【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/ O' x8 ^$ N+ l7 I+ I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。

2 [+ f# }! Y* P+ l0 c# {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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' @; t$ T8 k' x2 }# X; o資料來源：In-Stat；拓樸產業整理 (2007/04)
& X, A, @0 p3 b) k, E' J5 \( U以下就各應用領域分別詳述H.264在其中之應用：

9 D: |% s4 h; T- `" t& \3 _IPTV
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。

3 f. N8 d% I) l' V
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圖二 IPTV應用架構圖

1 P! P. B5 o$ k, e7 b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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4 I+ M" B" U8 ?) B1 B資料來源：IBTS整理 (2006)
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1 N; w6 w; |7 m% r  mIP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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資料來源：IMS Research；拓墣產業研究所整理 (2007/07)
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4 U0 o& v% g* D8 b  N5 ^! x+ V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。
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圖五 2006~2010年數位相框銷售量與成長率預測

$ c. j/ m- s% {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

2 w9 J( F7 `: R, [  D/ B8 u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：
+ \5 \5 b2 |9 J
) c' d* g0 ~/ JH.264 Video Decoder IP Core
Features
' Y% O) }: F& b1 n6 I

●Decoder Elementary Stream compatible with the ISO / IEC 14496-10 specification
! B0 u0 {% B; s$ z" k7 ~●Supports main Profile Levels L1 to L3 and thus baseline H.264
●Intra Prediction
●16x16, 16x8, 8x16, 8x8, 4x8, 8x4, 4x4-MV(Motion Vector), Unrestricted MV
1 p! E% t, U/ M8 G●I-Slice / P-Slice prediction type
●Scalable resolution up to XGA(Multiple of 16 in height and width)
! a+ J8 i" t7 V* i●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)
; x. ?2 \+ n- u2 K: @●FPGA verification
, a7 A" M& L# P3 h, ^; ~' p- ]0 ^. m

Block Diagram
3 P$ }. L- N2 }( C1 `: X

: V3 B  y* y" K. t( t; b. gICL H.264 Video Encoder IP Core
Features

●Compatible with the ITU-T H.264 baseline profile
% b0 r6 X7 K4 x# P●Fully 4’4 (9 modes) and 16’16 (4 modes) Intra predictions
9 b0 e# E7 E8 _/ W& O●Hierarchy Inter mode prediction
. S9 n( x+ T' q$ \  T2 g1 n+ u
; N- A( @9 L3 m

1.
; E4 G$ a8 _: S% h" u) Q; L16 x16、16x8 、 8x16、 8x8 block modes
2.
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
: U; i7 R8 I" H●In-loop deblocking filter (easy to be online configured on and off)
●AMBA 2.0 bus interface
) d/ {0 H3 @( R! b3 f●Optional constant bit rate output (control by host processor)
: A" k# c. T3 z( f●Driver for encoder configuration and application sample codes
# \* Y" `2 P2 G' |. R●FPGA verified and Silicon proven support
5 [  {. ^) V6 e# E1 U2 Y" `- o) J●AHB bus at 133 MHZ for TSMC 0.18um Technology

Block Diagram

Deliverable Items
8 m  \, A( Q7 o

●RTL source code (Verilog)
9 J4 e9 M2 B( {" n●Testbench (self checking)
●Simulation script
2 a" q7 H" J. K1 P# `●Synthesis script
1 i3 }! R: O6 g% \+ B●Documentation for training course

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Competitiveness

●High compression efficiency compared with the standard reference software (JM)
; Y: }6 F& {; o1 v/ N3 n●Low power consumption
●Low gate count for small die size
. \2 K0 G6 t5 d2 _' Z●Easy to integrate with SOC platform with standard interfaces (AMBA, SDRAM or SRAM)

$ o$ ^; C# S( d+ a1 i3 @* E

Applications

●Surveillance video capturing
●IP video phone/conferencing
) |8 Z$ i& S* b! v●Digital Camera / Digital Camcorder
●IP / Web Camera
●Personal Video Recorder
" m# N0 I2 H6 f' \+ @- S' v0 t7 i●Streaming Processors
& ^; K- M% \9 V. |, c, b5 V

聯絡窗口：
洪淑萍
' N$ `3 y* s# @3 d+ j通訊視訊技術規劃與推廣部
4 B; ?6 L( Z6 P" r) ?Tel: 03-5914800
, D6 G$ I- `$ d* n- [5 J) |5 AFax: 03-5820240
- v0 y7 y# l7 M/ m7 mEmail: lisahung@itri.org.tw
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