一种实现HD和4KHDR视频信号同传输的方法以及SDI设备与流程

一种实现hd和4k hdr视频信号同传输的方法以及sdi设备
技术领域
1.本发明涉及数字串行接口sdi信号传输技术，特别涉及一种实现hd和4k hdr视频信号同传输的方法以及sdi设备。


背景技术：

2.在我国广电行业，各电视台的高清化建设已经基本完成。高清hd信号传输使用最多的是hd-sdi，包括1.5g-sdi、3g-sdi。各电视台都有大量1.5-sdi和3g-sdi的设备。数字串行接口sdi设备用于传输串行数字分量信号，不能直接传送压缩数字信号。
3.如图1所示，一帧hd-sdi包含两个数字场，总行数为1125，总列数为2640。每帧有效行1080行。其中，第1124行、1125行和1-20行位于第一场数字纵向消隐区，中间包含有一个用于切换容错的转换点，共计22行；561-583行为第二纵向消隐区，共计23行。每帧纵向消隐区共有45行。21-560行为第一场图像有效区，共540行；584-1123行为图像有效区，共540行。一帧中0至1919列为数据有效行，第1920至2199为数字行消隐区。数字行消隐区间从有效视频终止eav（1920-1924）到有效视频开始sav（2636-2639）。行号数数据lin、误码检测码crc、音频数据和辅助数据hanc嵌入在数字行消隐区。
4.随着4k超高清建设的逐渐兴起，由于1.5g
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sdi和3g-sdi设备只能传输hd信号。为了传输4k hdr视频信号，电视台不得不新购置4
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3g-sdi或者12g-sdi的设备，原有设备不能被充分利用，在资源和成本上造成了浪费。
5.除此之外，对于电视台的4k超高清建设，实现4k和hd同制作同播出是很强烈的需求。4k和hd不仅是分辨率不同，帧率、位深、色域和动态范围都有很大区别。hd sdr视频信号的制式为hd 8bit 50i sdr，分别表示为高清分辨率，8bit色深，50i帧速率，标准动态范围。hd hdr视频信号的制式为hd 10bit 50i hdr，分别表示为高清分辨率，10bit色深，50i帧速率，高动态范围。4k hdr视频信号的制式为4k 10bit 50p hdr，分别表示为4k分辨率，10bit色深，50p帧速率，高动态范围。
6.在各电视台已有的工程实践之中，4k制播和hd制播基本上是分成了两条独立的流程，4k传输和hd传输使用不同的sdi设备，仅在某些环节上存在4k 50p hdr和hd 50i sdr的上变换或者下变换，且上下变换不是可逆的，不能无损还原。
7.基于离散小波变换的轻量级压缩方案smpte rdd35-tico，在sdi中传输浅压缩的视频编码数据，经过编解码之后还原的视频信号基本上能做到视觉无损。这样就可以实现在hd-sdi或者3g-sdi中传输4k信号，有效地利用了现有设备。但tico主要有两个缺点：一是tico利用的是sdi图像有效区来传输编码数据，编码发送端和解码接收端都必须使用支持tico的设备才能正常工作，和标准的sdi设备没有兼容性。二是tico无法同时兼顾4k和hd，一条sdi信道中只能有一种视频制式，要么是4k，要么是hd，不能满足4k和hd同传输的需求。
8.另外，申请人于2021年7月19日申请的申请号为202110810312.9的一种支持高效编辑的超高清视频分层编解码方法，提供了一种将超高清视频进行编码时，对视频图像进行变换后得到视频图像的低频分量与高频分量，再将低频分量生成基本层码流，将低频分
量残差以及高频分量经熵编码后生成增强层码流；在解码时，利用基本层码流与增强层码流还原得到超高清视频的方法。


