数字相机在市场出现还不到几年时间，已大幅改变消费性影像产业，目前全世界相机销售量中，数字产品约占三分之一，而且比重还在稳定增加。百万像素等级的数字相机提供越来越高分辨率的影像，画质已媲美传统胶卷相机；同时，崭新的智能型操作模式，帮助用户在各种环境中拍摄出更好的照片，视频模式也成为消费性数字相机的标准功能，它能让用户迅速捕捉多个画面，以便有更多照片供他们选择；消费者还能在重要事件发生时，拍摄短片做为记录。除此之外，数字相机也开始与移动电话结合，让用户能从任何地点迅速传送相片和短片。

由于变动快速的数字相机市场越分越细，厂商必须继续利用技术创新，加速产品的差异化；今天，这些创新做法之一是将MPEG-4视频压缩，用于以高效能DSP（Digital Signal Processor；数字信号处理器）为基础的消费性数字相机，MPEG-4标准将使数字相机更有效地提供视讯和其它操作模式，不但增加视频剪辑的储存量，还支持强健可靠的影片传输。DSP，特别是架构支持快速图像处理的组件，为低价位相机提供MPEG-4编码和译码所需的运算效能，可程序能力则让厂商将同样的DSP平台用于整个数字相机产品线，并透过软件为各项产品提供优化的图像处理能力。

新的压缩标准

传统上，数字相机都依赖JPEG压缩标准，此标准主要用来储存图片，在因特网上的应用极为广泛。压缩数据时，JPEG会利用离散余弦转换（Discrete Cosine Transforms；DCT）和量化技术，从8×8像素组成的最小编码单元（minimum coded unit）的数据描述中除去大部份的空间冗余性；然后，这套算法使用熵编码（entropy coding）或是可变长度编码（Variable-Length Coding；简称VLC）技术进一步压缩影像数据，使它们更容易储存或传输，影像解压缩则会逆向执行上述步骤。虽然压缩比必须视影像内容而定，但整体而言，JPEG算法至少能将像素数据压缩一个数量级，而不会影响视觉感受。

动态影片和视讯的MPEG标准首先会使用与JPEG相同的框内（intraframe）技术压缩基准静态画面（baseline still image），又称为I图框，然后再利用其它框间（interframe）技术除掉后面图框带来的空间冗余性。基本上，框间技术会将每个图框分成多个16×16像素的宏区块（macroblock），将它们与前一个图框进行比较，然后使用移动估算（motion estimation）和补偿来描述这些宏区块在各图框间的移动情形；这些被预测的图框又称为P图框，它们只需描述自己与前面一个图框之间的差异。算法还会定期执行I图框编码，其间隔时间可由应用设定。

(图一)是普通MPEG视频压缩过程，上半部是从输入到输出的框内压缩步骤，包括离散余弦转换、量化及可变长度编码，它们已足以产生I图框。要产生P图框，必须将刚编码完成的图框译码结果储存至本地图框缓冲区，再将每个区块的内容与后面一个图框进行比较 （也就是移动估算），以便执行框间压缩；视讯译码则涉及图下方的步骤，包括逆向量化、逆向离散余弦转换和移动补偿。除了图中所示之外，MPEG标准还包括音频的压缩及解压缩算法，它们都有自己的执行流程。

《图一 MPEG视频压缩流程》

MPEG-4多媒体标准

MPEG标准不断进步，以便跟上新推出的视讯应用。原始MPEG-1标准在发展时，主要用于大量数据储存和读取系统，例如交互式CD-ROM和VCD。不久后，此项标准改进为MPEG-2，以便支持高画质电视所需的更高分辨率、更多种格式以及数字编码应用；由于获得DVD采用，MPEG-2的应用更加广泛。MPEG-7标准则直接锁定视讯数据库的需求，它能描述数据内容，以利信息检索。

MPEG-4主要用来支持交互式多媒体应用，包括经由无线连接所提供的各种应用，它与基准H.263视频压缩标准采用相同算法。相较于先前的MPEG标准，MPEG-4拥有更良好的压缩能力，可得到更精简的影像和更强大的抗错性（error resilience），进而提供更强健的数据传输支持；此外，MPEG-4还能将多种类型的对象引入图框内，让不同的影像和绘像素素能被单独的定义、压缩、传送和重新组合。另一方面，虽然这项标准已有能够支持对象的功能，但真正的实作仍然有待发展；在此之前，包括数字相机在内的绝大多数MPEG-4应用将继续使用单一对象，由它代表整个画面图框。

高压缩效率

随着影片内容不同，特定片段的压缩比会有很大的差异；整体而言，MPEG压缩技术能于M-JPEG之上，再将压缩比提升一个数量级，M-JPEG是由同样分辨率的连续JPEG图框组成。使用框间技术还能进一步提升压缩比，视讯图框通常约有10万像素（352×288像素，CIF分辨率）或大约2.5万像素（176×144像素，QCIF分辨率），而不是JPEG常使用的200至250万像素；高画质照片或许无法接受分辨率降低至这种程度，然而加上它的视讯撷取功能，已经能实现许多消费性数字相机的要求。

