4K图像载荷标识符详解和应用

梁 彦

（作者单位：安徽广播电视台）

视频画面数据都是依赖数字分量串行接口（Serial Digital Interface，SDI）来传输。随着电视技术的发展，以及各种视频图像采集数据的变化，SDI接口的数据率、载荷内容也在不断变化，同样的数据率可以携带不同的载荷，如3G接口中不仅可以传输1920×1080 50P 4∶2∶2的视频图像，还可以传输1280×720 60P 4∶4∶4的图像，还可以传输2个1920×1080 50i 4∶2∶2的视频图像[1]；同样，同一视频图像数据可以在一个SDI接口中传输，也可以在多个SDI接口中传输，比如3840×2160 50P 4∶2∶2的视频图像可以在12G接口中传输，也可以在4个3G接口中传输[2]。因此，在接收端解码时必须有一个说明告诉接收端采用什么样的方式解码接口中的内容，同时能够正确地显示出来，这个说明就是和视频图像数据一起传输的载荷标识符。

1 载荷标识符详解

载荷标识符属于SDI接口辅助数据包的一种，也就是说载荷标识符本身是行辅助数据包的载荷，辅助数据包又是SDI接口的载荷中的一种（还有视频数据、音频数据、时间码等其他载荷）[3]。本文主要详述载荷标识符的相关的信息放置位置、一般格式和字段定义。

1.1 放置位置

根据电影和电视工程师协会（The Society of Motion Picture and Television Engineers，SMPTE） 发 布 的SMPTE ST 352和其他相关标准，载荷标识符放置的位置主要依据几个原则：一是放置在行辅助数据空间中EVA字段的后面，如果有行号和CRC字段则放在CRC1之后。二是放置的行号尽量不要和放置音频包或扩展音频包的行相冲突。三是原则上载荷标识符可以放在不和上面两条相冲突的任意行，但为了使用方便，可以参考标准推荐的载荷标识符放置行号（见表1）。

表1 载荷标识符推荐放置行号

1.2 一般格式含义

载荷标识符由4个字节组成，每个字节8个比特，这里需要注意的是目前常用的SDI接口的字段长度为10个比特，采用8个比特的载荷标识符也是为了和以往的8比特SDI接口相兼容。目前，每个字节有相应的含义（见表2），当然并不是每个接口都用到所有的字节，也不是每一个标准都赋予了字段的含义，一些旧的标准对某些字段是保留字的字节，有些新的标准已经赋予了新的含义，我们就按照新的含义来说明，请大家参考旧标准时注意这个问题。

表2 载荷标识符各个字节的含义

1.2.1 字节1的含义

第1个字节是载荷标识符中最重要的字节，主要包括两部分内容：版本号、载荷和数据接口标识符。接收设备通过这两个值就可以基本确定所传输的内容。

第7位用来标识载荷标识符的版本号，2001年7月以前的版本值为0，以后的版本值为1。但在有些设备中显示载荷标识符的值时一般不显示这一位的数值，而仅仅显示后面6位的值，也就是载荷和数据接口标识符。

第0～6位为载荷和数据接口标识符，第1个字节的重要性主要体现在这个字段上，它把SMPTE ST 352标准中规定的载荷内容，包括有效行数、传送速率、图像映射结构（普通映射、双链接、双数据流）、音频传输方式（PCM、立体声、压缩编码）等数据类型中的每一种具体值都使用不同的载荷和数据接口标识符来唯一表示。我国电视标准常用的载荷和数据接口标识符如表3所示：

表3 我国电视标准常用的载荷和数据接口标识符

表3仅仅列出了部分载荷和数据接口标识符的值，读者可上SMPTE网站查看其他的有效载荷的值。另外，载荷和数据接口标识符的数值必须向SMPTE委员会申请通过后才能使用。

