ay: block;">環(huán)球資源與Gartner的聯(lián)合調(diào)查顯示,2004年消費(fèi)類電子首次取代通信設(shè)備成為嵌入式系統(tǒng)的第一大應(yīng)用,而數(shù)字視頻是驅(qū)動(dòng)消費(fèi)類電子應(yīng)用增長的主要因素之一。視頻應(yīng)用不但是數(shù)字電視(DTV)、IPTV、IP可視電話、數(shù)字機(jī)頂盒(STB)的基本功能,而且正在快速滲透到手機(jī)、PDA等移動(dòng)設(shè)備中。各種編解碼技術(shù)的快速發(fā)展推動(dòng)了數(shù)字視頻應(yīng)用的普及,使通過有線/無線網(wǎng)絡(luò)傳播音視頻內(nèi)容成為可能。
在數(shù)字視頻應(yīng)用中,未來的明顯趨勢之一是支持新的視頻標(biāo)準(zhǔn),如、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(biāo)準(zhǔn)、不同幀速率、不同分辨率的視頻流進(jìn)行格式轉(zhuǎn)換的能力是另一項(xiàng)關(guān)鍵能力。
本文將詳細(xì)剖析主流視頻終端應(yīng)用設(shè)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(jī)頂盒的關(guān)鍵
根據(jù)傳輸信道的不同,數(shù)字機(jī)頂盒可分為衛(wèi)星(DVB-S)、有線(DVB-C)、地面(DVB-T)和IP機(jī)頂盒四種。不同的機(jī)頂盒對于視頻信號處理有不同的需求。低端設(shè)備要求能以30或25幀/秒的速率處理標(biāo)準(zhǔn)清晰度(SD)的視頻(720X480的NTSC或720X576的PAL)。高端設(shè)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(shè)備要求能執(zhí)行MPEG-2視頻解碼,而更高端的設(shè)備要求能執(zhí)行MPEG-2和MPEG-4解碼,以及進(jìn)行一些類型的編碼以便存儲(chǔ)家庭電影等用戶創(chuàng)建的內(nèi)容或錄制模擬電視節(jié)目供以后觀看。目前對編碼的需求是要在全幀速率下錄制標(biāo)準(zhǔn)清晰度信號,以后隨著更多HD攝像機(jī)的出現(xiàn),情況可能發(fā)生改變,但現(xiàn)在HD編碼的價(jià)格使得在大多數(shù)設(shè)備中集成HD編碼功能不實(shí)際。表1列舉了各種類型機(jī)頂盒對視頻處理的典型要求。
表1:各種類型機(jī)頂盒對視頻處理的典型要求。
其中,DVB-C機(jī)頂盒與DVB-T機(jī)頂盒均僅適用于普通模擬電視,是考慮到未來的數(shù)字電視接收機(jī)可以直接接收來自有線和地面廣播的數(shù)字電視信號,無需數(shù)字機(jī)頂盒。而IP機(jī)頂盒的需求中未列入高清晰度類別,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(nèi)難于經(jīng)由互聯(lián)網(wǎng)普及到廣大家庭。
在上表中,AVS(Audio Video Standards)是正在審議中的中國音視頻編解碼標(biāo)準(zhǔn),AVC(Advanced Video Codec)是國際標(biāo)準(zhǔn)MPEG-4第10部分或,WMV9、Real、Quiktime、DivX等是分別由微軟、RealNetworks等公司開發(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(rèn)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(biāo)準(zhǔn)的交替時(shí)期,多種標(biāo)準(zhǔn)并存的局面會(huì)長期存在。”中芯聯(lián)合公司總經(jīng)理邊曉春表示,“然而,這些標(biāo)準(zhǔn)之間是不兼容的。這就要求實(shí)現(xiàn)這些標(biāo)準(zhǔn)的芯片必須能夠?qū)崿F(xiàn)多種格式的解碼。我們將其稱為多模解碼。”
