量 は 画 素 数 で 表 される 空 間 的 な 解 像 度 だけではなく 時 間 方 向 の 解 像 度 つまりフレーム レートによっても 大 きく 影 響 されるため フレー ム レートが30P(プログレッシブ)と60Pでは 単 純 計 算 でもデー タ 量 で2 倍 の 違 いがある ところで 伝 送 路 の 説 明 をするために SDI 信 号 の 歴 史 についても 触 れておきたい HD-SDI(SMPTE 292)が 開 発 された 当 時 1.5Gbpsのビットレートの 伝 送 路 を 使 用 することで30PまでのHDTVを 伝 送 できた 例 :1920 1080 4:2:2クロマフォーマット 30プログレッシブ フレーム/ 秒 の 場 合 1ラインのサンプル ワード 2200ワード 1フレーム のライン 数 1125ライン 1ワードのサンプル ビット 数 10bit 1Yと1CbまたはCr 2ワード 30フレーム/ 秒 30/1.001 =1.485Gbps しかし 60Pを 伝 送 するために はデータ 量 が2 倍 の3Gbpsの 伝 送 路 が 必 要 であったため1.5Gbps の 伝 送 路 を2 本 束 ねて 信 号 を 送 るデュアルリンク 方 式 (SMPTE 372)が 考 案 された その 後 3Gbpsの 伝 送 路 が 実 現 され 3G-SDIの 規 格 (SMPTE 425/424)が 策 定 されたが デュア ルリンク 対 応 機 器 との 互 換 性 を 考 慮 して3G-SDIのフォーマットの ひとつとしてデュアルリンク 方 式 のフォーマット(Level-B)が 規 定 された このように テレビジョンの 規 格 は その 時 点 で 利 用 できる 伝 送 路 の 物 理 的 制 約 に 影 響 される しかし 技 術 の 発 展 に 伴 い 新 しい 伝 送 路 が 利 用 できるようになっても 従 来 システムと の 互 換 性 を 維 持 するために いくつかのフォーマットは 次 世 代 の 伝 送 規 格 にも 引 き 継 がれることがTV 信 号 規 格 の 複 雑 さの 要 因 に 繋 がっている ところで HDTVの4 倍 のデータ 量 を 持 つ4K 映 像 を60Pで 伝 送 す るためには3Gbpsの4 倍 となる12Gbpsの 伝 送 路 が 必 要 である 現 在 4K 映 像 を1 本 の 同 軸 ケーブルで 伝 送 するための 規 格 (SMPTE ST 2082-1)が 策 定 されたが この 方 式 に 基 づいた 製 品 がデバイスメーカおよびセットメーカから 供 給 されるまでは 3-SDIを4 本 束 ねて 伝 送 するクアッド リンク 方 式 がレガシー イン タフェースとして 使 われることから 本 書 ではクアッド リンク 方 式 を 中 心 に 解 説 する 2 jp.tektronix.com
4K 映 像 SDI 伝 送 技 術 の 基 礎 図 3. スクエア ディビジョン 方 式 図 4. 2サンプル インターリーブ 方 式 クワッド リンク3G-SDIの 仕 様 4K 映 像 を4 本 の3G-SDIで 伝 送 するためには 各 伝 送 路 あたりの 画 素 数 をHDTVと 同 等 の1920 1080にする 必 要 がある 最 初 のステップとして 画 面 を4 分 割 して1920 1080サンプルのサ ブイメージを 生 成 するが SMPTE 425-5 では 映 像 イメージの 分 割 方 法 として 画 面 を 中 央 で 割 って 田 の 字 に4 分 割 するスクエア ディビジョン 方 式 図 3 と2 画 素 (サンプル) 単 位 で 画 像 を 間 引 いて 読 み 出 しを 行 う2サンプル インターリーブ 方 式 図 4 を 定 義 している 各 方 式 には 一 長 一 短 があり スクエア ディビジョン 方 式 は 分 割 方 法 がシンプルである 反 面 画 像 のアライメントを 維 持 するために 正 確 なタイミングが 必 要 であり 分 割 したサブイメー ジをひとつのフレームイメージに 構 成 するために4 分 割 した 映 像 を 格 納 する 大 容 量 メモリが 必 要 である この 方 式 は 主 に 収 録 や 編 集 などの 制 作 段 階 で 使 用 されることが 多 い 2サンプル インターリー ブ 方 式 は2 画 素 ごと 水 平 方 向 と1ラインずつ 飛 び 越 してサンプリン グする 方 式 であるため 分 割 するためのサンプリング 方 法 は 複 雑 で あるが シリアルデータとして 時 間 方 向 のタイミングが 明 快 であ り 遅 延 が 少 ないことから 伝 送 などのアプリケーションで 使 用 され ることが 多 い このようにイメージ 分 割 する 方 式 は 使 用 するアプ リケーションに 併 せて 最 適 な 方 式 を 選 択 する 必 要 がある jp.tektronix.com 3
