??? 隨著全球音視頻(AV)領(lǐng)域持續(xù)從模擬向著數(shù)字轉(zhuǎn)換,，支持數(shù)字音頻和視頻處理" title="視頻處理">視頻處理,，包括電視機、DVD播放機,、數(shù)字靜止圖像攝像機(DSC),、數(shù)字視頻刻錄機(DVC)的新型消費電子設(shè)備的數(shù)量也持續(xù)快速攀升。近來,，每一個便攜式個人電子設(shè)備似乎都配備了音視頻功能,，包括移動電話、便攜式媒體播放器和PDA,。此外,，個人電腦、各種聯(lián)網(wǎng)和寬帶技術(shù)也通過促進創(chuàng)新,、傳輸和共享內(nèi)容,，在引爆這個轉(zhuǎn)換的過程中正發(fā)揮它們的作用。

??? 業(yè)內(nèi)要求制定國際壓縮標準的因素很多,，以數(shù)字格式創(chuàng)新和共享內(nèi)容就是其中的關(guān)鍵之一,。MPEG(移動圖像專家組)和JPEG(聯(lián)合圖像專家組)委員會創(chuàng)造了各種原始的標準，使得從模擬AV到數(shù)字AV格式的轉(zhuǎn)換成為可能,，容許通過網(wǎng)絡(luò)或便攜式存儲媒體(即DVD磁盤,、SD卡等等)共享和傳輸多媒體內(nèi)容。然而,，在消費電子領(lǐng)域從內(nèi)容消費向著內(nèi)容創(chuàng)新邁進的過程中,，隨著主要范例的轉(zhuǎn)換，對更高品質(zhì)內(nèi)容創(chuàng)新,、更大量內(nèi)容存儲和更方便的內(nèi)容傳輸/共享出現(xiàn)了越來越高的要求,。

??? 在典型的AV產(chǎn)品中，視頻內(nèi)容占用了大多數(shù)的處理能力" title="處理能力">處理能力,、存儲空間和通信信道帶寬,。MPEG-2視頻壓縮技術(shù)有助于在從模擬向數(shù)字視頻處理轉(zhuǎn)換的過程。因此,，它成為了消費電子領(lǐng)域采用最廣泛的壓縮標準,。H.264因具有較低的傳輸比特率且對存儲的要求較低,，目前有望取代MPEG-2。這些改進在對成本敏感的消費產(chǎn)品,、特別是便攜式消費設(shè)備中是至關(guān)重要的,。

??? H.264 (也稱為MPEG-4/AVC)標準是在2005年底由ITU-T和MPEG組織共同制定完成的。該標準從小尺寸(移動AV)到高分辨率(HD)視頻等等寬的應(yīng)用范圍內(nèi)極大地改進了MPEG-2壓縮率,。H.264技術(shù)的許多應(yīng)用已經(jīng)被推出,，包括藍光碟、HD-DVD,、AVCHD刻錄機(HD-CAM),、iTune視頻、1-Seg數(shù)字電視(日本的移動數(shù)字電視)以及歐洲手持數(shù)字電視DVB-H,，及其它產(chǎn)品,。H.264獲得廣泛應(yīng)用的關(guān)鍵因素有兩條：

??? 1. 相對于MPEG-2，H.264的壓縮比提高了2到3倍,，因此,，極大地節(jié)省時間了視頻存儲容量和網(wǎng)絡(luò)帶寬。

??? 2. H.264有效地實現(xiàn)了基于互聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用,，因為其方案據(jù)認為能夠與網(wǎng)絡(luò)協(xié)議協(xié)調(diào)一致,。網(wǎng)絡(luò)正在家庭、辦公場所和其它任何地方快速擴張,。有線和無線網(wǎng)絡(luò)的服務(wù)帶寬及質(zhì)量與日俱增,，在這些網(wǎng)絡(luò)上的視頻流在有線電視、衛(wèi)星,、IPTV及其它應(yīng)用中已經(jīng)普及,。把H.264視頻壓縮技術(shù)和這種無處不在的寬帶網(wǎng)絡(luò)連接性結(jié)合起來，正在點燃一個移動數(shù)字生活方式的新時代,。

表1：消費AV產(chǎn)品市場(日本)

??? 注：上圖(單位銷售量)由日本電子和信息技術(shù)行業(yè)協(xié)會(JEITA)及照相機和成像產(chǎn)品協(xié)會(CIPA)提供,；2006年的數(shù)字根據(jù)從2006年1月到10月的銷售統(tǒng)計數(shù)字預測；對2007年的預測根據(jù)2006年的月度數(shù)字預測,；在日本,，大多移動電話包括數(shù)碼相機；一定比例的3G移動電話包含視頻電話及其服務(wù),；一定比例的移動電話配備了1-seg DTV接收機,。

