リーダー電子 技術情報シリーズ Vol.03

SDI による 4K 伝送
01

4K とは

02

4K の説明 (3G クワッドリンク)03

4K の説明 (3G デュアルリンク)

04

4K の説明 (12G シングルリンク)

05

4K の測定06

用語集

本書の内容は 2020 年 7 月現在のものです。
記載されている会社名および各商品名は、各社の商標または登録商標です。

4K 測定01 4K とは
4K の概要について

概要「4K」とは画素の数のことを表し、ここでは横の画素数のことを言っています。
「K」が「1,000」を表すことから、「4K」=「4,000」となり、横の画素数が約 4,000 であることを表しています。
現行方式であるフル HD では、画素数が 1920×1080 であるのに対し、4K ではフル HD の 4 倍である3840(または 4096)×2160 にまで拡大されるため、より精細な表示ができるようになります。
本書では、主にこの 4K 信号の伝送について述べています。4K 信号の伝送には SDI、HDMI、ディスプレイポートなど、さまざまな形式が用いられますが、ここでは SDI について記述しています。

規格
映像の画質は、「解像度」、「ビット深度」、「フレームレート」、「色域」、「輝度」の 5 つの要素で決まると考えられています。
1990 年、現行方式であるフル HD に関する基準が、ITU-R BT.709 によって規格化されました。その後の 2012 年、4K/8K に関する基準が ITU-R BT.2020 によって規格化されました。これによって「解像度」だけでなく、「ビット深度」、「フレームレート」、「色域」が進化し、より高画質な映像を視聴できるようになりました。
以下の図は規格に対する 5 要素の値をレーダーチャートで表したもので、5 角形が大きいほど高画質となります。

図 | レーダーチャート014K 測定

ここからは「解像度」、「ビット深度」、「フレームレート」、「色域」について、さらに説明します。

解像度解像度とは、画素数のことを言います。現行方式であるフル HD(2K)では 1920×1080 であるのに対し、4K ではフル HD の 4 倍である 3840(または 4096)×2160 にまで拡大されます。
同じサイズのディスプレイで考えると、画素数が多いほど 1 画素あたりの面積が小さくなるため、より精細な表示ができるようになります。

図 | 4K (イメージ)

図 | 2K (イメージ)

なお、4K のフォーマットは、解像度によってテレビ放送用とデジタルシネマ用の 2 つに分けることができます。
ITU-R*が定めたテレビ放送用の 4K は「4K UHDTV*」と呼ばれ、その解像度は 3840×2160 です。
一方、DCI*が定めたデジタルシネマ用の 4K は「DCI 4K」と呼ばれ、その解像度は 4096×2160 です。
本書では、これらを総称して「4K」と呼んでいます。
* ITU; International Telecommunication Union* UHDTV; Ultra High Definition Television* DCI; Digital Cinema Initiatives

図 | 解像度02

4K 測定ビット深度
ビット深度とは、ある単位当たりのビット数のことで、ここでは 1 画素あたりの色の数を指します。たとえば 8bit だと、RGB のそれぞれに 8bit＝28＝256 諧調が割り当てられるため、256(R)×256(G)×256(B)＝約 1677 万色の表現が可能です。現行方式であるフル HD では 8bit であるのに対し、4K では 12bit まで定義されています。
ビット深度が高いほど多くの色を表示できるため、よりなめらかなグラデーション表示ができるようになります。

図 | 12bit (イメージ)

図 | 8bit (イメージ)

フレームレート
フレームレートとは、1 秒間あたりのコマ数のことを言います。映画では 24p、現行方式であるフルHD では 30p 相当が良く使われていますが、4K では 120p まで定義されています。
フレームレートが高いほど、よりなめらかな動きを表示できるようになります。

