數(shù)字家庭影院中的HD顯示技術(shù)與分析

消費(fèi)人群對(duì)視覺(jué)和聽(tīng)覺(jué)享受的追求，使音視頻技術(shù)發(fā)生了革命性的變革。HD可能是近年來(lái)出現(xiàn)頻率較多的詞匯之一，其在音視頻領(lǐng)域代表高解析度（HighDefinition）的音視頻信號(hào)質(zhì)量。目前的家庭影院解決方案和相關(guān)技術(shù)也早已不再把目光局限于分辨率只有720x480的DVD標(biāo)清（SD，StandardDefinition）效果，日本媒體科學(xué)技術(shù)研究實(shí)驗(yàn)室甚至在2006年就推出了令人乍舌的具有7680x4320像素分辨率（逐行掃描，60fps）的“SuperHiVision”技術(shù)。此外，在市場(chǎng)方面，據(jù)產(chǎn)業(yè)研究機(jī)構(gòu)In-Stat預(yù)測(cè)，全球數(shù)字家庭市場(chǎng)收入將在2009年達(dá)到200億美元，中國(guó)和亞太地區(qū)市場(chǎng)數(shù)字家庭設(shè)備和技術(shù)發(fā)展速度將持續(xù)領(lǐng)先，年復(fù)合增長(zhǎng)率可達(dá)到30%。高清晰度創(chuàng)造了廣闊的技術(shù)和市場(chǎng)前景，但同時(shí)也給相關(guān)系統(tǒng)帶來(lái)了數(shù)倍甚至數(shù)十倍的負(fù)擔(dān)。

HD系統(tǒng)的性能要求

HD技術(shù)目前正應(yīng)用于各種場(chǎng)合。由于帶寬、壓縮程度及顯示格式的不同，各種HD系統(tǒng)的要求，如處理速度、存儲(chǔ)容量、編解碼器的選擇等差別很大。德州儀器（TI）首席科學(xué)家方進(jìn)（GeneFrantz）先生針對(duì)媒

體處理方案和技術(shù)表示，視頻輸入流和應(yīng)用會(huì)不斷變化，HD輸出會(huì)越來(lái)越豐富，因此系統(tǒng)顯然需要一定的靈活性。設(shè)計(jì)人員在選擇視頻系統(tǒng)的底層技術(shù)時(shí)，一定要考慮到上述問(wèn)題。

德州儀器公司（TI）針對(duì)三個(gè)典型HD編解碼器應(yīng)用總結(jié)了其各自對(duì)應(yīng)的一般系統(tǒng)要求，其主要包括廣播、視頻會(huì)議，和數(shù)碼相機(jī)（表1）。首先，廣播HDTV的輸出比特率最高，采用MPEG-2或H。264/MPEG-4進(jìn)行實(shí)時(shí)壓縮。當(dāng)前技術(shù)情況下，壓縮HDTV節(jié)目進(jìn)行傳輸?shù)膹V播系統(tǒng)需要大量高頻率數(shù)字信號(hào)處理器（DSP）和現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列（FPGA），以及數(shù)千兆字節(jié)（GB）存儲(chǔ)器的支持。眾多刀片式設(shè)備可以作為并行處理陣列運(yùn)行，以支持多個(gè)通道的壓縮HDTV輸出。

視頻會(huì)議作為另一種HD應(yīng)用，需要做相應(yīng)的縮放，要考慮到多數(shù)廣域網(wǎng)連接不到百兆帶寬的情況，同時(shí)還滿(mǎn)足在大屏幕上顯示HD影像的要求。短暫時(shí)延可以接受，但不能妨礙對(duì)話(huà)的實(shí)時(shí)性。雖然比HDTV示例中的標(biāo)準(zhǔn)要低，但仍屬于高端標(biāo)準(zhǔn)。

