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ヨッ！良 い オ シ ロはじめに
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。
4K映像SDI伝送技術の基礎
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 ST2084: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。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、SMPTE425-5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。 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入門書
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 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、DataStream1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DataStream2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。
入門書
図10.ANCデータの挿入位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＝0×41Ancillarydatapacket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11】 ADF（Ancillary data flag）0×000、0×3FF、0×3FFに 続 くDID＝0×41は Ancillarydatapacket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-linevideopayloadsonaLevelA3Gbps（nominal） serialdigitalinterface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 PayloadIDが0×97（2160-linevideopayloadsonaquad 3GbpsLevelAserialdigitalinterface）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SMPTEST352のTable2およびTable3 で確認することができる。参考までにVideo Payload ID＝0× 97（2160-linevideopayloadsonaquad3GbpsLevelA serialdigitalinterface）の例を示す。【図13】図11.ANCパケット・フォーマット
図12.ビデオ・ペイロードID
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 図16.波形モニタ クワッド・リンク タイミング測定 波形モニタ WFM8300型 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。入門書
最後に、12G-SDIのSMPTE2082規格について触れておきたい。 SMPTEST2082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ST425-5Quad3Gb/sSerialDigitalInterface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 ST2082-1が規定されている。【図17】図18.12G-SDIソースイメージ・マッピング1 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。 図19.12G-SDIソースイメージ・マッピング２ 図21.12G-SDIインタフェース物理特性規格 図20.12G-SDIソースイメージ・マッピング3