??? 上表突出了下列要點：

• 便攜式消費設(shè)備領(lǐng)域(移動電話和數(shù)碼相機)市場巨大且快速成長
• 個人便攜式設(shè)備的演進顯著地改變著我們的生活方式，特別是我們彼此之間交流溝通的方式

?? 除了在表1所示的便攜式市場變化之外,，家庭中的視頻產(chǎn)品也正快速地向著高清晰(HD)品質(zhì)的產(chǎn)品轉(zhuǎn)換,。類似地，視頻便攜式設(shè)備正轉(zhuǎn)向標準清晰度(SD)或從QVGA或更少的分辨率向VGA轉(zhuǎn)換,。很顯然,，在全球的消費AV領(lǐng)域和市場存在一個趨勢：許多產(chǎn)品正成為個人移動設(shè)備而不是桌面和以家庭為中心的設(shè)備,。

??? H.264的先進算法為AV聯(lián)網(wǎng)提供了更高的壓縮、更低的通信信道帶寬,、更小的存儲要求和靈活的方案,；然而，那些算法也需要更多的處理能力以實現(xiàn)對視頻內(nèi)容的編碼和解碼,。顯然,，對任何移動設(shè)備的首要要求就是功耗更低，以延長電池的使用時間,。在下列部分,，我們將概要介紹如何利用Qpixel公司的H.264壓縮IC來滿足便攜式消費設(shè)備的視頻品質(zhì)和低功耗" title="低功耗">低功耗要求,。

H.264和MPEG-2的概要技術(shù)對比

??? H.264作為ITU-T的長期項目,，其開發(fā)從1998年就開始了，目標是用H.263和MPEG-4標準一半的比特率來實現(xiàn)相同的視覺品質(zhì)感受,。與過去的視頻標準 (MPEG-1/-2/-4, H.261/262/263)不同,，H.264的努力方向是改善壓縮效率，而不是限制實現(xiàn)方案" title="實現(xiàn)方案">實現(xiàn)方案的復雜度,。這就導致了現(xiàn)有的H.264實現(xiàn)方案需要足夠數(shù)量的計算能力,，由此得到的H.264編碼器提供了經(jīng)改善的功能，其中的編碼器結(jié)構(gòu)和壓縮算法與MPEG-2完全不同,。

H.264編碼器結(jié)構(gòu)

表2：H.264編碼器比MPEG-2編碼器優(yōu)越之處

??? 表3列出了H.264標準所提供的不同規(guī)范以及簡要的描述和各種目標應(yīng)用,。

表3：H.264標準所提供的不同規(guī)范以及簡要的描述和各種目標應(yīng)用

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??? 頭四個規(guī)范(Baseline、Main,、Extended和High)被擴展為面向消費電子應(yīng)用,，緊接著的三個規(guī)范 (High 10、High 4:2:2,、High 4:4:4)被擴展為針對非(專業(yè))消費電子應(yīng)用,。在此，也存在與MPEG-2類似的“Level”的定義,。Level-3用于SD(標準清晰度: 720x480x30或720x576x25),，Level-4用于HD(高清晰度: 1920x1080x30或x25)。

Qpixel針對AV市場需求的方法和解決方案

??? 考慮到AV市場的需求和H.264的技術(shù)特征,，我們把努力定位在下列方向：

• 適用于便攜式應(yīng)用的最低功耗的編解碼器,；
• 高品質(zhì)標準清晰度視頻處理(同時關(guān)注將來的高清晰分辯率)；
• 滿足特定市場需求的專用H.264編解碼器" title="編解碼器">編解碼器算法和結(jié)構(gòu),。更為特別的是,，我們選擇主規(guī)范的Level-3，它非常好的視頻品質(zhì)是標準清晰度應(yīng)用最適合的選擇,。

??? 利用視頻壓縮技術(shù)的基本理論,，推薦采取下列處理：

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??? (a)人類的心理視覺系統(tǒng)忽視高頻紋理的細節(jié),；

??? (b)通過在許多可能的選項之間找到最佳的運動估值匹配，可以減少最終的比特率,；

??? (c)熵編碼可以不損失信息而獲得最少的比特數(shù),。

??? 項目(a)和(b)需要多次算法迭代才能找到人眼針對給定比特率的最佳感覺，項目(c)需要一種創(chuàng)新的實現(xiàn)方案,。

??? 一般地說,，編碼器需要生成符合標準的比特流，與此同時,，在H.264標準中并沒有規(guī)定視頻品質(zhì)和壓縮效率,。然而，我們的目標是在低功耗的條件下以低比特率實現(xiàn)高品質(zhì)視頻,。這些準則就是我們努力的重點,。下面概要介紹了我們的算法努力和方向：