03

4K 測定色域
色域とは、表現できる色の範囲のことを言います。以下の馬蹄形は CIE 色度図と言い、人間の目で認識できる色の範囲を示しています。現行方式であるフル HD では BT.709(＝sRGB)という三角形で囲まれた範囲の色を表現できますが、4K では BT.2020 の範囲まで拡大されます。
三角形が大きいほど広い色域をカバーできるため、よりリアルな色を表示できるようになります。

図 | CIE 色度図 (LV5600)

04

4K 測定SDI 映像分割方式
4K 映像は映像を 4 分割して伝送しますが、その分割方式は「スクエアディビジョン方式」と「2 サンプルインターリーブ方式」の 2 種類あります。
なお、4 分割したうちの 1 つをサブイメージと呼びます。

スクエアディビジョン方式
映像を上下左右に 4 分割する方式です。
映像加工の際、通常 1 フレームの遅延が発生します。
1 つのサブイメージからは、映像全体を確認できません。

サブイメージ 1

サブイメージ 2

サブイメージ 3

サブイメージ 4

図 | スクエアディビジョン方式

05

4K 測定2 サンプルインターリーブ方式
映像を 2 サンプルずつ抜き出して 4 分割する方式です。
映像加工の際、2 ラインの遅延で処理することができます。
1 つのサブイメージで、映像全体を確認できます。

サブイメージ 1

サブイメージ 2

サブイメージ 3

サブイメージ 4

図 | 2 サンプルインターリーブ方式

06

4K 測定ライン番号とサンプル番号について
ここで、4K 信号のライン番号とサンプル番号について説明します。
ライン番号とサンプル番号がどのように定義されているか、また、当社波形モニターLV5600 のデータダンプ表示ではこれらをどのように表示しているか、以下の条件を例に説明します。

条件
映像分割方式：スクエアディビジョン方式

フォーマット

：3G-A

カラーシステム：YCbCr 4:2:2

量子化精度：10bit

イメージ：3840×2160

フレーム周波数：59.94P

はじめに、3840×2160 画素の 4K 映像を考えます。
横軸の画素は「サンプル」と呼び、3840 画素をサンプル番号 0～3839 で表します。
縦軸の画素は「ライン」と呼び、2160 画素をライン番号 0～2159 で表します。

図 | 4K 映像07

4K 測定次に、スクエアディビジョン方式に従って、4K 映像を 4 つのサブイメージに分割します。
サンプル番号 0～1919、ライン番号 0～1079 からなる、1920×1080 画素のサブイメージに分割できます。

図 | サブイメージ

分割したサブイメージを 3G-A にマッピングする際、それぞれにブランキングを付加します。

図 | サブイメージ08

4K 測定

このとき、サブイメージ 1 のサンプル番号、およびライン番号は以下のようになります。
ブランキングを除くピクチャー部分をアクティブピクチャーと呼び、ここではサンプル番号 0～1919、ライン番号 42～1121 からなる、1920×1080 画素の映像がアクティブピクチャーとなります。
なお、サブイメージ 2～4 についても同様です。

図 | サブイメージ09

4K 測定以上をふまえて、LV5600 のデータダンプ表示を確認します。ライン番号とサンプル番号が示す意味
は、[F5] LINK によって以下のように異なります。

[F5] LINK が PICTURE のとき
4K 映像のライン番号とサンプル番号を示します。
ライン番号は「PIC LINE」と表示され、0～2159 の範囲で可変できます。
サンプル番号は「PIC SAMPLE」と表示され、0～3839 の範囲で可変できます。

図 | 4K 映像

図 | 3G-A データダンプ

10

4K 測定[F5] LINK が 1[A]、2[B]、3[C]、4[D]のとき
サブイメージ 1～4 にブランキングを付加した状態のライン番号とサンプル番号を示します。
ライン番号は「LINE」と表示され、1～1125 の範囲で可変できます。
サンプル番号は「SAMPLE」と表示され、0～2199 の範囲で可変できます。

