【專題報導】網路影音世代來臨，H.264 技術應用無所不在

Jim_Lin

【專題報導】網路影音世代來臨，H.264 技術應用無所不在

文/工研院資通所-洪淑萍
- [* M( M% W" w+ |. b隨著寬頻網路的普及，網路視訊正蔚為風潮，而強調高畫質的影音串流服務，更藉著寬頻網路正式走入數位家庭，成為客廳裡不可或缺的一個要角；在此同時，為兼顧高畫質視訊與相對有限的網路頻寬，視訊編解碼技術 (Video Codec) 扮演了相當重要的角色，在網路視訊的應用裡到處可見其蹤跡。
9 w5 r2 s! p! d! P5 a# m6 x- G0 \1 }
; V$ R* P, m! U9 h+ h視訊編解碼技術，由早期的MPEG-1、MPEG-2 、MPEG-4一路進展到H.264，由於H.264 技術在視訊壓縮率以及視訊品質的上的表現優於其他技術，所以正逐步取代MPEG-4成為許多應用領域中的主流技術，包括 IPTV (Set-top Box)、次世代DVD/DVR、HDTV、數位監控、行動電視等，市場預估 2007 年MPEG-4/H.264 IC的產值可以達到出貨62,000 萬套，產值NTD 1,350億。
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圖一 全球MPEG-4/H.264 IC出貨與營收預測
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; \/ X+ I% [8 t5 k3 E資料來源：In-Stat；拓樸產業整理 (2007/04)
以下就各應用領域分別詳述H.264在其中之應用：

! h/ U/ L& t2 R3 nIPTV
1 B) h& M1 y" `網路電視 (IPTV) 利用寬頻網路，以「電視機＋機上盒 (Set-top Box)」為主要終端設備，為用戶提供包括電視節目在內的互動式多媒體服務的寬頻增值業務，IPTV能提供點播、廣播/ 直播、視訊通信、簡訊、資訊服務、遊戲等業務。
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圖二 IPTV應用架構圖
+ I" @$ s% L$ T7 N% j, X% r0 Q

資料來源：http://www.exfo.com
: g0 S8 v6 U; J5 |Set-top Box硬體架構包含兩大部分，一為由網路端擷取經H.264 編碼壓縮過的視訊串流資訊，另一部份則是經由H.264解碼後輸出至電視，其中，H.264編解碼的實際作法可為 Hardware Codec 或者Software Codec (以軟體指令於效能強大的CPU/DSP上執行 )。Set-top Box預估2007年出貨套數可達 0.92 億台。
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圖三 Set-top Box全球出貨預測

8 v( j, }" l. q! H- W& o資料來源：IBTS整理 (2006)
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IP視訊監控

1 g  F, B1 v, x& c: L視訊監控產業由早期的類比閉路電視系統 (CCTV) 轉換為IP 視訊監視 (IP Camera)，其趨勢已是相當明顯，IP Camera的市場預估將有 87.9% 的年複合成長率，到2010年產值將達到55億美金。探究 IP Camera其中之技術，在影像編碼部分目前並存著Motion-JPEG以及MPEG -4兩 種標準，但從越來越多的新產品中可見H.264逐步取代MPEG-4 成為主流，主要是因為高階 IP Camera追求更高的frame rate以及高好的影像品質，使得 H.264技術逐漸嶄露頭角，目前在IP Camera中的H.264 encoder 一般均為Hardware IC 的形式，以便達到成本與效能最佳化。
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( N8 X! g9 z! c; x# E$ G

圖四 2006~2010年全球視訊監控市場預測

! A! \* T/ z3 z" @, Z, v& R

: H; ]+ U1 i0 _) r/ B( L8 S5 J& H資料來源：IMS Research；拓墣產業研究所整理 (2007/07)

8 n! n) E* O% Y) B) [數位相框 (Digital Frame)
數位相框是2007 年相當熱門的一個產品，主要的功能訴求原本定位在取代傳統式的相片，隨著規格的演進，市面上強調支援無線傳輸，可播放網路視訊的產品也已經出現，未來將朝向配備MPEG-4/H.264視訊解碼技術。 2007 年有機會挑戰全年一千萬台出貨量，市場成長相當快速，也是台系IC設計業者蜂擁搶進的新藍海。

- Z5 r$ T" N& X* N/ G8 l) S
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圖五 2006~2010年數位相框銷售量與成長率預測
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資料來源：DG Inspire；拓墣產業研究所整理 (2007/03)
+ }* M6 f$ C& u: I. ~9 K: T
" c  ?+ D0 ^( f; J, u. q工研院發表H.264 完整解決方案，軟硬體一把抓
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工研院資通所累積網路視訊編解碼多年開發經驗，繼MPEG-4 Codec IP 開發完成並實際移轉多家廠商的成功經驗，再接再厲推出H.264 S/W and H/W Codec IP，以最佳化的閘數目 (gate count) 與效能比 (performance)，改變H.264 長期倚賴國外技術支援的壟斷局面，有助於國內廠商降低成本，提升技術自主性，並取得市場有利的競爭地位，以下為詳細技術規格：
' ~2 p% K9 V8 ]) Q) K
7 C& {' b: n4 _1 T1 k/ K- bH.264 Video Decoder IP Core
7 B3 y, h6 e. Z+ i) D& C  {Features