入 門 書 次 のステップは サブイメージに 分 轄 され た 画 像 データを Data Stream 1とData Stream 2としてバーチャル インタ フェースにマッピングする 図 5 図 6 最 終 的 に 物 理 層 に 送 るためワード 単 位 で Data Stream 2/Data Stream 1/ Data Stream 2 の 順 でストリーム に 多 重 される 図 7 これらの 関 連 規 格 と の 相 関 図 を 掲 載 するので 詳 細 については 各 規 格 書 を 参 照 されたい 図 8 図 5. 4K 映 像 イメージ2160ライン マッピング 図 6. バーチャル インタフェース 図 7. 10-bit パラレル インタフェース 多 重 4 jp.tektronix.com
4K 映 像 SDI 伝 送 技 術 の 基 礎 図 8. 4K 映 像 スクエア ディビジョン SMPTE 関 連 規 格 との 相 関 図 また 3G-SDIは YCbCr 4:2:2 1080p 10bitデータを 扱 え る だ け で な く RGB(A)4:4:4:4や YCbCr(A)4:4:4:4 10bit/12bitデータなど 様 々なフォーマットのデータをマッピン グできるようになっているが 本 書 ではYCbCr 4:2:2 1080p 10bitデータ(Level-A)を 例 に 解 説 している 参 考 までに 4K 映 像 の 伝 送 の 項 目 で 触 れたデュアルリンク 方 式 のフォーマット (Level-B)との 違 いについて 解 説 する 図 9 4 分 割 されたサブイメージのサンプル データ(YCbCr 4:2:2) をバーチャルストリームにマッピングする 際 Level-Aの 場 合 Data Stream 1にYサンプルをData Stream 2にCb/Crサンプ ルを 配 置 しているのに 対 し Level-BではLink-AがData Stream 1 に Link-B が Data Stream 2 としてYサンプルとCb/Crサン プルをライン 毎 に 配 置 しているのが 解 る 図 9. Level-AとLevel-Bの 違 い jp.tektronix.com 5
入 門 書 図 10. ANCデータの 挿 入 位 図 12. ビデオ ペイロードID 図 11. ANCパケット フォーマット 図 13. ピクチャ レートとサンプリング ストラクチャ ANCデータの 仕 様 SDIインタフェースは 映 像 データ 以 外 にもオーディオデータや 映 像 に 関 するパラメータを 送 るためにブランキング 領 域 にANC(アン シラリ)データを 挿 入 できる 図 10 このANCデータは SMPTE ST 352で ピクチャ レートやサンプリング 方 式 など のストリームの 識 別 に 使 われるビデオ ペイロードIDなどが 定 義 されている 受 信 側 の 機 器 はANCデータを 利 用 することで 受 信 し ている 映 像 のフォーマットを 認 識 することができる 例 として DID=0 41 Ancillary data packetで 示 されるビデオ ペイロー ドIDのフォーマットについて 解 説 する 図 1 1 ADF(Ancillary data flag)0 000 0 3FF 0 3FFに 続 くDID=0 41は Ancillary data packetフォーマットであることを 示 している 図 の 例 ではVideo Payload IDが0 89でPicture Rateが0 CA Sampling Structureが0 01に 設 定 されているが この 場 合 Video Payload ID=0 89 はSMPTE ST 425-1で 示 される 1080-line video payloads on a Level A 3 Gbps(nominal) serial digital interfaceであることがわかる 図 12 この 値 は 4K 映 像 のクワッド リンクで 使 われるレベルA スク エア ディビジョンと 同 じ 値 であることに 注 意 していただきたい つまり 4K 映 像 は 2サンプル インターリーブの 場 合 はVideo Payload IDが0 