HD-SDI, HDMI y tempus fugit

Por Steve Somers, Vicepresidente de ingeniería

HD-SDI – High Definition Serial Digital Interface y HDMI – High Definition Multimedia Interface versión 1.3 reciben una considerable atención estos días. “Estos días” han pasado realmente rápido ahora que recuerdo haber escrito en esta columna sobre HD‑SDI justo hace un año. Y, exactamente hace dos años el tema era DVI y HDMI. Y como era de esperar, parece que fue ayer. Al igual que con todo lo digital, hay muchos cambios y mucho de lo que hablar.

El regreso de HD‑SDI

HD‑SDI es la espina dorsal de 1,5 Gbps de vídeo de alta definición no comprimido transmitido en entornos de producción HD profesional. Ha existido desde aproximadamente 1996, es literalmente el superviviente de la interconexión y entrega de alta definición al más módico precio a distancias medias utilizando cable coaxial de vídeo RG‑6. Definido en SMPTE – Society of Motion Picture and Television Engineers 292M, este estándar se sometió a una actualización a finales de 2006. Los datos técnicos son esencialmente los mismos, pero la relación del estándar a otros estándares SMPTE ha quedado ahora clarificada a través del programa de la nueva versión.

Y así continúa, pero la auténtica razón por la que quiero hablar hoy de HD‑SDI es para presentarle algunas de sus variaciones. ¿Por qué? Las variaciones incorporan un nuevo significado según la industria encuentra la necesidad de una mayor profundidad de color y un ancho de banda de transmisión ampliado. La industria del cine digital es consciente de los nuevos sabores de HD‑SDI y, en algunas aplicaciones, utiliza sus variantes para alimentar el voraz apetito de datos del proyector de cine digital.

SMPTE 292M describe la básica interfaz digital serie de 1,485 Gbps capaz de soportar alta definición de 10 bits, 1024 niveles, vídeo por componentes en el formato de muestreo 4:2:2. Este es componente digital con un canal de luminancia que tiene un muestreo de ancho de banda completo de 74,250 MHz, el “4” de 4:2:2, mientras que los dos canales de diferencia de croma se bastan de la mitad de la tasa de muestreo a 37,125 MHz, los “2” de 4:2:2. Este formato es suficiente para la televisión de alta definición. Pero su robustez y simplicidad son empujadas a las demandas de un mayor ancho de banda del cine digital y otros usos como 12 bits, 4096 formatos de nivel de la señal, frecuencia por encima de 30 fotogramas por segundo y formatos de imagen más grandes.

Más bits es mucho mejor

SMPTE aborda esta demanda con SMPTE 372M, que describe una aplicación dual-link de HD-SDI capaz de entregar 4:4:4; es decir, dos cables coaxiales que soportan interfaces separadas, pero coordinadas, entregando cada uno 1,485 Gbps a un ancho de banda total de 2,970 Gbps. Esta adaptación soporta fuentes por componentes y RGB de 10 bits y 12 bits, así como canal “alfa”. El canal alfa proporciona soporte de inserción de croma y mates de fondo. Cuando se presenta un canal alfa, la estructura de muestreo es conocida como 4:4:4:4. SMPTE 372M reparte la información de la imagen entre los dos canales para distribuir la carga útil de datos. Las líneas impares se mapean para enlazar con A y las líneas pares se mapean para enlazar con B. La tabla 1 indica la organización de datos 4:2:2, 4:4:4 y 4:4:4:4 con respecto a las tasas de fotogramas.

Aplicaciones como el cine digital demandan la estructura 4:4:4 de 12 bits no comprimida; implicando que cada canal es RGB de ancho de banda completo o formato por componentes con 12 bits de profundidad por color. Según la tabla 1, una amplia variedad de tasas de fotogramas puede ser acomodada, pero el cine digital utiliza normalmente el modo progresivo de 24 fotogramas listado para preservar el aspecto de cine. Debido a que este estándar es una extensión de SMPTE 292M, el formato original HD‑SDI, su versatilidad se utiliza para algunas instalaciones con interfaz de cine digital; a pesar de que en este momento la infraestructura de cine digital aún está bajo un notable desarrollo y cambio.

El dúo dinámico de SMPTE: 424M y 425M

HD-SDI dual-link es definitivamente un paso hacia delante, pero demanda que los dispositivos de interconexión sean capaces de gestionar una cierta cantidad de retardo de sincronización que puede darse cuando la señal viaja por dos recorridos de cable separados. Es imprescindible que la longitud del cable se controle cuidadosamente para evitar el aumento del tiempo de retardo. La diferencia de sincronización de la señal en la fuente no debe exceder los 40 ns. ¿Qué tal si pudiéramos controlar los dos flujos de datos en un cable?