MPEG-4算法利用压缩技术的改良，将先前MPEG标准的压缩比提升约20％，这种高水平的压缩能力使得MPEG-4在处理每秒15格画面的QCIF视讯时，能将4.5 Mbps的原始视讯数据压缩至64 kbps以下，并维持合理的视觉质量。在数字相机中，MPEG-4压缩能于内存中储存超过M-JPEG好几倍的视讯画面。

更强大的抗错性

MPEG-4也增加数种新的抗错性技术，这是很有用的功能，因为越来越多用户开始将数字相机拍摄的照片和影片传送给他人；随着照相手机日益普及，强健可靠的传输更将成为不可或缺的功能。MPEG-4抗错性技术包括：

对于DSP效能和弹性的需求

由于框间移动估算和补偿还涉及其它的步骤，MPEG-4压缩及解压缩所需的处理运算远超过JPEG，因此数字相机的图像处理引擎必须提供更强大的运算效能。ASIC虽能达成这项要求，它却很难配合不同数字相机产品的图像处理管线；另一方面，可程序DSP不仅提供MPEG-4算法所需效能，还可以透过软件修改，针对不同的系统提供优化支持。同样的DSP在经由程序设定后，甚至能执行JPEG算法以便用于更高分辨率的数字相机，如此一来，整个数字相机产品线只需一套DSP平台，不但能增加产品的独特性，在发展过程中亦可省下可观的时间和成本。

包含图像处理架构的DSP范例

以TI的数字媒体处理器为例，该专为数字相机等产品的影像应用而设计的DSP组件，是以多处理器架构为基础，内建ARM7 32位RISC处理器，可用来执行非影像功能，并担任整个系统的主处理器；另外是可程序C54x DSP核心，负责执行音频的编码与译码。此外，该组件还整合多颗可程序协同处理器，专门设计来处理运算量最庞大的影像作业，其中一颗协同处理器是SIMD图像处理引擎（iMX），负责执行离散余弦转换、逆向离散余弦转换、移动估算和补偿以及许多图像处理运算，其它协同处理器则会执行可变长度编码和译码、量化及逆向量化。

(图二)是范例DSP组件的主要功能方块和流程，除了主处理器外，这颗组件并整合高速缓存和影像区块缓冲器，还有外部内存的控制，CCD、液晶显示器或电视输出，以及透过多只通用I/O接脚所提供的其它通讯界面。专属的影像前置处理硬件也能替主处理器分担部份工作，例如白平衡（white balancing）、自动曝光和自动聚焦。

在外部零件方面，它只需要SDRAM就能组成完整的数字相机图像处理引擎。MPEG必须保留额外图框以执行移动估算及补偿，例如在QCIF（176×144）分辨率下，它大约需要110 kByte的SDRAM内存来执行编码运算。而组件包含高整合度的特殊架构，不但支持30 fps以上CIF（352 ( 288）分辨率的MPEG-4编码作业，译码时更能将像素处理能力增加50％，也就是在HVGA（640 ( 240）分辨率下，达到30 fps以上的速率。这颗组件还支持多媒体所用的其它重要视讯、音频和语音标准，并能搭配专门担任移动电话引擎的DSP组件。

《图二 数字媒体处理器架构》

照相手机和其它新应用

在变化快速的消费性影像视讯市场上，可程序能力的重要性可说是无庸置疑。数字相机正迅速演进至新应用，照相手机就是个例子，它们能拍摄相片和简短影片，并将拍摄内容传送出去，这类产品早已在市场出现。MPEG-4数据可嵌入多媒体简讯（MMS）的协议层迭（protocol stack），让视讯封包得以透过无线IP网络简讯服务的业界标准，轻易传送至其它任何无线网络。

厂商或许也要DSP提供的弹性，以便设计其它类型的相机系统，例如支持H.324视频会议的产品，许多无线产品也提供此项功能，这些支持视频会议的无线电话利用H.263或MPEG-4进行视讯的编码和译码；对于Session Initiation Protocol（SIP）的支持也可能有其需要，这种协议能把简讯传送和视频会议结合在一起。MPEG-4还会继续进步，例如提供能够支持对象的各种profiles，这可能会使得厂商想要重新设定（reprogram）已销售或发展中的产品，新出现的MPEG-4 AVC先进视讯编码标准（又称为H.264标准）的更大压缩密度就是这类进步之一。可程序DSP就能支持其中任何标准或者其它标准，进而协助影像系统发展厂商将他们的产品差异化，为新的市场需求预做准备。

结语

数字相机仍有很长的路要走，才能在画质方面与最精密的传统胶卷相机媲美，但是在低阶市场上，数字相机却能提供任何传统相机都无法匹敌的视讯及其它功能。今天，数字相机厂商已发现利用MPEG-4的更高压缩比和更大抗错性，他们就能提供消费者想要的更多功能。可程序DSP把实作MPEG-4算法所需的效能提供给低价位数字相机，这能为厂商带来弹性，以便支持高度区隔化的市场，满足它们的不同需求。

以DSP为基础的MPEG-4压缩还开启许多新的应用商机，例如将数字相机和无线仪表整合在一起，并于未来支持其它类型应用；在MPEG-4以及DSP的携手合作下，低价位消费性数字相机的未来仍将非常乐观，让用户可放心享受拍照的乐趣。

（作者任职于德州仪器TI）