發布日期：2022-07-15 點擊率：95
在數字視頻應用中,未來的明顯趨勢之一是支持新的視頻標準,如、VC-1和AVS等,而支持多種格式編解碼的能力也很關鍵。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行格式轉換的能力是另一項關鍵能力。
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,以及其可能的技術解決方案。
多模解碼是機頂盒的關鍵
根據傳輸信道的不同,數字機頂盒可分為衛星(DVB-S)、有線(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,以及進行一些類型的編碼以便存儲家庭電影等用戶創建的內容或錄制模擬電視節目供以后觀看。目前對編碼的需求是要在全幀速率下錄制標準清晰度信號,以后隨著更多HD攝像機的出現,情況可能發生改變,但現在HD編碼的價格使得在大多數設備中集成HD編碼功能不實際。表1列舉了各種類型機頂盒對視頻處理的典型要求。
表1:各種類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,是考慮到未來的數字電視接收機可以直接接收來自有線和地面廣播的數字電視信號,無需數字機頂盒。而IP機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,在短時間內難于經由互聯網普及到廣大家庭。
在上表中,AVS(Audio Video Standards)是正在審議中的中國音視頻編解碼標準,AVC(Advanced Video Codec)是國際標準MPEG-4第10部分或,WMV9、Real、Quiktime、DivX等是分別由微軟、RealNetworks等公司開發的視頻編解碼技術,被廣泛用于互聯網。在這些技術中,AVC、AVS、WMV9是公認的新一代技術,其壓縮效率比老一代技術有成倍的提高。
“信源編解碼技術正處于新老標準的交替時期,多種標準并存的局面會長期存在?！敝行韭摵瞎究偨浝磉厱源罕硎?“然而,這些標準之間是不兼容的。這就要求實現這些標準的芯片必須能夠實現多種格式的解碼。我們將其稱為多模解碼?！?
隨著壓縮技術和傳輸技術的進步,高清電視信號的傳輸成本和存儲成本顯著降低,高清衛星電視服務即將在北美和歐洲大面積普及?；谛乱淮鷫嚎s技術的編碼與解碼對于芯片的計算能力提出了挑戰,能否低成本地實現多模的高清解碼,已經成為芯片業界的一個重大課題。
目前,針對此問題有三種技術解決方案。
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,將實現高清解碼的硬件核與實現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自英特爾的賽揚600MHz處理器和AMD基于速龍處理器技術的NX處理器系列?；谶@類通用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,專門承擔解碼過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。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。
方案一的缺點是電路規模偏大、導致生產成本偏高,且難以適應兼容更多格式的需求；方案二的缺點是要求嵌入式系統開發商去適應那些全新的計算平臺；方案三的缺點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的新興公司,中芯聯合的開發思路是: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,即可實現單一硬件電路的、可編程的高清多模解碼硬件核。
中芯聯合公司正在研制的芯片,就是試圖實現低成本的多模高清解碼。其主要特點是,使用單一的專用硬件電路實現不同格式的高清解碼?！笆褂脤Ｓ糜布娐?是由于目前的通用處理器(各類CPU及DSP)的計算能力都不足以處理的高清實時解碼?！边厱源罕硎?。
由于機頂盒市場的規模很大,對成本較為敏感,故其視頻處理器件的主流產品應該是SoC。但機頂盒市場中的不定因素很多,例如CA標準及其實現、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的產品規格。因此,明年和后年主流機頂盒產品的技術方案可能會出現“百花齊放”的局面,不會快速集中于少數芯片產品及其整機方案。
另一方面,SoC技術、SiP技術的發展非常迅速。我們可以預期,標準清晰度的機頂盒整機產品將基于“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,這時媒體中心就需要具有能力將電影轉換成所需的格式。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的格式轉換能力。
針對家庭媒體中心,英特爾將在2006年發布一個新品牌的平臺,名為Viiv?；赩iiv技術的新型PC將可采用遙控器進行完全控制,支持數字電視接收器,并優化了播放數字娛樂節目、錄制電視節目、播放HD音頻/視頻等應用。
將成IP可視電話的主流壓縮技術
IP可視電話產品其實概念并不算很新,因為IP已經是寬帶網絡的主流,而可視電話在市場上也已有銷售,但是IP與可視電話相結合的產品并沒有得到很快普及,其中既有技術的原因,也有市場的原因。市場當然是要求影像具有高分辨率的實時性,并且產品價位要盡可能低；而技術上則要求對影像進行高速和高效處理,并且在網絡上占用的帶寬較小。
