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視訊壓縮晶片的發展與應用

近年來數位視訊壓縮國際標準大致分成兩大主流,ITU-T與ISO/IEC。

ITU-T所製定H系列的標準,是以電信通訊的應用為主,如H.261之於ISDN Video Phone及H.263之於POTS/IP Video Phone。

ISO/IEC則先以儲存、廣播的應用為主,如MPEG-1之於VCD及MPEG-2之於DVD/DTV。

到了2000年之後的MPEG-4或兩大組織合推的H.264/AVC,都以網際網路視訊應用為主軸。

本文將談談MPEG-4與H.264/AVC的晶片發展與應用,並論及在安全與監控的產品未來性。附帶說明的是,MPEG-4 part 2 的Short Video Header功能有支援H.263 baseline,至此已可以看出兩大組織技術合流的徵兆。

視訊壓縮晶片的發展與變革

MPEG-4視訊壓縮技術是由國際標準組織(ISO/IEC)底下的委員會MPEG (Moving Picture Experts Group)所制定的。該委員會成立於1988年,並制定過曾榮獲艾美獎的MPEG-1及MPEG-2標準,並成功應用於VCD、MP3、DVD、DTV及HDTV等相關產業,造就電腦與消費性多媒體產業近年來的快速發展。

由ISO/IEC所給MPEG-4的正式編號為14496,其中有關視訊編解碼技術則分別規範在文件的第二部分(14496-2: Visual Part)及第十部分(14496-10: Advanced Video Coding)。14496-2裡面又細分了多種的Tools、Profiles及Levels來支援各式各樣的多媒體應用,包括數位互動電視、行動視訊電話、多媒體儲存、多媒體簡訊、遠距教學及遠端視訊監控等。

而14496-10的部分,又稱之為H.264或AVC,為目前國際上最卓越的視訊編解碼標準,由ITU-T和ISO/IEC於2003年5月所共同製訂完成的。大約在2001年底,ISO/IEC MPEG工作小組有鑑於H.264的效能已超過MPEG-4標準,因此決定與ITU-T VCEG合作,組成聯合視訊小組,共同發展由ITU-T首先提出的H.264(前身為H.26L)標準。所以,H.264又稱為MPEG-4 Part 10、MPEG-4 AVC或JVT。該標準有多項獨特優點,包括高壓縮率、高品質視訊、抗錯性及網路傳輸功能的加強,遠超過其它現有標準的效能。H.264標準已製訂出三個Profiles:Baseline Profile、Main Profile及X Profile,分別適用於視訊電話/會議/行動應用、廣播視訊應用以及視訊串流/行動視訊應用。

MPEG-4除了承襲壓縮率較舊有標準提高的特性外,所適用的位元率範圍亦可從5 Kbps到2G bps,擷取早期標準ITU-T H.261/263(低位元率編碼)與ISO/IEC MPEG-1/2(高位元率編碼)的優點,再加上支援物件型態編碼及合成影像的壓縮,適用於高階互動功能與特殊視訊製作,容錯性編碼技術(error-resilient)及細微式可調適性編碼技術,更可適用於頻寬變化劇烈的網路現況。

也因為MPEG-4具有的優點,而被ISMA、3GPP、M4IF、WMF等國際標準組織選為多媒體編碼標準。

而在H.264/AVC方面,隨著標準的正式批准與授權條件公佈,算是完成技術實現的第一步。在觀察全球產業對此標準的接受度的同時,目前已經引起一些重量級的廣播公司、服務供應商和消費電子公司的興趣。

歐日已啟用H.264/AVC標準

在日本方面,包括NHK、TBS、NTV、朝日電視台、富士電視台、東京電視台等日本六家電視廣播公司,已決定採用H.264作為行動數位電視的視訊壓縮標準,並在2006年3月前開始提供行動數位電視服務,日本可望成為行動數位電視的示範地區;DirecTV公司已初步決定,可能在2004年啟動的下一代視訊服務中,選擇H.264編解碼方式;DVD 論壇於2003年2月已經有條件接受H.264/AVC標準為其HD-DVD系統視訊壓縮技術之一。

歐洲的 DVB 也在制定一個廣播 DVB-T 電視訊號至手持裝置的 DVB-X 標準,H.264/AVC 將會是其視訊編解碼的核心技術;韓國力推的DMB標準,亦採用H.264/AVC標準為視訊編解碼的核心技術;在3GPP方面,2003年底,亦選擇H.264/AVC為下一世代的Optional Codec。

舉個例子,H.264/AVC可運用其高複雜度與高效能的特性,提供新的應用領域與商業機會。在傳輸頻道中擬用1 Mbps來傳送TV的廣播視訊品質,已經指日可待,所以在 ADSL為based的娛樂廣播服務(如中華電信的MOD),將更有競爭力。

視訊壓縮晶片的特性與應用

實現視訊編解碼技術的方式不外乎軟體、韌體與硬體三種。軟體的實現方式指的是用軟體programming的方式在一般用途的CPU(RISC為主)上開發完成MPEG-4 Codec的功能,通常以PC、Laptop或PDA等的實現最為普遍,也有用於某種嵌入系統或IA device上做為加值的開發。

韌體的開發則是強調以DSP(Digital Signal Processor)為工作核心,以DSP特有的乘加等運算指令集,撰寫混合高低階的程式語言,下載到DSP平台來執行,此種解決方案兼具開發時程短、programmable容易與不錯的傳輸速度等優點。

