Serial digital interface

L'interface numérique série ou serial digital interface (SDI), est un protocole de transport ou de diffusion de différents formats de vidéo numérique. Il fut introduit en 1989 par la norme SMPTE ST 259 pour la transmission de la vidéo SD entre équipements de studios audiovisuels. Par la suite, plusieurs normes se succédèrent – HD-SDI (1,485 Gbit/s), 3G-SDI (2,970 Gbit/s), UHD-SDI – pour définir des protocoles adaptés à des débits binaires plus importants pour les transmissions de vidéos haute définition (HDTV), ultra haute définition (UHDTV1 et UHDTV2) ou pour le cinéma numérique (2K, 4K, 8K). Les données du signal vidéo ne sont pas compressées. La quantification est effectuée sur 8, 10 ou 12 bits, et la structure de sous-échantillonnage utilisée est souvent de type 4:2:2, bien que les normes les plus récentes autorisent une structure 4:4:4 ou 4:4:4:4. Le signal peut être transmis sous forme électrique, via un ou plusieurs câbles coaxiaux d'impédance caractéristique 75 Ω muni de connecteurs BNC, ou par fibre optique.

Normes

Les progrès techniques successifs ont donné naissance à une multitude de formats vidéo aussi bien dans le domaine de la télévision numérique que du cinéma numérique (2K, 4K, 8K). La définition de l'image (SD, HD, UHD, 2K, 4K, 8K) ou la fréquence image (25, 50, 100, etc. images par seconde en Europe) sont en augmentation ce qui impose des images occupant un volume de stockage et des débits de transmission plus importants. Les rapports d'image peuvent également différer selon les applications (anciennement 4/3 et actuellement 16/9 en télévision, 1,89 ≈ 17/9 en cinéma numérique). C'est pourquoi, la Society of Motion Picture and Television Engineers (SMPTE), l'Union européenne de radio-télévision (UER ou EBU en anglais), l'Union internationale des télécommunications (UTI ou ITU en anglais) ou encore le Digital Cinema Initiatives (DCI) ont publié plusieurs documents permettant de normaliser les formats vidéo et/ou les protocoles de transport afin de faciliter les échanges.

Quelques normes d'interfaces SDI accompagnées des qualités optimales qui peuvent être transmises