數(shù)碼相機(jī)（DSC）是視頻壓縮的常見(jiàn)消費(fèi)類(lèi)應(yīng)用之一。我們可用數(shù)碼相機(jī)捕獲較短的視頻剪輯，隨后可在HD顯示屏上播放。DSC系統(tǒng)必須方便易用，價(jià)格低廉，因此采用MPEG-4SimpleProfile以確保處理和存儲(chǔ)器的要求較低?；贒SP的高集成度的單個(gè)SoC專(zhuān)為便攜式應(yīng)用進(jìn)行優(yōu)化，能滿(mǎn)足上述應(yīng)用的編解碼器要求。

HD格式對(duì)存儲(chǔ)器與處理能力要求均大大超過(guò)SD格式。這些要求會(huì)提高組件成本，不過(guò)像所有半導(dǎo)體成本一樣，最終會(huì)隨著時(shí)間的推移而下降。因此TI認(rèn)為，對(duì)系統(tǒng)制造商來(lái)說(shuō)，問(wèn)題在于是現(xiàn)在成本高的時(shí)候就支持HD，還是一兩年后繼續(xù)支持SD，等組件成本降下來(lái)和HD需求提高之后再進(jìn)入市場(chǎng)。

媒體處理器及國(guó)內(nèi)代表性方案

HD音視頻給人們感官享受的同時(shí)，也給播放系統(tǒng)帶來(lái)更大的負(fù)擔(dān)。相比SD內(nèi)容，目前HD要求的處理能力和存儲(chǔ)容量要高約5~6倍。特殊的功能和性能的要求也產(chǎn)生了多種視頻處理器架構(gòu)，如TI的DaVinci系列、SigmaDesigns的系列產(chǎn)品、Freescale的iMX系列、以及Intel、AMD等廠商的X86架構(gòu)產(chǎn)品等。

在競(jìng)爭(zhēng)激烈的音視頻技術(shù)領(lǐng)域，國(guó)內(nèi)廠商也在努力打破壟斷，相繼推出創(chuàng)新性的產(chǎn)品和技術(shù)，其中代表性的廠商如C2MICrosystems和上海杰得微電子等。

杰得微電子的產(chǎn)品定位為手持信息終端、移動(dòng)電視、IPTV等領(lǐng)域的移動(dòng)多媒體SoC。其產(chǎn)品多選用ARM926EJ內(nèi)核。產(chǎn)品優(yōu)勢(shì)在于通過(guò)高效和精簡(jiǎn)的數(shù)學(xué)算法提高效率并減少功耗。

C2Microsystems的SoC產(chǎn)品針對(duì)IP機(jī)頂盒、便攜式媒體播放器、PVR等多媒體應(yīng)用。C2的方案可以理解為一個(gè)多核架構(gòu)的可編程多媒體專(zhuān)用處理器，其采用一個(gè)CPU加3個(gè)專(zhuān)用DSP的結(jié)構(gòu)。專(zhuān)用DSP分別針對(duì)圖像和多媒體處理運(yùn)算所需要的運(yùn)動(dòng)估計(jì)（MotionEstimation）、熵編碼（EntropyEncoding）和向量處理而設(shè)置的，SoC的整體結(jié)構(gòu)也同時(shí)兼顧了開(kāi)發(fā)的靈活性需求。C2Micro-systems市場(chǎng)經(jīng)理劉明璋先生表示，TI的DaVinci采用ARM加通用DSP的技術(shù)雖然可實(shí)現(xiàn)較高的性能和靈活性，但通用DSP沒(méi)有對(duì)音視頻專(zhuān)門(mén)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，如果簡(jiǎn)單地通過(guò)提高主頻來(lái)保證視頻處理需要運(yùn)算資源的話(huà)，必然會(huì)給PCB設(shè)計(jì)增加復(fù)雜度和成本；而完全通過(guò)硬件模塊處理視頻又犧牲了靈活性。

多核和可編程架構(gòu)的煩惱

多核可編程結(jié)構(gòu)在處理性能上有很大優(yōu)勢(shì)，但也有其應(yīng)用上的弊端。多核處理技術(shù)已存在多年，性能上的優(yōu)勢(shì)無(wú)需多談，而帶來(lái)的麻煩也很多，其中主要集中在開(kāi)發(fā)難度方面。

