【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
" g7 O0 m7 Q$ |% l4 }- k, Q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。
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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

資料來源：In-Stat；拓樸產業整理 (2007/04)
! k3 ^* o. s8 ?! f4 `4 A4 k# @以下就各應用領域分別詳述H.264在其中之應用：
/ J  g3 d, D  o  n: [- Q- W$ D
$ G/ D4 o% N& F" l  F& hIPTV
4 ?$ i; K! s2 m3 _/ H7 ~( u3 A/ N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

: Z; Z7 n9 f: x8 @( t5 y) t

, ~* l5 t  i! m" T( ?資料來源：http://www.exfo.com
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
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: P  m; e! g" L- W6 t( Y  t. i! Y資料來源：IBTS整理 (2006)

0 n/ C" z1 D0 ^3 E0 Q9 F2 SIP視訊監控
; g7 _, Q) X5 @- T
5 [: A& r& X+ r- U( ^! Y8 k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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: Y# k1 [( {6 {& J, w

圖四 2006~2010年全球視訊監控市場預測
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資料來源：IMS Research；拓墣產業研究所整理 (2007/07)
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1 a6 @0 o; u; u, S  m% q9 Q數位相框 (Digital Frame)
, l9 R5 Q* j  l: d# G- T/ b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。
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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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* r( Q1 j1 x% G& n4 \3 f資料來源：DG Inspire；拓墣產業研究所整理 (2007/03)
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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：
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H.264 Video Decoder IP Core
Features

●Decoder Elementary Stream compatible with the ISO / IEC 14496-10 specification
* v! [* y: o8 s4 z' ?& o. b( Q% @) g●Supports main Profile Levels L1 to L3 and thus baseline H.264
●Intra Prediction
' q4 |. l' E8 a) \/ _! e●16x16, 16x8, 8x16, 8x8, 4x8, 8x4, 4x4-MV(Motion Vector), Unrestricted MV
. O+ U: F$ r/ w! I●I-Slice / P-Slice prediction type
●Scalable resolution up to XGA(Multiple of 16 in height and width)
●Frame Rate up to 352(288 @ 30 fps, 640(480 @ 30 fps, depends on working clock rate
●Support CCIR-656 YCbCr 4:2:0 and 4:2:2 raster video input/output
●Variable Length Decoding (CAVLC/CABAC)
●FPGA verification
1 P0 G9 z8 s3 ]. m! b2 o* J

Block Diagram

! n) @% \6 {3 j! G' {. k5 T
- F$ u- L) J$ oICL H.264 Video Encoder IP Core
/ {$ c/ S5 R& u& @/ l- U$ PFeatures

●Compatible with the ITU-T H.264 baseline profile
  I3 U9 b1 t- u/ Q) m0 {. V●Fully 4’4 (9 modes) and 16’16 (4 modes) Intra predictions
% P: a2 B4 _, {; K* o4 @* X) G' D●Hierarchy Inter mode prediction

2 k# E- I1 n3 b, O1 c

1.
6 S! Z% p: ~1 s0 ]. n& v) A; }16 x16、16x8 、 8x16、 8x8 block modes
2.
8x 8、8x4 、 4x8、 4x4 sub-block modes

●
, p5 i  I9 L. UI-VOP / P-VOP prediction type
. U5 g" u0 ?% q- d9 H, T" V●Free format resolution from QCIF to D1 or above (176’144 to above 720x480)
/ m8 v$ o- ~" V4 F' s6 a●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
/ y3 p2 v. A  B, ^. q2 y●Motion Estimation search range：-16 ~ +15 pixels down to quarter pixel
●CAVLC support
●In-loop deblocking filter (easy to be online configured on and off)
●AMBA 2.0 bus interface
( a* [0 J& S. x, X●Optional constant bit rate output (control by host processor)
+ R9 }& s' S2 c, l  `) K+ V●Driver for encoder configuration and application sample codes
" y2 ~, L: I8 f4 b) Q! V$ k5 o4 y●FPGA verified and Silicon proven support
% ?. F0 c$ _! K. X5 I# m●AHB bus at 133 MHZ for TSMC 0.18um Technology
! n" ?, a% g7 Q( n! ]- F
0 W, f$ w) k4 ~. V& E8 k5 B0 U

Block Diagram

Deliverable Items
; y1 ]) L- J1 y( ]* o4 W1 G
9 G( b4 E- a$ F( u( i

●RTL source code (Verilog)
$ p+ I. X* R: S: e/ ]●Testbench (self checking)
4 `9 i6 _, h3 B+ q4 X●Simulation script
●Synthesis script
●Documentation for training course

Competitiveness
2 X" L) L: _) m6 g$ ~# o" V8 D3 |- b
, _0 J" F6 J* f, h% R! l( g5 P

●High compression efficiency compared with the standard reference software (JM)
9 _) b4 d* v4 `$ n$ `; q●Low power consumption
- g0 V0 e* R% e2 q●Low gate count for small die size
●Easy to integrate with SOC platform with standard interfaces (AMBA, SDRAM or SRAM)
7 S. V% C# }! `/ ]! d& w4 H: j
# Z5 Q. ?& k6 A0 f! ~

Applications
$ x. f# |8 w3 G9 L6 k/ k) a
8 [+ B4 E9 `; d2 }" f7 V5 J  }

●Surveillance video capturing
●IP video phone/conferencing
●Digital Camera / Digital Camcorder
3 @# H$ g2 q/ K# }, z0 k% r●IP / Web Camera
●Personal Video Recorder
●Streaming Processors
7 {1 ^0 r* g' ~$ c

/ C/ o$ \3 N9 @! T聯絡窗口：
% z* a+ H' Q7 }, h4 D洪淑萍
  s  \+ @+ Q# H$ r- p通訊視訊技術規劃與推廣部
( B% s7 w& f# C1 J! F& wTel: 03-5914800
' Z/ F/ o- I5 l% kFax: 03-5820240
: |% l: J8 o# o9 ?Email: lisahung@itri.org.tw
7 I% G9 Z* O  N' N4 k; C工研院資通所