深入探討視頻系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的HD技術(shù)

前些年人們所期待的數(shù)字視頻革命現(xiàn)在正如火如荼的進(jìn)行。近年來(lái)，技術(shù)的發(fā)展推動(dòng)了新的視頻功能在終端設(shè)備的應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)展，小到手機(jī)和MP3播放器，大到電視墻和廣告牌等設(shè)備。由于數(shù)字視頻市場(chǎng)需求旺盛，創(chuàng)新技術(shù)層出不窮，系統(tǒng)制造商必須考慮在新產(chǎn)品中采用何種視頻格式，其中一大考慮因素就是能否支持高清（HD）技術(shù)。HD能大幅改善影像質(zhì)量，為觀眾帶來(lái)前所未有的體驗(yàn)?？紤]到市場(chǎng)對(duì)更大更好設(shè)備的強(qiáng)烈需求，我們也會(huì)不假思索的選擇HD技術(shù)。
HD指什么？
若想給出HD的全面說(shuō)明，就會(huì)發(fā)現(xiàn)這個(gè)術(shù)語(yǔ)實(shí)在太難定義。對(duì)大多數(shù)人和大多數(shù)使用情況來(lái)說(shuō)，HD是指高清電視（HDTV），比傳統(tǒng)的標(biāo)清電視（SDTV）屏幕更大，清晰度更高。SDTV的寬高比為1.33（4:3），而HDTV則為1.78（16:9），更接近于大多數(shù)電影屏幕的寬高比，因此在高清電視屏幕上播放電影時(shí)，剪切與遮幅就會(huì)更少些。HDTV定義的最高清晰度比SDTV高六倍，使細(xì)節(jié)更加清晰，色彩更加鮮艷。因HDTV采用數(shù)字傳輸技術(shù)，所以影像要么傳輸成功，要么傳輸失敗，過(guò)去那種有雪花、發(fā)白的影像以及類(lèi)似模擬視頻常見(jiàn)的縱向滾屏問(wèn)題均已成為歷史。數(shù)字源還意味著同一屏幕可同時(shí)顯示多個(gè)畫(huà)面，這樣就能方便地進(jìn)行頻道預(yù)覽，參考節(jié)目安排及其它信息等。多音響環(huán)繞立體聲與視覺(jué)優(yōu)勢(shì)的完美結(jié)合可為家庭娛樂(lè)帶來(lái)震撼的全新體驗(yàn)。這種色彩鮮艷的大屏幕影像效果可與電影相媲美，因此消費(fèi)者對(duì)這種新的數(shù)字傳輸技術(shù)的宣傳非常感興趣也就不足為奇。不過(guò)，HDTV 并不等同于數(shù)字電視 (DTV)，DTV 的定義更廣，盡管人們總是將二者混為一談。
HD還有其它含義嗎？
新的高端格式還在不斷開(kāi)發(fā)之中，推動(dòng)顯示技術(shù)進(jìn)一步發(fā)展，如實(shí)驗(yàn)室里演示的超高清視頻 （UHDV）格式，清晰度提高了16倍，可達(dá)到1920×1080像素。毋庸贅述，我們可以看到，比HDTV分辨率更高的設(shè)備已用于數(shù)字影院和商業(yè)視頻制作。此外，HD計(jì)算機(jī)圖像格式有時(shí)也用于視頻顯示技術(shù)。計(jì)算機(jī)圖像格式以前都采用1.33的 SD屏幕寬高比，適合CRT 要求，不過(guò)為能支持HD數(shù)字視頻等應(yīng)用，又出現(xiàn)了對(duì)寬屏LCD的定義。這些寬屏格式包括分辨率達(dá)1280×800的Wide XGA（WXGA）、1680×1050的Wide SXGA+，以及分辨率達(dá) 1920×1200的Wide Ultra XGA（WUXGA）等，寬高比均為1.60。刷新率幾乎都采用逐行掃描技術(shù)，比DTV的掃描速率要快得多。盡管這些計(jì)算機(jī)圖像格式不同于HDTV的標(biāo)準(zhǔn)格式，但計(jì)算機(jī)和 DTV 顯示技術(shù)實(shí)際上目前是緊密相連的，因此大多數(shù)HDTV電視機(jī)實(shí)際上也支持WXGA等VESA分辨率。
影響影像質(zhì)量的其它因素