図 | サブイメージ

図 | 3G-A データダンプ

11

4K 測定以上が 3G-A の場合の説明ですが、フォーマットが 3G-B-DL で、[F5] LINK が 1[A]、2[B]、3[C]、4[D]の場合は注意が必要です。
3G-B-DL の構造は以下のとおりストリーム 1、2 からなりますが、ここに割り当てられている「ピクチャーのライン番号」と、これらを伝送する「伝送時のライン番号」とが異なるのです。
たとえば「ピクチャーのライン番号 42」のデータは、「ストリーム 1 のライン番号 21」と「ストリーム 2 のライン番号 583」で伝送されることがわかります。

12

4K 測定「ピクチャーのライン番号」と「伝送時のライン番号」の関係は、以下のとおり表すことができます。
ピクチャーのライン番号

伝送時のライン番号
ストリーム 1

ストリーム 21563

1125m (2～1124 の偶数)

m/2

m/2+562n (3～1125 の奇数)(n+1)/2+562(n-1)/2

このことは、LV5600 の[F4] DISPLAY を切り換えることによって確認できます。
たとえば[F4] DISPLAY を PICTURE にして、ライン番号を 42 にしてから STREAM1 に切り換えると、ライン番号 21 が表示されます。同様に STREAM2 に切り換えると、ライン番号 583 が表示されます。

[F4] DISPLAY が PICTURE のとき
ライン番号は「PIC LINE」と表示され、ピクチャーのライン番号を示します。
1～1125 の範囲で可変できます。

図 | 3G-B-DL データダンプ

13

4K 測定[F4] DISPLAY が STREAM1 のとき
ライン番号は「I/F LINE」と表示され、ストリーム 1 で伝送する際のライン番号を示します。
1～1125 の範囲で可変できます。

図 | 3G-B-DL データダンプ[F4] DISPLAY が STREAM2 のとき
ライン番号は「I/F LINE」と表示され、ストリーム 2 で伝送する際のライン番号を示します。
1～1125 の範囲で可変できます。

図 | 3G-B-DL データダンプ

14

4K 測定4K 信号の種類
4K 信号には様々な形式がありますが、本書では以下の 4K 信号について説明します。
4K 信号

信号構成

規格

映像分割方式3G クワッドリンク「3G-SDI レベル A」×4

SMPTE ST 425-5

スクエアディビジョン

またはまたは「3G-SDI レベル B

2 サンプルインターリーブ

デュアルリンクマッピング」×4
3G デュアルリンク「3G-SDI レベル B(4K/30p まで)

デュアルストリーム

またはマッピング」×2

2 サンプルインターリーブ

12G シングルリンク

15「12G-SDI」×1

SMPTE ST 425-3

SMPTE ST 2082-10

スクエアディビジョン

2 サンプルインターリーブ

4K 測定02 4K の説明 (3G クワッドリンク)
4 本の 3G-SDI レベル A からなる 4K について
4 本の 3G-SDI レベル B デュアルリンクマッピングからなる 4K について

3G クワッドリンクについて
3G クワッドリンクとは、4 本の「3G-SDI レベル A(以下、3G-A)」または「3G-SDI レベル B デュアルリンクマッピング(以下、3G-B-DL)」を使用して 4K 信号を伝送する方式です。
4K 映像(Source image)はスクエアディビジョン方式、または 2 サンプルインターリーブ方式で 4 つのサブイメージに分割され、3G-A または 3G-B-DL で伝送されます。ただし、スクエアディビジョン方式の場合は 4K と認識されないため、注意が必要です。

図 | SMPTE ST 425-5 より

16

4K 測定3G-A とは
3G-SDI とは、HD-SDI の 2 倍の伝送レートを持つフォーマットで、3G-A と 3G-B の 2 種類があります。以下に 3G-A のデータ構造例を、HD の構造と合わせて示します。

