动态影像压缩技术迈入多元化竞逐时代

本文作者:admin       点击: 2005-10-16 00:00
前言:
运用MPEG4等相关高压缩影像技术虽有极为显著的节省频宽、储存空间之效,却也存在许多难解的问题。



在2001年~2002年,联发以光纤储存芯片窜起,挤进全球前十大IC专业设计公司之林;后以单芯片DVD Player横扫市场,使得率先进入市场的ESS和扬智节节败退。联发的成功震撼了太平洋两岸的IC设计业界,包括Zoran、ESS、扬智和凌阳在内的业者,不得不追随联发跨入单芯片DVD Player的开发。久在光驱服务器着力,但迟未展现成功的凌阳,更选在农历新年之后,宣布收并Oak的光驱芯片部门,取得该技术。光储存芯片顿时成为炙手可热的IC产品。



光储存芯片市场的热络鼓舞影像压缩技术的多样化

光储存芯片最大的市场是在PC的应用上。尤其在九○年代末期之后,光驱由过去CD-ROM追求高速化的新旧产品交替,演变为DVD-ROM以及CD-RW,甚至DVD-ROM/CD-RW复合机的世代交替,并使PC配置两台光驱成为一时风潮。

同时,在消费领域上DVD Player市场亦适时崛起,成为新的标的。DVD Player虽和PC用光驱的服务器共享,但因另得加入MPEG之译码器以及其它影像和音效处理的电路,附加价值高于光驱。另一方面,数字消费产品向来是日欧家电业者独占的局面,IC供应大多操纵在IDM以及若干硅谷IC设计公司上。中国VCD Player制造商持续切入DVD Player以及大力拓展海外市场,使得销售管道更为通畅,市场规模亦远大于VCD Player。若VCD能够造就诸如ESS和C-Cube等硅谷设计业者,并曾排入前二十大,那么DVD Player以及后续产品所具备的潜在量能更大。因此消费性光盘储存芯片的魅力绝对不在PC用光驱芯片之下。尤其消费性光储存产品,在2002年之后,其产品的脉动以及多样性,已经渐超越PC用光盘芯片。在后端的影像压缩技术,出现了前所未有的多元化,使得此一产业充满了无比的创意。

规格的多元化常被视为市场混乱的元凶,是阻碍市场开拓的最大不利成因。在消费性光储存的领域里,却由于市场的激烈竞争,以及PC产品追加规格作法和观念的交融,支持多元化标准已成必然走向,这将大幅增加此产品的进入障碍,加入战场的业者虽多,能全面掌握优势的业者将极其有限。



DVD录像机延续DVD Player之市场动力

在DVD Player价格降至100美元而确立其普及的市场情势之后,下一波的竞争将蔓延至DVD录像机。DVD Player的盛行将确定取代VHS在电影出租市场的角色。在家庭预录功能方面,仍以VHS为主流,有待DVD录像机的普及;最后阶段则是DVD录像机取代DVD Player。

DVD Player的价格快速下跌,不仅使日系低价机种毫无招架之力,中高阶机种亦被迫明显降价;将产品重心转移至单价更、高附加价值较好的DVD录像机是必要的。在2001年之前,已有Pioneer、Philips、松下等在此市场上抢先布局。部份业者虽在此刻亦有产品推出,定位偏向专业级,而非家庭市场,如NEC、东芝等。2002年秋之后,第二波业者加入角逐家庭市场的行列,如Sharp、东芝、三菱等。

此外,原本单独的DVD录像机,开始普遍加入HDD。DVD录像机的定价大致为1000美元左右,加上HDD后的DVD/HDD录像机则在1400美元左右。后者常被冠以PVR(Personal Video Recorder)的名称。三菱等部份日系家电公司,已宣布DVD录像机将移往东南亚国家生产,显然已预见DVD录像机将步上DVD Player低价化竞争的后尘,倒不如早早规划移往海外地区生产。DVD录像机最重要的芯片MPEG2 CODEC,仍操纵在NEC、LSI Logic等少数制造商手中。既有的MPEG2译码器主要供货商,ESS、联发、扬智、Zoran等,尚未推出MPEG2 CODEC。故DVD录像机低价化的速度不至于过快,只怕Apex再度不按理出牌,提早削价竞争。



