視頻解碼芯片：國(guó)內(nèi)半導(dǎo)體崛起的機(jī)會(huì)

隨著近幾年互聯(lián)網(wǎng)的迅速發(fā)展，全新的超高清藍(lán)光標(biāo)準(zhǔn)在2016年開始全面爆發(fā)，相比藍(lán)光其有著孕育市場(chǎng)的先天優(yōu)勢(shì)——超高清顯示設(shè)備，包括電視、投影儀幾乎是同一時(shí)間推向市場(chǎng)，互聯(lián)網(wǎng)高速發(fā)展同樣為超高清流媒體視頻內(nèi)容開辟疆土，而剩下的就是超高清播放器的解碼核心以及成品的推向市場(chǎng)。

超高清藍(lán)光標(biāo)準(zhǔn)具有5方面的內(nèi)涵，包括4K分辨率、10Bit-12Bit高色深、HDR高動(dòng)態(tài)、60P高幀數(shù)、BT.2020高色域空間，因此帶來了畫面動(dòng)態(tài)更大、色彩空間更豐富的畫面細(xì)節(jié)呈現(xiàn)。那么現(xiàn)在在市場(chǎng)上有哪些支持超高清藍(lán)光標(biāo)準(zhǔn)的解碼芯片推出?誰又主沉浮呢?

視頻編解碼芯片，原是國(guó)外廠商的天下

視頻編解碼，目前在網(wǎng)絡(luò)上傳輸比較流行的是H.264與H.265。H.264/MPEG-4 AVC(H.264)是1995年自MPEG-2視頻壓縮標(biāo)準(zhǔn)發(fā)布以后的最新、最有前途的視頻壓縮標(biāo)準(zhǔn)。H.264是由ITU-T和ISO/IEC的聯(lián)合開發(fā)組共同開發(fā)的最新國(guó)際視頻編碼標(biāo)準(zhǔn)。通過該標(biāo)準(zhǔn)，在同等圖象質(zhì)量下的壓縮效率比以前的標(biāo)準(zhǔn)提高了2倍以上，因此，近幾年來H.264被普遍認(rèn)為是最有影響力的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。

逆襲有望 縱觀國(guó)產(chǎn)視頻芯片進(jìn)化史

H.264標(biāo)準(zhǔn)的使用了幾個(gè)關(guān)鍵技術(shù)，分別是幀內(nèi)預(yù)測(cè)編碼、幀間預(yù)測(cè)編碼、整數(shù)變換、量化和熵編碼。幀內(nèi)編碼用來縮減圖像的空間冗余。幀間預(yù)測(cè)編碼利用連續(xù)幀中的時(shí)間冗余來進(jìn)行運(yùn)動(dòng)估計(jì)和補(bǔ)償，預(yù)測(cè)采用了基于4×4像素塊的類似于DCT的整數(shù)變換。量化，H.264中可選32種不同的量化步長(zhǎng)，這與H.263中有31個(gè)量化步長(zhǎng)很相似，但是在H.264中，步長(zhǎng)是以12.5%的復(fù)合率遞進(jìn)的，而不是一個(gè)固定常數(shù)。H.264視頻編碼處理的最后就是熵編碼，在H.264中采用了兩種不同的熵編碼方法：通用可變長(zhǎng)編碼(UVLC)和基于文本的自適應(yīng)二進(jìn)制算術(shù)編碼(CABAC)。H.264的編碼和解碼流程具體見圖一。

由于H.264具備高壓縮性，同時(shí)適合在網(wǎng)絡(luò)里邊進(jìn)出傳輸，隨著互聯(lián)網(wǎng)地不斷發(fā)展，各個(gè)半導(dǎo)體廠家也看到了這個(gè)金礦。2005年起，美國(guó)的TI、安霸、NXP、臺(tái)灣的TEWELL、日本的SONY、SHARP等一大批國(guó)家半導(dǎo)體企業(yè)或者電子企業(yè)將目光投入到了H.264編碼芯片上，量身打造適合不同區(qū)域的視頻編解碼芯片，大力推動(dòng)了整個(gè)市場(chǎng)的發(fā)展。

