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行动影音应用关键 - 串流技术
 

【作者: 張文村】2004年07月26日 星期一

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随着信息产业的蓬勃发展,因特网的应用益发凸显出其讯息传播的重要性,尤其最近非常热门的3G与WLAN,强调的便是更大的传输带宽,以及更多的服务,使得所谓行动网络(Mobile Internet)及其服务,尤其是串流影音等相关应用,将成为众所瞩目的明日之星。因此本文便针对在行动网络上所谓串流影音(Streaming media)的发展,作一简要介绍,以期能协助大众一窥其中奥妙之处。


行动影音应用服务之产业趋势

有鉴于英、美、日、韩等资通讯先进发展国家积极发展数字内容产业,行政院推动「两兆双星」计划,希望藉由国内行动通讯与网络硬件产业的优势发展下,将数字内容产业列为国家重点发展产业,而其中「数字影音应用」与「行动应用服务」领域,若能配合各种信息娱乐(Infotainment)服务,将可为手机制造商、行动电信商及信息娱乐服务供货商,创造更庞大的商机。


根据顾问公司Accenture的调查数据指出,全球行动内容市场的经济规模,将在2006年达到164亿美元,其中手机铃声与图片影像的营收,大约就占了整体行动内容市场的一半,而与娱乐相关的产值则高达60%,因此未来数字影音应用,与网络整合所衍生之产业,将带来无限商机。以下几项市场动态,证明此一产业所造成之市场冲击:


  • ● 美伊战争开打前夕,美国ABCNews.com推出串流影像付费服务,结果当年3月19日起五天的收视人数,比前一周同期五天增加200%。


  • ● 苹果计算机推出窗口版iTune网络唱片行服务,三天内已超过100万人次下载iTune软件,同时iTune网络唱片行也在三天内卖出超过100万首次歌曲给窗口版用户。iTune的苹果计算机版当年4月底推出后,曾在两个月内创造销售500万首次歌曲佳绩。


  • ● 新加坡StarHub移动电话公司与Hub TV电视频道合作,推出电视节目与手机简讯推广活动,观众以手机传给Hub TV的简讯都会被秀在电视画面上,结果受到许多观众的热烈回响,六天活动期间,总共收到14万通手机简讯,平均每分钟收到SMS及MMS达39通。



而未来行动网络,都是为未来无线通信服务的,将包括语音、数据、影像等大量多媒体信息透过宽带的信道传送出去,不仅是为了因应用户数的增加,更重要地是,必须要因应网络多媒体的传输需求,当然还包括通讯质量的要求。因此未来行动网络的愿景,可以用一句话表示,那便是「随时随地,透过任何网络,获取所需的数据」(Get any data from any device through any network)。


如图一所示,透过Mobile Internet可以在网络上阅读电子报,下载最新股市行情或与朋友联机打场桥牌;利用行动装置则可以观赏最新院线片的预告片或者是替代现在自动提款机,进行查询、转账、缴税等金融业务,而这将是行动影音应用服务大展身手的时刻。


《图一 未来行动网络愿景架构》
《图一 未来行动网络愿景架构》

行动终端影音相关系统架构

行动影音串流是行动通讯市场的杀手级应用(Killer Application)之一,电信业者也早已针对此应用进行布局,现有的MMS服务即是视讯串流的先导应用。过去从网络上观看影片及收听音乐,都要将影音档案下载至计算机储存,才可以点选播放,不仅耗时,也占用相当大的硬盘空间。串流技术则是利用网络上的封包传输,将数据像流水一样传送给用户,降低网络流量的负荷。其中最关键的技术在压缩方面,要将影片或声音文件压缩成至源文件大小的10、20分之一,甚至更小,但其质量又不能失真。尤其针对「可携式媒体播放器(PMP)」此类可供用户随身携带的数字影音播放设备(如Apple的iPod和Sony的PSP)而言,传统的MPEG-1/2已经无法满足其需求,因此所需之技术挑战就更加地严峻。


而为免行动影音串流服务落入MMS发展初期的困境,即因影音内容格式标准不一而阻碍讯息的流通性,3GPP已制定出行动视讯串流标准,其所支持之图像文件格式为H.263及MPEG-4,而声音档格式则以MPEG-4 ACC为主;针对语音(speech)传输方面,其文件格式则支持AMR格式。至于在传输模式上,影音串流服务则以串流服务器,视讯内容是透过串流服务器传送至手机,如图二所示。


