4K圖像載荷標識符詳解和應用

梁 彥

（作者單位：安徽廣播電視臺）

視頻畫面數據都是依賴數字分量串行接口（Serial Digital Interface，SDI）來傳輸。隨著電視技術的發展，以及各種視頻圖像采集數據的變化，SDI接口的數據率、載荷內容也在不斷變化，同樣的數據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，同一視頻圖像數據可以在一個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容，同時能夠正確地顯示出來，這個說明就是和視頻圖像數據一起傳輸的載荷標識符。

1 載荷標識符詳解

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

1.1 放置位置

根據電影和電視工程師協會（The Society of Motion Picture and Television Engineers，SMPTE） 發 布 的SMPTE ST 352和其他相關標準，載荷標識符放置的位置主要依據幾個原則：一是放置在行輔助數據空間中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展音頻包的行相沖突。三是原則上載荷標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，可以參考標準推薦的載荷標識符放置行號（見表1）。

表1 載荷標識符推薦放置行號

1.2 一般格式含義

載荷標識符由4個字節組成，每個字節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，每個字節有相應的含義（見表2），當然并不是每個接口都用到所有的字節，也不是每一個標準都賦予了字段的含義，一些舊的標準對某些字段是保留字的字節，有些新的標準已經賦予了新的含義，我們就按照新的含義來說明，請大家參考舊標準時注意這個問題。

表2 載荷標識符各個字節的含義

1.2.1 字節1的含義

第1個字節是載荷標識符中最重要的字節，主要包括兩部分內容：版本號、載荷和數據接口標識符。接收設備通過這兩個值就可以基本確定所傳輸的內容。

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

第0～6位為載荷和數據接口標識符，第1個字節的重要性主要體現在這個字段上，它把SMPTE ST 352標準中規定的載荷內容，包括有效行數、傳送速率、圖像映射結構（普通映射、雙鏈接、雙數據流）、音頻傳輸方式（PCM、立體聲、壓縮編碼）等數據類型中的每一種具體值都使用不同的載荷和數據接口標識符來唯一表示。我國電視標準常用的載荷和數據接口標識符如表3所示：

表3 我國電視標準常用的載荷和數據接口標識符

表3僅僅列出了部分載荷和數據接口標識符的值，讀者可上SMPTE網站查看其他的有效載荷的值。另外，載荷和數據接口標識符的數值必須向SMPTE委員會申請通過后才能使用。

1.2.2 字節2的含義

字節2主要包含4個內容標識，分別是傳輸逐行隔行標識、圖像逐行隔行標識、動態范圍特性、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位用來表示動態范圍特性，這兩位在4K視頻出現以前是作為保留位使用，默認值是0。在有了4K視頻以后這兩位用來表示光電轉換方式，0h表示SDR，1h表示HLG，2h表示PQ，3h表示不明確的轉換方式。

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3的含義

第3字節主要包含4個內容標識，分別是幅型比、圖像行采樣點數、色域空間、圖像采樣結構。

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數，如果該接口是一個子鏈接，則表示該子鏈接對應的子圖像的水平采樣點數，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色域出現以前是作為保留位使用的，默認值是0h。在多色域出現后0h表示709色域，1h表示色彩空間在場色彩數據包中定義，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構，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4的含義

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

第5～7位用來表示鏈路標識，這要根據具體的傳輸內容而定。如果傳輸的內容為單鏈路單圖像，則為0h；如果傳輸的內容為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，默認為0h。

第2位為音頻復制狀態位，0h表示鏈接內都是原始音頻沒有音頻復制，1h表示該鏈接的音頻為前面鏈接的音頻復制。

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標準全范圍的10比特量化，僅僅不使用受保護的低四位和高四位。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 載荷標識符實際測量結果

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

表4 我國常用4K信號載荷標識符

工作人員對部分信號利用相關測試儀器，實際測量了信號中的載荷標識符，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，載荷標識符的測試結果和表4完全一致。

圖1 12G HLG和BT 2020信號載荷標識符

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

由于4K圖像的相關設備目前還處于試驗投產階段，很多廠家的設備輸出并不能完全滿足國際標準參數的要求，如圖3和圖4所示：

圖3載荷標識符字節2和字節3標注含義為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范圍標注錯誤，二是在信號處理過程中色域和動態范圍信息插入錯誤。圖4則更明顯，除了動態范圍和色域以外第三個字節的16∶9標識成了4∶3，這就顯然是標識錯誤了。

圖3 載荷標識符轉換錯誤

圖4 載荷標識符標識錯誤

3 結語

本文詳細說明了4K圖像載荷標識符的定義和產生、用法；同時，列出目前我國4K圖像信號相關載荷標識符，并對部分信號進行實際測量。需要說明的是，不管是SDI信號，還是IP鏈路（載荷標識符存在于輔助數據鏈路中，在SMPTE ST 2110標準中，輔助數據、視頻、音頻信息是分3條鏈路傳輸的）圖像載荷標識符都是設備識別、信號分析、故障排查的重要 工具。