消費(fèi)人群對(duì)視覺(jué)和聽(tīng)覺(jué)享受的追求，使音視頻技術(shù)發(fā)生了革命性的變革。HD可能是近年來(lái)出現(xiàn)頻率較多的詞匯之一，其在音視頻領(lǐng)域代表高解析度（HighDefinition）的音視頻信號(hào)質(zhì)量。目前的家庭影院解決方案和相關(guān)技術(shù)也早已不再把目光局限于分辨率只有720x480的DVD標(biāo)清（SD，StandardDefinition）效果，日本媒體科學(xué)技術(shù)研究實(shí)驗(yàn)室甚至在2006年就推出了令人乍舌的具有7680x4320像素分辨率（逐行掃描，60fps）的“SuperHiVision”技術(shù)。此外，在市場(chǎng)方面，據(jù)產(chǎn)業(yè)研究機(jī)構(gòu)In-Stat預(yù)測(cè)，全球數(shù)字家庭市場(chǎng)收入將在2009年達(dá)到200億美元，中國(guó)和亞太地區(qū)市場(chǎng)數(shù)字家庭設(shè)備和技術(shù)發(fā)展速度將持續(xù)領(lǐng)先，年復(fù)合增長(zhǎng)率可達(dá)到30%。高清晰度創(chuàng)造了廣闊的技術(shù)和市場(chǎng)前景，但同時(shí)也給相關(guān)系統(tǒng)帶來(lái)了數(shù)倍甚至數(shù)十倍的負(fù)擔(dān)。

HD系統(tǒng)的性能要求

HD技術(shù)目前正應(yīng)用于各種場(chǎng)合。由于帶寬、壓縮程度及顯示格式的不同，各種HD系統(tǒng)的要求，如處理速度、存儲(chǔ)容量、編解碼器的選擇等差別很大。德州儀器（TI）首席科學(xué)家方進(jìn)（GeneFrantz）先生針對(duì)媒

體處理方案和技術(shù)表示，視頻輸入流和應(yīng)用會(huì)不斷變化，HD輸出會(huì)越來(lái)越豐富，因此系統(tǒng)顯然需要一定的靈活性。設(shè)計(jì)人員在選擇視頻系統(tǒng)的底層技術(shù)時(shí)，一定要考慮到上述問(wèn)題。

德州儀器公司（TI）針對(duì)三個(gè)典型HD編解碼器應(yīng)用總結(jié)了其各自對(duì)應(yīng)的一般系統(tǒng)要求，其主要包括廣播、視頻會(huì)議，和數(shù)碼相機(jī)（表1）。首先，廣播HDTV的輸出比特率最高，采用MPEG-2或H。264/MPEG-4進(jìn)行實(shí)時(shí)壓縮。當(dāng)前技術(shù)情況下，壓縮HDTV節(jié)目進(jìn)行傳輸?shù)膹V播系統(tǒng)需要大量高頻率數(shù)字信號(hào)處理器（DSP）和現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列（FPGA），以及數(shù)千兆字節(jié)（GB）存儲(chǔ)器的支持。眾多刀片式設(shè)備可以作為并行處理陣列運(yùn)行，以支持多個(gè)通道的壓縮HDTV輸出。[!--empirenews.page--]

視頻會(huì)議作為另一種HD應(yīng)用，需要做相應(yīng)的縮放，要考慮到多數(shù)廣域網(wǎng)連接不到百兆帶寬的情況，同時(shí)還滿(mǎn)足在大屏幕上顯示HD影像的要求。短暫時(shí)延可以接受，但不能妨礙對(duì)話(huà)的實(shí)時(shí)性。雖然比HDTV示例中的標(biāo)準(zhǔn)要低，但仍屬于高端標(biāo)準(zhǔn)。