隨著壓縮技術(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(chǔ)成本顯著降低,高清衛(wèi)星電視服務(wù)即將在北美和歐洲大面積普及。基于新一代壓縮技術(shù)的編碼與解碼對于芯片的計(jì)算能力提出了挑戰(zhàn),能否低成本地實(shí)現(xiàn)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(jù)需求將若干硬件核集成在一起。例如,將實(shí)現(xiàn)高清解碼的硬件核與實(shí)現(xiàn)MPEG-2高清解碼的硬件核集成在一起。
方案二:設(shè)計(jì)一種計(jì)算性能超強(qiáng)的通用處理器,配以不同的軟件、以適應(yīng)不同的解碼格式。典型的解決方案包括來自英特爾的賽揚(yáng)600MHz處理器和AMD基于速龍?zhí)幚砥骷夹g(shù)的NX處理器系列。基于這類通用CPU的方案一般被用于構(gòu)建IP機(jī)頂盒。
方案三:設(shè)計(jì)一種硬件加速核,專門承擔(dān)解碼過程中那些計(jì)算量較大的工作,而將計(jì)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(yīng)不同解碼格式的特點(diǎn)。諸如ST、ESS、卓然等機(jī)頂盒芯片主流供應(yīng)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(guī)模偏大、導(dǎo)致生產(chǎn)成本偏高,且難以適應(yīng)兼容更多格式的需求；方案二的缺點(diǎn)是要求嵌入式系統(tǒng)開發(fā)商去適應(yīng)那些全新的計(jì)算平臺(tái)；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(jī)頂盒市場的新興公司,中芯聯(lián)合的開發(fā)思路是:首先尋求各種標(biāo)準(zhǔn)之間的共同部分,然后在統(tǒng)一的算法框架之下設(shè)計(jì)硬件電路的整體結(jié)構(gòu),且將其設(shè)計(jì)為可編程、可配置的,再配以少量特殊硬件電路,即可實(shí)現(xiàn)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(xiàn)低成本的多模高清解碼。其主要特點(diǎn)是,使用單一的專用硬件電路實(shí)現(xiàn)不同格式的高清解碼。“使用專用硬件電路,是由于目前的通用處理器(各類CPU及DSP)的計(jì)算能力都不足以處理的高清實(shí)時(shí)解碼。”邊曉春表示。
由于機(jī)頂盒市場的規(guī)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(yīng)該是SoC。但機(jī)頂盒市場中的不定因素很多,例如CA標(biāo)準(zhǔn)及其實(shí)現(xiàn)、地面?zhèn)鬏敽托旁淳幗獯a的中國標(biāo)準(zhǔn)、高清電視的中國標(biāo)準(zhǔn)等等,使得很難定義SoC的產(chǎn)品規(guī)格。因此,明年和后年主流機(jī)頂盒產(chǎn)品的技術(shù)方案可能會(huì)出現(xiàn)“百花齊放”的局面,不會(huì)快速集中于少數(shù)芯片產(chǎn)品及其整機(jī)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(yù)期,標(biāo)準(zhǔn)清晰度的機(jī)頂盒整機(jī)產(chǎn)品將基于“單芯片”解決方案,數(shù)字調(diào)諧器、解調(diào)器、MPEG解碼器、模擬或數(shù)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(jī)成本。
在家庭媒體中心方面,它還要求具備格式轉(zhuǎn)換的功能,以便適應(yīng)不同的播放設(shè)備。例如,一部HD電影存儲(chǔ)在家庭媒體中心中,而STB只能解碼SD內(nèi)容,這時(shí)媒體中心就需要具有能力將電影轉(zhuǎn)換成所需的格式。類似地,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(zhuǎn)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(tái),名為Viiv。基于Viiv技術(shù)的新型PC將可采用遙控器進(jìn)行完全控制,支持?jǐn)?shù)字電視接收器,并優(yōu)化了播放數(shù)字娛樂節(jié)目、錄制電視節(jié)目、播放HD音頻/視頻等應(yīng)用。
