視訊壓縮晶片的發展與應用

視訊壓縮晶片的發展與應用

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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。