なお、EAV は「End of Active Video」の略で有効映像期間の終わりを意味し、SAV は「Start ofActive Video」の略で有効映像期間の始まりを意味します。そして EAV と SAV を総称してTRS(Timing Reference Signal)と呼んでいます。

17

4K 測定3G-B-DL とは
3G-B とは、HD-SDI のデータ構造 2 本を 1 本にまとめた形式で、3G-B-DL は、HD-SDI デュアルリンクを 1 本で伝送することができます。以下に 3G-B-DL のデータ構造例を、HD の構造と合わせて示します。

18

4K 測定03 4K の説明 (3G デュアルリンク)
2 本の 3G-SDI レベル B デュアルストリームマッピングからなる 4K について

3G デュアルリンクについて
3G デュアルリンクとは、2 本の「3G-SDI レベル B デュアルストリームマッピング(以下、3G-B-DS)」を使用して 4K 信号を伝送する方式です。
4K 映像(Source image)はスクエアディビジョン方式、または 2 サンプルインターリーブ方式で 4 つのサブイメージに分割され、3G-B-DS で伝送されます。ただし、スクエアディビジョン方式の場合は 4Kと認識されないため、注意が必要です。

図 | SMPTE ST 425-3 より

19

4K 測定3G-B-DS とは
3G-B とは、HD-SDI のデータ構造 2 本を 1 本にまとめた形式で、3G-B-DS は、HD-SDI コンテンツを同時に 2 本伝送することができます。以下に 3G-B-DS のデータ構造例を、HD の構造と合わせて示します。

20

4K 測定04 4K の説明 (12G シングルリンク)
1 本の 12G-SDI からなる 4K について

12G シングルリンクについて
12G シングルリンクとは、1 本の「12G-SDI(以下、12G)」を使用して 4K 信号を伝送する方式です。
4K 映像(Source image)は 2 サンプルインターリーブ方式で 4 つのサブイメージに分割され、マルチプレクス後に 12G で伝送されます。

図 | SMPTE ST 2082-10 より

なお、上記のマルチプレクスは、以下のようにサブイメージ 4→2→3→1 の順に行われます。

図 | マルチプレクス

21

4K 測定12G の特性12G-SDI の主な電気的特性を、3G-SDI および HD-SDI の特性と合わせて以下に示します。
立ち上がり時間、および立ち下がり時間は、振幅の 20%と 80%間の時間を指します。
また、タイミングジッタは 10Hz 以上、アライメントジッタは 100kHz 以上のジッタを指します。

図 | アイパターン

項目

12G-SDI

3G-SDI

HD-SDI

規格

SMPTE ST 2082-1

SMPTE ST 424

SMPTE ST 292-1

振幅

800mV±10%800mV±10%800mV±10%オーバーシュート

10%以下

10%以下

10%以下

立ち上がり時間45ps 以下

135ps 以下

270ps 以下

18ps 以下

50ps 以下

100ps 以下

タイミングジッタ

8UI 以下2UI 以下

1UI 以下アライメントジッタ

0.3UI 以下

0.3UI 以下

0.2UI 以下

リターンロス

15dB 以上 (5M～1.485GHz)

15dB 以上 (5M～1.485GHz)

15dB 以上 (5M～1.485GHz)

10dB 以上 (1.485G～3GHz)

10dB 以上 (1.485G～2.97GHz)

立ち下がり時間立ち上がり時間と立ち下がり時間の差

7dB 以上 (3G～6GHz)
4dB 以上 (6G～12GHz)22

4K 測定05 4K の測定
当社測定器を使用した 4K 信号の出力、および測定について

ここでは例として、当社の信号発生器 LT4610 から出力した 4K 信号を、当社の波形モニターLV5600を使用して測定する手順を説明します。3 つのケース「3G クワッドリンク」、「3G デュアルリンク」、「12G シングルリンク」に分けて説明しています。
4K 信号の出力には、LT4610 のほかに LT4610-SER02 が必要です。
4K 信号の測定には、LV5600 のほかに LV5600-SER28 が必要です。12G の測定には、さらに LV5600SER29 が必要です。