HDTV点燃新一代高密度DVD的市场先机

由于美日等国积极推动HDTV,符合其性能的高密度DVD或下一代DVD (HD-DVD)的开发是必要的。惟并非所有业者从过去DVD纷乱的状况获取教训,依然舍弃团体制定规格的方式,拟以独自的规格取得市场先机。技术的多元化也使得HDTV光学储存的解决方式出现分歧,甚至在此领域影响力甚微的美国PC业者,都有自己的打算。



和当时的DVD规格拟定初期一样,日本业界在HD-DVD的制定上,再度出现两大阵营对峙的局面。幸好此次力量充份集中在由9家企业发起的Blu-ray Disc上,甚至宿敌Sony和松下都在此阵营上。其它7家包括日立、LG、Philips、Pioneer、Sharp、Thomson和三星,在2002年2月共同发起。另一阵营势单力薄,由东芝和NEC组成,藉由在DVD Forum的下一代光盘「WG II」作业小组提出,成为第二个选择。东芝之所以会坚持自己的路线,不顾昔日伙伴松下的离去,乃在于舍不下在DVD Forum的主导地位。该公司并有Time-Warner在背后撑腰,因而自认仍大有可为。



东芝和NEC在HD-DVD规格的提出比Blue-ray晚,后续进行的动作则加紧进行,4个月内即付诸DVD Forum审议,2002年内可完成规格确认,2003年初正式发行规格书,Blu-ray阵营的龙头Sony已在2003年3月正式宣布Blu-ray录像机的商品化计划,计划在同年4月开始销售。比业界估计的时程至少提早半年。



两大蓝光光盘标准势力强弱分明

实际上东芝推展HD-DVD的理念和Blu-ray并不完全一致。后者是先着眼HDTV之录像机,然后再推与HDTV画质相当的电影预录软件包以及PC相关的用途。这种先后次序和DVD恰好相反。东芝的想法是欲沿袭DVD的作法以及其资源,HD-DVD的设计系以和DVD的回溯兼容性做考量,盘片的构造和现行DVD一样,故可转用DVD现有的设备,节省成本。盘片不必外加卡匣,有利于成本的降低。初期仍着重PC和AV用只读式光驱以及电影预录软件之市场,再推覆写和录像机市场。因此东芝的理念是以PC和电影公司的利益为出发点。

不过东芝和NEC的全力孤注一掷,恐怕难敌Blu-ray之集团式压境。任何新一代的光盘系统都需要上下游的高垂直整合,需投入的研发和费用十分可观。通常以业界团体制定规格的方式,最大的弊病是各业者不易取得妥协,协调过程冗长,延缓商品化的时程。不过在光盘系统业者实力强弱分明,表明上是多家业者参与,实际主导者仍掌握在少数业者中,标准制定时间不会太久。

多家业者统合所发挥的经济规模,并非少数一两家业者即可对抗。即使一向独立特行的Sony,在眼见多家业者倒向DVD Forum,而大势已去之后,亦不再坚持自己的规格。惟在DVD市场的兴趣遂而大打折扣,转而提早投注在下一代DVD的开发上。Blu-ray所制定的规格,严格地说是基于Sony和Philips共同开发的蓝光光盘「DVR-Blue」为模板。松下会同意加入Blu-ray,应和该公司技术明显落后有相当程度的关系。东芝在HD-DVD的伙伴NEC,在光盘市场和技术上不在第一流之列,能发挥的影响力有限。



2003年3月初日本经济新闻报导中指出,Sony实际上几乎已放弃DVD市场,全力攻克Blu-ray市场。相对于Sony,其劲敌松下则将火力集中在DVD录像机,在2月于日本一口气推出五款DVD录像机新机种,宣誓后VHS时代的来临,图以DVD录像机重振昔日VHS的光彩。



引进高效能影像压缩技术提高现有光盘系统利用价值

光盘系统的提升,尤其是在影像的应用上,通常有两大手法。一是光盘容量的提高,二是压缩技术的改良。两者可并行不悖,如在DVD-Video上,容量是VCD的7倍,影像压缩是比VCD所用之MPEG1更高解析的MPEG2 MP@ML。通常日系业者较擅长光学系统,美系业者则以压缩技术见长。光学系统的技术和产业涵盖面较深且广,跨入门坎极高,美系业者在技术和市场的主导力十分薄弱。于是以PC为主的美系业者,放弃在光盘系统高容量提升上下功夫,改以集中火力在压缩技术上,赋予更高的压缩比率,使既有的DVD光盘系统亦能纪录等量时间且相当于HDTV画质的内容。