●Decoder Elementary Stream compatible with the ISO / IEC 14496-10 specification
●Supports main Profile Levels L1 to L3 and thus baseline H.264
% ]; X4 w& i1 M- q2 c2 q●Intra Prediction
4 A& i1 x# C5 Q5 g●16x16, 16x8, 8x16, 8x8, 4x8, 8x4, 4x4-MV(Motion Vector), Unrestricted MV
●I-Slice / P-Slice prediction type
●Scalable resolution up to XGA(Multiple of 16 in height and width)
, u7 u$ L" N9 \* x) I9 P●Frame Rate up to 352(288 @ 30 fps, 640(480 @ 30 fps, depends on working clock rate
" _" W, S7 Q* u" C) C/ u! o●Support CCIR-656 YCbCr 4:2:0 and 4:2:2 raster video input/output
●Variable Length Decoding (CAVLC/CABAC)
●FPGA verification
' u5 P( i* a0 v0 h; c

Block Diagram


. |3 B* R" u8 h* ^ICL H.264 Video Encoder IP Core
Features
! Y6 P4 M& L' _0 z9 j; g$ y, u
( k* F  x" a1 ~: `3 z+ K

●Compatible with the ITU-T H.264 baseline profile
; H+ m  @2 q) S●Fully 4’4 (9 modes) and 16’16 (4 modes) Intra predictions
●Hierarchy Inter mode prediction
8 f4 y7 `" y' u. m
+ E: [# r7 U# D8 v3 W& R# s) y* b

1.
+ L& s$ p! b, X/ f& J/ \. i1 S( c16 x16、16x8 、 8x16、 8x8 block modes
; Q0 q4 P/ b$ }& v5 H2.
( v, C* z2 S' M' |; G8x 8、8x4 、 4x8、 4x4 sub-block modes

●
5 j6 s1 w, w8 W  _3 H# O2 X( P- fI-VOP / P-VOP prediction type
●Free format resolution from QCIF to D1 or above (176’144 to above 720x480)
●Frame Rate up to 30 fps (352’288 to 720’480, depends on working clock rate)
●Support CCIR-656 YCbCr 4:2:0 and 4:2:2 raster video input/output
# w# W; d, e( A+ @5 h5 ~' ^4 F9 ~4 M●Motion Estimation search range：-16 ~ +15 pixels down to quarter pixel
! B! E$ t- P9 z0 ^0 \1 J2 G3 [, M7 _●CAVLC support
' d, d9 m! W& Y9 Q. D8 r& Y●In-loop deblocking filter (easy to be online configured on and off)
. E% F5 t, f$ s% S. ^# i●AMBA 2.0 bus interface
●Optional constant bit rate output (control by host processor)
●Driver for encoder configuration and application sample codes
●FPGA verified and Silicon proven support
8 d5 p5 i# o, B6 E7 K) ?* i●AHB bus at 133 MHZ for TSMC 0.18um Technology
7 i& H% P3 g$ R0 t. `7 u
; ?  ~" j7 ^* V- w7 l" r1 {) B

Block Diagram
6 X& B0 D4 R* Q) S- @( a8 P, u

Deliverable Items

0 B* u" ?) ~7 q% @1 Z5 \# h2 x

●RTL source code (Verilog)
●Testbench (self checking)
●Simulation script
- J7 s$ Q5 s' S2 l7 L1 m●Synthesis script
●Documentation for training course

" q7 D; P% U$ @* `- z

Competitiveness

●High compression efficiency compared with the standard reference software (JM)
●Low power consumption
●Low gate count for small die size
●Easy to integrate with SOC platform with standard interfaces (AMBA, SDRAM or SRAM)

Applications

●Surveillance video capturing
●IP video phone/conferencing
  s$ f, s( [) j7 ]" n; H/ m●Digital Camera / Digital Camcorder
, z5 Q; G0 g6 V, N●IP / Web Camera
' H; F8 m" E5 d9 P8 F3 j& w●Personal Video Recorder
●Streaming Processors

5 p! Z" f4 L1 R' x8 {: c聯絡窗口：
洪淑萍
; ?' K" I, z& q& N: E& d) y+ ^通訊視訊技術規劃與推廣部
7 R' n8 E5 h- ~: f0 O3 ETel: 03-5914800
Fax: 03-5820240
. L7 C( @' w& F; |4 C; U) UEmail: lisahung@itri.org.tw
1 R: w0 }: l& J) Q( X6 ?工研院資通所