新生代編解碼技術(shù)促進(jìn)嵌入式視頻應用的流行

 　　環(huán)球資源與Gartner的聯(lián)合調查顯示，2004年消費類(lèi)電子首次取代通信設備成為嵌入式系統的第一大應用，而數字視頻是驅動(dòng)消費類(lèi)電子應用增長(cháng)的主要因素之一。視頻應用不但是數字電視(DTV)、IPTV、IP可視電話(huà)、數字機頂盒(STB)的基本功能，而且正在快速滲透到手機、PDA等移動(dòng)設備中。各種編解碼技術(shù)的快速發(fā)展推動(dòng)了數字視頻應用的普及，使通過(guò)有線(xiàn)/無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )傳播音視頻內容成為可能。

　　在數字視頻應用中，未來(lái)的明顯趨勢之一是支持新的視頻標準，如H.264/AVC、VC-1和AVS等，而支持多種格式編解碼的能力也很關(guān)鍵。此外，對基于不同編碼標準、不同幀速率、不同分辨率的視頻流進(jìn)行格式轉換的能力是另一項關(guān)鍵能力。

　　本文將詳細剖析主流視頻終端應用設備對視頻處理的不同要求，以及其可能的技術(shù)解決方案。

　　多模解碼是機頂盒的關(guān)鍵

　　根據傳輸信道的不同，數字機頂盒可分為衛星(DVB-S)、有線(xiàn)(DVB-C)、地面(DVB-T)和IP機頂盒四種。不同的機頂盒對于視頻信號處理有不同的需求。低端設備要求能以30或25幀/秒的速率處理標準清晰度(SD)的視頻(720X480的NTSC或720X576的PAL)。高端設備能以30幀/秒的速率處理直至1080i(1980X1080)的高清晰度(HD)視頻。最低端的設備要求能執行MPEG-2視頻解碼，而更高端的設備要求能執行MPEG-2和MPEG-4解碼，以及進(jìn)行一些類(lèi)型的編碼以便存儲家庭電影等用戶(hù)創(chuàng )建的內容或錄制模擬電視節目供以后觀(guān)看。目前對編碼的需求是要在全幀速率下錄制標準清晰度信號，以后隨著(zhù)更多HD攝像機的出現，情況可能發(fā)生改變，但現在HD編碼的價(jià)格使得在大多數設備中集成HD編碼功能不實(shí)際。表1列舉了各種類(lèi)型機頂盒對視頻處理的典型要求。

　　其中，DVB-C機頂盒與DVB-T機頂盒均僅適用于普通模擬電視，是考慮到未來(lái)的數字電視接收機可以直接接收來(lái)自有線(xiàn)和地面廣播的數字電視信號，無(wú)需數字機頂盒。而IP機頂盒的需求中未列入高清晰度類(lèi)別，是考慮到至少8Mbps的高清頻道的傳輸帶寬需求，在短時(shí)間內難于經(jīng)由互聯(lián)網(wǎng)普及到廣大家庭。

　　AVS(Audio Video Standards)是正在審議中的中國音視頻編解碼標準，AVC(Advanced Video Codec)是國際標準MPEG-4第10部分或H.264，WMV9、Real、Quiktime、DivX等是分別由微軟、RealNetworks等公司開(kāi)發(fā)的視頻編解碼技術(shù)，被廣泛用于互聯(lián)網(wǎng)。在這些技術(shù)中，AVC、AVS、WMV9是公認的新一代技術(shù)，其壓縮效率比老一代技術(shù)有成倍的提高。

　　“信源編解碼技術(shù)正處于新老標準的交替時(shí)期，多種標準并存的局面會(huì )長(cháng)期存在。”中芯聯(lián)合公司總經(jīng)理邊曉春表示，“然而，這些標準之間是不兼容的。這就要求實(shí)現這些標準的芯片必須能夠實(shí)現多種格式的解碼。我們將其稱(chēng)為多模解碼。”

　　隨著(zhù)壓縮技術(shù)和傳輸技術(shù)的進(jìn)步，高清電視信號的傳輸成本和存儲成本顯著(zhù)降低，高清衛星電視服務(wù)即將在北美和歐洲大面積普及?；谛乱淮鷫嚎s技術(shù)的編碼與解碼對于芯片的計算能力提出了挑戰，能否低成本地實(shí)現多模的高清解碼，已經(jīng)成為芯片業(yè)界的一個(gè)重大課題。

　　目前，針對此問(wèn)題有三種技術(shù)解決方案。

　　方案一：分別獲取針對不同壓縮格式的高清解碼的硬件核，再根據需求將若干硬件核集成在一起。例如，將實(shí)現H.264高清解碼的硬件核與實(shí)現MPEG-2高清解碼的硬件核集成在一起。

