【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
2 n' o! z/ [9 i; d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。

- K* ?1 `: e0 E3 a) V' d' Y7 |4 r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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6 c+ ^; j/ k# x5 ?% P/ Z  Q* V/ |

圖一 全球MPEG-4/H.264 IC出貨與營收預測
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! G' f* P8 z" ~/ b$ U

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：
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. Y" D4 C# q: X/ K5 p9 r  XIPTV
5 Y  y4 I8 S5 I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

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: J& B. V& i2 X/ j( n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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資料來源：IBTS整理 (2006)

* [* M0 n3 [- f4 h9 `6 \IP視訊監控

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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6 F5 F1 v5 X9 j0 c7 H( ?3 Y

資料來源：IMS Research；拓墣產業研究所整理 (2007/07)
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& Q6 ?7 T1 P. C數位相框 (Digital Frame)
$ A8 w! A6 E+ y* h2 Y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。

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)
3 H' {) n( y. Q' g6 X0 W5 Y
工研院發表H.264 完整解決方案，軟硬體一把抓
5 y/ Z; Z: k; ]- I- G
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：
' A3 Y5 t0 x2 q: {+ p6 @2 o2 _
H.264 Video Decoder IP Core
Features

7 l" g( L$ _* _* g3 {

●Decoder Elementary Stream compatible with the ISO / IEC 14496-10 specification
●Supports main Profile Levels L1 to L3 and thus baseline H.264
; e5 M3 Y3 W% z/ B0 @●Intra Prediction
●16x16, 16x8, 8x16, 8x8, 4x8, 8x4, 4x4-MV(Motion Vector), Unrestricted MV
: G3 J# K$ V4 t8 T4 v: A) k●I-Slice / P-Slice prediction type
  j- S! d$ g5 X! M1 T% @& Y( O/ j5 F●Scalable resolution up to XGA(Multiple of 16 in height and width)
; b& i; }+ k2 E0 q/ E●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

Block Diagram
. f) l! V; F% ^. u, p& p

ICL H.264 Video Encoder IP Core
Features

●Compatible with the ITU-T H.264 baseline profile
●Fully 4’4 (9 modes) and 16’16 (4 modes) Intra predictions
- S6 Z5 R% Y7 J0 A) D/ _●Hierarchy Inter mode prediction

1.
9 h$ B+ N1 C. m( `- N' B0 O# U9 p  O" U16 x16、16x8 、 8x16、 8x8 block modes
" a0 `& m4 J. v+ Z. C+ D2.
8x 8、8x4 、 4x8、 4x4 sub-block modes
" c4 m6 |* v. n/ b

●
- N: Y+ b. a& l8 l: [7 _# QI-VOP / P-VOP prediction type
9 B' J. x" \& l% Q●Free format resolution from QCIF to D1 or above (176’144 to above 720x480)
! |4 o0 J7 _' k: [: E●Frame Rate up to 30 fps (352’288 to 720’480, depends on working clock rate)
/ l' O' G) u% o+ W●Support CCIR-656 YCbCr 4:2:0 and 4:2:2 raster video input/output
6 z) y6 s* S" i5 r; P●Motion Estimation search range：-16 ~ +15 pixels down to quarter pixel
+ Z# O" L3 O  Y+ ^! w2 |) i1 {●CAVLC support
" T$ Z+ ^( ]' h( d/ a●In-loop deblocking filter (easy to be online configured on and off)
●AMBA 2.0 bus interface
●Optional constant bit rate output (control by host processor)
0 e7 [1 _% t+ W. i●Driver for encoder configuration and application sample codes
: k5 j# @2 Q' e$ F- O0 b/ Z●FPGA verified and Silicon proven support
2 F* r8 ]9 T! T●AHB bus at 133 MHZ for TSMC 0.18um Technology
$ P( u) y) h8 r% j
, F3 J+ X* D+ K& D7 w5 x

Block Diagram
+ }! Y; \/ p' t7 ]+ D& G, h

Deliverable Items
$ d, {3 t3 o- H. \; g
7 ~* L) N' @2 j3 p, V4 J3 m

●RTL source code (Verilog)
) d4 C9 |1 Z$ A7 l4 w, W% K●Testbench (self checking)
●Simulation script
6 v6 t6 m. N4 z/ p$ \0 ?- X●Synthesis script
% r2 `2 U+ s! f* y) X+ i" g$ F  A# i●Documentation for training course

7 n/ w" G+ a0 a9 j7 P

Competitiveness

6 N% k% f# ~! O8 P5 ]8 Q

●High compression efficiency compared with the standard reference software (JM)
3 F: ]9 _! f4 L5 L& V: l* Q! {; {, N●Low power consumption
' G- ?9 A6 w- \# C, p! T●Low gate count for small die size
5 r) w0 H7 T4 j6 K  U5 H8 S( \●Easy to integrate with SOC platform with standard interfaces (AMBA, SDRAM or SRAM)

) N+ z. G) d- V, l" ?

Applications
: h% I* ^# E, J2 {2 ]( D

●Surveillance video capturing
●IP video phone/conferencing
●Digital Camera / Digital Camcorder
) i9 @' |" B! b- V+ R: T/ j●IP / Web Camera
4 M1 e9 x% [- P●Personal Video Recorder
●Streaming Processors
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聯絡窗口：
洪淑萍
1 l/ u! s$ S) _% t( ]' A$ W通訊視訊技術規劃與推廣部
Tel: 03-5914800
$ J, P, o3 F" @! t% o2 a( o! QFax: 03-5820240
Email: lisahung@itri.org.tw
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