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4K芯片争霸战开打 挑战为何?
H.265编码技术崛起

【作者: 陳韋哲】2013年07月26日 星期五

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如果要说什么是继20世纪以来最重要的发明,相信非「电视」莫属,举凡从最早期的真空管、晶体管电视时代直至现今随处可见的平面电视,电视的显示技术一直不断地创新变革与升级,一路从黑白显示晋升到彩色显示,让视听者不致于将「番石榴看做莲雾(台湾俗语)」,再由厚重机身转向轻薄化,电视的显示技术发展速度相当猛烈,各式各样的新技术接踵而来。



图一 : 电视的显示技术不断创新变革与升级,一路从黑白显示晋升到今日的超高画质时代。(图片:digitalministry.com)
图一 : 电视的显示技术不断创新变革与升级,一路从黑白显示晋升到今日的超高画质时代。(图片:digitalministry.com)

尤其在这几年陆续有不少电视厂商发布多款新型电视,纷纷将重点放在画质比起苹果Retina视网膜显示技术还要更引发视觉震撼的4K超高画质分辨率上,想要攻占视听者的眼球,也为低潮的平面电视市场点亮了一盏明灯。


随着电视尺寸越做越大,市面上已不乏60~80吋的电视产品,然而对这些大尺寸电视而言,如果还是维持着Full HD(1920×1080)分辨率就略显小家子气,毕竟这么大的屏幕若是仅有1080p的分辨率,像素点(Pixel)将会被突显的一览无遗。而4K是一种新的分辨率规格,最早是为数字电影量身设计,4K能够支持更高的分辨率与影像质量、更多的细节。4K之所以被称之为4K,主要是因为其支持水平像素达到4096 x2160 pixel,简言之,4K显示技术的影像质量是现阶段Full HD 1080p的4倍大。



图二 : 4K显示技术的影像质量是现阶段Full HD/1080p的4倍大。(图片:designtoptrends.com)
图二 : 4K显示技术的影像质量是现阶段Full HD/1080p的4倍大。(图片:designtoptrends.com)

对于4K显示技术的未来发展趋势,博通(Broadcom)资深副总裁暨宽带通讯事业群总经理Rich Nelson表示:「整个产业界其实都希望新技术能够挟带着新商机,但一项新的技术必须做到能够彻底让消费者接受且真正应用才算是成功,3D电视未能引发消费者及市场回响便是一个最好的例子,目前4K电视才算刚起步,仍然需要生态系内业者之间的协力配合,相信运动赛事转播将会是优先支持4K显示技术影音内容。」


FRC+SR补强2K讯源画质不足

然而,每当一个新规格的显示设备或显示技术推出,整个相关的产业链必须推出完整配套的影音内容,才能触动市场及消费者的目光。先前的Full HD以及3D甫推出时,便是遇到影音内容跟不上硬件发展速度的状况,而4K也不例外。


由于对画质呈现的精细度更加考究,再加上,4K TV着重在震撼视听者的视觉新感受,因此当画面出现抖动现象抑或是动态残影,画质不佳的影音内容便相当容易被察觉。不过,4KTV发展同样也发生硬件发展速度超前影音内容的难题,为了要解决在4K影音内容完备之前的方案,业界大多采用透过FRC(Frame Rate Conversion)芯片的方式来提升现有2K影片画素的不足。


意法半导体技术营销经理陈锡成针对FRC芯片表示,由于为了要增强运动画面的流畅度,以往都是采用MEMC(动态补偿)的方式,也就是在两帧图像之间插入一帧运动补偿帧,以便将50/60Hz画面的更新速率提升到100/120Hz,美中不足地是当动作复杂度高时,MEMC仍然会有光晕、模糊等问题。因此后来发展出FRC芯片,透过优化几何处理技术,以增强画质、提升流畅度与克服画面闪烁状况。


不过,透过FRC芯片仅能针对动态影像画质进行补偿,为了弥补静态影像画质的补偿需求,陈锡成进一步表示,芯片厂商都会采取FRC芯片另外搭配Super Resolution(SR,增强影像分辨率的技术)的方式,此作法透过更好的演算方法同时针对静态画面以及动态画面进行演算,以得到更高分辨率的影像。



图三 : 为了因应4K影音内容不足,芯片厂商采用透过FRC芯片搭配Super Resolution的进阶作法。(图片:www.icst.pku.edu.cn)
图三 : 为了因应4K影音内容不足,芯片厂商采用透过FRC芯片搭配Super Resolution的进阶作法。(图片:www.icst.pku.edu.cn)

然而现阶段采用FRC芯片搭配Super Resolution的解决方案虽能够补强4K影音内容不足的问题,但这仍是治标不治本的作法。为了能够让真正的4K影音内容追赶上4K电视的发展,除了更多4K影片的拍摄外,视频压缩也是一项不可或缺的重要影像技术,而H.265将是不可或缺的新一代编译码技术。


H.265编码技术崛起:

早在数字电视初次导入到英国时,就已经开始应用视频压缩技术,目的就是为了给视听者观看更多不同的频道,而当时所采用的视频压缩编码技术便是H.264。目前H.264已是主流的视频压缩编码技术,不过,随着视听者对于影音娱乐需求越来越高涨,使得H.264/MPEG-4 AVC已经不敷现今超高画质影片所需,因此加速引发新一代H.265视频压缩编码技术崛起。


H.265标准又称HEVC(High Efficiency Video Coding),它是在H.264标准的基础上发展起来的。透过HEVC的视讯编码压缩技术能够让相同的的画面及质量的电影文件容量大小缩减一半,所需耗时下载的时间也能缩减一半,为有限的网络带宽提供了完美的解决方案。简单来说,与H.264相比,H.265在处理1080p高画质影片编码时,虽然压缩比为H.264的两倍,但却不影响清晰度。


结合H.264在视讯应用的重要角色,能够预见H.265标准协议在未来的大好前景。H.265/HEVC编码架构与H.264/AVC相似,主要分为两个部分,网络提取层和视讯编码层。HEVC的网络提取层和H.264/AVC相同,在封包传输上亦使用网络提取层,其设计的目的主要是为了提供网络友善性的服务,让视讯编码层在网络传输上更为方便和有效率。


而在视讯编码层方面也大致上和H.264/AVC的架构相似,包含了画面内预测、画面间预测、量化、熵编码、去区块滤波器、转换。HEVC为了达到更佳的压缩率,采用比起以往更加复杂、精准的编码架构,包括比起H.264/AVC更多选择的区块大小、更多种画面内及画面间的预测模式、全新的内嵌式循环滤波器,使其预测可以更加准确,达到更低的比特率。虽然编码效能提升,但因这些架构使得编码端的复杂度大大提升。



图四 : H.265在处理1080p高画质影片编码时,虽然压缩比为H.264的两倍,但却不影响清晰度。(图片:collegetimes.ie)
图四 : H.265在处理1080p高画质影片编码时,虽然压缩比为H.264的两倍,但却不影响清晰度。(图片:collegetimes.ie)

芯片商4K追逐赛开打

在今年CES 2013大会上,许多厂商都相继宣布推出4K超高分辨率电视及相关解决方案,更表示运用H.265的HEVC编码技术能够将超大容量4K电影刻录到一张蓝光光盘中,以缓解以往H.264编码方式造成影音档案过大的问题。


不少一线芯片大厂已嗅到H.265的发展商机,如意法及博通等都纷纷加入开发H.265芯片的行列。陈锡成指出,如果将H.265芯片整合到电视SoC,除了能够有效减少电路板的使用空间,还有助于降低成本。


然而,博通看好的是数字机顶盒的未来发展,选择从数字机顶盒方向下手。博通资深副总裁暨宽带通讯事业群总经理Rich Nelson表示:「4K目前炙手可热,每一家厂商都希望全力支持4K,无不希望4K能够跟当时的HD TV一样一战成名,而高解析影音传输以及数据同步等联网需求持续升温,促使小尺寸以及低成本的STB芯片市场需求涌现、竞争也日趋白热化。」


针对传输4K电视所需的超高画质内容,Rich Nelson进一步指出,该公司新款译码器芯片支持新一代H.265/HEVC视频压缩编码技术,让网络下载视讯所需时间仅为以往的50%,同时让数字机顶盒(STB)能够提供更高的译码效率、CPU处理效能和家庭网络传输率。


虽然目前行动装置设备上的影音串流需求大多以1080p为主,不过随着有越来越多的电视以及相关影音录制设备陆续往4K画质之路迈进,此股发展巨浪势必带动行动处理器芯片相继支持4K影片,而身处于行动处理器芯片阵营的Qualcomm以及NVIDIA自然不会缺席,例如NVIDIA推出Tegra 4、高通则祭出Snapdragon 800来支持4K,宣示决战4K行动视讯译码的决心。



图五 : 行动处理器芯片陆续支持4K视讯译码功能。(图片:digitaltrends.com)
图五 : 行动处理器芯片陆续支持4K视讯译码功能。(图片:digitaltrends.com)

结论

至于未来4K电视发展的方向会是如何,基本上要看是朝向以整合式的形式设计(需要将数字机顶盒的功能芯片设计在电视PCB板上)或者是以单独通过数字机顶盒(STB)处理超高分辨率讯号。


陈锡成对此表示,由于在机顶盒完成超高分辨率的设计会简单些,机顶盒在针对有线、卫星等讯源、频道译码等不同格式进行处理后,再将超高分辨率的影像传送到电视,最后电视芯片只需根据屏幕尺寸、亮度等进行数据流处理即可。相较之下,采取整合式设计所面临到的设计挑战及问题会更多且更复杂,因此现阶段并不看好。


虽然目前4K的影音内容尚不足,但已是未来的发展趋势,尤其这几年在行动装置端上的高画质影音串流需求持续升温,相信只要相关产业链动员起来,4K普及的速度将不逊于Full HD。


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