技术实现要素：

9.本发明所要解决的技术问题是，提供一种可在一个hd-sdi信道中同时传输hd 50i sdr和4k 50p hdr视频信号的方法以及实现该方法的sdi设备。
10.本发明为解决上述技术问题所采用的技术方案是，使用hd-sdi实现hd和4k hdr视频信号同时传输的发送方法，包括以下步骤：步骤s11：利用源4k hdr视频信号生成无压缩的hd sdr视频信号和经过压缩编码的4k hdr增强部分；无压缩的hd sdr视频信号配合4k hdr增强部分能还原得到4k hdr视频信号；将无压缩的hd sdr视频信号和4k hdr增强层编码一起嵌入待发送的数字分量串行接口sdi视频信号；步骤s12：通过hd-sdi信道发送sdi视频信号；所述hd-sdi信道为1.5g-sdi信道或者3g-sdi信道。
11.相对应的，使用hd-sdi实现hd和4k hdr视频信号同时传输的接收方法，包括以下步骤：步骤s21：接收来自于hd-sdi信道的sdi视频信号；所述hd-sdi信道为1.5g-sdi信道或者3g-sdi信道；步骤s22：如hd sdr视频信号被需要，直接从sdi视频信号取出无压缩的hd sdr视频信号输出；如4k hdr视频信号被需要，先从sdi视频信号取出无压缩的hd sdr视频信号与经过压缩编码的4k hdr增强部分，再解压出4k hdr增强部分，最后使用无压缩的hd sdr视频信号和4k hdr增强部分能还原得到4k hdr视频信号后输出。
12.以及，实现上述发送方法的hd-sdi发送设备和实现上述接收方法的hd-sdi接收设备。
13.具体的，在发送前sdi视频信号生成过程中，通过对源视频图像4k 50p hdr的变换，将源图像分成低频与高频两部分，分别对应作为无压缩hd 50i sdr数据和4k增强部分；4k增强部分编码可以是将低频残差与高频部分一起进行压缩编码，在解码时，能直接从接收到的sdi视频信号中取出无压缩hd 50i sdr数据直接输出，同时可以利用无压缩hd 50i sdr数据和解码后的4k增强部分能还原出4k 50p hdr数据输出；也可以进一步将4k增强部分再分为hdr增强层和4k增强层后进行压缩编码，hdr增强层对应存放低频残差，4k增强层对应存放高频部分，使得在解码时，除了能输出无压缩hd 50i sdr数据和4k 50p hdr数据之外，还可以利用无压缩hd 50i sdr数据和解码后的hdr增强层能还原出hd 50i hdr数据输出。
14.具体的，在将无压缩hd 50i sdr数据和4k增强部分嵌入sdi视频信号时，无压缩hd 50i sdr数据嵌入在标准的sdi视频信号区域，即 sdi视频信号中数据有效行的图像有效区，以保证现有标准sdi设备也能够不受影响地得到hd sdr数据，以获得最好的兼容性。4k hdr增强部分的嵌入位置为sdi视频信号的空闲区域。
15.本发明的有益效果是，实现了在一个hd-sdi信道之中，同时包含了4k和hd的所有元素，实现了4k和hd视频信号的同步传输，为电视台的4k/hd同制作同播出提供了基础，实
50i hdr的一场数据，用ll’(hdr)表示。
22.一般来说，图像做hdr to sdr下变换后，再做sdr to hdr上变换，是无法无损还原的。对ll(hdr)和ll’(hdr)两个图像做逐像素地相减，就得到了hdr-sdr上变换的差值图像ll-r。
23.对ll-r做压缩编码，压缩编码采用suvc或者jpeg xs，得到hdr增强层编码。可选的，hdr增强层编码的码率控制在100mbps左右。同时，做sdr to hdr上变换的参数也会记录在hdr增强层编码数据中，在解码时将会使用这些上变换参数。
24.对dwt变换得到的高频分量ll-h、lh、hl、hh做压缩编码，压缩编码采用suvc或者jpeg xs，得到4k增强层编码数据。可选的，4k增强层编码的码率控制在300mbps左右。原则上，hdr增强层编码与4k增强层编码的总码率控制在400mbps~500mbps范围内。
25.可选的，如不需要再接收时输出hr hdr视频信号则不需将ll-r和高频分量分层编码。将ll-r、ll-h、lh、hl、hh一起进行压缩编码作为4k增强部分编码也可以实现本发明hr与4k视频信号同传的目的，4k增强部分编码的码率总共控制在400mbps~500mbps范围内。
26.通过4k hdr增强部分生成步骤得到的ll(sdr)，将会以无压缩视频的形式嵌入到sdi视频信号中数据有效行的图像有效区；hdr增强层编码数据和4k增强层编码数据将会嵌入到sdi视频信号的空闲区域。
27.将hd 50i sdr视频数据、hdr增强层编码数据、4k增强层编码数据嵌入sdi视频信号的方法如图3所示。
28.根据smpte st 292-1和smpte st 274标准，1.5-sdi的总带宽是1.485gbps。对于yuv 4:2:2 8bit 1920
