【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
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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。

  ^" D* `% ]( j& T( U! `* A) l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

/ W- u8 Z0 C2 f! A資料來源：In-Stat；拓樸產業整理 (2007/04)
% p2 }* l: v- A7 h" [以下就各應用領域分別詳述H.264在其中之應用：
& C3 ]; G4 m9 r( }, [* ~  j$ _
0 F% q' Q7 j1 K( }- Z4 u  _$ y7 FIPTV
; ]8 x" c' d3 j* V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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! y3 \7 ]/ E: G! [資料來源：http://www.exfo.com
' D+ _, `5 v$ h9 PSet-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)

: s8 ?, X- G, c$ t$ @( B9 JIP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)

) L* m2 H' j9 {! _: z, u& K& F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

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9 s5 j; w2 |1 X資料來源：DG Inspire；拓墣產業研究所整理 (2007/03)

1 c- y' I3 U, F/ r( @& E% R3 D! G工研院發表H.264 完整解決方案，軟硬體一把抓
( g/ h: W* {6 y4 G3 h
/ r, c4 ~; ]& ~3 R) f4 |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：
6 k7 a1 M5 C( C. D' J7 F! }) l! [
H.264 Video Decoder IP Core
Features

●Decoder Elementary Stream compatible with the ISO / IEC 14496-10 specification
1 X1 w3 \& i/ g2 }$ Z●Supports main Profile Levels L1 to L3 and thus baseline H.264
1 T" z. F9 G8 z8 C8 [4 Z●Intra Prediction
) h( B( l2 V! F/ K2 X●16x16, 16x8, 8x16, 8x8, 4x8, 8x4, 4x4-MV(Motion Vector), Unrestricted MV
, k1 T6 _" D9 d0 Q/ n1 T* 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
; V. O' f8 n  |% c2 Z/ }2 Z●Variable Length Decoding (CAVLC/CABAC)
0 K! y, ?# \' s" ]! @●FPGA verification
. [% [9 J* }) p( ]

Block Diagram


9 s/ C; f5 \( U/ t1 WICL H.264 Video Encoder IP Core
Features
0 I9 D: w) `: s. ]+ {% J/ `

●Compatible with the ITU-T H.264 baseline profile
●Fully 4’4 (9 modes) and 16’16 (4 modes) Intra predictions
●Hierarchy Inter mode prediction

/ Y+ ^% G8 R7 s7 |& H  ~" r; w' U; q

1.
7 q9 E7 Q" p; s/ S9 ~: t6 l16 x16、16x8 、 8x16、 8x8 block modes
2.
8 y1 j  z1 [1 g% @: V) ], `8x 8、8x4 、 4x8、 4x4 sub-block modes
! j0 e: @; L/ U" l2 O7 R6 `

●
( d& W# X$ ~1 q9 ^0 S0 gI-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)
6 M& v6 X, j$ F) P6 o●Support CCIR-656 YCbCr 4:2:0 and 4:2:2 raster video input/output
' B; p2 S, |% ?! z4 W. U+ }●Motion Estimation search range：-16 ~ +15 pixels down to quarter pixel
6 Z& a* B9 J# v7 X! e8 E4 z  a3 g●CAVLC support
●In-loop deblocking filter (easy to be online configured on and off)
% m2 Y* n( q$ l+ t0 G# q, V●AMBA 2.0 bus interface
- |' z2 y8 {8 F7 S" X8 a9 R●Optional constant bit rate output (control by host processor)
  R4 }5 x  b& @8 n+ e●Driver for encoder configuration and application sample codes
●FPGA verified and Silicon proven support
●AHB bus at 133 MHZ for TSMC 0.18um Technology

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Block Diagram

Deliverable Items

●RTL source code (Verilog)
( {7 m7 ?6 A' ]$ e( J. ^4 y●Testbench (self checking)
●Simulation script
●Synthesis script
$ b3 f0 f4 _7 l- u●Documentation for training course

& D3 o5 A* b; U+ Y* A

Competitiveness

" X  `. R( W3 B& W

●High compression efficiency compared with the standard reference software (JM)
●Low power consumption
9 z( X, |4 B. y: X7 X7 c1 z●Low gate count for small die size
# y$ }8 l, S: t* G# ^●Easy to integrate with SOC platform with standard interfaces (AMBA, SDRAM or SRAM)
+ P% R# r+ k$ a: w- t' }

Applications
& _& z# r2 n# N4 M+ ?
# b. j9 {; T, ?8 _/ l+ e2 B# N

●Surveillance video capturing
: b, Q- d! e3 a. S  i2 k8 n# u●IP video phone/conferencing
●Digital Camera / Digital Camcorder
●IP / Web Camera
●Personal Video Recorder
' f, ]. n- l* S! G+ }! }5 a4 ]●Streaming Processors

8 z8 {7 b) L# D7 A1 g( G; X聯絡窗口：
  D9 L/ {4 o- T3 E7 }洪淑萍
" H) k/ {" ]2 q# a! R9 ?8 D通訊視訊技術規劃與推廣部
9 d/ g+ |- i! E& ?$ b0 UTel: 03-5914800
Fax: 03-5820240
' D# I3 |, m  o4 S2 V0 lEmail: lisahung@itri.org.tw
) P9 s& v' E# F, y" \0 f- _工研院資通所