SMPTE 424M y 425M hacen exactamente eso. Ambos estándares describen atributos del nuevo HD‑SDI de 3 Gbps, también conocido como “tasa dual”. SMPTE 424M describe la interfaz física mientras que SMPTE 425M detalla el mapeo del formato de imagen. Solo piense que 424M fueran dos flujos de datos regulares de 10 bits alternando, o multiplexados por tiempo, en un cable. Para transmitir la misma información que dos flujos HDSDI separados, sencillamente se dobla la frecuencia de reloj. A esta disposición se le llama “interfaz virtual” dentro de 424M. La conectividad a través de coaxial RG‑6 de 75 Ω con conectores BNC y margen de pérdida es la misma que con el SMPTE 292M original para el estándar HD‑SDI. La única diferencia es que nuestro cálculo de -20 dB de pérdida en el cable a la mitad de la frecuencia de reloj se mueve de 743 MHz a 1,485 GHz. Básicamente, la pérdida es aproximadamente el doble a la misma distancia con el mismo cable, o podemos transmitir la señal a la mitad de distancia.

En SMPTE 425M, ambas señales de 10 bits y 12 bits encajan en el flujo de 3 Gbps. La tabla 2 resume el alcance de los formatos de imagen manejados en este estándar de tasa dual. La estructura de mapeado soporta varias tasas desde 10 bits de vídeo por componentes 4:2:2 hasta 12 bits de vídeo por componentes y RGB 4:4:4. El aumento de la profundidad de bits mejora el rango dinámico de la imagen.

Supresión de vídeo reciclado

Igual recuerda haber hablado de la versión de transporte llamada HD‑SDTI – High Definition Serial Digital Transport Interface de SMPTE 348M en el último artículo sobre HD‑SDI. HD-SDTI ha sido encaminada a datos de uso general transportados a 1,5 Gbps. En la nueva versión de SMPTE 292M, el programa muestra esta interfaz de transporte vinculada a la taxonomía a través de SMPTE 291M, también actualizada en 2006, que describe cómo formatear datos para su uso dentro del espacio de datos auxiliares suministrado con todos los estándares de televisión digital serie. El espacio de datos auxiliares es el intervalo de tiempo previamente dedicado a la supresión horizontal y vertical del sistema de televisión analógico. Debido a que el tiempo de sincronización horizontal y vertical ocupaban alrededor de un 20% del total asignado, la reutilización de este importante intervalo de tiempo permite transmitir una importante cantidad de datos adicionales en HD-SDI o HD-SDTI.

SMPTE 349M recupera el concepto de transporte en la producción de definición estándar para soportar la línea de vídeo 525 y 625. Se proporcionan instrucciones para el reacondicionamiento de definición estándar en el espacio de transporte HD‑SDI. Además, este estándar ajusta la estructura para el transporte de una variedad de datos de vídeo que incluyen vídeo codificado MPEG‑2.

Y por fin una nueva versión

La gran noticia es que finalmente se ha presentado la versión 1.3 de HDMI con un conector adecuado adicional y más pequeño, y un incremento de la profundidad de color de 16,777.216 colores a 68.719,476.736 colores. Sí, amigos, 68,7 Gigacolores. Uno podría entrar en coma leyendo números con una coma como esta. ¿Puede imaginarse el salto que supondría la versión 2.0? Bienvenido a los Gigacolores.

Tengo un buen presentimiento al respecto. Me sentiría aún mejor si tuviéramos dispositivos de visualización que pudieran mostrar todos esos colores, pero este es un tema para otra ocasión. Al menos sabemos que podemos recopilar los colores, asignarles un número y almacenarlos en un disco duro grande para su futuro uso... una especie de almacenamiento criogénico del color, en sentido figurado, para poder descongelarlos en un futuro con el LED y el láser. Sin duda, los viejos buenos tiempos están por llegar.

Al lado hay un listado que resume las características nuevas más destacadas ofrecidas por la versión 1.3. De todas estas nuevas características, las que más percibirán la mayoría de consumidores son la profundidad de color mejorada y el conector de formato pequeño. El nuevo mini conector ha debutado recientemente con algunas videocámaras como la nueva interfaz para la conexión directa a su sistema HDTV en casa. Como USB, los dispositivos con una nueva interfaz física proporcionarán un cable corto con el conector estándar HDMI en un extremo y el nuevo mini conector en el otro, para facilitar así la conexión digital directa al sistema del dispositivo de visualización.