將成IP可視電話的主流壓縮技術(shù)
IP可視電話產(chǎn)品其實(shí)概念并不算很新,因?yàn)镮P已經(jīng)是寬帶網(wǎng)絡(luò)的主流,而可視電話在市場上也已有銷售,但是IP與可視電話相結(jié)合的產(chǎn)品并沒有得到很快普及,其中既有技術(shù)的原因,也有市場的原因。市場當(dāng)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可視電話的編解碼格式多為和,滿足實(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。面向一般用戶類產(chǎn)品,CIF(352x288)分辯率即可滿足要求。目前,VGA(640x480)和D1分辯率不是視頻通信應(yīng)用的典型要求。不過,面向高端會(huì)議電話系統(tǒng),分辨率可進(jìn)一步提高到SVGA(800x600)或XVGA(1024x768)。當(dāng)然還有更高分辨率的XGA和SXGA,所面向是大屏幕或電視墻應(yīng)用,這就需要極高的帶寬,或者是直接采用電視線纜傳輸信號。表2列出了IP可視電話常用的編解碼格式以及分辨率和幀率要求。
表2:IP可視電話常用的編解碼格式以及分辨率和幀率要求。
對于IP可視電話這樣的雙向視頻通信系統(tǒng),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。隨著視頻編解碼技術(shù)的發(fā)展,高性能格式正逐步成為市場主流。由于采用格式的視頻電話所占用網(wǎng)絡(luò)帶寬僅為格式視頻電話的一半,已有不少具有影響力的運(yùn)營商將作為標(biāo)準(zhǔn)配置,而卻成為可選配置。采用的系統(tǒng),即使在較低數(shù)據(jù)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(yīng)商主導(dǎo)了IP可視電話市場。基于TI數(shù)字媒體處理器的IP可視電話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)支持基本配置的與視頻編解碼格式。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(xiàn)單片低成本的IP可視電話系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)的高質(zhì)量 格式CIF分辯率視頻、或等格式音頻和或SIP網(wǎng)絡(luò)協(xié)議。對于更高需求的IP電話系統(tǒng),可以采用時(shí)鐘高達(dá)720MHz的DM642平臺(tái)。
ADI的解決方案支持所有的視頻編解碼器,如、、MPEG-4和WMV9。“我們支持在寬帶網(wǎng)絡(luò)上高達(dá)30fps的CIF全運(yùn)動(dòng)視頻通信。我們的解決方案提供全運(yùn)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(shè)計(jì)的核心,執(zhí)行所有的視頻、音頻和網(wǎng)絡(luò)處理。”
當(dāng)前,阻礙IP可視電話市場發(fā)展的最大因素是價(jià)格。例如,聞亭數(shù)字系統(tǒng)(北京)有限公司基于TI方案開發(fā)的IP可視電話零售價(jià)高達(dá)3000元,遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過普通消費(fèi)者愿意承受的水平。ADI認(rèn)為,到2007年,機(jī)頂盒與視頻電話的集成將創(chuàng)造最大的可視電話市場。
DTV解決方案:SoC vs. FPGA
在電視領(lǐng)域,現(xiàn)在是數(shù)模兼容的時(shí)代,而向數(shù)字化發(fā)展是已經(jīng)確定的方向。成都威斯達(dá)芯片有限責(zé)任公司市場經(jīng)理梅軍預(yù)測,在未來5年內(nèi),平板電視以及數(shù)模兼容逐行CRT電視都有很好的市場。2008年以后,真正的數(shù)字接收電視將逐漸占據(jù)主流,兼容電視仍然和數(shù)字電視并行發(fā)展,但數(shù)模兼容電視的份額將逐步減少,2015年以后會(huì)完全是數(shù)字電視。
