數位相機在市場出現還不到幾年時間，已大幅改變消費性影像產業，目前全世界相機銷售量中，數位產品約佔三分之一，而且比重還在穩定增加。百萬像素等級的數位相機提供越來越高解析度的影像，畫質已媲美傳統膠卷相機；同時，嶄新的智慧型操作模式，幫助使用者在各種環境中拍攝出更好的照片，視訊模式也成為消費性數位相機的標準功能，它能讓使用者迅速捕捉多個畫面，以便有更多照片供他們選擇；消費者還能在重要事件發生時，拍攝短片做為記錄。除此之外，數位相機也開始與行動電話結合，讓使用者能從任何地點迅速傳送相片和短片。

由於變動快速的數位相機市場越分越細，廠商必須繼續利用技術創新，加速產品的差異化；今天，這些創新做法之一是將MPEG-4視訊壓縮，用於以高效能DSP（Digital Signal Processor；數位訊號處理器）為基礎的消費性數位相機，MPEG-4標準將使數位相機更有效地提供視訊和其它操作模式，不但增加視訊短片的儲存量，還支援強健可靠的影片傳輸。DSP，特別是架構支援快速影像處理的元件，為低價位相機提供MPEG-4編碼和解碼所需的運算效能，可程式能力則讓廠商將同樣的DSP平台用於整個數位相機產品線，並透過軟體為各項產品提供最佳化的影像處理能力。

新的壓縮標準

傳統上，數位相機都依賴JPEG壓縮標準，此標準主要用來儲存圖片，在網際網路上的應用極為廣泛。壓縮資料時，JPEG會利用離散餘弦轉換（Discrete Cosine Transforms；DCT）和量化技術，從8×8像素組成的最小編碼單元（minimum coded unit）的資料描述中除去大部份的空間冗餘性；然後，這套演算法使用熵編碼（entropy coding）或是可變長度編碼（Variable-Length Coding；簡稱VLC）技術進一步壓縮影像資料，使它們更容易儲存或傳輸，影像解壓縮則會逆向執行上述步驟。雖然壓縮比必須視影像內容而定，但整體而言，JPEG演算法至少能將像素資料壓縮一個數量級，而不會影響視覺感受。

動態影片和視訊的MPEG標準首先會使用與JPEG相同的框內（intraframe）技術壓縮基準靜態畫面（baseline still image），又稱為I圖框，然後再利用其它框間（interframe）技術除掉後面圖框帶來的空間冗餘性。基本上，框間技術會將每個圖框分成多個16×16像素的巨集區塊（macroblock），將它們與前一個圖框進行比較，然後使用移動估算（motion estimation）和補償來描述這些巨集區塊在各圖框間的移動情形；這些被預測的圖框又稱為P圖框，它們只需描述自己與前面一個圖框之間的差異。演算法還會定期執行I圖框編碼，其間隔時間可由應用設定。

(圖一)是普通MPEG視訊壓縮過程，上半部是從輸入到輸出的框內壓縮步驟，包括離散餘弦轉換、量化及可變長度編碼，它們已足以產生I圖框。要產生P圖框，必須將剛編碼完成的圖框解碼結果儲存至本地圖框緩衝區，再將每個區塊的內容與後面一個圖框進行比較 （也就是移動估算），以便執行框間壓縮；視訊解碼則涉及圖下方的步驟，包括逆向量化、逆向離散餘弦轉換和移動補償。除了圖中所示之外，MPEG標準還包括音訊的壓縮及解壓縮演算法，它們都有自己的執行流程。

《圖一　MPEG視訊壓縮流程》

MPEG-4多媒體標準

MPEG標準不斷進步，以便跟上新推出的視訊應用。原始MPEG-1標準在發展時，主要用於大量資料儲存和讀取系統，例如互動式CD-ROM和VCD。不久後，此項標準改進為MPEG-2，以便支援高畫質電視所需的更高解析度、更多種格式以及數位編碼應用；由於獲得DVD採用，MPEG-2的應用更加廣泛。MPEG-7標準則直接鎖定視訊資料庫的需求，它能描述資料內容，以利資訊檢索。

MPEG-4主要用來支援互動式多媒體應用，包括經由無線連接所提供的各種應用，它與基準H.263視訊壓縮標準採用相同演算法。相較於先前的MPEG標準，MPEG-4擁有更良好的壓縮能力，可得到更精簡的影像和更強大的抗錯性（error resilience），進而提供更強健的資料傳輸支援；此外，MPEG-4還能將多種類型的物件引入圖框內，讓不同的影像和繪圖元素能被單獨的定義、壓縮、傳送和重新組合。另一方面，雖然這項標準已有能夠支援物件的功能，但真正的實作仍然有待發展；在此之前，包括數位相機在內的絕大多數MPEG-4應用將繼續使用單一物件，由它代表整個畫面圖框。

高壓縮效率

隨著影片內容不同，特定片段的壓縮比會有很大的差異；整體而言，MPEG壓縮技術能於M-JPEG之上，再將壓縮比提升一個數量級，M-JPEG是由同樣解析度的連續JPEG圖框組成。使用框間技術還能進一步提升壓縮比，視訊圖框通常約有10萬像素（352×288像素，CIF解析度）或大約2.5萬像素（176×144像素，QCIF解析度），而不是JPEG常使用的200至250萬像素；高畫質照片或許無法接受解析度降低至這種程度，然而加上它的視訊擷取功能，已經能實現許多消費性數位相機的要求。