Nom	Standard SDI	Date^[1]^,^[2]	Définition / Fréquence image (maximum)	Structure / Quantification (maximum)	(Débit maximum)
Liaisons simples (Single-link)
SD-SDI^[3]	SMPTE ST 259 UER Tech. 3267 ITU BT 656	1989	SMTPE ST 244 (480i29,97 ; 768 × 485 ; 4/3)	NTSC composite, 4f_sc	143 Mbit/s (obsolète^[4])
			UER Tech 3246 (576i/25 ; 948 × 576 ; 4/3)	PAL composite, 4f_sc	177 Mbit/s (obsolète^[4])
			SMTPE ST125 et ITU-R BT 601 (480i/29,97 ; 720 × 480 ; 4/3 ou 576i/25 ; 720 × 576 ; 4/3)	4:2:2/10 b	270 Mbit/s
			SMTPE ST 267 (480i/29,97 ; 960 × 480 ; 16/9 ou 576i/25 ; 960 × 576 ; 16/9)	4:2:2/10 b	360 Mbit/s (obsolète^[4])
HD-SDI^[5]	SMPTE ST 292	1998	HDTV 720p / 60, 50, 30, 25, 24* HDTV 1080i ou 1080p / 30, 25, 24 Cinéma 2K / 30, 25, 24	4:2:2/10 b	1,485 Gbit/s, 1,485/1,001 Gbit/s
3G-SDI^[1]	SMPTE ST 424	2006	HDTV 1080p ; 60*, 50	4:2:2/10 b	2,970 Gbit/s, 2,970/1,001 Gbit/s
6G UHD-SDI	SMPTE ST 2081-10	2014	UHDTV1 et Cinéma 4K / 30, 25, 24	4:2:2/10 b	6 Gbit/s
12G UHD-SDI	SMPTE ST 2082-10	2014	UHDTV1 et Cinéma 4K / 60*, 50	4:2:2/10 b	12 Gbit/s
12G UHD-SDI	SMPTE ST 2082-10	2014	UHDTV1 et Cinéma 4K / 30, 25, 24	4:4:4/12 b ou 4:4:4:4/10 b	12 Gbit/s
24G UHD-SDI	SMPTE ST 2083-10	2015	UHDTV1 / 120*, 100	4:2:2/10 b	24 Gbit/s
			UHDTV1 / 60*, 50	4:4:4/12 b ou 4:4:4:4/10 b
			UHDTV2 / 30, 25, 24	4:2:2/10 b
10G Optical SDI Interface	SMPTE ST 435-1		UHDTV1 / 30, 25, 24	4:4:4/12 b	10,692 Gbit/s
10 Gbit/s Optical SDI Interface	SMPTE ST 2036-3		UHDTV1 / 30, 25, 24	4:4:4/12 b	10,692 Gbit/s
(*) La division de la fréquence par 1,001 est également spécifiée pour assurer une compatibilité^[6] avec les systèmes NTSC. La structure 4:4:4 peut aussi bien s'adapter aux composantes Y'C_bC_r qu'aux composantes R'G'B'. La structure 4:2:2 ne s'adapte qu'aux composantes Y'C_bC_r. Les formats d'image UHDTV1 et UHDTV2 sont définis par les normes SMTPE ST 2036-1 et ITU-R BT 2020.
Liaisons multiples (Multi-link)
Nom	Standard SDI	Date^[1]^,^[2]	Définition / Fréquence image (maximum)	Structure / Quantification (maximum)	Débit (maximum)
Dual-link HD-SDI	SMPTE ST 372	2002	HDTV SMTPE ST 274 (1080p ; 60*, 50)	4:4:4:4 10 b	2,970 Gbit/s, 2,970/1,001 Gbit/s
Dual-link 3G-SDI	SMPTE ST 425-3	2012	UHDTV1 / 30, 25, 24	4:2:2/10 b	6 Gbit/s
Quad-link 3G-SDI Dual-link 6G-SDI	SMPTE ST 425-5 SMPTE ST 2081-11	2012 2014	UHDTV1 / 30, 25, 24	4:4:4/12 b ou 4:4:4:4/10 b	12 Gbit/s
Quad-link 3G-SDI Dual-link 6G-SDI	SMPTE ST 425-5 SMPTE ST 2081-11	2012 2014	UHDTV1 / 60*, 50	4:2:2/10 b	12 Gbit/s
Dual-link 10G optical SDI	SMPTE ST 2036-3		UHDTV1 / 60*, 50	4:4:4/12 b ou 4:4:4:4/10 b	21 Gbit/s
Quad-link 6G-SDI Dual-link 12G-SDI	SMPTE ST 2081-12 SMPTE ST 2082-11	2014	UHDTV1 / 120*, 100	4:2:2/10 b	24 Gbit/s
			UHDTV1 / 60*, 50	4:4:4/12 b ou 4:4:4:4/10 b
			UHDTV2 / 30, 25, 24	4:2:2/10 b
Quad-link 10G optical SDI	SMPTE ST 2036-3		UHDTV2 / 30, 25, 24	4:4:4/12 b ou 4:4:4:4/10 b	43 Gbit/s
Quad-link 12G-SDI Dual-link 24G-SDI	SMPTE ST 2082-12 SMPTE ST 2083-11	2015	UHDTV1 / 120*, 100	4:4:4/12 b ou 4:4:4:4/10 b	48 Gbit/s
			UHDTV2 / 30, 25, 24	4:4:4/12 b ou 4:4:4:4/10 b
			UHDTV2 / 60*, 50	4:2:2/10 b
Octa-link 10G optical SDI	SMPTE ST 2036-3		UHDTV2 / 60*, 50	4:4:4/12 b ou 4:4:4:4/10 b	85,5 Gbit/s
Quad-link 24G-SDI	SMPTE ST 2083-12	2015	UHDTV2 / 60*, 50	4:4:4/12 b ou 4:4:4:4/10 b	96 Gbit/s
Quad-link 24G-SDI	SMPTE ST 2083-12	2015	UHDTV2 / 120*, 100	4:2:2/10 b	96 Gbit/s
Octa-link 24G-SDI	SMPTE ST 2083-13	2015	UHDTV2 / 120*, 100	4:4:4/12 b ou 4:4:4:4/10 b	192 Gbit/s

