主规范H.264编解码器：针对消费电子应用的一种低功耗实现方案

上网时间: 2007年01月16日
作者：Yasuhiro Yamada，Hitoshi Watanabe，Ming Ning Gu / Qpixel公司

随着全球音视频(AV)领域持续从模拟向着数字转换，支持数字音频和视频处理，包括电视机、DVD播放机、数字静止图像摄像机(DSC)、 数字视频刻录机(DVC)的新型消费电子设备的数量也持续快速攀升。近来，每一个便携式个人电子设备似乎都配备了音视频功能，包括移动电话、便携式媒体播 放器和PDA。此外，个人电脑、各种联网和宽带技术也通过促进创新、传输和共享内容，在引爆这个转换的过程中正发挥它们的作用。

业内要求制定国际压缩标准的因素很多，以数字格式创新和共享内容就是其中的关键之一。MPEG(移动图像专家组)和JPEG(联合图像专 家组)委员会创造了各种原始的标准，使得从模拟AV到数字AV格式的转换成为可能，容许通过网络或便携式存储媒体(即DVD磁盘、SD卡等等)共享和传输 多媒体内容。然而，在消费电子领域从内容消费向着内容创新迈进的过程中，随着主要范例的转换，对更高品质内容创新、更大量内容存储和更方便的内容传输/共 享出现了越来越高的要求。

在典型的AV产品中，视频内容占用了大多数的处理能力、存储空间和通信信道带宽。MPEG-2视频压缩技术有助于在从模拟向数字视频处理转换的过程。因此，它成为了消费电子领域采用最广泛的压缩标准。H.264因具有较低的传输比特率且对存储的要求较低，目前有望取代MPEG-2。这些改进在对成本敏感的消费产品、特别是便携式消费设备中是至关重要的。

H.264 (也称为MPEG-4/AVC)标准是在2005年底由ITU-T和MPEG组织共同制定完成的。该标准从小尺寸(移动AV)到高分辨率(HD) 视频等等宽的应用范围内极大地改进了MPEG-2压缩率。H.264技术的许多应用已经被推出，包括蓝光碟、HD-DVD、AVCHD刻录机(HD- CAM)、iTune视频、1-Seg数字电视(日本的移动数字电视)以及欧洲手持数字电视DVB-H，及其它产品。H.264获得广泛应用的关键因素有 两条：

1. 相对于MPEG-2，H.264的压缩比提高了2到3倍，因此，极大地节省时间了视频存储容量和网络带宽。

2. H.264有效地实现了基于互联网的应用，因为其方案据认为能够与网络协议协调一致。网络正在家庭、办公场所和其它任何地方快速扩张。有线和无线网络的服 务带宽及质量与日俱增，在这些网络上的视频流在有线电视、卫星、IPTV及其它应用中已经普及。把H.264视频压缩技术和这种无处不在的宽带网络连接性 结合起来，正在点燃一个移动数字生活方式的新时代。



表1：消费AV产品市场(日本)

注：上图(单位销售量)由日本电子和信息技术行业协会(JEITA)及照相机和成像产品协会(CIPA)提供；2006年的数字根据从 2006年1月到10月的销售统计数字预测；对2007年的预测根据2006年的月度数字预测；在日本，大多移动电话包括数码相机；一定比例的3G移动电 话包含视频电话及其服务；一定比例的移动电话配备了1-seg DTV接收机。

上表突出了下列要点：

·便携式消费设备领域(移动电话和数码相机)市场巨大且快速成长

·个人便携式设备的演进显著地改变着我们的生活方式，特别是我们彼此之间交流沟通的方式

除了在表1所示的便携式市场变化之外，家庭中的视频产品也正快速地向着高清晰(HD)品质的产品转换。类似地，视频便携式设备正转向标准清 晰度(SD)或从QVGA或更少的分辨率向VGA转换。很显然，在全球的消费AV领域和市场存在一个趋势：许多产品正成为个人移动设备而不是桌面和以家庭 为中心的设备。

H.264的先进算法为AV联网提供了更高的压缩、更低的通信信道带宽、更小的存储要求和灵活的方案；然而，那些算法也需要更多的处理能 力以实现对视频内容的编码和解码。显然，对任何移动设备的首要要求就是功耗更低，以延长电池的使用时间。在下列部分，我们将概要介绍如何利用Qpixel 公司的H.264压缩IC来满足便携式消费设备的视频品质和低功耗要求。

H.264和MPEG-2的概要技术对比

H.264作为ITU-T的长期项目，其开发从1998年就开始了，目标是用H.263和MPEG-4标准一半的比特率来实现相同的视觉品 质感受。与过去的视频标准 (MPEG-1/-2/-4, H.261/262/263)不同，H.264的努力方向是改善压缩效率，而不是限制实现方案的复杂度。这就导致了现有的H.264实现方案需要足够数量 的计算能力，由此得到的H.264编码器提供了经改善的功能，其中的编码器结构和压缩算法与MPEG-2完全不同。