數(shù)碼相機(jī)（DSC）是視頻壓縮的常見(jiàn)消費(fèi)類(lèi)應(yīng)用之一。我們可用數(shù)碼相機(jī)捕獲較短的視頻剪輯，隨后可在HD顯示屏上播放。DSC系統(tǒng)必須方便易用，價(jià)格低廉，因此采用MPEG-4SimpleProfile以確保處理和存儲(chǔ)器的要求較低?；贒SP的高集成度的單個(gè)SoC專(zhuān)為便攜式應(yīng)用進(jìn)行優(yōu)化，能滿(mǎn)足上述應(yīng)用的編解碼器要求。

HD格式對(duì)存儲(chǔ)器與處理能力要求均大大超過(guò)SD格式。這些要求會(huì)提高組件成本，不過(guò)像所有半導(dǎo)體成本一樣，最終會(huì)隨著時(shí)間的推移而下降。因此TI認(rèn)為，對(duì)系統(tǒng)制造商來(lái)說(shuō)，問(wèn)題在于是現(xiàn)在成本高的時(shí)候就支持HD，還是一兩年后繼續(xù)支持SD，等組件成本降下來(lái)和HD需求提高之后再進(jìn)入市場(chǎng)。

媒體處理器及國(guó)內(nèi)代表性方案

HD音視頻給人們感官享受的同時(shí)，也給播放系統(tǒng)帶來(lái)更大的負(fù)擔(dān)。相比SD內(nèi)容，目前HD要求的處理能力和存儲(chǔ)容量要高約5~6倍。特殊的功能和性能的要求也產(chǎn)生了多種視頻處理器架構(gòu)，如TI的DaVinci系列、SigmaDesigns的系列產(chǎn)品、Freescale的iMX系列、以及Intel、AMD等廠商的X86架構(gòu)產(chǎn)品等。

在競(jìng)爭(zhēng)激烈的音視頻技術(shù)領(lǐng)域，國(guó)內(nèi)廠商也在努力打破壟斷，相繼推出創(chuàng)新性的產(chǎn)品和技術(shù)，其中代表性的廠商如C2MICrosystems和上海杰得微電子等。

杰得微電子的產(chǎn)品定位為手持信息終端、移動(dòng)電視、IPTV等領(lǐng)域的移動(dòng)多媒體SoC。其產(chǎn)品多選用ARM926EJ內(nèi)核。產(chǎn)品優(yōu)勢(shì)在于通過(guò)高效和精簡(jiǎn)的數(shù)學(xué)算法提高效率并減少功耗。

C2Microsystems的SoC產(chǎn)品針對(duì)IP機(jī)頂盒、便攜式媒體播放器、PVR等多媒體應(yīng)用。C2的方案可以理解為一個(gè)多核架構(gòu)的可編程多媒體專(zhuān)用處理器，其采用一個(gè)CPU加3個(gè)專(zhuān)用DSP的結(jié)構(gòu)。專(zhuān)用DSP分別針對(duì)圖像和多媒體處理運(yùn)算所需要的運(yùn)動(dòng)估計(jì)（MotionEstimation）、熵編碼（EntropyEncoding）和向量處理而設(shè)置的，SoC的整體結(jié)構(gòu)也同時(shí)兼顧了開(kāi)發(fā)的靈活性需求。C2Micro-systems市場(chǎng)經(jīng)理劉明璋先生表示，TI的DaVinci采用ARM加通用DSP的技術(shù)雖然可實(shí)現(xiàn)較高的性能和靈活性，但通用DSP沒(méi)有對(duì)音視頻專(zhuān)門(mén)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，如果簡(jiǎn)單地通過(guò)提高主頻來(lái)保證視頻處理需要運(yùn)算資源的話(huà)，必然會(huì)給PCB設(shè)計(jì)增加復(fù)雜度和成本；而完全通過(guò)硬件模塊處理視頻又犧牲了靈活性。

多核和可編程架構(gòu)的煩惱

多核可編程結(jié)構(gòu)在處理性能上有很大優(yōu)勢(shì)，但也有其應(yīng)用上的弊端。多核處理技術(shù)已存在多年，性能上的優(yōu)勢(shì)無(wú)需多談，而帶來(lái)的麻煩也很多，其中主要集中在開(kāi)發(fā)難度方面。