Quelques normes encadrant les définitions d'image TV et cinéma numérique

Norme(s)	Système		Rapport d'image	Trame active	Trame totale	Débit brut^{[note 1]}
SDTV SMTPE ST125 ITU-R BT 601	480i29,97	525/49,94/2:1	4/3 ≈ 1,33	720 × 480	858 × 525	270 Mbit/s
SDTV SMTPE ST125 ITU-R BT 601	576i25	625/50/2:1	4/3 ≈ 1,33	720 × 576	864 × 625	270 Mbit/s
HDTV SMPTE ST 296	720p24*	750/24/1:1	16/9 ≈ 1,78	1280 × 720	4125 × 750	1,485 Gbit/s
	720p25	750/25/1:1			3960 × 750
	720p30*	750/30/1:1			3300 × 750
	720p50	750/50/1:1			1980 × 750
	720p60*	750/60/1:1			1650 × 750
HDTV SMPTE ST 274 ITU-R BT 709	1080p24*	1125/24/1:1	16/9 ≈ 1,78	1920 × 1080	2750 × 1125	1,485 Gbit/s
	1080i25	1125/50/2:1			2640 × 1125
	1080p25	1125/25/1:1			2640 × 1125
	1080i30*	1125/60/2:1			2200 × 1125
	1080p30*	1125/30/1:1			2200 × 1125
	1080p50	1125/50/1:1			2640 × 1125	2,970 Gbit/s
	1080p60*	1125/60/1:1			2200 × 1125	2,970 Gbit/s
Cinéma numérique 2K SMTPE ST 2048-1 DCI DCSS	1080p24*	1125/24/1:1	256/135 ≈ 1,90	2048 × 1080	2750 × 1125	1,485 Gbit/s
	1080p25	1125/25/1:1			2640 × 1125
	1080p30*	1125/30/1:1			2200 × 1125
UHDTV1 SMTPE ST 2036-1	2160p24*	2250/24/1:1	16/9 ≈ 1,78	3840 × 2160	5500 × 2250	5,940 Gbit/s
	2160p25	2250/25/1:1			5280 × 2250
	2160p30*	2250/30/1:1			4400 × 2250
	2160p50	2250/50/1:1			5280 × 2250	11,880 Gbit/s
	2160p60*	2250/60/1:1			4400 × 2250	11,880 Gbit/s
	2160p100	2250/100/1:1			5280 × 2250	23,760 Gbit/s
	2160p120*	2250/120/1:1			4400 × 2250	23,760 Gbit/s
Cinéma numérique 4K SMTPE ST 2048-1 DCI DCSS^{[note 2]}	2160p24		256/135 ≈ 1,90	4096 × 2160	5500 × 2250	5,940 Gbit/s
Cinéma numérique 4K SMTPE ST 2048-1 DCI DCSS^{[note 2]}	2160p48		256/135 ≈ 1,90	4096 × 2160	5500 × 2250	11,880 Gbit/s
UHDTV2 SMTPE ST 2036-1	4320p24*	4500/24/1:1	16/9 ≈ 1,78	7680 × 4320	11000 × 4500	23,760 Gbit/s
	4320p25	4500/25/1:1			10560 × 4500
	4320p30*	4500/30/1:1			8800 × 4500
	4320p50	4500/50/1:1			10560 × 4500	47,520 Gbit/s
	4320p60*	4500/60/1:1			8800 × 4500	47,520 Gbit/s
	4320p100	4500/100/1:1			10560 × 4500	95,060 Gbit/s
	4320p120*	4500/120/1:1			8800 × 4500	95,060 Gbit/s

(*) Ces systèmes ont un système associé présentant des cadences d'image divisée par 1,001 (23,98 Hz, 29,97 Hz, 59,94 Hz, 119,88 Hz) pour assurer une compatibilité^[5] avec les systèmes NTSC. Le débit est également divisé par 1,001.

Génération du signal

Plusieurs étapes sont nécessaires^[7] pour générer le signal à partir d'une source fournissant les 3 composantes Y', Cb et Cr (après matriçage des composantes R', G' et B'). Un sous-échantillonnage de la chrominance 4:2:2 est fréquemment effectué, ce qui veut dire qu'il y a deux fois plus de points d'information de luminance que de points d'information de chrominance. Chaque échantillon est défini par un mot binaire constitué de 8, 10 ou 12 bits selon la norme : ce mot est souvent présenté sous forme hexadécimale dans les publications.