Las características menos apreciables, aunque importantes, son la mayor velocidad de la interfaz, de 4,95 Gbps a 10,2 Gbps, que soportará mayores resoluciones visuales junto a formatos de audio sin pérdidas como Dolby® TrueHD y DTS-HD Master Audio™. Los sistemas que ofrecen la capacidad de ver en 3D han utilizado desde hace tiempo frecuencias de 120 Hz, y estas son ahora soportadas.

Otro elemento que no debemos olvidar en la comunidad AV es Lip-sync o sincronía de labios en audio/vídeo automática. La sincronía de labios es una de esas cosas sobre las que no hablamos, pero su predominio se esconde en cada diseño de sistema AV de alta calidad. Normalmente, el vídeo se retrasa bastante en el proceso al que se somete en la mayoría de sistemas de escalado y conmutación. El efecto se agrava si hay escalado adicional en el dispositivo de visualización y externamente. El audio podría retrasar el vídeo hasta tres o cuatro fotogramas... un problema bastante notable por el espectador. Muchos procesadores de vídeo controlan o incluyen compensación integrada para este retraso, pero dependiendo del diseño del sistema AV, puede colarse algún error de sincronía de labios.

Fundamentos de la compresión de píxeles

Pero volvamos a nuestros factores determinantes... más resoluciones y mayor profundidad de color. A algo más del doble de la tasa de transmisión anterior, la versión 1.3 amplía el soporte de tasas de escaneado progresivo de alta resolución junto a una mayor profundidad de color. En el documento CEA-861-D de la Consumer Electronics Association se incluye una amplia lista de tasas soportadas. Por ejemplo, HDMI single-link, o DVI, soporta vídeo de alta definición con escaneado progresivo 1920x1080 a 24 bits por píxel, bpp. Como reseña, 24 bpp quiere decir que cada uno de los tres canales de color (R, G, B) tiene asignados 8 bits, o 256 niveles. Si elevamos 256 al cubo, alcanzamos los 16,7 millones de colores. Para alcanzar cualquiera de los mayores valores de profundidad del color, debe transmitirse más información de píxeles.

El capítulo 6 de la versión 1.3 de la especificación ilustra la metodología para aumentar la frecuencia de reloj y la compresión de píxeles para alcanzar una tasa de transferencia de datos adicional. Si lo piensa por un momento, es obvio que la interfaz existente funciona a 165 MHz para soportar 24 bpp. La nueva interfaz debe funcionar al menos el doble de rápido, por tanto a 340 MHz, para soportar hasta 48 bpp. Con la aumentada frecuencia de reloj, la versión 1.3 dispone de detalles de entrelazado que soportan fragmentación, compresión y movimiento ordenado de la información de píxeles adicional para cada profundidad de píxeles nueva (30, 36 y 48) por encina del estándar de 24. ¿He dicho “fragmentación”? Sí, es correcto; hay algo más pequeño que un píxel. HDMI 1.3 está descontrolado con píxeles parciales metidos en todos los rincones y recovecos de los tres canales de datos. La compresión de píxeles y el seguimiento de píxeles parciales no es que sea únicamente interesante, si no que además es un estudio definitivamente recomendado para todos aquellos que experimentan dificultad para conciliar el sueño en la noche.

Espacio de color — “La frontera final”

La profundidad de color y el espacio de color no son lo mismo. La profundidad de color se refiere a un método para dividir una gama de color, el canal rojo por ejemplo, en incrementos graduados más pequeños para conseguir un aspecto tonal más nítido y matizado en el dispositivo de visualización.

El espacio de color describe el rango de colores general dentro del ámbito de la visión humana que un sistema puede reproducir. Los humanos somos capaces de ver más colores de los que nuestros sistemas de dispositivos de visualización existentes pueden mostrarnos. La búsqueda continúa para un espacio de color mayor y la capacidad para mostrarlo. La versión 1.3 de HDMI da un nuevo paso en esta dirección denominado “xvYCC” o amplio espectro de espacio de color YCC. IEC 61966-2-4 define este espacio de color para aplicaciones de vídeo. El capítulo 4.3 del estándar IEC describe xvYCC como una extensión de ITU-R BT709-5, pero extiende el espectro de este estándar mucho más. El concepto está ilustrado en la imagen 1 donde el borde exterior de la “cuña” del espacio de color representa los límites de la capacidad visual humana y los triángulos representan los colores disponibles dentro de la región definida por los valores primarios triestímulos rojo, verde y azul en un espacio de color dado. Cuanto mayor sea el triángulo, más vivos son los colores percibidos. Tenga presente que el espacio de color HDTV (ITU-R 709) y el espacio de color sRGB utilizado en aplicaciones de ordenador y la mayoría de cámaras digitales basadas en JPEG tienen el mismo espacio de color. Esto significa que las imágenes en el espacio sRGB coincidirán directamente con el espacio de color de dispositivos de visualización capaces de mostrar espacio HDTV.

