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视频压缩芯片的发展与应用


近年来数位视频压缩国际标准大致分成两大主流,ITU-T与ISO/IEC。

ITU-T所制定H系列的标准,是以电信通信的应用为主,如H.261之于ISDN Video Phone及H.263之于POTS/IP Video Phone。

ISO/IEC则先以保存、广播的应用为主,如MPEG-1之于VCD及MPEG-2之于DVD/DTV。

到了2000年之后的MPEG-4或两大组织合推的H.264/AVC,都以互联网视频应用为主轴。

本文将谈谈MPEG-4与H.264/AVC的芯片发展与应用,并论及在安全与监控的产品未来性。附带说明的是,MPEG-4 part 2 的Short Video Header功能有支持H.263 baseline,至此已可以看出两大组织技术合流的征兆。

视频压缩芯片的发展与变革

MPEG-4视频压缩技术是由国际标准组织(ISO/IEC)底下的委员会MPEG (Moving Picture Experts Group)所制定的。该委员会成立于1988年,并制定过曾荣获艾美奖的MPEG-1及MPEG-2标准,并成功应用于VCD、MP3、DVD、DTV及HDTV等相关产业,造就电脑与消费性多媒体产业近年来的快速发展。

由ISO/IEC所给MPEG-4的正式编号为14496,其中有关视频编解码技术则分别规范在文档的第二部分(14496-2: Visual Part)及第十部分(14496-10: Advanced Video Coding)。14496-2里面又细分了多种的Tools、Profiles及Levels来支持各式各样的多媒体应用,包括数位交互电视、行动视频电话、多媒体保存、多媒体短信、远距教学及远程视频监控等。

而14496-10的部分,又称之为H.264或AVC,为当前国际上最卓越的视频编解码标准,由ITU-T和ISO/IEC於2003年5月所共同制订完成的。大约在2001年底,ISO/IEC MPEG工作小组有鉴于H.264的性能已超过MPEG-4标准,因此决定与ITU-T VCEG合作,组成联合视频小组,共同发展由ITU-T首先提出的H.264(前身为H.26L)标准。所以,H.264又称为MPEG-4 Part 10、MPEG-4 AVC或JVT。该标准有多项独特优点,包括高压缩率、高品质视频、抗错性及网络传输功能的加强,远超过其它现有标准的性能。H.264标准已制订出三个Profiles:Baseline Profile、Main Profile及X Profile,分别适用于视频电话/会议/行动应用、广播视频应用以及视频串流/行动视频应用。

MPEG-4除了承袭压缩率较旧有标准提高的特性外,所适用的比特率范围亦可从5 Kbps到2G bps,截取早期标准ITU-T H.261/263(低比特率编码)与ISO/IEC MPEG-1/2(高比特率编码)的优点,再加上支持物件型态编码及合成影象的压缩,适用于高端交互功能与特殊视频制作,容错性编码技术(error-resilient)及细微式可调适性编码技术,更可适用于带宽变化剧烈的网络现况。

也因为MPEG-4具有的优点,而被ISMA、3GPP、M4IF、WMF等国际标准组织选为多媒体编码标准。

而在H.264/AVC方面,随着标准的正式批准与授权条件公布,算是完成技术实现的第一步。在观察全球产业对此标准的接受度的同时,当前已经引起一些重量级的广播公司、服务供应商和消费电子公司的兴趣。

欧日已激活H.264/AVC标准

在日本方面,包括NHK、TBS、NTV、朝日电视台、富士电视台、东京电视台等日本六家电视广播公司,已决定采用H.264作为行动数位电视的视频压缩标准,并在2006年3月前开始提供行动数位电视服务,日本可望成为行动数位电视的示范地区;DirecTV公司已初步决定,可能在2004年启动的下一代视频服务中,选择H.264编解码方式;DVD 论坛於2003年2月已经有条件接受H.264/AVC标准为其HD-DVD系统视频压缩技术之一。

欧洲的 DVB 也在制定一个广播 DVB-T 电视频号至手持设备的 DVB-X 标准,H.264/AVC 将会是其视频编解码的核心技术;韩国力推的DMB标准,亦采用H.264/AVC标准为视频编解码的核心技术;在3GPP方面,2003年底,亦选择H.264/AVC为下一世代的Optional Codec。

举个例子,H.264/AVC可运用其高复杂度与高性能的特性,提供新的应用领域与商业机会。在传输频道中拟用1 Mbps来发送TV的广播视频品质,已经指日可待,所以在 ADSL为based的娱乐广播服务(如中华电信的MOD),将更有竞争力。

视频压缩芯片的特性与应用

实现视频编解码技术的方式不外乎软件、固件与硬件三种。软件的实现方式指的是用软件programming的方式在一般用途的CPU(RISC为主)上开发完成MPEG-4 Codec的功能,通常以PC、Laptop或PDA等的实现最为普遍,也有用于某种嵌入系统或IA device上做为加值的开发。

固件的开发则是强调以DSP(Digital Signal Processor)为工作核心,以DSP特有的乘加等运算指令集,撰写混合高低级的编程语言,下载到DSP平台来运行,此种解决方案兼具开发时程短、programmable容易与不错的传输速度等优点。

