視頻解碼芯片:國內(nèi)半導(dǎo)體崛起的機會
隨著近幾年互聯(lián)網(wǎng)的迅速發(fā)展,全新的超高清藍光標準在2016年開始全面爆發(fā),相比藍光其有著孕育市場的先天優(yōu)勢——超高清顯示設(shè)備,包括電視、投影儀幾乎是同一時間推向市場,互聯(lián)網(wǎng)高速發(fā)展同樣為超高清流媒體視頻內(nèi)容開辟疆土,而剩下的就是超高清播放器的解碼核心以及成品的推向市場。
超高清藍光標準具有5方面的內(nèi)涵,包括4K分辨率、10Bit-12Bit高色深、HDR高動態(tài)、60P高幀數(shù)、BT.2020高色域空間,因此帶來了畫面動態(tài)更大、色彩空間更豐富的畫面細節(jié)呈現(xiàn)。那么現(xiàn)在在市場上有哪些支持超高清藍光標準的解碼芯片推出?誰又主沉浮呢?
視頻編解碼芯片,原是國外廠商的天下
視頻編解碼,目前在網(wǎng)絡(luò)上傳輸比較流行的是H.264與H.265。H.264/MPEG-4 AVC(H.264)是1995年自MPEG-2視頻壓縮標準發(fā)布以后的最新、最有前途的視頻壓縮標準。H.264是由ITU-T和ISO/IEC的聯(lián)合開發(fā)組共同開發(fā)的最新國際視頻編碼標準。通過該標準,在同等圖象質(zhì)量下的壓縮效率比以前的標準提高了2倍以上,因此,近幾年來H.264被普遍認為是最有影響力的行業(yè)標準。
逆襲有望 縱觀國產(chǎn)視頻芯片進化史
H.264標準的使用了幾個關(guān)鍵技術(shù),分別是幀內(nèi)預(yù)測編碼、幀間預(yù)測編碼、整數(shù)變換、量化和熵編碼。幀內(nèi)編碼用來縮減圖像的空間冗余。幀間預(yù)測編碼利用連續(xù)幀中的時間冗余來進行運動估計和補償,預(yù)測采用了基于4×4像素塊的類似于DCT的整數(shù)變換。量化,H.264中可選32種不同的量化步長,這與H.263中有31個量化步長很相似,但是在H.264中,步長是以12.5%的復(fù)合率遞進的,而不是一個固定常數(shù)。H.264視頻編碼處理的最后就是熵編碼,在H.264中采用了兩種不同的熵編碼方法:通用可變長編碼(UVLC)和基于文本的自適應(yīng)二進制算術(shù)編碼(CABAC)。H.264的編碼和解碼流程具體見圖一。
由于H.264具備高壓縮性,同時適合在網(wǎng)絡(luò)里邊進出傳輸,隨著互聯(lián)網(wǎng)地不斷發(fā)展,各個半導(dǎo)體廠家也看到了這個金礦。2005年起,美國的TI、安霸、NXP、臺灣的TEWELL、日本的SONY、SHARP等一大批國家半導(dǎo)體企業(yè)或者電子企業(yè)將目光投入到了H.264編碼芯片上,量身打造適合不同區(qū)域的視頻編解碼芯片,大力推動了整個市場的發(fā)展。
可以說,在2010年之前,國內(nèi)的自研芯片基本處于樣機或者自用階段,市場的接受度非常的低。據(jù)粗略數(shù)據(jù)統(tǒng)計,見下圖二,國產(chǎn)芯片的占比只有1%左右,國外芯片占比95%以上,TI半導(dǎo)體巨頭占領(lǐng)了中國幾乎一半市場。其原因在于國外廠家有豐富的經(jīng)驗積累,深耕在這個領(lǐng)域多年,熟悉產(chǎn)業(yè)的特點,國產(chǎn)芯片的穩(wěn)定性也有待提高。當(dāng)時,應(yīng)用視頻行業(yè)的廠家,對于芯片的選型基本只考慮國外芯片,選擇國內(nèi)芯片的鳳毛麟角。
圖像去隔行單芯片,輝煌時代一去不返
電視發(fā)展的早期階段,一般都采用“隔行掃描”技術(shù),目的是減少傳輸圖像的數(shù)據(jù)量。該技術(shù)將一幀圖像分為前后兩場,奇數(shù)行一場為奇場,偶數(shù)行一場為偶場。先發(fā)送奇場的數(shù)據(jù),緊接著發(fā)送的是偶數(shù)行的數(shù)據(jù),發(fā)送視頻數(shù)據(jù)量將減少一半。隔行掃描時,一幀圖像分為前后兩場,場間間隔時間為喊間間隔時間的一半。即,掃描光柵在奇場從左到右,從上往下隔一行掃描一行,直到最后一行,在偶場按同樣的掃描方式進行。為了圖像效果更加好,在顯示端,一般都會使用去隔行芯片,對視頻圖像進行處理。去隔行的方法有多種,包含了場間插值、場內(nèi)插值、運動補償?shù)确椒ā?/p>
單芯片去隔行芯片的過去主要半導(dǎo)體廠家有美國的TI、日本的i-Chips和韓國的Macro Image,國產(chǎn)的去隔行單芯片基本沒有廠家介入。從全球范圍來看,消費量終端的顯示器是非常多的,在VIDOE時代,去隔行芯片的使用量非常巨大。隨著1080p分辨率普及,TVBS信號的應(yīng)用逐步減少,取而代之的是3G SDI,同時DP、DVI信號協(xié)議里邊不在包含i制信號,在專業(yè)視頻應(yīng)用領(lǐng)域,單去隔行芯片的需求正在減少。