97(2160-line video payloads on a quad 3 Gbps Level A serial digital interface)または0 98(2160- line video payloads on a quad 3 Gbps Level B-DL serial digital interface)として2160ラインが 定 義 されているが ス クエア ディビジョンの 場 合 ペイロードIDはHDTVと 同 じ 1080であり3G-SDI Level-Aとして4Kクワッド リンクとは ANCデータでは 識 別 されない ペイロードIDに 続 いて ピクチャ レート(Byte 2)とサンプリング ストラクチャ(Byte 3)が 続 くが これらの 値 はSMPTE ST 352のTable2およびTable 3 で 確 認 することができる 参 考 までにVideo Payload ID=0 97(2160-line video payloads on a quad 3 Gbps Level A serial digital interface)の 例 を 示 す 図 13 6 jp.tektronix.com
4K 映 像 SDI 伝 送 技 術 の 基 礎 図 14. 波 形 モニタ アイ ダイアグラム 図 15. 3G-SDIインタフェース 物 理 特 性 規 格 物 理 層 の 仕 様 映 像 制 作 段 階 のコンテンツは 非 圧 縮 のベースバンド 信 号 で 取 り 扱 うため 撮 影 機 器 や 収 録 機 器 およびモニタ 間 でインタフェースの 整 合 が 必 要 である 4K 映 像 制 作 においても 同 様 に 非 圧 縮 ベース バンド 信 号 での 収 録 が 前 提 であるため 3G-SDIインタフェースの 機 器 間 接 続 は 伝 送 エラーが 起 きにくい 様 に 可 能 な 限 り 短 いケーブ ルを 使 用 することが 望 まれるが スタジアムでの 中 継 などカメラ と 収 録 機 器 が 物 理 的 に 離 れている 場 合 は 収 録 機 器 側 の 信 号 品 質 を 波 形 モニタなどで 確 認 することが 必 要 である デジタル 信 号 は 伝 送 するケーブルの 物 理 特 性 に 影 響 されるため ケーブルの 曲 がり や ねじれなどにより 伝 送 エラーを 引 き 起 こすことがある この ような 問 題 に 対 応 するために 波 形 モニタは SDI 信 号 の 物 理 層 にお いて アイ ダイアグラムを 測 定 することで 信 号 の 状 態 を 知 るこ とができる 図 14 4Kクワッド リンク 方 式 の 場 合 4 本 の BNCケーブルを 使 用 して 伝 送 するが それぞれの 信 号 は 各 出 力 か ら1mのBNCケーブル 端 にて3G-SDIインタフェースの 物 理 特 性 規 格 の 要 件 を 満 たしていなければならない 図 15 3G-SDIのア イ パターン 基 本 測 定 仕 様 では 電 気 特 性 として 信 号 の 立 上 り/ 立 下 り 時 間 と 振 幅 およびオーバーシュートなどが 規 定 されている また ジッタについてタイミング ジッタとアライメント ジッ タ の 許 容 範 囲 を そ れ ぞ れTJ 2UI(674ps) AJ 0.3UI (101ps)と 規 定 している 実 際 の 信 号 がこれらの 要 件 に 適 合 し ているかは 波 形 モニタWFM8300 型 (テクトロニクス 製 )を 使 用 することで 測 定 評 価 ができる さらに クワッド リンク 方 式 のように4 本 の 同 軸 ケーブルを 使 用 する 場 合 には 各 ケーブル 波 形 モニタ WFM8300 型 図 16. 波 形 モニタ クワッド リンク タイミング 測 定 の 伝 送 特 性 によって 信 号 の 到 着 タイミングにずれが 生 じることが ないように 注 意 しなければならない WFM8300 型 の4K 対 応 オ プションを 使 用 することで4つ 入 力 のタイミングを 測 定 できる 図 16 しかしながら スタジアムでの 中 継 など 複 数 のカメラを 長 い ケーブルで 伝 送 する 用 途 や 放 送 局 の 回 線 /サブ/マスターなど 機 器 間 のケーブル 接 続 が 集 中 する 場 所 では できるだけ 少 ない 配 線 で 映 像 伝 送 できることが 求 められる jp.tektronix.com 7