另一种最cost effective的就非硬件解决方案莫属了,以 dedicated circuit完成video codec常见的例行工作,再利用预先设计的任体将所有dedicated circuits glue起来,形成完整的工作调度,如此一来,可将成效推到极至。为了扩展应用范围与可行性,以DSP或特定处理器为平台的视频编解码器固件,提供可程序化及快速切入市场,将占领初期或特殊应用市场。最后,在考虑Power consumption、价格等因素,硬件设计的方式将主导市场。

视频编解码标准随着时间的演进,近十年来,也有不错的突破。H.264/AVC已经比MPEG-2的性能好上两倍,但复杂度的增加,就需要更进步的设计与制程来配合。 在可应用范围方面,H.264/AVC所定义的Profiles,已可略窥一二。随着各种应用被市场接受,H.264/AVC技术的卓越性将在多媒体通信与保存应用实现。其应用可分为下面几类:

  1. 带宽对称式多媒体通信,如:视频电话/会议,尤其结合3G Mobile Network的多媒体通信,将是改变人类未来生活的应用。
  2. 用于辅助通信的多媒体消息传递,如:多媒体消息短信(Multimedia Message Service; MMS)。
  3. 带宽非对称式多媒体传输与娱乐,如:远程监控、远距教学或随选多媒体(Multimedia on Demand; MoD)。对日益普及的行动、宽带及数位家庭网络,提供多元化的服务。
  4. 使用于保存设备,如:数位相机/数位摄录影机或其他光盘保存设备的须求。当前市面上的新兴产品,随身多媒体播放器(Portable Media Player; PMP),为观察重点。
  5. 大众广播系统,如:透过现有广播网络或互联网的数位电视,并可有交互功能,以达到真正的T-Commerce。其他如交互游戏或电影制作工业等。

在全球MPEG-4相关计画发展方面,可举一些例子来说明。iVAST打算porting iVAST Experience Player 。Philips新一代的多媒体Processor,Nexperia 其主推产品为下一代数位STB与录放影机等。

另外就是大家耳熟能详的NTT DoCoMo所推出,以Mobile Video Phone为主要应用的FOMA计画。而欧美日韩对MPEG-4的应用与技术研发也有计画或合作案的进行。在韩国,三星电子决定与Serome Technology共同开发MPEG-4架构多媒体数位内容播放解决方案。

MI於2002年初,率先完成MPEG-4架构Web Camera的商品化,并已与日本及中国大陆业者签订供货契约。Infiny Systems开发出MPEG-4架构保全用DVR,将在近期量产 Symbion System开发出采用MPEG-4技术的16Channel DVR,并开始着手量产。

Ilryung Telesys当前与ETRI(韩国电子通信研究院)携手,开发整合MPEG-4架构家庭保全设备的Home Gateway。第3情报技术开发出MPEG4架构的多方视讯会议系统。MPEG Solutions推出MPEG-4架构PDA,积极抢攻市场。 MclickPlus、OnTimetek与三星电子等业者拥有视频手机及相关MPEG4技术;netNtv、netCODEC、Serome Technology与MPEG Solutions等业者则开发出MPEG4架构网络广播解决方案等等。

日本在MPEG-4硬件已Announce相当的solutions,Matsushita、 Fujitsu、 Hitachi 在 ISSCC 2002发表MPEG-4 Video ICs, Toshiba Corp. 已经推出MPEG4 video codec chip,NEC Corp. 除了与美国公司 PacketVideo Corp.行销MPEG4-related chips.,也提供FOMA计画所需的MPEG-4 chips,除此之外Panasonic、 Sharp、JVC 、Sony等日本公司也都有解决方案问世。 而欧美软件业者如Microsoft、PacketVideo、Solid Streaming、DiamondbackVision、UBVideo等则已提供编解码软件。Microsoft的Windows Media Technologies可提供MPEG-4相关的编解码以及串流,是以个人电脑搭配Windows OS为平台。

PacketVideo则获Intel投资,合作开发以StrongARM为基础的移动电话平台,Motorola、NEC、Mitsubishi、Sanyo、Casio等业者也采用PacketVideo软件,应用在各种行动设备上。 UBVideo也是一家技术领先的公司,尤其在14496-10的AVC上,已经有解决方案的提供。MPEG-4 硬件解决方案 可提供高画质的即时编码,将可大量应用于相关non-PC的 IA(Information Appliance) 产品上,其主要应用可分为两种:Low cost/BW(Bandwidth) 的 portable/mobile devices 及 高性能 应用于 娱乐用途 的产品,如 下一代的STB(Set-Top Box) 、HD DVD(High Definition DVD) player、监控DVR及 streaming 服务器等。

以当前及未来市场预测的需求面来看,Low cost/BW的approach因为槼格变化大及切入市场的设计考量,会先以DSP-based解决方案先出现于产品上,当前应用产品以DSC(Digital Still Camera)为主,其次为移动电话、PDA 等,但未来考虑市场竞争性与产品整合度、低耗电等因素,ASIC solution甚至SoC才会是市场主流,主要vendors包括TI、Toshiba、Panasonic、Zoran、Luxxon、UB Video等。

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