MPEG-4演算法利用壓縮技術的改良，將先前MPEG標準的壓縮比提升約20％，這種高水準的壓縮能力使得MPEG-4在處理每秒15格畫面的QCIF視訊時，能將4.5 Mbps的原始視訊資料壓縮至64 kbps以下，並維持合理的視覺品質。在數位相機中，MPEG-4壓縮能於記憶體中儲存超過M-JPEG好幾倍的視訊畫面。

更強大的抗錯性

MPEG-4也增加數種新的抗錯性技術，這是很有用的功能，因為越來越多使用者開始將數位相機拍攝的照片和影片傳送給他人；隨著照相手機日益普及，強健可靠的傳輸更將成為不可或缺的功能。MPEG-4抗錯性技術包括：

對於DSP效能和彈性的需求

由於框間移動估算和補償還涉及其它的步驟，MPEG-4壓縮及解壓縮所需的處理運算遠超過JPEG，因此數位相機的影像處理引擎必須提供更強大的運算效能。ASIC雖能達成這項要求，它卻很難配合不同數位相機產品的影像處理管線；另一方面，可程式DSP不僅提供MPEG-4演算法所需效能，還可以透過軟體修改，針對不同的系統提供最佳化支援。同樣的DSP在經由程式設定後，甚至能執行JPEG演算法以便用於更高解析度的數位相機，如此一來，整個數位相機產品線只需一套DSP平台，不但能增加產品的獨特性，在發展過程中亦可省下可觀的時間和成本。

包含影像處理架構的DSP範例

以TI的數位媒體處理器為例，該專為數位相機等產品的影像應用而設計的DSP元件，是以多處理器架構為基礎，內建ARM7 32位元RISC處理器，可用來執行非影像功能，並擔任整個系統的主處理器；另外是可程式C54x DSP核心，負責執行音訊的編碼與解碼。此外，該元件還整合多顆可程式協同處理器，專門設計來處理運算量最龐大的影像作業，其中一顆協同處理器是SIMD影像處理引擎（iMX），負責執行離散餘弦轉換、逆向離散餘弦轉換、移動估算和補償以及許多影像處理運算，其它協同處理器則會執行可變長度編碼和解碼、量化及逆向量化。

(圖二)是範例DSP元件的主要功能方塊和流程，除了主處理器外，這顆元件並整合快取記憶體和影像區塊緩衝器，還有外部記憶體的控制，CCD、液晶顯示器或電視輸出，以及透過多隻通用I/O接腳所提供的其它通訊界面。專屬的影像前置處理硬體也能替主處理器分擔部份工作，例如白平衡（white balancing）、自動曝光和自動聚焦。

在外部零件方面，它只需要SDRAM就能組成完整的數位相機影像處理引擎。MPEG必須保留額外圖框以執行移動估算及補償，例如在QCIF（176×144）解析度下，它大約需要110 kByte的SDRAM記憶體來執行編碼運算。而元件包含高整合度的特殊架構，不但支援30 fps以上CIF（352 ( 288）解析度的MPEG-4編碼作業，解碼時更能將像素處理能力增加50％，也就是在HVGA（640 ( 240）解析度下，達到30 fps以上的速率。這顆元件還支援多媒體所用的其它重要視訊、音訊和語音標準，並能搭配專門擔任行動電話引擎的DSP元件。

《圖二　數位媒體處理器架構》

照相手機和其它新應用

在變化快速的消費性影像視訊市場上，可程式能力的重要性可說是無庸置疑。數位相機正迅速演進至新應用，照相手機就是個例子，它們能拍攝相片和簡短影片，並將拍攝內容傳送出去，這類產品早已在市場出現。MPEG-4資料可嵌入多媒體簡訊（MMS）的協定層疊（protocol stack），讓視訊封包得以透過無線IP網路簡訊服務的業界標準，輕易傳送至其它任何無線網路。

廠商或許也要DSP提供的彈性，以便設計其它類型的相機系統，例如支援H.324視訊會議的產品，許多無線產品也提供此項功能，這些支援視訊會議的無線電話利用H.263或MPEG-4進行視訊的編碼和解碼；對於Session Initiation Protocol（SIP）的支援也可能有其需要，這種協定能把簡訊傳送和視訊會議結合在一起。MPEG-4還會繼續進步，例如提供能夠支援物件的各種profiles，這可能會使得廠商想要重新設定（reprogram）已銷售或發展中的產品，新出現的MPEG-4 AVC先進視訊編碼標準（又稱為H.264標準）的更大壓縮密度就是這類進步之一。可程式DSP就能支援其中任何標準或者其它標準，進而協助影像系統發展廠商將他們的產品差異化，為新的市場需求預做準備。

結語

數位相機仍有很長的路要走，才能在畫質方面與最精密的傳統膠卷相機媲美，但是在低階市場上，數位相機卻能提供任何傳統相機都無法匹敵的視訊及其它功能。今天，數位相機廠商已發現利用MPEG-4的更高壓縮比和更大抗錯性，他們就能提供消費者想要的更多功能。可程式DSP把實作MPEG-4演算法所需的效能提供給低價位數位相機，這能為廠商帶來彈性，以便支援高度區隔化的市場，滿足它們的不同需求。

以DSP為基礎的MPEG-4壓縮還開啟許多新的應用商機，例如將數位相機和無線儀錶整合在一起，並於未來支援其它類型應用；在MPEG-4以及DSP的攜手合作下，低價位消費性數位相機的未來仍將非常樂觀，讓使用者可放心享受拍照的樂趣。

（作者任職於德州儀器TI）