3G クワッドリンクの測定
LT4610 の設定
12G OPTION > SDI 1 > FORMAT > SYSTEM > 3G を以下のいずれかにします。
設定後、STRUCTURE や RATE で、カラーシステム、量子化制度、フレーム周波数を変更できます。

23・3G(QL)-A

3840x2160 Square・3G(QL)-A

3840x2160 2Sample

・3G(QL)-A

4096x2160 Square・3G(QL)-A

4096x2160 2Sample

・3G(QL)-B-DL

3840x2160 Square・3G(QL)-B-DL

3840x2160 2Sample

・3G(QL)-B-DL

4096x2160 Square・3G(QL)-B-DL

4096x2160 2Sample

4K 測定LV5600 の設定[SYS] > [F1] SIGNAL IN OUT > SDI IN SETUP1 タブの System を「4K 3G Quad Link」にします。

図 | SDI IN SETUP1

接続
LT4610 の端子 1～4 を、LV5600 の SDI INPUT 1～4 に接続します。

図 | 3G クワッドリンクの接続

24

4K 測定測定
LV5600 に 4K 信号の測定画面が表示されます。
映像分割方式は自動で認識し、フォーマットに(2S)または(SQ)を表示します。

図 | 3G クワッドリンク測定画面

25

4K 測定3G デュアルリンクの測定
LT4610 の設定
12G OPTION > SDI 1 > FORMAT > SYSTEM > 3G を以下のいずれかにします。
設定後、STRUCTURE や RATE で、カラーシステム、量子化制度、フレーム周波数を変更できます。
・3G(DL)-B-DS

3840x2160 Square

・3G(DL)-B-DS

3840x2160 2Sample

・3G(DL)-B-DS

4096x2160 Square

・3G(DL)-B-DS

4096x2160 2Sample

LV5600 の設定[SYS] > [F1] SIGNAL IN OUT > SDI IN SETUP1 タブの System を「4K 3G Dual Link」にします。

図 | SDI IN SETUP1264K 測定

接続
LT4610 の端子 1、2 を、LV5600 の SDI INPUT 1、2 に接続します。
SDI INPUT 3、4 に接続することもできますが、1、2 に入力した 4K 信号と、3、４に入力した 4K 信号を同時に測定することはできません。

図 | 3G デュアルリンクの接続

測定
LV5600 に 4K 信号の測定画面が表示されます。
映像分割方式は自動で認識し、フォーマットに(2S)または(SQ)を表示します。

図 | 3G デュアルリンク測定画面

27

4K 測定12G シングルリンクの測定
LT4610 の設定
12G OPTION > SDI 1 > FORMAT > SYSTEM > 12G を以下のいずれかにします。
設定後、STRUCTURE や RATE で、カラーシステム、量子化制度、フレーム周波数を変更できます。
・12G

3840x2160 12G

・12G

4096x2160 12G

LV5600 の設定[SYS] > [F1] SIGNAL IN OUT > SDI IN SETUP1 タブの System を「4K 12G」にします。

図 | SDI IN SETUP1

28

4K 測定接続
LT4610 の端子 1 を、LV5600 の SDI INPUT 1 に接続します。
SDI INPUT 2～4 に接続することもできますが、1～４に入力した 4K 信号を同時に測定することはできません。

図 | 12G シングルリンクの接続

測定
LV5600 に 4K 信号の測定画面が表示されます。

図 | 12G シングルリンク測定画面

29

4K 測定06 用語集4K に関する用語について

用語説明

2 サンプルインターリーブ

映像を 2 サンプルずつ抜き出して 4 分割する方式。

スクエアディビジョン

映像を上下左右に 4 分割する方式。

住所〒223-8505 神奈川県横浜市港北区綱島東 2-6-33

電話045-541-2122

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発行2020 年 7 月 9 日 初版30