目前在專業(yè)的視頻處理領(lǐng)域,視頻處理廠家如美國的巴可、中國的威創(chuàng)視訊、淳中等,為了追求最佳的視頻顯示質(zhì)量和舊產(chǎn)品的維護,還有一定的單芯片去隔行需求,但是其他小小廠家基本就直接放棄隔行視頻的處理。單芯片的去隔行已經(jīng)逐步轉(zhuǎn)化為芯片視頻處理的一個模塊。據(jù)統(tǒng)計機構(gòu)WitsView最新調(diào)研數(shù)據(jù)顯示,2016年全球液晶電視總出貨量為2.19億臺,按照80%計算,需要帶去隔行功能的芯片年需求量大概在1.76億片。但是,在筆者看來,隨著高清視頻普及和傳輸?shù)綉魩挼纳壧岣撸ジ粜泄δ苣K也將逐步推出歷史舞臺。
視頻格式轉(zhuǎn)換芯片,國際半導(dǎo)體廠家的舞臺
視頻格式轉(zhuǎn)換技術(shù)是當(dāng)今信息領(lǐng)域的研究熱點之一,以美國和臺灣公司為主相繼推出多種芯片,如Genesis MicroelectroNIcs、Gennum Corporation、Trident、Trumpion(Taiwen)、Etron Technology、Macronix International、Philips Semiconductor、Sunplus Technology、i-chips等,國內(nèi)在該方面目前尚處于起步階段。
格式轉(zhuǎn)換技術(shù)其應(yīng)用場合要求它具有高實時性、低代價實現(xiàn),因此格式轉(zhuǎn)換研究從一開始就非常注重算法的ASIC化,在初期VLSI集成度比較小時,主要研究單幀線性內(nèi)插,以后隨著硅片集成度的提高,逐漸采用幀間的多幀算法的自適應(yīng)算法,到90年代后期,運動估計技術(shù)可以單片集成時,運動估計的格式轉(zhuǎn)換才蓬勃發(fā)展。今天,硅片的集成度還在不斷提高,隨著片上系統(tǒng)(SystemOnChip)成為可能,格式轉(zhuǎn)換將會發(fā)展出更加復(fù)雜、高效的技術(shù);可能的方向是運用更多幀的信息,進行更精確、復(fù)雜的運動補償。
隨著4k、8K液晶電視的推出,視頻格式轉(zhuǎn)換特別是縮放技術(shù)顯得尤為重要。目前很多4k電視,因為在視頻傳輸這塊還跟不上,大部分是采用視頻放大功能的。尚未成熟的8k更是如此。這里不得不提日本的視頻縮放公司i-chips,拋開愛國情懷不說,在視頻行業(yè)搞技術(shù)的從業(yè)者都對i-chips的產(chǎn)品肅然起敬。在縮放這塊,i-chips可以說是數(shù)10年如一日做這一產(chǎn)品,并且用工匠精神把它做到極致,如i-chips732等。還有日本的夏普,最新研發(fā)X8-MEP圖像處理引擎,無論是4K影像內(nèi)容還是電視信號或BD影像,引擎都會根據(jù)影像素材內(nèi)容對細節(jié)部分進行修正處理,以8K清晰度的高精細影像再現(xiàn)超越現(xiàn)。
視頻格式轉(zhuǎn)換芯片是顯示器系統(tǒng)中不可或缺的關(guān)鍵部件,我國是電視、各類顯示器的生產(chǎn)大國,但是,此類產(chǎn)品中的關(guān)鍵芯片目前大部份被美國或日本的芯片廠商所控制。國產(chǎn)的視頻芯片僅有華為海思、珠海全志幾家,尚未形成氣候。
視頻處理未來趨勢
更低的功耗,最理想的情況是高清終端本身的功耗降低到通過自然散熱即可穩(wěn)定工作的程度,隨著芯片工藝的不斷成熟,為低功耗提供了可能性。綠色地球,是大勢所趨。
更高的壓縮能力,隨著網(wǎng)絡(luò)市場對高清說頻產(chǎn)品的分辨率的要求不斷提高,一般的720P分辨率已經(jīng)有點提襟見肘,500萬、800萬甚至1200萬的像素需求在不斷涌現(xiàn),對不同格式碼流的需求也成為標準配置。這些對高清視頻芯片的壓縮能力提出了更大的挑戰(zhàn)。
智能分析整合,人臉識別,大數(shù)據(jù)分析等智能視頻技術(shù)蓬勃發(fā)展,越來越多的在實際應(yīng)用中得到普及推廣,隨著高清4k時代的到來,信息量成倍增加的前提下,智能視頻算法集成進去視頻芯片里邊已經(jīng)是勢不可擋。
視頻可從配置技術(shù),F(xiàn)PGA巨頭賽靈思reVISION 支持以最快速度打造響應(yīng)最快的視覺系統(tǒng),相比最具競爭力的計算嵌入式 GPU 和典型 SoC,將機器學(xué)習(xí)推斷的單位功耗圖像捕獲速度提升了 6 倍,將計算機視覺處理的單位功耗幀速度提升了 42 倍,時延降低為 1/5??梢灶A(yù)見,未來的視頻芯片集成reVision技術(shù)是必配。
縱觀國產(chǎn)視頻芯片的10年,海思半導(dǎo)體借助H.264/265的編解碼,協(xié)同???、大華、威創(chuàng)等國內(nèi)視頻應(yīng)用廠家,已經(jīng)在IP編解碼市場起到了引領(lǐng)作用。但是,在其他視頻處理芯片市場,國內(nèi)的半導(dǎo)體廠家還需要抓住視頻處理的趨勢,迎頭趕上。筆者預(yù)計,未來的視頻芯片具備上述4點趨勢,如果國內(nèi)半導(dǎo)體廠家能牢牢抓住,必將成為“站在風(fēng)口上的豬”。