D'abord la partie des signaux composantes Y', Cb et Cr reservée à la suppression trame (vertical blanking) et à la suppression ligne (horizontal blanking) est partiellement ou totalement remplacée.

Avant tout, il faut introduire les informations permettant la synchronisation (TRS : timing reference signal) : début de ligne active (SAV : start of active video) et fin de ligne active (EAV : end of active video). Quatre mots binaires dont certains sont réservés à cet usage : le premier étant la valeur maximale (FF pour 255 sur 8 bits, 3FF pour 1023 sur 10 bits, FFF pour 4095 sur 12 bits), les deux suivants la valeur minimale (00 ou 000). Le dernier mot XY ou XYZ indique s'il s'agit d'une ligne de la suppression trame, d'une ligne de la trame paire ou impaire selon le type de balayage (entrelacé, progressif ou progressive segmented frame), etc.
Il faut également indiquer le numéro de ligne occupant 2 mots notés LN0 et LN1.
Ces éléments sont accompagnés d'un code de correction d'erreur CRC (Cyclic Redundancy Code) constituant un paquet de quatre mots.
Le reste de la partie réservée aux suppressions trame et ligne peuvent être occupées par des données auxiliaires (HANC & VANC : horizontal & vertical ancillary data) telles que le timecode^[8]^,^[9] (ATC : Ancillary TimeCode), plusieurs canaux de son audionumérique^[10] suivant la norme AES3 (AES/EBU), des données informatiques, etc.

Ensuite, les trois composantes sont mises en série : dans le cas de la structure 4:2:2, la plus fréquente, un mot pour Cb, puis Y', puis Cr, puis Y', etc. Pour chaque mot, le bit de poids faible (LSB : low significant bit) est transmis en premier.

Illustration pour un signal HD-SDI 1080p25

Enfin, les données sont embrouillées (scrambling), puis un codage NRZI est finalement utilisé afin d'éviter au maximum la composante continue et permettre facilement la récupération la fréquence de d'horloge.

Le signal peut être transmis à une distance qui dépend du câble coaxial utilisé, typiquement moins de 300 m. Pour de plus grandes distances, il est nécessaire d'utiliser une fibre optique et éventuellement des répétiteurs.

Les normes plus récentes autorisent le transfert de vidéos moins définies et permettent parfois de transmettre plusieurs flux vidéo simultanément.

Fréquences d'échantillonnages et débits binaires

SD-SDI

La seule interface encore utilisée est celle qui correspond à la ITU-R BT 601. Les premières interfaces PAL et NTSC 4f_sc sont désormais obsolètes.

L'image est échantillonnée à 13,5 MHz pour la luminance et 6,75 MHz pour chacun des signaux de chrominance ce qui correspond à une structure 4:2:2 ce qui signifie qu'il y a moitié moins d'informations de chrominance. Le balayage est de type entrelacé. En ce qui concerne les standards utilisés en Europe, la trame est constituée de 864 × 625 pixels pour une partie utile de 720 × 576 pixels : pour une quantification sur 10 bits, le débit binaire est de 270 Mbit/s.

Calcul des débits brut et net : SDTV 576i25 :

Le débit brut peut se calculer de la manière suivante :

864 × 625 × 25 × 10 × 2 = 13,5 × 10⁶ × 10 × 2 = 270 Mbit/s.

Le débit net correspondant à la partie consacrée uniquement à l'image vaut :

576 × 720 × 25 × 10 × 2 = 207 Mbit/s.

HD-SDI

Le signal HD-SDI est généré en respectant les normes SMPTE ST 292.

La fréquence d'échantillonnage est celle préconisé par la recommandation ITU-R BT 709. Le signal de luminance échantillonné à 74,25 MHz, tandis que les signaux de chrominance, après avoir subi un sous-échantillonnage de la chrominance selon une structure 4:2:2, sont échantillonnés à 37,125 MHz. Le débit est de 1,485 Gbit/s, identique pour plusieurs formats : HDTV 1920 × 1080 à 24, 25 ou 30 images par seconde et 1280 × 720 à 60 images par seconde ou cinéma 2K 2048 × 1080 à 24, 25 ou 30 images par seconde.

