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4K晶片爭霸戰開打 挑戰為何?
H.265編碼技術崛起

【作者: 陳韋哲】   2013年07月26日 星期五

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如果要說什麼是繼20世紀以來最重要的發明,相信非「電視」莫屬,舉凡從最早期的真空管、電晶體電視時代直至現今隨處可見的平面電視,電視的顯示技術一直不斷地創新變革與升級,一路從黑白顯示晉升到彩色顯示,讓視聽者不致於將「芭樂看做蓮霧(台灣俗語)」,再由厚重機身轉向輕薄化,電視的顯示技術發展速度相當猛烈,各式各樣的新技術接踵而來。



圖一 : 電視的顯示技術不斷創新變革與升級,一路從黑白顯示晉升到今日的超高畫質時代。(圖片:digitalministry.com)
圖一 : 電視的顯示技術不斷創新變革與升級,一路從黑白顯示晉升到今日的超高畫質時代。(圖片:digitalministry.com)

尤其在這幾年陸續有不少電視廠商發佈多款新型電視,紛紛將重點放在畫質比起蘋果Retina視網膜顯示技術還要更引發視覺震撼的4K超高畫質解析度上,想要攻佔視聽者的眼球,也為低潮的平面電視市場點亮了一盞明燈。


隨著電視尺寸越做越大,市面上已不乏60~80吋的電視產品,然而對這些大尺寸電視而言,如果還是維持著Full HD(1920×1080)解析度就略顯小家子氣,畢竟這麼大的螢幕若是僅有1080p的解析度,像素點(Pixel)將會被突顯的一覽無遺。而4K是一種新的解析度規格,最早是為數位電影量身設計,4K能夠支援更高的解析度與影像品質、更多的細節。4K之所以被稱之為4K,主要是因為其支援水平像素達到4096 x2160 pixel,簡言之,4K顯示技術的影像品質是現階段Full HD 1080p的4倍大。



圖二 : 4K顯示技術的影像品質是現階段Full HD/1080p的4倍大。(圖片:designtoptrends.com)
圖二 : 4K顯示技術的影像品質是現階段Full HD/1080p的4倍大。(圖片:designtoptrends.com)

對於4K顯示技術的未來發展趨勢,博通(Broadcom)資深副總裁暨寬頻通訊事業群總經理Rich Nelson表示:「整個產業界其實都希望新技術能夠挾帶著新商機,但一項新的技術必須做到能夠徹底讓消費者接受且真正應用才算是成功,3D電視未能引發消費者及市場迴響便是一個最好的例子,目前4K電視才算剛起步,仍然需要生態系內業者之間的協力配合,相信運動賽事轉播將會是優先支援4K顯示技術影音內容。」


FRC+SR補強2K訊源畫質不足

然而,每當一個新規格的顯示設備或顯示技術推出,整個相關的產業鏈必須推出完整配套的影音內容,才能觸動市場及消費者的目光。先前的Full HD以及3D甫推出時,便是遇到影音內容跟不上硬體發展速度的狀況,而4K也不例外。


由於對畫質呈現的精細度更加考究,再加上,4K TV著重在震撼視聽者的視覺新感受,因此當畫面出現抖動現象抑或是動態殘影,畫質不佳的影音內容便相當容易被察覺。不過,4KTV發展同樣也發生硬體發展速度超前影音內容的難題,為了要解決在4K影音內容完備之前的方案,業界大多採用透過FRC(Frame Rate Conversion)晶片的方式來提昇現有2K影片畫素的不足。


意法半導體技術行銷經理陳錫成針對FRC晶片表示,由於為了要增強運動畫面的流暢度,以往都是採用MEMC(動態補償)的方式,也就是在兩幀圖像之間插入一幀運動補償幀,以便將50/60Hz畫面的更新速率提升到100/120Hz,美中不足地是當動作複雜度高時,MEMC仍然會有光暈、模糊等問題。因此後來發展出FRC晶片,透過最佳化幾何處理技術,以增強畫質、提昇流暢度與克服畫面閃爍狀況。


不過,透過FRC晶片僅能針對動態影像畫質進行補償,為了彌補靜態影像畫質的補償需求,陳錫成進一步表示,晶片廠商都會採取FRC晶片另外搭配Super Resolution(SR,增強影像解析度的技術)的方式,此作法透過更好的演算方法同時針對靜態畫面以及動態畫面進行演算,以得到更高解析度的影像。



圖三 : 為了因應4K影音內容不足,晶片廠商採用透過FRC晶片搭配Super Resolution的進階作法。(圖片:www.icst.pku.edu.cn)
圖三 : 為了因應4K影音內容不足,晶片廠商採用透過FRC晶片搭配Super Resolution的進階作法。(圖片:www.icst.pku.edu.cn)

然而現階段採用FRC晶片搭配Super Resolution的解決方案雖能夠補強4K影音內容不足的問題,但這仍是治標不治本的作法。為了能夠讓真正的4K影音內容追趕上4K電視的發展,除了更多4K影片的拍攝外,視訊壓縮也是一項不可或缺的重要影像技術,而H.265將是不可或缺的新一代編解碼技術。


H.265編碼技術崛起:

早在數位電視初次導入到英國時,就已經開始應用視訊壓縮技術,目的就是為了給視聽者觀看更多不同的頻道,而當時所採用的視訊壓縮編碼技術便是H.264。目前H.264已是主流的視訊壓縮編碼技術,不過,隨著視聽者對於影音娛樂需求越來越高漲,使得H.264/MPEG-4 AVC已經不敷現今超高畫質影片所需,因此加速引發新一代H.265視訊壓縮編碼技術崛起。


H.265標準又稱HEVC(High Efficiency Video Coding),它是在H.264標準的基礎上發展起來的。透過HEVC的視訊編碼壓縮技術能夠讓相同的的畫面及品質的電影檔案容量大小縮減一半,所需耗時下載的時間也能縮減一半,為有限的網路頻寬提供了完美的解決方案。簡單來說,與H.264相比,H.265在處理1080p高畫質影片編碼時,雖然壓縮比為H.264的兩倍,但卻不影響清晰度。


結合H.264在視訊應用的重要角色,能夠預見H.265標準協議在未來的大好前景。H.265/HEVC編碼架構與H.264/AVC相似,主要分為兩個部分,網路提取層和視訊編碼層。HEVC的網路提取層和H.264/AVC相同,在封包傳輸上亦使用網路提取層,其設計的目的主要是為了提供網路友善性的服務,讓視訊編碼層在網路傳輸上更為方便和有效率。


而在視訊編碼層方面也大致上和H.264/AVC的架構相似,包含了畫面內預測、畫面間預測、量化、熵編碼、去區塊濾波器、轉換。HEVC為了達到更佳的壓縮率,採用比起以往更加複雜、精準的編碼架構,包括比起H.264/AVC更多選擇的區塊大小、更多種畫面內及畫面間的預測模式、全新的內嵌式迴圈濾波器,使其預測可以更加準確,達到更低的位元率。雖然編碼效能提升,但因這些架構使得編碼端的複雜度大大提升。



圖四 :  H.265在處理1080p高畫質影片編碼時,雖然壓縮比為H.264的兩倍,但卻不影響清晰度。(圖片:collegetimes.ie)
圖四 : H.265在處理1080p高畫質影片編碼時,雖然壓縮比為H.264的兩倍,但卻不影響清晰度。(圖片:collegetimes.ie)

晶片商4K追逐賽開打

在今年CES 2013大會上,許多廠商都相繼宣布推出4K超高解析度電視及相關解決方案,更表示運用H.265的HEVC編碼技術能夠將超大容量4K電影燒錄到一張藍光光碟中,以緩解以往H.264編碼方式造成影音檔案過大的問題。


不少一線晶片大廠已嗅到H.265的發展商機,如意法及博通等都紛紛加入開發H.265晶片的行列。陳錫成指出,如果將H.265晶片整合到電視SoC,除了能夠有效減少電路板的使用空間,還有助於降低成本。


然而,博通看好的是數位機上盒的未來發展,選擇從數位機上盒方向下手。博通資深副總裁暨寬頻通訊事業群總經理Rich Nelson表示:「4K目前炙手可熱,每一家廠商都希望全力支援4K,無不希望4K能夠跟當時的HD TV一樣一戰成名,而高解析影音傳輸以及資料同步等聯網需求持續升溫,促使小尺寸以及低成本的STB晶片市場需求湧現、競爭也日趨白熱化。」


針對傳輸4K電視所需的超高畫質內容,Rich Nelson進一步指出,該公司新款解碼器晶片支援新一代H.265/HEVC視訊壓縮編碼技術,讓網路下載視訊所需時間僅為以往的50%,同時讓數位機上盒(STB)能夠提供更高的解碼效率、CPU處理效能和家庭網路傳輸率。


雖然目前行動裝置設備上的影音串流需求大多以1080p為主,不過隨著有越來越多的電視以及相關影音錄製設備陸續往4K畫質之路邁進,此股發展巨浪勢必帶動行動處理器晶片相繼支援4K影片,而身處於行動處理器晶片陣營的Qualcomm以及NVIDIA自然不會缺席,例如NVIDIA推出Tegra 4、高通則祭出Snapdragon 800來支援4K,宣示決戰4K行動視訊解碼的決心。



圖五 : 行動處理器晶片陸續支援4K視訊解碼功能。(圖片:digitaltrends.com)
圖五 : 行動處理器晶片陸續支援4K視訊解碼功能。(圖片:digitaltrends.com)

結論

至於未來4K電視發展的方向會是如何,基本上要看是朝向以整合式的形式設計(需要將數位機上盒的功能晶片設計在電視PCB板上)或者是以單獨通過數位機上盒(STB)處理超高解析度訊號。


陳錫成對此表示,由於在機上盒完成超高解析度的設計會簡單些,機上盒在針對有線、衛星等訊源、頻道解碼等不同格式進行處理後,再將超高解析度的影像傳送到電視,最後電視晶片只需根據螢幕尺寸、亮度等進行數據流處理即可。相較之下,採取整合式設計所面臨到的設計挑戰及問題會更多且更複雜,因此現階段並不看好。


雖然目前4K的影音內容尚不足,但已是未來的發展趨勢,尤其這幾年在行動裝置端上的高畫質影音串流需求持續升溫,相信只要相關產業鏈動員起來,4K普及的速度將不遜於Full HD。


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