另一種最cost effective的就非硬體解決方案莫屬了,以 dedicated circuit完成video codec常見的例行工作,再利用預先設計的任體將所有dedicated circuits glue起來,形成完整的工作排程,如此一來,可將成效推到極至。為了擴展應用範圍與可行性,以DSP或特定處理器為平台的視訊編解碼器韌體,提供可程式化及快速切入市場,將佔領初期或特殊應用市場。最後,在考慮Power consumption、價格等因素,硬體設計的方式將主導市場。

視訊編解碼標準隨著時間的演進,近十年來,也有不錯的突破。H.264/AVC已經比MPEG-2的效能好上兩倍,但複雜度的增加,就需要更進步的設計與製程來配合。 在可應用範圍方面,H.264/AVC所定義的Profiles,已可略窺一二。隨著各種應用被市場接受,H.264/AVC技術的卓越性將在多媒體通訊與儲存應用實現。其應用可分為下面幾類:

  1. 頻寬對稱式多媒體通訊,如:視訊電話/會議,尤其結合3G Mobile Network的多媒體通訊,將是改變人類未來生活的應用。
  2. 用於輔助通訊的多媒體訊息傳遞,如:多媒體訊息簡訊(Multimedia Message Service; MMS)。
  3. 頻寬非對稱式多媒體傳輸與娛樂,如:遠端監控、遠距教學或隨選多媒體(Multimedia on Demand; MoD)。對日益普及的行動、寬頻及數位家庭網路,提供多元化的服務。
  4. 使用於儲存裝置,如:數位相機/數位攝錄影機或其他光碟儲存設備的需求。目前市面上的新興產品,隨身多媒體播放器(Portable Media Player; PMP),為觀察重點。
  5. 大眾廣播系統,如:透過現有廣播網路或網際網路的數位電視,並可有互動功能,以達到真正的T-Commerce。其他如互動遊戲或電影製作工業等。

在全球MPEG-4相關計畫發展方面,可舉一些例子來說明。iVAST打算porting iVAST Experience Player 。Philips新一代的多媒體Processor,Nexperia 其主推產品為下一代數位STB與錄放影機等。

另外就是大家耳熟能詳的NTT DoCoMo所推出,以Mobile Video Phone為主要應用的FOMA計畫。而歐美日韓對MPEG-4的應用與技術研發也有計畫或合作案的進行。在韓國,三星電子決定與Serome Technology共同開發MPEG-4架構多媒體數位內容播放解決方案。

MI於2002年初,率先完成MPEG-4架構Web Camera的商品化,並已與日本及中國大陸業者簽訂供貨契約。Infiny Systems開發出MPEG-4架構保全用DVR,將在近期量產 Symbion System開發出採用MPEG-4技術的16Channel DVR,並開始著手量產。

Ilryung Telesys目前與ETRI(韓國電子通信研究院)攜手,開發整合MPEG-4架構家庭保全設備的Home Gateway。第3情報技術開發出MPEG4架構的多方視訊會議系統。MPEG Solutions推出MPEG-4架構PDA,積極搶攻市場。 MclickPlus、OnTimetek與三星電子等業者擁有視訊手機及相關MPEG4技術;netNtv、netCODEC、Serome Technology與MPEG Solutions等業者則開發出MPEG4架構網路廣播解決方案等等。

日本在MPEG-4硬體已Announce相當的solutions,Matsushita、 Fujitsu、 Hitachi 在 ISSCC 2002發表MPEG-4 Video ICs, Toshiba Corp. 已經推出MPEG4 video codec chip,NEC Corp. 除了與美國公司 PacketVideo Corp.行銷MPEG4-related chips.,也提供FOMA計畫所需的MPEG-4 chips,除此之外Panasonic、 Sharp、JVC 、Sony等日本公司也都有解決方案問世。 而歐美軟體業者如Microsoft、PacketVideo、Solid Streaming、DiamondbackVision、UBVideo等則已提供編解碼軟體。Microsoft的Windows Media Technologies可提供MPEG-4相關的編解碼以及串流,是以個人電腦搭配Windows OS為平台。

PacketVideo則獲Intel投資,合作開發以StrongARM為基礎的行動電話平台,Motorola、NEC、Mitsubishi、Sanyo、Casio等業者也採用PacketVideo軟體,應用在各種行動裝置上。 UBVideo也是一家技術領先的公司,尤其在14496-10的AVC上,已經有解決方案的提供。MPEG-4 硬體解決方案 可提供高畫質的即時編碼,將可大量應用於相關non-PC的 IA(Information Appliance) 產品上,其主要應用可分為兩種:Low cost/BW(Bandwidth) 的 portable/mobile devices 及 高效能 應用於 娛樂用途 的產品,如 下一代的STB(Set-Top Box) 、HD DVD(High Definition DVD) player、監控DVR及 streaming 伺服器等。

以目前及未來市場預測的需求面來看,Low cost/BW的approach因為規格變化大及切入市場的設計考量,會先以DSP-based解決方案先出現於產品上,目前應用產品以DSC(Digital Still Camera)為主,其次為行動電話、PDA 等,但未來考慮市場競爭性與產品整合度、低耗電等因素,ASIC solution甚至SoC才會是市場主流,主要vendors包括TI、Toshiba、Panasonic、Zoran、Luxxon、UB Video等。


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