H.264编码器结构



表2：H.264编码器比MPEG-2编码器优越之处

表3列出了H.264标准所提供的不同规范以及简要的描述和各种目标应用。



表3：H.264标准所提供的不同规范以及简要的描述和各种目标应用

头四个规范(Baseline、Main、Extended和High)被扩展为面向消费电子应用，紧接着的三个规范 (High 10、High 4:2:2、High 4:4:4)被扩展为针对非(专业)消费电子应用。在此，也存在与MPEG-2类似的“Level”的定义。Level-3用于SD(标准清晰度: 720x480x30或720x576x25)，Level-4用于HD(高清晰度: 1920x1080x30或x25)。

Qpixel针对AV市场需求的方法和解决方案

考虑到AV市场的需求和H.264的技术特征，我们把努力定位在下列方向：

·适用于便携式应用的最低功耗的编解码器；

·高品质标准清晰度视频处理(同时关注将来的高清晰分辩率)；

·满足特定市场需求的专用H.264编解码器算法和结构。更为特别的是，我们选择主规范的Level-3，它非常好的视频品质是标准清晰度应用最适合的选择。

利用视频压缩技术的基本理论，推荐采取下列处理：

(a)人类的心理视觉系统忽视高频纹理的细节；

(b)通过在许多可能的选项之间找到最佳的运动估值匹配，可以减少最终的比特率；

(c)熵编码可以不损失信息而获得最少的比特数。

项目(a)和(b)需要多次算法迭代才能找到人眼针对给定比特率的最佳感觉，项目(c)需要一种创新的实现方案。

一般地说，编码器需要生成符合标准的比特流，与此同时，在H.264标准中并没有规定视频品质和压缩效率。然而，我们的目标是在低功耗的条件下以低比特率实现高品质视频。这些准则就是我们努力的重点。下面概要介绍了我们的算法努力和方向：

·在不牺牲压缩效率的前提下，把高度顺序处理的H.264句法链分割为更小数量的句法单元，因此，容许利用更为并行化的处理来突破处理能力的瓶颈；

·在不牺牲视频品质的前提下，智能地预选更为有效的压缩算法，因此，减少所需要的整体处理能力；

·以高度可伸缩的方式来实现突发和依赖于内容的CABAC特征，因此，为CABAC更为便于采用硬件来实现奠定了基础；

·从实现成本考虑，以最佳地平衡视频品质为目标来实现B图；

·有效地重用数据以最大化我们的视频算法的性能；

·具有句法之间依赖性的高度顺序的句法结构；

·长期存储器容许各个句法单元。

H.264对视频品质的贡献

我们的技术来源于对每一种编码工具的全面和仔细的分析，揭示了H.264编码器对视频品质以及在ASIC环境中的实现成本的贡献。我们的技 术组不偏不倚地从业已存在的编码标准如MPEG-1/2/4开始着手，把重点放在H.264编码器中每一个模块的最佳成本性能优势上。除了视频编码算法之 外，我们采用了高度智能的基于TDM的方案，以减少处理大量视频数据所需要的数据流量，因此，进一步降低了功耗。

下面总结了对架构的决策，它使我们能够满足物理设计的需要：

·Qpixel H.264视频压缩IC的设计目标是满足便携式消费设备市场的需求。众所周知，H.264实现方案的复杂度几乎是MPEG-2的十倍。为了实现高的视频品 质并同时降低系统的功耗，我们提出了一种能够感觉功耗的灵活的架构，它利用最先进的设计技术来减少裸片面积和功耗，与此同时，有效地处理数据流量以最大程 度地提高效率，并使与外部存储器交互作用所消耗的功率最小。

·影响功耗的主要因素是IC时钟树。为了完全利用潜在的H.264编码工具来实现高的视频品质，时钟频率必须被提高，以提供更大的处理能力。然而，以更高的频率运行IC直接增加了动态功耗，所以，在选择性能目标和系统的功耗时需要采取折衷措施。

·在给定的功耗目标条件下实现最高的性能，要对IC进行计划以最小化外部存储器的延迟周期，此外，要优化总线仲裁机制以提高数据传输效率。

·根据上述考虑，我们实现了两种创新方案，以减少与外部存储器的数据交换。一种是帧映射方案，另一种是基于TDM的总线仲裁。TDM仲裁针 对我们的视频处理管线做了高度优化，帧映射针对最大的DRAM带宽做了优化。我们仔细地评估了H.264压缩工具，并在视频品质和DRAM带宽需求之间做 了折衷选择。

结论和下一步的工作

·我们的独特专利和正在申请专利的视频算法及架构，使得用最佳的方式来实现Qpixel H.264主规范编解码器成为可能，从而满足视频产品对低功耗和高视频品质两方面的需求。

·在下一代消费AV产品中，存在对高清分辨率和品质的需求。我们将继续在算法和架构技术上展开创新，以提供针对高清分辨率应用的高度有竞争力的解决方案。

参考文献：

·JVT-N050d1.doc

·H.264 / AVC TEXTBOOK, Authored by S. Okubo et al, Impress Limited

·Development of Video Coding Technology and Future Prospects, T. Chujo, Toshiba Review Vol.60 No.7, 2005

·A Study for Bit-rate Control of H.264/AVC Coding, Y. Akima, Graduate Paper of Waseda University, 2004