1.2.2 字节2的含义

字节2主要包含4个内容标识，分别是传输逐行隔行标识、图像逐行隔行标识、动态范围特性、图像帧速率。

第7位用来表示接口传输采用逐行传输还是隔行传输，0表示隔行，1表示逐行。第6位用来表示图像扫描方式是隔行还是逐行，0表示隔行，1表示逐行。一般来讲第6位和第7位的取值是一样的。

第4位、第5位用来表示动态范围特性，这两位在4K视频出现以前是作为保留位使用，默认值是0。在有了4K视频以后这两位用来表示光电转换方式，0h表示SDR，1h表示HLG，2h表示PQ，3h表示不明确的转换方式。

第3位到第0位用来表示图像的帧速率，0h表示未定义，5h表示25帧，9h表示50帧，Dh表示100帧。

1.2.3 字节3的含义

第3字节主要包含4个内容标识，分别是幅型比、图像行采样点数、色域空间、图像采样结构。

第7位用来表示幅型比，0h表示4∶3，1h表示16∶9。

第6位用来表示图像水平有效采样点数，如果该接口是一个子链接，则表示该子链接对应的子图像的水平采样点数，0表示1920，1表示2048。

第4位和第5位用来表示图像的色域空间，这在2020色域出现以前是作为保留位使用的，默认值是0h。在多色域出现后0h表示709色域，1h表示色彩空间在场色彩数据包中定义，2h表示ITU-R BT 2020色域（也就是SMPTE ST 2036-1色域），3h表示未定义。

第0～3位用来表示图像采样结构，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 字节4的含义

第4字节主要包含4个内容标识，即链路标识（如果有子链路的话则为子链路分配标识）、亮度色差标识、音频复制状态、采样量化深度。

第5～7位用来表示链路标识，这要根据具体的传输内容而定。如果传输的内容为单链路单图像，则为0h；如果传输的内容为4K 4链接方式，则4个链路分别为0h，4h，8h，Ch。

第4位为亮度色差标识，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位为保留位，默认为0h。

第2位为音频复制状态位，0h表示链接内都是原始音频没有音频复制，1h表示该链接的音频为前面链接的音频复制。

第0位和第1位表示该图像的采样量化深度。0h表示依照ITU-R BT.2100标准全范围的10比特量化，仅仅不使用受保护的低四位和高四位。1h表示正常的10比特量化，2h表示12比特量化，3h同上一样表示12比特的全范围的12比特量化。

2 载荷标识符实际测量结果

根据上文分析，可以得出我国常用信号的载荷标识符表4。由于篇幅限制，表4所有的图像采样结构都采用4∶2∶2格式，4K图像默认帧率都为50P，幅型比为16∶9。

表4 我国常用4K信号载荷标识符

工作人员对部分信号利用相关测试仪器，实际测量了信号中的载荷标识符，可以看到图1为12G HLG和BT 2020信号，图2为输入信号为4K HLG BT 2020 4×2.97Gbps SI信号，载荷标识符的测试结果和表4完全一致。

图1 12G HLG和BT 2020信号载荷标识符

图2 4K HLG BT 2020 4×2.97Gbps SI信号图像载荷标识符

由于4K图像的相关设备目前还处于试验投产阶段，很多厂家的设备输出并不能完全满足国际标准参数的要求，如图3和图4所示：

图3载荷标识符字节2和字节3标注含义为SDR和709色域，造成这种情况可能是两种原因。一是图像色域和动态范围标注错误，二是在信号处理过程中色域和动态范围信息插入错误。图4则更明显，除了动态范围和色域以外第三个字节的16∶9标识成了4∶3，这就显然是标识错误了。

图3 载荷标识符转换错误

图4 载荷标识符标识错误

3 结语

本文详细说明了4K图像载荷标识符的定义和产生、用法；同时，列出目前我国4K图像信号相关载荷标识符，并对部分信号进行实际测量。需要说明的是，不管是SDI信号，还是IP链路（载荷标识符存在于辅助数据链路中，在SMPTE ST 2110标准中，辅助数据、视频、音频信息是分3条链路传输的）图像载荷标识符都是设备识别、信号分析、故障排查的重要 工具。