　　方案二：設計一種計算性能超強的通用處理器，配以不同的軟件、以適應不同的解碼格式。典型的解決方案包括來(lái)自英特爾的賽揚600MHz處理器和AMD基于速龍處理器技術(shù)的NX處理器系列?；谶@類(lèi)通用CPU的方案一般被用于構建IP機頂盒。

　　方案三：設計一種硬件加速核，專(zhuān)門(mén)承擔解碼過(guò)程中那些計算量較大的工作，而將計算量較小的工作交給其他通用處理器完成，從而保持了可編程和適應不同解碼格式的特點(diǎn)。諸如ST、ESS、卓然等機頂盒芯片主流供應商的方案都由信源解碼器和嵌入式CPU組成。

　　方案一的缺點(diǎn)是電路規模偏大、導致生產(chǎn)成本偏高，且難以適應兼容更多格式的需求；方案二的缺點(diǎn)是要求嵌入式系統開(kāi)發(fā)商去適應那些全新的計算平臺；方案三的缺點(diǎn)是硬件加速核很難做到兼容不同格式。

　　作為一家相對較晚切入機頂盒市場(chǎng)的新興公司，中芯聯(lián)合的開(kāi)發(fā)思路是：首先尋求各種標準之間的共同部分，然后在統一的算法框架之下設計硬件電路的整體結構，且將其設計為可編程、可配置的，再配以少量特殊硬件電路，即可實(shí)現單一硬件電路的、可編程的高清多模解碼硬件核。

　　中芯聯(lián)合公司正在研制的芯片，就是試圖實(shí)現低成本的多模高清解碼。其主要特點(diǎn)是，使用單一的專(zhuān)用硬件電路實(shí)現不同格式的高清解碼。“使用專(zhuān)用硬件電路，是由于目前的通用處理器(各類(lèi)CPU及DSP)的計算能力都不足以處理H.264的高清實(shí)時(shí)解碼。”邊曉春表示。

　　由于機頂盒市場(chǎng)的規模很大，對成本較為敏感，故其視頻處理器件的主流產(chǎn)品應該是SoC。但機頂盒市場(chǎng)中的不定因素很多，例如CA標準及其實(shí)現、地面傳輸和信源編解碼的中國標準、高清電視的中國標準等等，使得很難定義SoC的產(chǎn)品規格。因此，明年和后年主流機頂盒產(chǎn)品的技術(shù)方案可能會(huì )出現“百花齊放”的局面，不會(huì )快速集中于少數芯片產(chǎn)品及其整機方案。

　　另一方面，SoC技術(shù)、SiP技術(shù)的發(fā)展非常迅速。我們可以預期，標準清晰度的機頂盒整機產(chǎn)品將基于“單芯片”解決方案，數字調諧器、解調器、MPEG解碼器、模擬或數字的視頻輸出電路、音頻處理電路、CPU以及主要的接口電路等將被集成在單一芯片之中，從而最大限度地降低整機成本。

　　在家庭媒體中心方面，它還要求具備格式轉換的功能，以便適應不同的播放設備。例如，一部HD電影存儲在家庭媒體中心中，而STB只能解碼SD內容，這時(shí)媒體中心就需要具有能力將電影轉換成所需的格式。類(lèi)似地，如果需要在不支持MPEG-4的DVD上播放MPEG-4電影也需要從MPEG-4到MPEG-2的格式轉換能力。

　　針對家庭媒體中心，英特爾將在2006年發(fā)布一個(gè)新品牌的平臺，名為Viiv?；赩iiv技術(shù)的新型PC將可采用遙控器進(jìn)行完全控制，支持數字電視接收器，并優(yōu)化了播放數字娛樂(lè )節目、錄制電視節目、播放HD音頻/視頻等應用。

　　H.264將成IP可視電話(huà)的主流壓縮技術(shù)

　　IP可視電話(huà)產(chǎn)品其實(shí)概念并不算很新，因為IP已經(jīng)是寬帶網(wǎng)絡(luò )的主流，而可視電話(huà)在市場(chǎng)上也已有銷(xiāo)售，但是IP與可視電話(huà)相結合的產(chǎn)品并沒(méi)有得到很快普及，其中既有技術(shù)的原因，也有市場(chǎng)的原因。市場(chǎng)當然是要求影像具有高分辨率的實(shí)時(shí)性，并且產(chǎn)品價(jià)位要盡可能低；而技術(shù)上則要求對影像進(jìn)行高速和高效處理，并且在網(wǎng)絡(luò )上占用的帶寬較小。