使用高压缩影像技术的另一个好处是有利于通讯。以Microsoft为例,正努力使DVD相当的SDTV的数据传送速度只要750k~1.5Mbps,提升画质至HDTV,也仅止于3M~6Mbps。通常HDTV所指定的官方标准MPEG2,需要21Mbps以上的传送速度。降低资料传送率可以大幅扩充应用,或者减少投资费用。

将MPEG2改MPEG4,理论上HDTV就非得需要透过光纤传送到家之方式,采用ADSL即可胜任,如此可以节省大笔的通讯基础建设;在家庭网络方面,2.4GHz的IEEE802.11b即够用,非得5GHz之802.11a不可。若使用802.11a,则可收容多个HDTV影像流。高压缩影像技术既然有那么多优点,遂驱使许多业者争相投入开发。

在PC业界中,尤以龙头Microsoft为代表。该公司在这方面若下功夫,可以延伸其势力到消费电子和网络市场上,使两领域的平台得以共通化。2002年9月Microsoft公开了动态影像和音响通讯软件「Windows Media 9」的试用版。以对抗其对手Real Networks在同年7月发表的「Helix Platform」。家电业在这方面也有所成果。三菱电机在2002年2月发表高压缩影像的技术,HDTV画质相当的数据传输率为9.8Mbps,是MPEG2的一半左右之水准。



2002~2003年MPEG-4技术将大量被引用在各个平台

影像压缩技术的应用日益广泛,突显了其市场价值。如家用服务器、电视广播的录像、播放,在Internet上影像内容的储存和再现等,一直到3G手机的动态影像传送等。近年来Windows Media和MPEG4型式的内容在家庭电玩、DVD Player等终端设备出现的比率持续在增加;如松下和Microsoft在DVD Player的共同合作。Pioneer在2002年秋于美国推出支持Windows Media的家庭服务器。Sony计算机娱乐(SCE)在2002年5月开始推出称为「PlayStation BB」之动态影像通讯服务。PlatC2在2002年7月推出HDTV相当画质的接收和播放网络端末。

在3G方面,NTT DoCoMo在2002年7月发售第一款支援3G PDA「FOMA SH2101V」。Pioneer、Sharp、National半导体、中环等6家公司设立称之为i-BOX的公司,开发在Cable TV上的MPEG4技术,使多频道的SDTV、HDTV之VOD服务得以实现,预定2003年初在美国Cable TV服务提供业者Comcast开始试验。日本的SoftBank在2002年内展开「Yahoo! BB」的广播无限服务计划,采用IP为基础的多个频道服务。Sky PerfecTV从2002年8月开始,利用ADSL对日本全国展开ADSL的动态影像通讯服务。



MPEG4芯片开发络绎不绝

在光盘储存方面,部份业者已开始引进高影像压缩技术,尤以MPEG4为代表。DVD Forum考虑10Mbps之数据传送率,将2小时HDTV的内容挤入现行DVD 8.5GB之容量内。Sigma Design2开发了MPEG4,可解720 x 576画素,达1080I讯号格式之输出,支持的档案格式为AVI和MPEG4,预定在2002年内出货。ESS亦有类似的计划,可望在2003年推出MPEG4和CODEC。此两硅谷专业IC设计公司希望能提供此芯片给中国的DVD Player制造商,藉由DVD现行装置,即可升级至HDTV,不必依赖HD-DVD,仰人鼻息,并可回避或减轻权利金的支付。

硅谷和台湾都有为数不少的公司投入MPEG4相关芯片的开发,期望能延续MPEG2广大的商机,移植至MPEG4上。另有DIVX等软件业者,可将DVD-Video光盘内容或DV讯号,储存在PC的HDD上转压缩为MPEG4,并烧录在CD-R上是最便宜亦最有效地充份运用既有的光盘资源,达到提升画质之效。



多个IC供货商投入更高影像压缩CODEC和MPEG4芯片的开发,以及业界自行开发的规格,如Microsoft的WMV,DivX Networks的「DivX」,产生微妙的互动关系。