入 門 書 図 17. 12G-SDI SMPTE 関 連 規 格 との 相 関 図 最 後 に 12G-SDIのSMPTE 2082 規 格 について 触 れておきたい SMPTE ST 2082のOverviewで 関 連 規 格 との 相 関 図 が 示 されて いるが 図 8で 示 されているように3G-SDIの4Kクワッド リン クとはST 425-5 Quad 3Gb/s Serial Digital Interface 以 降 が 異 なり12G-SDIへのソースイメージとANCデータ マッピングの 仕 様 SMPTE ST 2082-10と12G-SDIの 電 気 的 仕 様 SMPTE ST 2082-1が 規 定 されている 図 17 8 jp.tektronix.com
4K 映 像 SDI 伝 送 技 術 の 基 礎 図 18. 12G-SDI ソースイメージ マッピング 1 図 20. 12G-SDI ソースイメージ マッピング 3 図 21. 12G-SDIインタフェース 物 理 特 性 規 格 図 19. 12G-SDI ソースイメージ マッピング 2 ソースイメージのマッピング 方 法 でクワッド リンク 方 式 との 違 いは 8 本 のバーチャルストリームを1 本 に 多 重 している 点 である 図 18 図 19 図 20 電 気 的 仕 様 については 立 上 り(Tr)/ 立 下 り(Tf) 時 間 が45ps 以 下 でTr - Tfが14ps 以 下 タイミング ジッタとアライメント ジッタの 許 容 範 囲 がTJ 2UI(168ps) AJ 0.3UI(25ps)となっている 図 21 今 後 4K 放 送 システムを 構 築 するために 4K 映 像 を1 本 の 同 軸 ケー ブルで 伝 送 する12G-SDI 規 格 (SMPTE ST 2082-1)が 早 い 段 階 で 実 用 化 されることが 望 まれる jp.tektronix.com 9
参 考 文 献 引 用 規 格 ITU-R BT.2020 SMPTE 292 SMPTE ST 352 SMPTE ST 425-1 SMPTE ST 424 SMPTE ST 425-5 SMPTE ST 2082-0 SMPTE ST 2082-1 SMPTE ST 2082-10 SMPTE ST 2084 お 問 い 合 わせ 先 : ASEAN/オーストラリア ニュージーランドと 付 近 の 諸 島 (65) 6356 3900 オーストリア 00800 2255 4835 バルカン 諸 国 イスラエル 南 アフリカ その 他 ISE 諸 国 +41 52 675 3777 ベルギー 00800 2255 4835 ブラジル +55 (11) 3759 7627 カナダ 1 800 833 9200 中 央 / 東 ヨーロッパ バルト 海 諸 国 +41 52 675 3777 中 央 ヨーロッパ/ギリシャ +41 52 675 3777 デンマーク +45 80 88 1401 フィンランド +41 52 675 3777 フランス 00800 2255 4835 ドイツ 00800 2255 4835 香 港 400 820 5835 インド 000 800 650 1835 イタリア 00800 2255 4835 日 本 81 (3) 6714 3010 ルクセンブルク +41 52 675 3777 メキシコ 中 央 / 南 アメリカ カリブ 海 諸 国 52 (55) 56 04 50 90 中 東 アジア 北 アフリカ +41 52 675 3777 オランダ 00800 2255 4835 ノルウェー 800 16098 中 国 400 820 5835 ポーランド +41 52 675 3777 ポルトガル 80 08 12370 韓 国 001 800 8255 2835 ロシア +7 (495) 6647564 南 アフリカ +41 52 675 3777 スペイン 00800 2255 4835 スウェーデン 00800 2255 4835 スイス 00800 2255 4835 台 湾 886 (2) 2656 6688 イギリス アイルランド 00800 2255 4835 アメリカ 1 800 833 9200 2015 年 4 月 現 在 jp.tek.com 記 載 内 容 は 予 告 なく 変 更 することがありますので あらかじめご 了 承 ください Copyright 2015, Tektronix. All rights reserved. TEKTRONIX およびTEK はTektronix, Inc. の 登 録 商 標 です 記 載 された 製 品 名 はすべて 各 社 の 商 標 あるいは 登 録 商 標 です 2015 年 10 月 25Z-20676-0