　　目前，IP可視電話(huà)的編解碼格式多為H.263和H.264，滿(mǎn)足實(shí)時(shí)需要的幀率在PAL制時(shí)為每秒25幀，而在NTSC制時(shí)為每秒30幀。面向一般用戶(hù)類(lèi)產(chǎn)品，CIF(352x288)分辯率即可滿(mǎn)足要求。目前，VGA(640x480)和D1分辯率不是視頻通信應用的典型要求。不過(guò)，面向高端會(huì )議電話(huà)系統，分辨率可進(jìn)一步提高到SVGA(800x600)或XVGA(1024x768)。當然還有更高分辨率的XGA和SXGA，所面向是大屏幕或電視墻應用，這就需要極高的帶寬，或者是直接采用電視線(xiàn)纜傳輸信號。表2列出了IP可視電話(huà)常用的編解碼格式以及分辨率和幀率要求。

　　對于IP可視電話(huà)這樣的雙向視頻通信系統，在保證高質(zhì)量實(shí)時(shí)影像的同時(shí)，對網(wǎng)絡(luò )帶寬的需求也至關(guān)重要。隨著(zhù)視頻編解碼技術(shù)的發(fā)展，高性能格式正逐步成為市場(chǎng)主流。由于采用H.264格式的視頻電話(huà)所占用網(wǎng)絡(luò )帶寬僅為H.263格式視頻電話(huà)的一半，已有不少具有影響力的運營(yíng)商將H.264作為標準配置，而H.263卻成為可選配置。采用H.264的系統，即使在較低數據率下，如128kbps甚至64kbps也可得到很好的視頻和音頻質(zhì)量。

　　目前，TI、ADI等DSP供應商主導了IP可視電話(huà)市場(chǎng)?；赥I數字媒體處理器的IP可視電話(huà)解決方案可提供高質(zhì)量的實(shí)時(shí)視頻、同步的音頻與視頻，同時(shí)支持基本配置的H.264與H.263視頻編解碼格式。其中以TI的600MHz時(shí)鐘速度的DM643為核心，經(jīng)優(yōu)化就可實(shí)現單片低成本的IP可視電話(huà)系統，實(shí)現實(shí)時(shí)的高質(zhì)量 H.264 格式CIF分辯率視頻、G.723或G.711等格式音頻和H.323或SIP網(wǎng)絡(luò )協(xié)議。對于更高需求的IP電話(huà)系統，可以采用時(shí)鐘高達720MHz的DM642平臺。

　　ADI的解決方案支持所有的視頻編解碼器，如H.263、H.264、MPEG-4和WMV9。“我們支持在寬帶網(wǎng)絡(luò )上高達30fps的CIF全運動(dòng)視頻通信。我們的解決方案提供全運動(dòng)、全彩色視頻、優(yōu)異的音頻質(zhì)量、先進(jìn)的呼叫控制功能。”ADI的XXX表示，“Blackfin是我們參考設計的核心，執行所有的視頻、音頻和網(wǎng)絡(luò )處理。”

　　當前，阻礙IP可視電話(huà)市場(chǎng)發(fā)展的最大因素是價(jià)格。例如，聞亭數字系統(北京)有限公司基于TI方案開(kāi)發(fā)的IP可視電話(huà)零售價(jià)高達3000元，遠遠超過(guò)普通消費者愿意承受的水平。ADI認為，到2007年，機頂盒與視頻電話(huà)的集成將創(chuàng )造最大的可視電話(huà)市場(chǎng)。

　　DTV解決方案：SoC vs. FPGA

　　在電視領(lǐng)域，現在是數模兼容的時(shí)代，而向數字化發(fā)展是已經(jīng)確定的方向。成都威斯達芯片有限責任公司市場(chǎng)經(jīng)理梅軍預測，在未來(lái)5年內，平板電視以及數模兼容逐行CRT電視都有很好的市場(chǎng)。2008年以后，真正的數字接收電視將逐漸占據主流，兼容電視仍然和數字電視并行發(fā)展，但數模兼容電視的份額將逐步減少，2015年以后會(huì )完全是數字電視。

　　在DTV和IPTV領(lǐng)域，主要的視頻編解碼標準是MPEG-2、AVC/H.264和VC-1。另外，本土的AVS也有機會(huì )。Xilinx的亞太區高級DSP行銷(xiāo)經(jīng)理林?zhù)櫲鸨硎?，AVS將成為中國一種重要的視頻編碼標準，但它能否被廣泛采用將取決于芯片的供應情況、系統制造商的支持程度和市場(chǎng)接受度。