Philips将出货的讯号处理器「pnx1300」,强化在软件方面的支持能力,先是在2002年10月的技术发表会上,公布MPEG4方式的Simple Profile扩充版,640 x 480画素,编码速度2.5Mbps;最高720 x 576画素,编码速度1M~1.5Mbps。Vweb则在2002年11月公布MPEG1/2/4之编码器/译码器芯片。Philips和ESS则刻正对WMV9方式的编码器/译码器进行开发。编码速度只有750kbps~1.5Mbps的WMV不易提高画质。现阶段这些公司的努力,并非在HDTV上,而是提升DVD录像机的若干机能。

DVD录像机支持MPEG4等技术,强化多功能

现在新公布的DVD录像机种,中高阶以上都逐渐加入HDD,如松下、东芝和先锋。HDD的成本为DVD录像机的一大负担。若在录像时仍利用MPEG2编码器,HDD可以储存的时间长度就受到限制。若提高容量,又会造成成本增加。东芝曾为此,将其RD-XS30之DVD录像机,由80GB减少60GB。引进MPEG4等技术之后,可以大幅增加储存的时间。在MPEG4,1Mbps编码速度下,60GB的HDD可以录制130小时。运用MPEG4的另一个好处是可经由Internet传送。DVD录像机在支持MPEG4、WMV以及Real Video之后,就可进行影像通讯的服务。第三个好处是当PC在AV能力强化之后,便可和DVD录像机的软件内容共享。Microsoft在2002年10月发售的Windows XP Media Center Edition即备有TV录像功能,支持MPEG2和WMV。松下和Microsoft已共同开发AV设备和PC共同内容的技术,称为High MAT(High Performance Media Access Technology),成为WMV、MPEG4、WMA、MP3、JPEG等AV内容的共通规格。松下预定在2003年内推出支持High MAT的DVD Player。

多样化技术使业界难以适从

运用MPEG4等相关高压缩影像技术虽有极为显著的节省频宽、储存空间之效,却存在许多难解的问题。MPEG4并不能和MPEG1、MPEG2回溯兼容,因此不能播放VCD和DVD格式的影片。DVD Player能在中国市场迅速窜起,和既有巨大的盗版VCD资源有极密切的关系。以DVD和 VCD世代交替之顺利,并不能意涵以MPEG4为基础的Player,可以很快地替代DVD。中国官方对于所谓下一代DVD的制定情形并不明朗,各方顗觎此块大饼并非一朝一夕,多方角力和政治力过度介入的结果,难保不会重蹈SACD失败的覆辙。



在技术上,MPEG4能否达到HDTV相当的分辨率,画质稳定的地步,依然非常值得怀疑。由于需要极为复杂的运算,在IC设计上的挑战极大,MPEG4在时间和成本的总和效益上,能否胜过早已开发经年的MPEG2,大有疑问。MPEG4在定义上远不着MPEG2之严谨,早期的MPEG4技术先导开发业者,在没有准则先例的前提下,独自加入自行开发的技术,遂造成今日复杂的发展环境。

Microsoft、Apple和Real Network三大知名的先锋,都有各自定义的MPEG4技术,更遑论后起之秀On2 Technologies引以为傲的更高压缩比技术「VP5」亦是其中一例。这种局势非常不利MPEG4在光盘系统的发展,不易使单一标准在市场上成形。DVD或HDD录像机所支持的MPEG4,亦被迫支持各种标准,将加重微处理器的性能要求,使成本提高。MPEG4应在通讯网路,以及PC平台、Internet终端上的发展,具有比较正面的发展环境和条件,可充份发挥节省频宽的优点,又可收容多种规格,较没有光盘媒体交换和兼容性的问题。



MPEG4等高影像压缩技术掌握市场不如MPEG2之容易

令人更感压力的是比MPEG4压缩程度更高的H.264正在发烧之中。DVD Forum正考虑规范新的高效能影像压缩技术,运用在HD-DVD上,并在2003年中旬有具体的结果。除了H.264之外,MPEG4 Advanced Simple Profile,MPEG2 Enhancement Layer以及Microsoft的WMV都是在考虑之列的规格之中。这些影像压缩技术必须满足容量最高9GB,可收容在双层DVD盘片,使用红色雷射二极管传输速度7Mbps的标准。过去两年来,这些高效能的影像压缩技术都有长足的进步,甚至超乎业界的预期。若这些技术在HDTV上能够实用化,将可延长DVD的使用寿命;并使得HD-DVD的差异化集中在芯片上,而非读写头上。目前已有数家新兴专业IC设计公司,跨入H.265的开发。目前H.265的技术水准,依据专家的意见距离电影要求的品质,仍有一大段距离。欲以高压缩影像技术,应用在HDTV上仍需要数年的时间,才可能实用化。