《图二 行动影音串流架构》
《图二 行动影音串流架构》

至于PMP相关软硬件系统架构,各家厂商均有其独特之处,在此以Intel所提出之架构图三、图四作为参考:硬件方面,不外乎具备CPU(或是所谓媒体处理器),主要工作为影音解压缩之工作,以及档案存取管理;除此之外,HDD接口则是针对内建之高容量储存装置(一般而言是硬盘为主,或是记忆卡读取装置)。而与PC链接部份,主要是利用目前常用之界面,如USB、IEEE 1394、WLAN等。至于系统软件部份,亦主要是针对解压缩、档案管理以及连接控制等,提供软件/韧体之模块,与相关硬件整合运作。因此PMP的操作系统较之PC简化许多,而具有为特定嵌入式平台量身定做之特性,这类情形造成非一家独大之局面,因此也是许多厂商逐鹿这块市场之诱因所在。


《图三 PMP硬件架构》
《图三 PMP硬件架构》
《图四 PMP系统软件架构》
《图四 PMP系统软件架构》

行动影音串流文件格式与标准

数字数据虽然比传统模拟数据便于储存与传输,但所需储存的数据量却十分庞大,举例来说,标准模拟画质画面转换成数字数据时,一小时的数据量约为360GB,而处理高画质画面时,更高达每小时4,300GB,因此若不经过压缩处理,在传输或储存的硬件需求方面便十分惊人,所以影音数据压缩的需求,便显得更加重要;而在PMP架构下,由于其储存空间以及传输环境,较之PC而言,更加受到限制,因此如上述文章所述,传统MPEG-1/2之压缩方式,便不符合需求。因此在PMP影像压缩上所应用之标准,大致上可分为MPEG-4、H.264、WMV(Windows Media Video )等三大类,以下便将此三类压缩技术作进一步说明。


MPEG-4

MPEG-4系于1999年由国际标准化组织MPEG(Moving Picture Expert Group)所制定完成的影音压缩标准。随着无线网络传输视讯、家庭娱乐系统的需求逐渐浮现,相关应用便成为次世代影像压缩技术成长的动力。基本上影像压缩是在画面质量与传输速率上作一权衡,MPEG-4是采用与MPEG-1/2不同的压缩技术,是将视讯画面以object-based方式分析为前景、背景,再记录动态轨迹,而MPEG-2则是以frame-based方式,将视讯画面切割成macro blocks,再处理redundancy,因此MPEG-4得以具有高度的压缩比。


有别于MPEG-1/2应用于传统固定带宽之影音压缩,MPEG-4在高带宽环境下能传输高质量的影像,在窄频环境下也能提供媲美MPEG-2的影像质量,因此适用于Internet和行动通讯等领域。此外上述的object-based编码亦为MPEG-4的特色之一,它可将视讯、音频、文字、2D或3D对象分别独立编码,再以阶层方式组合成媒体串流,便可依接收端不同的带宽需求而调整播放质量或展现特定影音对象,使其服务具有互动性和灵活性。


目前在串流媒体市场上支持MPEG-4标准,共有三大派别彼此相互竞争厮杀:微软、Real Networks、Apple。微软拥有自行开发的MPEG-4 codec,而Real Networks、Apple则支持MPEG License Alliance开放标准。这种标准之战,当有越多用户支持或使用该播放器,也就表示该影音标准越普及;而一旦成为主流,就会成为所谓de facto standard(市场上的标准),所有软硬件开发上就必须向其靠拢。这也就是为什么微软不惜开出低价MPEG-4 codec授权金,而招致MPEG LA严重抗议的缘由。


H.264

H.264的产生,则是另种「分分合合」的故事:分属通讯与信息领域的两大组织ITU与MPEG,长年来在影音压缩标准制定方面,属于泾渭分明,竞争却又互不侵犯的态势,但也因而造成产业界的困扰。因此在因缘际会下,ITU旗下的VCEG(Video Coding Experts Group)与MPEG共同制订出一种新的压缩标准,在ITU规范下称为H.264,而在MPEG-4中则归类为MPEG-4 Part 10或AVC(Advanced Video Coding)。


H.264具备有面向对象互动、合成场景、多平台等特性,但不同之处在于H.264包含网络调节层(Network Adaptation Layer),提供在不同网络上交换或传输的机制,因此具有较好的带宽利用率,而这正是许多厂商意欲支持H.264的原因。但由于H.264的运算复杂度相对来的高,通常需要依赖强大效能的编译码芯片才能达到时间效能的需求,因此产品成本与硬件需求限制,则成为它的市场发展限制因素之一。


H.264的授权,亦如同MPEG-4一般,由MPEG LA统一承办。有关H.264专利授权方面,大致分成两部分:(1)对于嵌入H.264技术的编译码器制造商,便依据其产量予以分级收费,同时并规范出各年度权利金上限,费用介于350~500万美元之间。(2)针对传送H.264视讯的信道业者,则有“Title-by-Title”、“Subscription”、“Over-the-air free broadcast”等收费方式,详细内容请向MPEG LA洽询。不过H.264专利授权条件还有一些争议,特别是引起广播、信道业者的反弹,故其专利授权体系能否获得厂商的支持,则成为是否荣登影像压缩标准主流的一大关卡与考验。