可以說，在2010年之前，國(guó)內(nèi)的自研芯片基本處于樣機(jī)或者自用階段，市場(chǎng)的接受度非常的低。據(jù)粗略數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，見下圖二，國(guó)產(chǎn)芯片的占比只有1%左右，國(guó)外芯片占比95%以上，TI半導(dǎo)體巨頭占領(lǐng)了中國(guó)幾乎一半市場(chǎng)。其原因在于國(guó)外廠家有豐富的經(jīng)驗(yàn)積累，深耕在這個(gè)領(lǐng)域多年，熟悉產(chǎn)業(yè)的特點(diǎn)，國(guó)產(chǎn)芯片的穩(wěn)定性也有待提高。當(dāng)時(shí)，應(yīng)用視頻行業(yè)的廠家，對(duì)于芯片的選型基本只考慮國(guó)外芯片，選擇國(guó)內(nèi)芯片的鳳毛麟角。

圖像去隔行單芯片，輝煌時(shí)代一去不返

電視發(fā)展的早期階段，一般都采用“隔行掃描”技術(shù)，目的是減少傳輸圖像的數(shù)據(jù)量。該技術(shù)將一幀圖像分為前后兩場(chǎng)，奇數(shù)行一場(chǎng)為奇場(chǎng)，偶數(shù)行一場(chǎng)為偶場(chǎng)。先發(fā)送奇場(chǎng)的數(shù)據(jù)，緊接著發(fā)送的是偶數(shù)行的數(shù)據(jù)，發(fā)送視頻數(shù)據(jù)量將減少一半。隔行掃描時(shí)，一幀圖像分為前后兩場(chǎng)，場(chǎng)間間隔時(shí)間為喊間間隔時(shí)間的一半。即，掃描光柵在奇場(chǎng)從左到右，從上往下隔一行掃描一行，直到最后一行，在偶場(chǎng)按同樣的掃描方式進(jìn)行。為了圖像效果更加好，在顯示端，一般都會(huì)使用去隔行芯片，對(duì)視頻圖像進(jìn)行處理。去隔行的方法有多種，包含了場(chǎng)間插值、場(chǎng)內(nèi)插值、運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償?shù)确椒ā?/p>

單芯片去隔行芯片的過去主要半導(dǎo)體廠家有美國(guó)的TI、日本的i-Chips和韓國(guó)的Macro Image，國(guó)產(chǎn)的去隔行單芯片基本沒有廠家介入。從全球范圍來看，消費(fèi)量終端的顯示器是非常多的，在VIDOE時(shí)代，去隔行芯片的使用量非常巨大。隨著1080p分辨率普及，TVBS信號(hào)的應(yīng)用逐步減少，取而代之的是3G SDI，同時(shí)DP、DVI信號(hào)協(xié)議里邊不在包含i制信號(hào)，在專業(yè)視頻應(yīng)用領(lǐng)域，單去隔行芯片的需求正在減少。

目前在專業(yè)的視頻處理領(lǐng)域，視頻處理廠家如美國(guó)的巴可、中國(guó)的威創(chuàng)視訊、淳中等，為了追求最佳的視頻顯示質(zhì)量和舊產(chǎn)品的維護(hù)，還有一定的單芯片去隔行需求，但是其他小小廠家基本就直接放棄隔行視頻的處理。單芯片的去隔行已經(jīng)逐步轉(zhuǎn)化為芯片視頻處理的一個(gè)模塊。據(jù)統(tǒng)計(jì)機(jī)構(gòu)WitsView最新調(diào)研數(shù)據(jù)顯示，2016年全球液晶電視總出貨量為2.19億臺(tái)，按照80%計(jì)算，需要帶去隔行功能的芯片年需求量大概在1.76億片。但是，在筆者看來，隨著高清視頻普及和傳輸?shù)綉魩挼纳?jí)提高，去隔行功能模塊也將逐步推出歷史舞臺(tái)。

視頻格式轉(zhuǎn)換芯片，國(guó)際半導(dǎo)體廠家的舞臺(tái)

視頻格式轉(zhuǎn)換技術(shù)是當(dāng)今信息領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一，以美國(guó)和臺(tái)灣公司為主相繼推出多種芯片，如Genesis MicroelectroNIcs、Gennum Corporation、Trident、Trumpion(Taiwen)、Etron Technology、Macronix International、Philips Semiconductor、Sunplus Technology、i-chips等，國(guó)內(nèi)在該方面目前尚處于起步階段。

格式轉(zhuǎn)換技術(shù)其應(yīng)用場(chǎng)合要求它具有高實(shí)時(shí)性、低代價(jià)實(shí)現(xiàn)，因此格式轉(zhuǎn)換研究從一開始就非常注重算法的ASIC化，在初期VLSI集成度比較小時(shí)，主要研究單幀線性內(nèi)插，以后隨著硅片集成度的提高，逐漸采用幀間的多幀算法的自適應(yīng)算法，到90年代后期，運(yùn)動(dòng)估計(jì)技術(shù)可以單片集成時(shí)，運(yùn)動(dòng)估計(jì)的格式轉(zhuǎn)換才蓬勃發(fā)展。今天，硅片的集成度還在不斷提高，隨著片上系統(tǒng)(SystemOnChip)成為可能，格式轉(zhuǎn)換將會(huì)發(fā)展出更加復(fù)雜、高效的技術(shù);可能的方向是運(yùn)用更多幀的信息，進(jìn)行更精確、復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償。