　　目前，DTV和IPTV芯片供應商包括飛利浦、瑞薩等國際公司以及成都威斯達、海信、杭州國芯等本土公司。為了迅速降低系統成本，無(wú)論是老牌公司還是新興公司都致力于提供集成隔行轉逐行變換、圖像比例縮放、幀頻提升、圖像增強等必要視頻處理能力的SoC解決方案。

　　林?zhù)櫲鹫J為，IPTV和DTV系統供應商越來(lái)越被限制到一小部分芯片供應商的SoC解決方案之中。這使得他們很難基于技術(shù)規范實(shí)現產(chǎn)品的差異化。因此，制造商正在尋求向他們的產(chǎn)品添加預處理和后處理能力。Xilinx為IPTV和DTV系統提供基于FPGA的硬件/軟件可編程平臺。“我們的FPGA集成了DSP和嵌入式處理功能，以便為設備制造商提供集成的可編程系統平臺。” 林?zhù)櫲鸨硎荆?ldquo;因為DTV和IPTV市場(chǎng)面臨不斷演變的標準，FPGA的可編程性是一項關(guān)鍵優(yōu)勢，允許制造商調整產(chǎn)品功能以滿(mǎn)足變化的商業(yè)和技術(shù)要求。”

　　Xilinx最近與其IP合作伙伴4i2i通信公司聯(lián)合發(fā)布了第一個(gè)在單個(gè)FPGA實(shí)現的高清H.264視頻解碼器。采用Xilinx的可編程邏輯器件，4i2i通信公司開(kāi)發(fā)了一種可授權的IP解決方案，提供了VHDL、Verilog或網(wǎng)表格式的高清晰度H.264編碼器。這個(gè)優(yōu)化的編碼器包括H.264 HD編碼器、視頻縮放器、降噪器和主接口，可以在單個(gè)Virtex或Spartan FPGA中實(shí)現。

　　拍照手機：高像素挑戰處理能力

　　可拍照手機正變得越來(lái)越普及，并邁向更高的像素，從而對圖像/視頻處理能力提出更高的要求。

　　TransChip公司業(yè)務(wù)部副總裁Elan Roth認為，到2008年，全球可拍照手機將占到全部手機的70%份額。“今年，照相手機的市場(chǎng)主流是130萬(wàn)像素，明年可拍照手機市場(chǎng)將轉向200萬(wàn)或300萬(wàn)象素，從而提供相片級質(zhì)量的圖像，成為真正的入門(mén)級數碼相機。” 華邦電子數字影像應用行銷(xiāo)企劃處處長(cháng)鄭金河表示。TransChip公司已經(jīng)推出200萬(wàn)象素CMOS傳感器，明年年初將推出320萬(wàn)象素CMOS傳感器，到2006年推出500萬(wàn)象素的CMOS傳感器。

　　目前，用戶(hù)要求可拍照手機的微型圖像傳感器處理模塊要取得與數碼相機類(lèi)似的照片效果，使供應商面臨巨大挑戰。

　　TransChip公司的AlgoCam是可編程的圖像傳感器，具有功耗低、精確、無(wú)聲以及高度可靠的自動(dòng)對焦等特點(diǎn)。

　　AlgoCam采用可編程的圖像信號處理器，工程師只要會(huì )C語(yǔ)言編程技術(shù)，就可利用軟件編程在1周之內將高象素功能快速集成在可拍照手機中。此外，它可提升色彩質(zhì)量，自動(dòng)進(jìn)行顏色校正并改進(jìn)圖片，而且允許自動(dòng)曝光。

　　由于可拍照手機的鏡頭一般較小，因此其拍攝的圖像通常偏暗，另外，背后逆光令照片偏暗，而TransChip的圖像傳感器均可對這兩種情況進(jìn)行修正，可對圖像進(jìn)行黑點(diǎn)較正，并對圖像進(jìn)行逆光補償。該公司將來(lái)有可能開(kāi)發(fā)新的技術(shù)，實(shí)現可與CCD圖像媲美的圖片質(zhì)量。

　　除了改進(jìn)傳感器的圖像處理性能以外，業(yè)界正在引入額外的移動(dòng)多媒體處理器以提高可拍照手機的視頻處理能力，滿(mǎn)足攝像及播放視頻短片的需求。例如，華邦最新推出的W99702G瞄準130萬(wàn)像素的照相手機，能進(jìn)行MPEG4/3GP編解碼，在QVGA分辨率下達到30fps的幀率；另一款W99802G瞄準200萬(wàn)或300萬(wàn)像素照相功能，也具備MPEG4/3GP編解碼能力，而且在VGA分辨率下可達到30fps的幀率。鄭金河認為，下一步拍照手機將要求具備H.264視頻編解碼能力，并能對500萬(wàn)像素的圖像進(jìn)行信號處理。