Exemple de calcul des débits brut et net : HDTV 1080/25 :

Dans le cas d'une video 1080/25, la trame est formée de 1125 × 2640 pixels tandis que l'image active est constituée de 1920 × 1080 pixels.

Le débit brut peut ainsi se calculer :

1125 × 2640 × 25 × 10 × 2 = 74,25 × 10⁶ × 10 × 2 = 1,485 Gbit/s.

Le débit net correspondant à la partie consacrée uniquement à l'image vaut :

1080 × 1920 × 25 × 10 × 2 = 1,037 Gbit/s.

Voir aussi

Bibliographie

(en) Charles Poynton, Digital Video and HD : Algorithms and Interfaces, Waltham, MA, Elsevier, 2012, 2^e éd. (ISBN 978-0-12-391926-7, lire en ligne)

Jacques Gaudin, Jean-Noël Gouyet et Francis Mahieu, « TVHD Formats natifs, paramètres, normes, conversion », Techniques de l'ingénieur, n^o TE 5680,‎ 2010 (lire en ligne)

Jean-Noël Gouyet et Francis Mahieu, « TVHD Formats de compression. Formats-conteneurs », Techniques de l'ingénieur, n^o TE 5681,‎ 2010 (lire en ligne)

Articles connexes

Liens externes

Standards SMPTE : http://standards.smpte.org/

Notes

↑ Exemple donné pour une structure 4:2:2 et une quantification sur 10 bits, sans compression.
↑ Digital Cinema Initiatives - Digital Cinema System Specification

Références

↑ ^{a b et c} [PDF] John Hudson, 3Gb/s SDI for Transport of 1080p50/60, 3D, UHDTV1 / 4k and Beyond, 2013
↑ ^{a et b} [PDF] John Hudson, UHD-SDI Standards Overview – Towards a Hierarchy of SDI data Rates, 2013
↑ [PDF] Bruce Carriker, SDI SMPTE Primer, 2013
↑ ^{a b et c} Charles Poynton 2012, p. 432
↑ ^{a et b} Jacques Gaudin, Jean-Noël Gouyet et Francis Mahieu 2010, p. 26
↑ Jacques Gaudin, Jean-Noël Gouyet et Francis Mahieu 2010, p. 21-28
↑ Jean-Noël Gouyet et Francis Mahieu 2010, p. 11-14
↑ SMPTE ST 12-2 « Transmission of Time Code in the Ancillary Data Space ».
↑ Charles Poynton 2012, p. 404
↑ En SD : SMPTE ST 272 : « Television – Formatting AES/EBU Audio and Auxiliary Data into Digital Video Ancillary Data Space ». En HD : SMPTE ST 299-1 : « 24-Bit Digital Audio Format for SMPTE 292 Bit-Serial Interface ». Cinéma numérique : SMPTE 428-2 : « D-Cinema Distribution Master - Audio Characteristics ».

[7] Exemple donné pour une structure 4:2:2 et une quantification sur 10 bits, sans compression.

[8] Digital Cinema Initiatives - Digital Cinema System Specification

[:0-1] {a b et c} [PDF] John Hudson, 3Gb/s SDI for Transport of 1080p50/60, 3D, UHDTV1 / 4k and Beyond, 2013

[:1-2] {a et b} [PDF] John Hudson, UHD-SDI Standards Overview – Towards a Hierarchy of SDI data Rates, 2013

[3] [PDF] Bruce Carriker, SDI SMPTE Primer, 2013

[:2-4] {a b et c} Charles Poynton 2012, p. 432

[:3-5] {a et b} Jacques Gaudin, Jean-Noël Gouyet et Francis Mahieu 2010, p. 26

[:3bis-6] Jacques Gaudin, Jean-Noël Gouyet et Francis Mahieu 2010, p. 21-28

[9] Jean-Noël Gouyet et Francis Mahieu 2010, p. 11-14

[10] SMPTE ST 12-2 « Transmission of Time Code in the Ancillary Data Space ».

[11] Charles Poynton 2012, p. 404

[12] En SD : SMPTE ST 272 : « Television – Formatting AES/EBU Audio and Auxiliary Data into Digital Video Ancillary Data Space ». En HD : SMPTE ST 299-1 : « 24-Bit Digital Audio Format for SMPTE 292 Bit-Serial Interface ». Cinéma numérique : SMPTE 428-2 : « D-Cinema Distribution Master - Audio Characteristics ».

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