深入探討視頻系統設計中的HD技術(shù)

前些年人們所期待的數字視頻革命現在正如火如荼的進(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備的應用范圍不斷擴展，小到手機和MP3播放器，大到電視墻和廣告牌等設備。由于數字視頻市場(chǎng)需求旺盛，創(chuàng )新技術(shù)層出不窮，系統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(guān)眾帶來(lái)前所未有的體驗?？紤]到市場(chǎng)對更大更好設備的強烈需求，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)現這個(gè)術(shù)語(yǔ)實(shí)在太難定義。對大多數人和大多數使用情況來(lái)說(shuō)，HD是指高清電視（HDTV），比傳統的標清電視（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，使細節更加清晰，色彩更加鮮艷。因HDTV采用數字傳輸技術(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。數字源還意味著(zhù)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)行頻道預覽，參考節目安排及其它信息等。多音響環(huán)繞立體聲與視覺(jué)優(yōu)勢的完美結合可為家庭娛樂(lè )帶來(lái)震撼的全新體驗。這種色彩鮮艷的大屏幕影像效果可與電影相媲美，因此消費者對這種新的數字傳輸技術(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)驗室里演示的超高清視頻 （UHDV）格式，清晰度提高了16倍，可達到1920×1080像素。毋庸贅述，我們可以看到，比HDTV分辨率更高的設備已用于數字影院和商業(yè)視頻制作。此外，HD計算機圖像格式有時(shí)也用于視頻顯示技術(shù)。計算機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數字視頻等應用，又出現了對寬屏LCD的定義。這些寬屏格式包括分辨率達1280×800的Wide XGA（WXGA）、1680×1050的Wide SXGA+，以及分辨率達 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。盡管這些計算機圖像格式不同于HDTV的標準格式，但計算機和 DTV 顯示技術(shù)實(shí)際上目前是緊密相連的，因此大多數HDTV電視機實(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設計之前最好應先了解系統在顯示方面的要求。人們的感覺(jué)和技術(shù)要求同樣重要，人們要問(wèn)，系統怎樣使用才能讓顯示格式更吸引觀(guān)眾？首先，HD的效果只能通過(guò)大屏幕才能體現出來(lái)，要是屏幕對角線(xiàn)不到40英寸，那么高清效果就完全體現不出來(lái)。顯然，HD對手機上的顯示屏毫無(wú)疑義，再比方說(shuō)，坐在車(chē)后座上的觀(guān)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標準所需的帶寬將達到 750Mbps。存儲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和藍光光盤(pán)的存儲容量分別約為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)的視頻內容。
MPEG-2 Main Profile 是目前最通用的視頻壓縮標準，通常采用4:2:0 的色彩采樣率，根據不同的視頻源，能達到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 )逐漸向這種新標準過(guò)渡。不過(guò)所有ITU/MPEG標準都會(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。由于影像在運動(dòng)中而且標準定義時(shí)已經(jīng)對人們的觀(guān)賞體驗進(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標準將壓縮比提高到約60:1乃至100:1，那么就可能暴露出影像的瑕疵，而且HD顯示屏會(huì )讓這些瑕疵更明顯。
系統資源
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)，系統必須為HD提供比SD高6倍的處理吞吐量和存儲容量。此外，由于更高級的編解碼器采用更多存儲器，支持更多處理功能，因此能實(shí)現更高的壓縮比，這樣就會(huì )相應提高系統要求。舉一個(gè)具體例子來(lái)說(shuō)，以MPEG-4 Simple Profile 480i30 SD解碼器為參考幀數據，那么所需的存儲器約為0.5MB，而H.264 High Profile解碼器對于1080i60 HD所需的最小存儲器都高達15MB，高出30倍之多。導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的幀預測算法只要求一個(gè)幀，但H.264 Level 4.0 High Profile則要求5個(gè)幀。對于HD解碼而言，處理器需要提供30倍的存儲器容量才能支持內部參照幀緩沖。此外，還需要更多存儲器空間來(lái)支持顯示緩沖以及諸如流媒體緩沖和運算表等其它解碼器功能。
HD系統多功能性
除了成本等因素，制造商要考慮HD系統設計的多功能性。幾乎目前設計的所有數字視頻系統都必須解決編解碼器不斷發(fā)展擴充的問(wèn)題。不管是DTV廣播、IPTV、視頻會(huì )議還是其它應用，今后幾年H.264/MPEG-4 AVC標準都將發(fā)揮巨大影響力。此外還有一些WMV9/VC-1 與中國的AVS以及ITU/MPEG標準等競爭性標準等。機頂盒（STB）等系統可能要動(dòng)態(tài)支持多種不同標準格式，還可能要連接到娛樂(lè )和游戲設備上，并支持家庭電腦系統，今后還要支持視頻電話(huà)。這種系統不僅要支持解碼，重要的是還要支持轉碼和轉速率、視頻流和不同的顯示屏，更不要說(shuō)不同的應用和控制軟件了。視頻監視系統這樣比較封閉式的應用也要支持編解碼器的升級以及搜索和識別等特性。
處理器的選擇
為了支持HD視頻系統的高吞吐量、多應用要求，處理器必須以合理的價(jià)格支持高性能和多功能。根據設計，數字信號處理器（DSP）提供高性能，滿(mǎn)足音視頻編解碼器和HD級數據流所需的實(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，能進(jìn)行功能分區，讓DSP負責信號處理，而RISC負責控制、通訊和應用軟件。采用達芬奇技術(shù)的TI數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準所需的靈活性，還使系統具有較強的靈活性，以滿(mǎn)足新功能的要求。此外，統一的基本設計能根據不同市場(chǎng)乃至不同地區要求快速進(jìn)行再編程。DSP近年來(lái)在用戶(hù)友好性方面也取得了長(cháng)足進(jìn)步，達芬奇等處理技術(shù)包括全面的開(kāi)放式軟件平臺，提供音頻視頻應用編程接口（API），確保DSP的透明性，這樣開(kāi)發(fā)人員只需用C語(yǔ)言和標準開(kāi)發(fā)工具對RISC進(jìn)行編程就能完成設計工作了。最后，支持片上系統（SoC）集成的DSP再配合存儲子系統和專(zhuān)為視頻功能而設計的外設，這樣才能提供全面的解決方案，在支持 HD 和其它高級視頻特性的同時(shí)還有助于降低系統成本。
總結
TV與其它應用的高清顯示技術(shù)是數字視頻領(lǐng)域的重要組成部分，視頻系統制造商在是否實(shí)施HD技術(shù)方面面臨著(zhù)決策壓力。不要人云亦云，因為別人都投入HD而隨大流做出系統決策。應當記住，HD 包括多種格式，必須確定到底應當支持哪種或哪些格式。此外，并不是所有應用都需要 HD，具體取決于屏幕大小、帶寬及系統成本等。HD需要巨大的數據吞吐量，比SD的實(shí)施成本更為昂貴，而且系統可能要支持多種編解碼器和應用軟件。因此，必須根據實(shí)時(shí)信號處理性能、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)用視頻架構和開(kāi)放式軟件平臺，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)，系統開(kāi)發(fā)人員能設計出全新的HD產(chǎn)品，滿(mǎn)足不同市場(chǎng)的需求。