La parte física

El capítulo 4 de la especificación HDMI 1.3 define la capa física, o el conector y el cable. En cuanto al conector, existen ahora tres tipos: A, B y C. El tipo A es la conocida versión de 19 pines de uso generalizado. El tipo B es el conector menos conocido de 29 pines y dual link. Y el tipo C es la nueva versión compacta de 19 pines para dispositivos portátiles. Consulte la imagen 2, que muestra una miniaturización de aproximadamente el 33% en comparación con el tipo A. La tabla 4-13 de la especificación HDMI 1.3 lista el alineamiento de pines entre el tipo A y el tipo C, ya que no son compatibles debido a la mejora del diseño del conector de tipo C. Algunas de las nuevas videocámaras digitales utilizan el conector de tipo C de manera que el usuario pueda conectar directamente a los dispositivos de visualización con HDMI, para precipitar esa alta calidad RGB Direct Digital o de vídeo YV_BC_R.

La conexión del cableado continúa aturdiendo los sentidos. La primera cosa de la que tenemos que ocuparnos aquí es: la especificación HDMI solo nos proporciona requisitos de rendimiento eléctricos para una interfaz funcional. NO especifica el diseño del cable o los límites de longitud de cable. Ninguno tenemos nada más que nuestro propio ingenio al utilizar los materiales de cable sin terminación disponibles y la electrónica activa para resolver los problemas de distancia. Sin embargo, la versión 1.3 establece dos tipos de cables llamados categoría 1 y categoría 2. Esta denominación de “categorías” no está relacionada con la nomenclatura utilizada para el cableado de red. La versión 1.3 describe un diseño eléctrico detallado y requisitos de prueba para ambas categorías: con categoría 1, cables que soportan frecuencias de reloj HDMI de 74,25 MHz, y con categoría 2, cables que soportan la especificación completa con 340 MHz. ¿Qué significa entonces esto para nosotros? La tabla 4 del estándar CEA-861 lista todas las tasas de resolución soportadas y las frecuencias de reloj correspondientes requeridas para HDMI. Todas las tasas de vídeo de televisión, incluyendo la definición estándar y alta definición con 1080i y 1080p a tasa de fotogramas de 30 Hz o por debajo que funcionan a 24 bpp, están servidas por 74,25 MHz de frecuencia de reloj. Esto significa que el cable de categoría 1 existente, supuestamente más barato, será suficiente. El cable de categoría 2 de mayor rendimiento es por tanto necesario para producir cualquiera de las tasas Deep Color.

Tablas de límites de atenuación y máscaras del diagrama de ojos proporcionan las herramientas para orientar al diseñador de cables entre las dos categorías. Es obvio que, como la longitud del cable no puede estar vinculada a la especificación, somos altamente dependientes del fabricante de cables para diseñar, probar y etiquetar cables de forma precisa y adecuada, dadas las longitudes que se venden. Mientras que un cable corto especial puede funcionar como categoría 2, no significa que una versión más larga del mismo tipo de cable también se pueda utilizar como categoría 2. Según aumenta la longitud del cable, sabemos que los efectos de atenuación limitan el rendimiento rápidamente. Para aplicaciones críticas, los diseñadores AV deben probar los cables primero, independientemente de la categoría que tengan.

Tempus Fugit — El tiempo vuela

Pues bien, realmente ha volado. Mientras que echamos un vistazo a la expansión de HD-SDI y lo nuevo que nos ofrece la versión 1.3 de HDMI, este artículo se estanca un momento en el tiempo que discutimos lo nuevo, soñando aún con lo que nos puede deparar el futuro. Seguramente en uno o dos años tendré que volver a revisar algunos de los aspectos de este tema. Ah, y no olvide descargarse una copia gratuita de la versión 1.3 en www.hdmi.org, con sus 276 páginas. Pasará algún tiempo antes de que todos los dispositivos puedan utilizar por completo la versión 1.3.

Mientras tanto, tengo que pensar en cómo vamos a diseñar un cable que soporte 340 MHz y una tasa de datos de 10,2 Gbps a una distancia razonable. Así que, mientras que trabajo en ello, preste atención a los nuevos cables HDMI. No compre nada con etiquetas despegables.