WMV 9/10

微软近年来发表Windows Media Player 9 & 10,声称支持MPEG-4。但所指称的「MPEG-4」是则微软自行研发的MPEG-4 like的影音编译码技术。微软意欲借着个人计算机操作系统的霸主身分,挟带其专属的影音多媒体功能进入消费者市场。如果微软的MPEG-4格式在这场战役之中获胜,成为多数拥有者的一方,那么未来开发或修改MPEG-4格式,都必须征得微软的同意。


微软的WMV9(Windows Media Video 9),声称压缩后能将DVD质量的视讯数据以1.3Mbps或2Mbps的速率传输,能透过ADSL传送DVD数据。其定位锁定在Media Center产品,而最近所提出之WMV 10,则特别针对可携式产品量身订做,将分别藉由Media Center与Portable Media Center等产品攻占影像压缩市场。最近WMV与WMA也获DVD论坛通过,与MPEG-2、H.264同列DVD标准。


未来WMV、MPEG-4与H.264在争取次世代影像压缩主流标准上将出现激烈竞争,其中较关键的将是授权环境,若H.264与MPEG-4在授权议题上无法与业者达成双赢的协议,对微软的WMV来说,将是抢夺PMP串流影音档案之主流标准的大好机会。


相关应用与技术之整合

就从PMP产品演变蓝图的观点而言,对半导体厂商来说,欲从PC跨足到消费性电子领域,MPEG编译码器可说是一条快捷方式。在产品应用上,MPEG-4适用于行动装置、交互式DVD、网络串流等应用,另外,由于MPEG-4在IP网络上有较佳的表现,部分STB厂商也着手开发MPEG-2、MPEG-4双模,或直接采用MPEG-4译码器的STB;至于H.264,目前大多数厂商发展方向较着重于基线协议(Baseline Profile),主要用于行动电视、视频会议与视讯电话,要大量切入PMP产品领域,则需要先行克服授权与硬件成本与效能之门坎。至于WMV,则视微软是否能成功地在PMP市场上占有足以成为de facto standard的地位,才算是之真正的成功。


下一波杀手级应用 - 行动电视

就产品层面来说,依据各方面的分析与预测,下一波成长动力可望发生在PMP的新兴应用「行动电视」,亦即是在手机、PDA等行动终端传送视讯、收看数字电视,无疑是吸引消费者的杀手级应用。日前欧规数字视频广播小组(DVB)已针对手持设备平台,提供数字电视之服务需求,制订DVB-H规格,而欧洲、日韩一些大厂也已经开始布局,诸如美国Sand Video、日本MBC行动广播公司与韩国的SK Telecom等,均推出以H.264与MPEG-4视频压缩技术为基础之行动电视应用服务。虽然行动电视的环境还未臻成熟,但不可否认的是:行动电视不但是下一波杀手级应用,对PMP以及所属行动影音串流之应用来说,更是一股正向成长的助力。


结语

在行动通讯时代下,人们面临三个重要的环境冲击:数字内容仍呈现爆炸性的成长且内容多元化、整合性的数字聚合服务、使用装置环境感知化且人本化,在此三项冲击下,便产生「优质人性化行动生活」的愿景,以协助提升人民的生活质量与社会的和谐。然而要达成这种愿景,如何透过本文所述Portable media player以及所属应用,将可以为各种服务带来人性化的观念,让用户可以轻松使用服务与装置,减少消费者的不满及负担。因此对PMP而言,想要获得较佳的销售成绩,在未来产品推出上除了连接性、功能、省电及价格外,包容高质量与高效能之媒体播放格式,也将是想在众多行动娱乐脱颖而出所强调的特色。


未来行动影音串流在mobile internet应用的技术可以预见,但在行动网络象征「无所不在、无所不能」的新通讯时代(Always on,Always there,Everywhere)。大趋所趋下,如何藉由国内硬件与通讯产业的良好基础上,构建出行动影音串流的优势,以协助国内产业在这次潮流中拔得头筹,甚至保持领先,而这便是我们国内产官学研各界必须深思的问题。


(作者为资策会网络多媒体研究所创意多媒体中心主任)


延 伸 阅 读

网络多媒体传输技术面面观
多媒体内容数量(Multimedia content) 的快速成长,促使相关的多媒体通讯技术受到政府与产业界极大的关注。本文除了介绍多媒体传输技术之外,也将简单介绍目前的视讯、音频与影像的压缩编译码标准。

H.264技术特色与广播视讯应用方案
H.264的主要计划目标为发展高效能的视讯编码标准,方法则是从最基本原理出发,利用众所熟悉的建构方块,完成最简单直接的设计。本文将以H.264为重点,概述其重要技术特色与应用方案,为一概略性的探讨。
由DivX看全球影像下载新浪潮
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相关组织网站
MPEG官方网站
MPEG-4产业论坛
ITU官方网站
微软WMV高画质规格网站
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