開(kāi)發(fā)人員在進(jìn)行HD設(shè)計(jì)之前最好應(yīng)先了解系統(tǒng)在顯示方面的要求。人們的感覺(jué)和技術(shù)要求同樣重要，人們要問(wèn)，系統(tǒng)怎樣使用才能讓顯示格式更吸引觀眾？首先，HD的效果只能通過(guò)大屏幕才能體現(xiàn)出來(lái)，要是屏幕對(duì)角線不到40英寸，那么高清效果就完全體現(xiàn)不出來(lái)。顯然，HD對(duì)手機(jī)上的顯示屏毫無(wú)疑義，再比方說(shuō)，坐在車(chē)后座上的觀眾看前方座椅背后的小顯示屏，也看不出HD和SD的差別。
其次，環(huán)繞音響的效果比高清屏幕的效果更為震撼。換言之，出色的音響效果會(huì)讓一般的影像顯得更好，而出色的影像效果則也會(huì)因音響不佳而大打折扣。因此，制造商在改進(jìn)視頻的同時(shí)，甚至之前，就要考慮怎么改進(jìn)音頻。
第三，視頻壓縮和解壓縮也會(huì)產(chǎn)生影響。通常，數(shù)字視頻壓縮后會(huì)減少所需的巨大帶寬，否則SDTV廣播格式所需的帶寬就可能超過(guò)124 Mbps，而1080i60標(biāo)準(zhǔn)所需的帶寬將達(dá)到 750Mbps。存儲(chǔ)容量也是要考慮的因素，單層DVD的容量約為4.7GB，只能支持較短的未壓縮視頻剪輯。雙層HD-DVD和藍(lán)光光盤(pán)的存儲(chǔ)容量分別約為30GB和50GB，不過(guò)仍然需要進(jìn)行大量壓縮才能在一張光盤(pán)上放下幾個(gè)小時(shí)的視頻內(nèi)容。
MPEG-2 Main Profile 是目前最通用的視頻壓縮標(biāo)準(zhǔn)，通常采用4:2:0 的色彩采樣率，根據(jù)不同的視頻源，能達(dá)到30:1到50:1的壓縮率。由于H.264/MPEG-4 AVC High Profile基本能將這種壓縮率翻番，因此今后幾年視頻廣播和錄制產(chǎn)業(yè)會(huì)逐漸向這種新標(biāo)準(zhǔn)過(guò)渡。不過(guò)所有ITU/MPEG標(biāo)準(zhǔn)都會(huì)發(fā)生質(zhì)量損耗，因此解壓縮的影像播放出來(lái)肯定低于壓縮前的原始影像質(zhì)量。由于影像在運(yùn)動(dòng)中而且標(biāo)準(zhǔn)定義時(shí)已經(jīng)對(duì)人們的觀賞體驗(yàn)進(jìn)行了大量研究，因此影像質(zhì)量的損耗能夠被很好地隱藏起來(lái)，往往人們難以覺(jué)察到。不過(guò)，如果采用MPEG-4 Main Profile標(biāo)準(zhǔn)將壓縮比提高到約60:1乃至100:1，那么就可能暴露出影像的瑕疵，而且HD顯示屏?xí)屵@些瑕疵更明顯。
系統(tǒng)資源
1080i60視頻解壓縮后比解壓縮的SD 視頻大6倍，解壓縮的720p60比SD大5.3倍，因此可以粗略地說(shuō)，系統(tǒng)必須為HD提供比SD高6倍的處理吞吐量和存儲(chǔ)容量。此外，由于更高級(jí)的編解碼器采用更多存儲(chǔ)器，支持更多處理功能，因此能實(shí)現(xiàn)更高的壓縮比，這樣就會(huì)相應(yīng)提高系統(tǒng)要求。舉一個(gè)具體例子來(lái)說(shuō)，以MPEG-4 Simple Profile 480i30 SD解碼器為參考幀數(shù)據(jù)，那么所需的存儲(chǔ)器約為0.5MB，而H.264 High Profile解碼器對(duì)于1080i60 HD所需的最小存儲(chǔ)器都高達(dá)15MB，高出30倍之多。導(dǎo)致這一增加的原因不僅是由于像素分辨率更高，而且還由于MPEG-4 SP的幀預(yù)測(cè)算法只要求一個(gè)幀，但H.264 Level 4.0 High Profile則要求5個(gè)幀。對(duì)于HD解碼而言，處理器需要提供30倍的存儲(chǔ)器容量才能支持內(nèi)部參照幀緩沖。此外，還需要更多存儲(chǔ)器空間來(lái)支持顯示緩沖以及諸如流媒體緩沖和運(yùn)算表等其它解碼器功能。
HD系統(tǒng)多功能性
