【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
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。

4 G  k) d7 g3 e2 K; k5 B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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8 c8 n  k3 K; E% z, J* }
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圖一 全球MPEG-4/H.264 IC出貨與營收預測
  ?- V/ n5 p& U$ W8 V: e" D! ~6 W

; b% o; H; p3 w4 u3 P資料來源：In-Stat；拓樸產業整理 (2007/04)
1 P* a9 m! o  ^9 i以下就各應用領域分別詳述H.264在其中之應用：

IPTV
' O' o3 \4 T1 T" \  {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

- p& u0 g) z! g+ o7 m+ j+ i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。

圖三 Set-top Box全球出貨預測
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資料來源：IBTS整理 (2006)
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IP視訊監控
" h$ I( D$ J8 l9 ?  U
( i& e* E( f( L+ d* X  Y9 Y2 j: v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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圖四 2006~2010年全球視訊監控市場預測
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( k7 ^) ]5 n5 E, r6 O資料來源：IMS Research；拓墣產業研究所整理 (2007/07)
3 _1 L+ C  u0 a
* {- i! p0 e5 x* w& |數位相框 (Digital Frame)
: v  [4 B* M- o& W' S0 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。
: V9 S& u5 u0 l0 T+ y- I5 E

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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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) t2 N  M% k" |, }3 w; [& e資料來源：DG Inspire；拓墣產業研究所整理 (2007/03)

工研院發表H.264 完整解決方案，軟硬體一把抓
. W4 t5 U- l  b
6 v9 L% K, x) T% t( T( b# p8 X! o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：

H.264 Video Decoder IP Core
& n0 H; n. `% D" \Features
. d, s, T: t' ?
- {8 r0 }6 D$ A; A, M2 E: D

●Decoder Elementary Stream compatible with the ISO / IEC 14496-10 specification
●Supports main Profile Levels L1 to L3 and thus baseline H.264
, u7 c# L( M8 s# L; ^●Intra Prediction
, G' ?1 n" L/ `6 x●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)
●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)
& e- S* s, Z) V●FPGA verification

Block Diagram
0 m1 x: [* J+ C& B5 H: G, J& Q
4 C; n3 q; \4 G2 X2 X
ICL H.264 Video Encoder IP Core
Features
- Y9 g" n# V3 g) ^1 _9 `# K1 W

●Compatible with the ITU-T H.264 baseline profile
●Fully 4’4 (9 modes) and 16’16 (4 modes) Intra predictions
6 u2 s% G$ j3 s2 q- e& {- l7 X●Hierarchy Inter mode prediction
9 L2 h/ Q: z- [$ }' e( e

1.
: }# Q0 y; E- [, L. x16 x16、16x8 、 8x16、 8x8 block modes
! I9 Q3 G: [0 A: T& O2.
8x 8、8x4 、 4x8、 4x4 sub-block modes

●
I-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
●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)
9 T+ N* R  E+ B+ k  j●AMBA 2.0 bus interface
  G7 E3 c$ J( w  [% k/ H& F●Optional constant bit rate output (control by host processor)
●Driver for encoder configuration and application sample codes
●FPGA verified and Silicon proven support
●AHB bus at 133 MHZ for TSMC 0.18um Technology

; h" \) l1 u# K$ J

Block Diagram

Deliverable Items

2 v3 V% P. U0 I0 d+ t# v- W- d( k

●RTL source code (Verilog)
●Testbench (self checking)
7 {% `  d% L2 O0 O●Simulation script
1 u$ K3 s! J; x$ ]6 ?# J. B●Synthesis script
●Documentation for training course

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Competitiveness
6 m1 \4 Z+ B' V5 A7 ~$ G9 o
& e0 L3 j. c. {. E

●High compression efficiency compared with the standard reference software (JM)
1 u: \& S# @0 u1 U. e●Low power consumption
+ G7 S, P( w9 w" c; Q) G●Low gate count for small die size
●Easy to integrate with SOC platform with standard interfaces (AMBA, SDRAM or SRAM)
9 J& F. x3 s4 J/ Q# \% `. a
' f# G, Y9 G1 N. c4 |4 g

Applications
5 a1 ^* m" }$ Q; Q. I
2 w  T6 E& u$ |

●Surveillance video capturing
- j; p( ~7 @; t% S$ P1 P% b●IP video phone/conferencing
●Digital Camera / Digital Camcorder
: \6 b! n4 I( N, E% t; E- }" o●IP / Web Camera
●Personal Video Recorder
4 C9 W: ?% H$ u7 S4 N# h●Streaming Processors
4 i. I3 `$ o/ s* \7 y

# a  |" u+ [, E聯絡窗口：
洪淑萍
! v9 Z1 s" p2 Z7 t# [通訊視訊技術規劃與推廣部
- t0 F4 T2 C8 p: X; p. E! g2 v8 U4 CTel: 03-5914800
Fax: 03-5820240
" ?; R) w' e9 Y: v0 T& o/ e! ?7 mEmail: lisahung@itri.org.tw
" B( a* I$ G- M" [工研院資通所