隨著4k、8K液晶電視的推出，視頻格式轉(zhuǎn)換特別是縮放技術(shù)顯得尤為重要。目前很多4k電視，因?yàn)樵谝曨l傳輸這塊還跟不上，大部分是采用視頻放大功能的。尚未成熟的8k更是如此。這里不得不提日本的視頻縮放公司i-chips，拋開愛國(guó)情懷不說，在視頻行業(yè)搞技術(shù)的從業(yè)者都對(duì)i-chips的產(chǎn)品肅然起敬。在縮放這塊，i-chips可以說是數(shù)10年如一日做這一產(chǎn)品，并且用工匠精神把它做到極致，如i-chips732等。還有日本的夏普，最新研發(fā)X8-MEP圖像處理引擎，無論是4K影像內(nèi)容還是電視信號(hào)或BD影像，引擎都會(huì)根據(jù)影像素材內(nèi)容對(duì)細(xì)節(jié)部分進(jìn)行修正處理，以8K清晰度的高精細(xì)影像再現(xiàn)超越現(xiàn)。

視頻格式轉(zhuǎn)換芯片是顯示器系統(tǒng)中不可或缺的關(guān)鍵部件，我國(guó)是電視、各類顯示器的生產(chǎn)大國(guó)，但是，此類產(chǎn)品中的關(guān)鍵芯片目前大部份被美國(guó)或日本的芯片廠商所控制。國(guó)產(chǎn)的視頻芯片僅有華為海思、珠海全志幾家，尚未形成氣候。

視頻處理未來趨勢(shì)

更低的功耗，最理想的情況是高清終端本身的功耗降低到通過自然散熱即可穩(wěn)定工作的程度，隨著芯片工藝的不斷成熟，為低功耗提供了可能性。綠色地球，是大勢(shì)所趨。

更高的壓縮能力，隨著網(wǎng)絡(luò)市場(chǎng)對(duì)高清說頻產(chǎn)品的分辨率的要求不斷提高，一般的720P分辨率已經(jīng)有點(diǎn)提襟見肘，500萬、800萬甚至1200萬的像素需求在不斷涌現(xiàn)，對(duì)不同格式碼流的需求也成為標(biāo)準(zhǔn)配置。這些對(duì)高清視頻芯片的壓縮能力提出了更大的挑戰(zhàn)。

智能分析整合，人臉識(shí)別，大數(shù)據(jù)分析等智能視頻技術(shù)蓬勃發(fā)展，越來越多的在實(shí)際應(yīng)用中得到普及推廣，隨著高清4k時(shí)代的到來，信息量成倍增加的前提下，智能視頻算法集成進(jìn)去視頻芯片里邊已經(jīng)是勢(shì)不可擋。

視頻可從配置技術(shù)，F(xiàn)PGA巨頭賽靈思reVISION 支持以最快速度打造響應(yīng)最快的視覺系統(tǒng)，相比最具競(jìng)爭(zhēng)力的計(jì)算嵌入式 GPU 和典型 SoC，將機(jī)器學(xué)習(xí)推斷的單位功耗圖像捕獲速度提升了 6 倍，將計(jì)算機(jī)視覺處理的單位功耗幀速度提升了 42 倍，時(shí)延降低為 1/5?？梢灶A(yù)見，未來的視頻芯片集成reVision技術(shù)是必配。

縱觀國(guó)產(chǎn)視頻芯片的10年，海思半導(dǎo)體借助H.264/265的編解碼，協(xié)同?？?、大華、威創(chuàng)等國(guó)內(nèi)視頻應(yīng)用廠家，已經(jīng)在IP編解碼市場(chǎng)起到了引領(lǐng)作用。但是，在其他視頻處理芯片市場(chǎng)，國(guó)內(nèi)的半導(dǎo)體廠家還需要抓住視頻處理的趨勢(shì)，迎頭趕上。筆者預(yù)計(jì)，未來的視頻芯片具備上述4點(diǎn)趨勢(shì)，如果國(guó)內(nèi)半導(dǎo)體廠家能牢牢抓住，必將成為“站在風(fēng)口上的豬”。