除了成本等因素，制造商要考慮HD系統(tǒng)設(shè)計(jì)的多功能性。幾乎目前設(shè)計(jì)的所有數(shù)字視頻系統(tǒng)都必須解決編解碼器不斷發(fā)展擴(kuò)充的問(wèn)題。不管是DTV廣播、IPTV、視頻會(huì)議還是其它應(yīng)用，今后幾年H.264/MPEG-4 AVC標(biāo)準(zhǔn)都將發(fā)揮巨大影響力。此外還有一些WMV9/VC-1 與中國(guó)的AVS以及ITU/MPEG標(biāo)準(zhǔn)等競(jìng)爭(zhēng)性標(biāo)準(zhǔn)等。機(jī)頂盒（STB）等系統(tǒng)可能要?jiǎng)討B(tài)支持多種不同標(biāo)準(zhǔn)格式，還可能要連接到娛樂(lè)和游戲設(shè)備上，并支持家庭電腦系統(tǒng)，今后還要支持視頻電話。這種系統(tǒng)不僅要支持解碼，重要的是還要支持轉(zhuǎn)碼和轉(zhuǎn)速率、視頻流和不同的顯示屏，更不要說(shuō)不同的應(yīng)用和控制軟件了。視頻監(jiān)視系統(tǒng)這樣比較封閉式的應(yīng)用也要支持編解碼器的升級(jí)以及搜索和識(shí)別等特性。
處理器的選擇
為了支持HD視頻系統(tǒng)的高吞吐量、多應(yīng)用要求，處理器必須以合理的價(jià)格支持高性能和多功能。根據(jù)設(shè)計(jì)，數(shù)字信號(hào)處理器（DSP）提供高性能，滿足音視頻編解碼器和HD級(jí)數(shù)據(jù)流所需的實(shí)時(shí)算法要求。有的處理器集成了DSP和RISC，這樣就具備更多優(yōu)勢(shì)，能進(jìn)行功能分區(qū)，讓DSP負(fù)責(zé)信號(hào)處理，而RISC負(fù)責(zé)控制、通訊和應(yīng)用軟件。采用達(dá)芬奇技術(shù)的TI數(shù)字媒體處理器等多核心DSP還包括視頻圖形協(xié)處理器（VICP），能為視頻編碼器常用的具體操作提供硬件加速，此外還具備更多片上硬件，能分擔(dān)視頻縮放以及圖形視頻混合等顯示處理工作，支持屏上顯示功能。
可編程DSP提供了支持多種編解碼器和顯示標(biāo)準(zhǔn)所需的靈活性，還使系統(tǒng)具有較強(qiáng)的靈活性，以滿足新功能的要求。此外，統(tǒng)一的基本設(shè)計(jì)能根據(jù)不同市場(chǎng)乃至不同地區(qū)要求快速進(jìn)行再編程。DSP近年來(lái)在用戶友好性方面也取得了長(zhǎng)足進(jìn)步，達(dá)芬奇等處理技術(shù)包括全面的開(kāi)放式軟件平臺(tái)，提供音頻視頻應(yīng)用編程接口（API），確保DSP的透明性，這樣開(kāi)發(fā)人員只需用C語(yǔ)言和標(biāo)準(zhǔn)開(kāi)發(fā)工具對(duì)RISC進(jìn)行編程就能完成設(shè)計(jì)工作了。最后，支持片上系統(tǒng)（SoC）集成的DSP再配合存儲(chǔ)子系統(tǒng)和專(zhuān)為視頻功能而設(shè)計(jì)的外設(shè)，這樣才能提供全面的解決方案，在支持 HD 和其它高級(jí)視頻特性的同時(shí)還有助于降低系統(tǒng)成本。
總結(jié)
TV與其它應(yīng)用的高清顯示技術(shù)是數(shù)字視頻領(lǐng)域的重要組成部分，視頻系統(tǒng)制造商在是否實(shí)施HD技術(shù)方面面臨著決策壓力。不要人云亦云，因?yàn)閯e人都投入HD而隨大流做出系統(tǒng)決策。應(yīng)當(dāng)記住，HD 包括多種格式，必須確定到底應(yīng)當(dāng)支持哪種或哪些格式。此外，并不是所有應(yīng)用都需要 HD，具體取決于屏幕大小、帶寬及系統(tǒng)成本等。HD需要巨大的數(shù)據(jù)吞吐量，比SD的實(shí)施成本更為昂貴，而且系統(tǒng)可能要支持多種編解碼器和應(yīng)用軟件。因此，必須根據(jù)實(shí)時(shí)信號(hào)處理性能、編程的靈活性和易用性以及 SoC 集成是否物美價(jià)廉來(lái)認(rèn)真選擇底層處理技術(shù)。近期上市的基于 DSP 的媒體處理器提供了專(zhuān)用視頻架構(gòu)和開(kāi)放式軟件平臺(tái)，有助于加速開(kāi)發(fā)過(guò)程，降低開(kāi)發(fā)成本。利用這種技術(shù)，系統(tǒng)開(kāi)發(fā)人員能設(shè)計(jì)出全新的HD產(chǎn)品，滿足不同市場(chǎng)的需求。