目前,IP可視電話的編解碼格式多為和,滿足實時需要的幀率在PAL制時為每秒25幀,而在NTSC制時為每秒30幀。面向一般用戶類產品,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用的典型要求。不過,面向高端會議電話系統,分辨率可進一步提高到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,在保證高質量實時影像的同時,對網絡帶寬的需求也至關重要。隨著視頻編解碼技術的發展,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絡帶寬僅為格式視頻電話的一半,已有不少具有影響力的運營商將作為標準配置,而卻成為可選配置。采用的系統,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量。
目前,TI、ADI等DSP供應商主導了IP可視電話市場。基于TI數字媒體處理器的IP可視電話解決方案可提供高質量的實時視頻、同步的音頻與視頻,同時支持基本配置的與視頻編解碼格式。其中以TI的600MHz時鐘速度的DM643為核心,經優化就可實現單片低成本的IP可視電話系統,實現實時的高質量 格式CIF分辯率視頻、或等格式音頻和或SIP網絡協議。對于更高需求的IP電話系統,可以采用時鐘高達720MHz的DM642平臺。
ADI的解決方案支持所有的視頻編解碼器,如、、MPEG-4和WMV9。“我們支持在寬帶網絡上高達30fps的CIF全運動視頻通信。我們的解決方案提供全運動、全彩色視頻、優異的音頻質量、先進的呼叫控制功能?！盇DI的XXX表示,“Blackfin是我們參考設計的核心,執行所有的視頻、音頻和網絡處理。”
當前,阻礙IP可視電話市場發展的最大因素是價格。例如,聞亭數字系統(北京)有限公司基于TI方案開發的IP可視電話零售價高達3000元,遠遠超過普通消費者愿意承受的水平。ADI認為,到2007年,機頂盒與視頻電話的集成將創造最大的可視電話市場。
DTV解決方案:SoC vs. FPGA
在電視領域,現在是數模兼容的時代,而向數字化發展是已經確定的方向。成都威斯達芯片有限責任公司市場經理梅軍預測,在未來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。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展,但數模兼容電視的份額將逐步減少,2015年以后會完全是數字電視。
在DTV和IPTV領域,主要的視頻編解碼標準是MPEG-2、AVC/和VC-1。另外,本土的AVS也有機會。Xilinx的亞太區高級DSP行銷經理林鴻瑞表示,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。
林鴻瑞認為,IPTV和DTV系統供應商越來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規范實現產品的差異化。因此,制造商正在尋求向他們的產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?！拔覀兊腇PGA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。” 林鴻瑞表示,“因為DTV和IPTV市場面臨不斷演變的標準,FPGA的可編程性是一項關鍵優勢,允許制造商調整產品功能以滿足變化的商業和技術要求。”
Xilinx最近與其IP合作伙伴4i2i通信公司聯合發布了第一個在單個FPGA實現的高清視頻解碼器。采用Xilinx的可編程邏輯器件,4i2i通信公司開發了一種可授權的IP解決方案,提供了VHDL、Verilog或網表格式的高清晰度編碼器。這個優化的編碼器包括 HD編碼器、視頻縮放器、降噪器和主接口,可以在單個Virtex或Spartan FPGA中實現。
拍照手機:高像素挑戰處理能力
可拍照手機正變得越來越普及,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公司業務部副總裁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?！敖衲?照相手機的市場主流是130萬像素,明年可拍照手機市場將轉向200萬或300萬象素,從而提供相片級質量的圖像,成為真正的入門級數碼相機。” 華邦電子數字影像應用行銷企劃處處長鄭金河表示。TransChip公司已經推出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的微型圖像傳感器處理模塊要取得與數碼相機類似的照片效果,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、無聲以及高度可靠的自動對焦等特點。AlgoCam采用可編程的圖像信號處理器,工程師只要會C語言編程技術,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,它可提升色彩質量,自動進行顏色校正并改進圖片,而且允許自動曝光。
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行修正,可對圖像進行黑點較正,并對圖像進行逆光補償。該公司將來有可能開發新的技術,實現可與CCD圖像媲美的圖片質量。
除了改進傳感器的圖像處理性能以外,業界正在引入額外的移動多媒體處理器以提高可拍照手機的視頻處理能力,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130萬像素的照相手機,能進行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分辨率下可達到30fps的幀率。鄭金河認為,下一步拍照手機將要求具備視頻編解碼能力,并能對500萬像素的圖像進行信號處理。
作者:顏健
EETimes-China