• 在不犧牲壓縮效率的前提下，把高度順序處理的H.264句法鏈分割為更小數(shù)量的句法單元,，因此,，容許利用更為并行化的處理來突破處理能力的瓶頸；
• 在不犧牲視頻品質(zhì)的前提下,，智能地預選更為有效的壓縮算法,，因此，減少所需要的整體處理能力,；
• 以高度可伸縮的方式來實現(xiàn)突發(fā)和依賴于內(nèi)容的CABAC特征,，因此，為CABAC更為便于采用硬件來實現(xiàn)奠定了基礎(chǔ),；
• 從實現(xiàn)成本考慮,，以最佳地平衡視頻品質(zhì)為目標來實現(xiàn)B圖；
• 有效地重用數(shù)據(jù)以最大化我們的視頻算法的性能,；
• 具有句法之間依賴性的高度順序的句法結(jié)構(gòu),；
• 長期存儲器容許各個句法單元。

H.264對視頻品質(zhì)的貢獻

??? 我們的技術(shù)來源于對每一種編碼工具的全面和仔細的分析,，揭示了H.264編碼器對視頻品質(zhì)以及在ASIC環(huán)境中的實現(xiàn)成本的貢獻,。我們的技術(shù)組不偏不倚地從業(yè)已存在的編碼標準如MPEG-1/2/4開始著手，把重點放在H.264編碼器中每一個模塊的最佳成本性能優(yōu)勢上,。除了視頻編碼算法之外,，我們采用了高度智能的基于TDM的方案，以減少處理大量視頻數(shù)據(jù)所需要的數(shù)據(jù)流量,，因此,，進一步降低了功耗。

??? 下面總結(jié)了對架構(gòu)的決策,，它使我們能夠滿足物理設(shè)計的需要：

• Qpixel H.264視頻壓縮IC的設(shè)計目標是滿足便攜式消費設(shè)備市場的需求,。眾所周知,，H.264實現(xiàn)方案的復雜度幾乎是MPEG-2的十倍。為了實現(xiàn)高的視頻品質(zhì)并同時降低系統(tǒng)的功耗,，我們提出了一種能夠感覺功耗的靈活的架構(gòu),，它利用最先進的設(shè)計技術(shù)來減少裸片面積和功耗，與此同時,，有效地處理數(shù)據(jù)流量以最大程度地提高效率,，并使與外部存儲器交互作用所消耗的功率最小。
• 影響功耗的主要因素是IC時鐘樹,。為了完全利用潛在的H.264編碼工具來實現(xiàn)高的視頻品質(zhì),，時鐘頻率必須被提高，以提供更大的處理能力,。然而,，以更高的頻率運行IC直接增加了動態(tài)功耗，所以,，在選擇性能目標和系統(tǒng)的功耗時需要采取折衷措施,。
• 在給定的功耗目標條件下實現(xiàn)最高的性能,，要對IC進行計劃以最小化外部存儲器的延遲周期,，此外，要優(yōu)化總線仲裁機制以提高數(shù)據(jù)傳輸效率,。

??? 根據(jù)上述考慮,，我們實現(xiàn)了兩種創(chuàng)新方案，以減少與外部存儲器的數(shù)據(jù)交換,。一種是幀映射方案,，另一種是基于TDM的總線仲裁。TDM仲裁針對我們的視頻處理管線做了高度優(yōu)化,，幀映射針對最大的DRAM帶寬做了優(yōu)化,。我們仔細地評估了H.264壓縮工具，并在視頻品質(zhì)和DRAM帶寬需求之間做了折衷選擇,。

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結(jié)論和下一步的工作

??? 我們的獨特專利和正在申請專利的視頻算法及架構(gòu),，使得用最佳的方式來實現(xiàn)Qpixel H.264主規(guī)范編解碼器成為可能，從而滿足視頻產(chǎn)品對低功耗和高視頻品質(zhì)兩方面的需求,。

??? 在下一代消費AV產(chǎn)品中,，存在對高清分辨率和品質(zhì)的需求。我們將繼續(xù)在算法和架構(gòu)技術(shù)上展開創(chuàng)新,，以提供針對高清分辨率應(yīng)用的高度有競爭力的解決方案,。

參考文獻：

JVT-N050d1.doc

H.264 / AVC TEXTBOOK, Authored by S. Okubo et al, Impress Limited

Development of Video Coding Technology and Future Prospects, T. Chujo, Toshiba Review Vol.60 No.7, 2005

A Study for Bit-rate Control of H.264/AVC Coding, Y. Akima, Graduate Paper of Waseda University, 2004