【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。

8 r2 B! S. G' u* c1 B+ m3 z  ], j0 P, w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。

/ B! u6 c% D! H; m

圖一 全球MPEG-4/H.264 IC出貨與營收預測
9 \. t" A$ [* C) d8 c# N% v
  M: Q/ ?6 o' V8 K3 Y

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：
4 `$ Z+ t4 q/ u, ~
* r2 ~- v0 t( L2 V* v( W0 m. BIPTV
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。
6 D8 R) t0 C7 ]  E1 N

圖二 IPTV應用架構圖

  v8 p1 U; V+ I! v/ U. }4 n資料來源：http://www.exfo.com
' A0 x8 V7 X5 p0 WSet-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。
$ S* {# p8 T% I

: ]  a- c  c- a+ p) v8 }

圖三 Set-top Box全球出貨預測

資料來源：IBTS整理 (2006)
2 |" i7 D$ Y& ?
IP視訊監控
* E8 c( v0 [- u) n" t1 f$ ?
9 q' s" f, Z( s9 F* A+ s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。
8 F1 D$ h1 [) k7 s# Q0 d

圖四 2006~2010年全球視訊監控市場預測

: S' U- V( Q; G1 t4 V& V+ z/ i

資料來源：IMS Research；拓墣產業研究所整理 (2007/07)
3 O- i8 f3 ^6 j9 P+ D' E
8 `" @; I6 w5 y數位相框 (Digital Frame)
- L2 h& Y' L8 G) ?3 P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
  O. D1 V6 K2 b

* R9 k) s/ z  K資料來源：DG Inspire；拓墣產業研究所整理 (2007/03)
1 K* Y. ~; u7 P6 g( j
工研院發表H.264 完整解決方案，軟硬體一把抓
9 |( s+ O& q5 C5 |& j! d/ N
  F# k7 C  p* z. y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：

  E# h0 ^: ?% @H.264 Video Decoder IP Core
' `$ f7 ?4 D7 `Features

( H( B  ^4 V+ Y7 X

●Decoder Elementary Stream compatible with the ISO / IEC 14496-10 specification
●Supports main Profile Levels L1 to L3 and thus baseline H.264
; l+ [9 X& @1 a7 x●Intra Prediction
●16x16, 16x8, 8x16, 8x8, 4x8, 8x4, 4x4-MV(Motion Vector), Unrestricted MV
●I-Slice / P-Slice prediction type
+ j+ |, D( O1 i) `7 y; o. Y9 K●Scalable resolution up to XGA(Multiple of 16 in height and width)
- l+ g& K& s) g0 t* A4 S●Frame Rate up to 352(288 @ 30 fps, 640(480 @ 30 fps, depends on working clock rate
2 K, ]1 [- O. Q; K$ u●Support CCIR-656 YCbCr 4:2:0 and 4:2:2 raster video input/output
●Variable Length Decoding (CAVLC/CABAC)
●FPGA verification
# |  W1 P& Q: }. x

Block Diagram


ICL H.264 Video Encoder IP Core
Features

* M# R% d3 T* M5 }/ g  C  k

●Compatible with the ITU-T H.264 baseline profile
$ v8 G( m2 C% C3 |) E/ \  f: J( H% b●Fully 4’4 (9 modes) and 16’16 (4 modes) Intra predictions
●Hierarchy Inter mode prediction
+ p! A  A$ I8 m2 t; `
* F3 B8 u* s# {

1.
) j. U0 y! M3 E. G* Y7 Z4 e16 x16、16x8 、 8x16、 8x8 block modes
  X2 d6 m5 Z/ l6 R! u" S7 A- p  o5 n2.
7 {" |2 B+ w+ ~2 E# ~; k8x 8、8x4 、 4x8、 4x4 sub-block modes

●
I-VOP / P-VOP prediction type
( I) y4 q0 ~9 b* ^# G" v2 `●Free format resolution from QCIF to D1 or above (176’144 to above 720x480)
: H! b: _1 ]. }, y$ o●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
" c: T% i0 n; X' }3 i) W●Motion Estimation search range：-16 ~ +15 pixels down to quarter pixel
. [5 J  ], ^' g6 x- N5 a●CAVLC support
% [  A6 l) x" m- k+ r4 l●In-loop deblocking filter (easy to be online configured on and off)
5 L" B. G2 z6 S  _3 j, u( |●AMBA 2.0 bus interface
+ m1 `% M  a5 q, q0 L+ v& U3 V●Optional constant bit rate output (control by host processor)
" O% o) h; q1 b; O3 F; C' L●Driver for encoder configuration and application sample codes
) b2 |0 r% p3 e●FPGA verified and Silicon proven support
●AHB bus at 133 MHZ for TSMC 0.18um Technology

+ K/ k0 P% a' {2 _8 \

Block Diagram
2 y8 `. b+ v2 T4 d! D

Deliverable Items
  B) J8 x! K- k) K7 H/ V- @
- ?: ^: n5 v4 W! A! T/ o8 s( V7 p; ]

●RTL source code (Verilog)
●Testbench (self checking)
●Simulation script
  l& e2 W3 U/ [●Synthesis script
●Documentation for training course

; x0 u1 }. H3 g, e6 q; {- \) M

Competitiveness

- F; m1 h7 O# |8 J. M

●High compression efficiency compared with the standard reference software (JM)
●Low power consumption
) ~: [: O& D# [/ R- I●Low gate count for small die size
●Easy to integrate with SOC platform with standard interfaces (AMBA, SDRAM or SRAM)

Applications

●Surveillance video capturing
; a+ y- z' D0 ]! C●IP video phone/conferencing
5 y4 c. Q7 \  [; s" \7 }4 n●Digital Camera / Digital Camcorder
2 ^& @( `, B, }! ]- t6 A! i●IP / Web Camera
) X0 I) X9 \5 t●Personal Video Recorder
. M" m3 p, S) M1 F" k$ h●Streaming Processors

聯絡窗口：
洪淑萍
通訊視訊技術規劃與推廣部
4 y' q" y) H  j- P: Y) hTel: 03-5914800
Fax: 03-5820240
Email: lisahung@itri.org.tw
工研院資通所