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1080 50i信号，每秒有25帧（50场），每秒带宽占用为1920
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1080
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50
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8bit≈830mbps。除去音频数据、辅助数据、以及sdi自身必要的控制数据之外，还有大量空闲信号区域（约500mbps）可以被利用来存放信号和幅面的增强数据。
29.对于ll(sdr)，其无压缩的数据yuv 4:2:2 8bit 1920
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1080 50i可直接放入数据有效行的图像有效区；图像有效区中sdi信号每个像素点是10bit，存放ll(sdr)只使用了8bit，还剩余2bit可以被利用。另外，sdi信号的水平消隐区和纵向消隐区也有大量空闲区域可以被利用。即，空闲区域包括数字行消隐的辅助数据区域、数据有效行的纵向消隐区以及在无压缩的hd sdr视频信号嵌入图像有效区中的每个像素点多余2bit的色深字节。
30.作为信号和幅面的增强数据的hdr增强层编码数据和4k增强层编码数据，每秒不超过500mbps。打散后的增强数据被存放在这些空闲区域之中。这些空闲区域是足够存放增强数据的。可选的，图像有效区的多余2bit可以根据增强数据量来调整是否被作为空闲区域使用。
31.sdi设备按照以下步骤接收sdi视频信号：接收步骤s21：接收来自于hd-sdi信道的sdi视频信号；所述hd-sdi信道为1.5g-sdi信道或者3g-sdi信道；视频信号输出步骤s22：如hd sdr视频信号被需要，直接从sdi视频信号取出无压缩的hd sdr视频信号输出；如4k hdr视频信号被需要，先从sdi视频信号取出无压缩的hd sdr视频信号与经过压缩编码的4k hdr增强部分，再解压出4k hdr增强部分，最后使用无压缩的hd sdr视频信号和4k hdr增强部分能还原得到4k hdr视频信号后输出。
32.视频信号输出的具体步骤如图4所示： 从sdi视频信号区域提取无压缩的yuv 4:2:2 8bit hd 50i sdr视频数据用ll(sdr)表示。如果下游应用需要hd 50i sdr数据，就可以在这里直接输出；从sdi信号空闲区域提取hdr增强层编码数据，并做解码，得到hdr-sdr上变换的差值图像ll-r；使用从hdr增强层编码数据中获得的上变换参数，对ll(sdr)做sdr to hdr的上变换得到ll’(hdr)；对ll-r和ll’(hdr)两幅图像做逐像素地相加，得到ll(hdr)，格式为yuv 4:2:2 10bit hd 50i hdr。如果下游应用需要hd 50i hdr数据，就可以在这里输出；从sdi信号空闲区域提取4k增强层编码数据，并做解码，得到dwt高频分量ll-h、lh、hl、hh；将ll(hdr)存放到ll位置，和ll-h、lh、hl、hh一起构成完整的dwt变换数据；dwt变换数据做逆小波变换idwt，水平方向变换一次，垂直方向变换两次。需要注意的是，对于奇数帧，第2次垂直变换的时候，以奇数行为中心；对于偶数帧，第2次垂直变换的时候，以偶数行为中心。这样就恢复出了yuv 4:2:2 10bit 4k 50p hdr视频数据。如果下游应用需要4k 50p hdr数据，就可以在这里输出。
33.以上取得hd sdr、hd hdr和4k hdr的步骤可以并行处理。在只需要hd 50i sdr数据时，就无需对hdr增强层和4k增强层进行处理。对于第三方设备接收这种sdi信号，可完全兼容地识别hd 50i sdr视频信号，忽略掉增强层数据。
34.sdi设备可以使用功能单元实现对应子步骤，也可以计算机设备以处理器+存储器的形式实现上述步骤，存储器中存储有执行上述步骤的计算机程序，该计算机程序由处理器加载并执行。
35.优选的，考虑到sdi信号同步字竞争问题，将4k hdr增强部分编码（hdr增强层编码和4k增强层编码）嵌入辅助数据区域和纵向消隐区时，按8bit封装在每个信号点对应的10bit中，使用每个信号点10bit的低8bit，高2bit设置为01或10，以避免出现增强层编码数据和sav、eav等sdi信号同步字的竞争。
36.另外，考虑到增强层编码数据的检测问题，通过在sdi视频信号中的指定位置加入一串特殊的识别码，接收信号时通过该识别码可查看sdi信号是否嵌入了增强层编码数据。可选的，识别码嵌入在每帧最开始的纵向消隐区中。