??? 隨著全球音視頻(AV)領域持續從模擬向著數字轉換，支持數字音頻和視頻處理" title="視頻處理">視頻處理，包括電視機、DVD播放機、數字靜止圖像攝像機(DSC)、數字視頻刻錄機(DVC)的新型消費電子設備的數量也持續快速攀升。近來，每一個便攜式個人電子設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、各種聯網和寬帶技術也通過促進創新、傳輸和共享內容，在引爆這個轉換的過程中正發揮它們的作用。
??? 業內要求制定國際壓縮標準的因素很多，以數字格式創新和共享內容就是其中的關鍵之一。MPEG(移動圖像專家組)和JPEG(聯合圖像專家組)委員會創造了各種原始的標準，使得從模擬AV到數字AV格式的轉換成為可能，容許通過網絡或便攜式存儲媒體(即DVD磁盤、SD卡等等)共享和傳輸多媒體內容。然而，在消費電子領域從內容消費向著內容創新邁進的過程中，隨著主要范例的轉換，對更高品質內容創新、更大量內容存儲和更方便的內容傳輸/共享出現了越來越高的要求。
??? 在典型的AV產品中，視頻內容占用了大多數的處理能力" title="處理能力">處理能力、存儲空間和通信信道帶寬。MPEG-2視頻壓縮技術有助于在從模擬向數字視頻處理轉換的過程。因此，它成為了消費電子領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品、特別是便攜式消費設備中是至關重要的。
??? 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)視頻等等寬的應用范圍內極大地改進了MPEG-2壓縮率。H.264技術的許多應用已經被推出，包括藍光碟、HD-DVD、AVCHD刻錄機(HD-CAM)、iTune視頻、1-Seg數字電視(日本的移動數字電視)以及歐洲手持數字電視DVB-H，及其它產品。H.264獲得廣泛應用的關鍵因素有兩條：
??? 1. 相對于MPEG-2，H.264的壓縮比提高了2到3倍，因此，極大地節省時間了視頻存儲容量和網絡帶寬。
??? 2. H.264有效地實現了基于互聯網的應用，因為其方案據認為能夠與網絡協議協調一致。網絡正在家庭、辦公場所和其它任何地方快速擴張。有線和無線網絡的服務帶寬及質量與日俱增，在這些網絡上的視頻流在有線電視、衛星、IPTV及其它應用中已經普及。把H.264視頻壓縮技術和這種無處不在的寬帶網絡連接性結合起來，正在點燃一個移動數字生活方式的新時代。
表1：消費AV產品市場(日本)
??? 注：上圖(單位銷售量)由日本電子和信息技術行業協會(JEITA)及照相機和成像產品協會(CIPA)提供；2006年的數字根據從2006年1月到10月的銷售統計數字預測；對2007年的預測根據2006年的月度數字預測；在日本，大多移動電話包括數碼相機；一定比例的3G移動電話包含視頻電話及其服務；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：
- 便攜式消費設備領域(移動電話和數碼相機)市場巨大且快速成長
- 個人便攜式設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，家庭中的視頻產品也正快速地向著高清晰(HD)品質的產品轉換。類似地，視頻便攜式設備正轉向標準清晰度(SD)或從QVGA或更少的分辨率向VGA轉換。很顯然，在全球的消費AV領域和市場存在一個趨勢：許多產品正成為個人移動設備而不是桌面和以家庭為中心的設備。
??? H.264的先進算法為AV聯網提供了更高的壓縮、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對視頻內容的編碼和解碼。顯然，對任何移動設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備的視頻品質和低功耗" title="低功耗">低功耗要求。
H.264和MPEG-2的概要技術對比
??? H.264作為ITU-T的長期項目，其開發從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相同的視覺品質感受。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，而不是限制實現方案" title="實現方案">實現方案的復雜度。這就導致了現有的H.264實現方案需要足夠數量的計算能力，由此得到的H.264編碼器提供了經改善的功能，其中的編碼器結構和壓縮算法與MPEG-2完全不同。
H.264編碼器結構
表2：H.264編碼器比MPEG-2編碼器優越之處
??? 表3列出了H.264標準所提供的不同規范以及簡要的描述和各種目標應用。
表3：H.264標準所提供的不同規范以及簡要的描述和各種目標應用
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??? 頭四個規范(Baseline、Main、Extended和High)被擴展為面向消費電子應用，緊接著的三個規范 (High 10、High 4:2:2、High 4:4:4)被擴展為針對非(專業)消費電子應用。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的技術特征，我們把努力定位在下列方向：
- 適用于便攜式應用的最低功耗的編解碼器；
- 高品質標準清晰度視頻處理(同時關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">編解碼器算法和結構。更為特別的是，我們選擇主規范的Level-3，它非常好的視頻品質是標準清晰度應用最適合的選擇。
??? 利用視頻壓縮技術的基本理論，推薦采取下列處理：
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??? (a)人類的心理視覺系統忽視高頻紋理的細節；
??? (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。
??? 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)需要一種創新的實現方案。
??? 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標準中并沒有規定視頻品質和壓縮效率。然而，我們的目標是在低功耗的條件下以低比特率實現高品質視頻。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突發和依賴于內容的CABAC特征，因此，為CABAC更為便于采用硬件來實現奠定了基礎；
- 從實現成本考慮，以最佳地平衡視頻品質為目標來實現B圖；
- 有效地重用數據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構；
- 長期存儲器容許各個句法單元。
H.264對視頻品質的貢獻
??? 我們的技術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編碼器對視頻品質以及在ASIC環境中的實現成本的貢獻。我們的技術組不偏不倚地從業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據所需要的數據流量，因此，進一步降低了功耗。
??? 下面總結了對架構的決策，它使我們能夠滿足物理設計的需要：
- Qpixel H.264視頻壓縮IC的設計目標是滿足便攜式消費設備市場的需求。眾所周知，H.264實現方案的復雜度幾乎是MPEG-2的十倍。為了實現高的視頻品質并同時降低系統的功耗，我們提出了一種能夠感覺功耗的靈活的架構，它利用最先進的設計技術來減少裸片面積和功耗，與此同時，有效地處理數據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編碼工具來實現高的視頻品質，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直接增加了動態功耗，所以，在選擇性能目標和系統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，要優化總線仲裁機制以提高數據傳輸效率。
??? 根據上述考慮，我們實現了兩種創新方案，以減少與外部存儲器的數據交換。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化，幀映射針對最大的DRAM帶寬做了優化。我們仔細地評估了H.264壓縮工具，并在視頻品質和DRAM帶寬需求之間做了折衷選擇。
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結論和下一步的工作
??? 我們的獨特專利和正在申請專利的視頻算法及架構，使得用最佳的方式來實現Qpixel H.264主規范編解碼器成為可能，從而滿足視頻產品對低功耗和高視頻品質兩方面的需求。
??? 在下一代消費AV產品中，存在對高清分辨率和品質的需求。我們將繼續在算法和架構技術上展開創新，以提供針對高清分辨率應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