在DTV和IPTV領(lǐng)域,主要的視頻編解碼標(biāo)準(zhǔn)是MPEG-2、AVC/和VC-1。另外,本土的AVS也有機(jī)會(huì)。Xilinx的亞太區(qū)高級DSP行銷經(jīng)理林鴻瑞表示,AVS將成為中國一種重要的視頻編碼標(biāo)準(zhǔn),但它能否被廣泛采用將取決于芯片的供應(yīng)情況、系統(tǒng)制造商的支持程度和市場接受度。
目前,DTV和IPTV芯片供應(yīng)商包括飛利浦、瑞薩等國際公司以及成都威斯達(dá)、海信、杭州國芯等本土公司。為了迅速降低系統(tǒng)成本,無論是老牌公司還是新興公司都致力于提供集成隔行轉(zhuǎn)逐行變換、圖像比例縮放、幀頻提升、圖像增強(qiáng)等必要視頻處理能力的SoC解決方案。
林鴻瑞認(rèn)為,IPTV和DTV系統(tǒng)供應(yīng)商越來越被限制到一小部分芯片供應(yīng)商的SoC解決方案之中。這使得他們很難基于技術(shù)規(guī)范實(shí)現(xiàn)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(yù)處理和后處理能力。Xilinx為IPTV和DTV系統(tǒng)提供基于FPGA的硬件/軟件可編程平臺(tái)。“我們的FPGA集成了DSP和嵌入式處理功能,以便為設(shè)備制造商提供集成的可編程系統(tǒng)平臺(tái)。” 林鴻瑞表示,“因?yàn)镈TV和IPTV市場面臨不斷演變的標(biāo)準(zhǔn),FPGA的可編程性是一項(xiàng)關(guān)鍵優(yōu)勢,允許制造商調(diào)整產(chǎn)品功能以滿足變化的商業(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(xiàn)的高清視頻解碼器。采用Xilinx的可編程邏輯器件,4i2i通信公司開發(fā)了一種可授權(quán)的IP解決方案,提供了VHDL、Verilog或網(wǎng)表格式的高清晰度編碼器。這個(gè)優(yōu)化的編碼器包括 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(xiàn)。
拍照手機(jī):高像素挑戰(zhàn)處理能力
可拍照手機(jī)正變得越來越普及,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(rèn)為,到2008年,全球可拍照手機(jī)將占到全部手機(jī)的70%份額。“今年,照相手機(jī)的市場主流是130萬像素,明年可拍照手機(jī)市場將轉(zhuǎn)向200萬或300萬象素,從而提供相片級質(zhì)量的圖像,成為真正的入門級數(shù)碼相機(jī)。” 華邦電子數(shù)字影像應(yīng)用行銷企劃處處長鄭金河表示。TransChip公司已經(jīng)推出200萬象素CMOS傳感器,明年年初將推出320萬象素CMOS傳感器,到2006年推出500萬象素的CMOS傳感器。
目前,用戶要求可拍照手機(jī)的微型圖像傳感器處理模塊要取得與數(shù)碼相機(jī)類似的照片效果,使供應(yīng)商面臨巨大挑戰(zhàn)。
TransChip公司的AlgoCam是可編程的圖像傳感器,具有功耗低、精確、無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語言編程技術(shù),就可利用軟件編程在1周之內(nèi)將高象素功能快速集成在可拍照手機(jī)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(jī)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(bǔ)償。該公司將來有可能開發(fā)新的技術(shù),實(shí)現(xiàn)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(jī)的視頻處理能力,滿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(zhǔn)130萬像素的照相手機(jī),能進(jìn)行MPEG4/3GP編解碼,在QVGA分辨率下達(dá)到30fps的幀率；另一款W99802G瞄準(zhǔn)200萬或300萬像素照相功能,也具備MPEG4/3GP編解碼能力,而且在VGA分辨率下可達(dá)到30fps的幀率。鄭金河認(rèn)為,下一步拍照手機(jī)將要求具備視頻編解碼能力,并能對500萬像素的圖像進(jìn)行信號處理。
作者:顏健
EETimes-China