整体而言,MPEG1和MPEG2编码或解压缩芯片在产业模式上比较具体。其规格定义明确且清楚,标准消费技术较成熟并使产品泛用化,IC领导业者投入大量资金和人力开发经年,已可大量生产。现阶段业者在既有产品上,积极导入更精简的法则,以简化电路,提升性能和低价化。反观MPEG4及其衍生的近似MPEG4影像压缩技术,或者下一代的技术H.265,规格定义不完整,使各业者各走各的路。在不受标准化作业的束缚之下,促使众多小型业者或新兴业者,取得独自的运算法则之后,即投入开发,且战且走,造成各家业者规格渐行渐远。再者这些高压缩技术,同样市场分散,强调的技术开发重点又不一致,使产品不易泛用化,有被利基化的倾向。如使用在手机上,必须考虑省电化为第一优先,分辨率在其次;应用在AV上,画质则为最重要考量因素,省电效果苛求度次之。因此掌握高效能影像压缩技术的业者,未能就能全盘掌握市场。这是和过去从事MPEG1或MPEG2,最大的不同。甚至这些新兴技术,必须在MPEG2已建立的市场基础上着床,才能取得实际的市场利益,尤其是在DVD录像机上。



DVD录像机将开创MPEG2 CODEC巨大市场

DVD录像机是下一个影像压缩芯片最大的市场,并将取得DVD Player。In-Stat估计在日本市场,至少一半以上的DVD录像机,将内建HDD。因此徒有MPEG2 CODEC电路,并不能提供完整的解决方案,必须另行开发各种软件技术,在DSP或CPU的核心上,执行各种影像和音响串流的处理,且其复杂的程度远远超过DVD Player。目前已有多个IC业者,提供完整的平台。

并购C-Cube,取得MPEG2 CODEC技术的LSI Logic,在2002年底发表了单芯片的数字处理器。专为DVD/HDD录像机复合机种设计,代号为DiMeNsion 8650。此一芯片可使消费者在利用HDD录制电视节目的时候,还可以观赏DVD;或使HDD转录至DVD时,能以最佳的画质录制速度和有效的储存空间分布进行安排。该公司寄望此一芯片,亦可使用在家用服务器、音响/静看点唱机等用途上,并可处理MP3、JPEG、DV等多媒体格式讯号。LSI Logic系整合了两个150-MIPS的SPARC RISC核心、MPEG2 CODEC、DV CODEC、Audio DSP、Firewire接口和2D绘图引擎为一体,取代了市面上现存的5~7颗芯片的解决方式。实时操作系统采用Wind River的VxWorks,制程使用0.18um CMOS,预定在2003年第二季开始量产。



Cirrus Logic提供了DVD录像机和CD-RW的参考平台,系用CS98200 DVD播放处理器,以及CS92288 MPEG CODEC组合而成。几乎所有DVD Player芯片供货商必得投入MPEG2 CODEC的开发。ESS和Zoran已取得NEC的技术转移,刻正从事开发中。在台湾业界方面,联发科和扬智亦在进行中;凌阳取得Oak的各类光学储存服务器技术之后,预料将会在DVD录像机上大力布局。日本家电业界几乎都有自己的MPEG2 CODEC技术,如Sony、松下、NEC等。



在美系IDM大厂方面,以IBM的投入最早,不过产品定位集中在高阶上,尤其是专业编辑系统上。在DVD Player一片空白的TI,出乎意料地由日本TI于2003年3月中旬发表支持HDD的DVD录像机芯片,TMS 320 DVD IC,内建MPEG2和AV的CODEC,并包括绘图、ATA界面、TV输出入以及音讯输出入的电路的整合等。采用ARM 108MHz之「ARM9E-S」,音讯处理使用TI自己的DSP核心「TMS320C55X」,频率160MHz,并可支持CIF分辨率的MPEG4译码,每秒15图框。该芯片2003年第二季起推出样品,预定2004年第一季开始量产。



高效能影像压缩芯片投入者横跨各领域

In-Stat统计2002年全球DVD录像机的出货量为140万台,当中配备HDD的约有55万台。2006年全球DVD录像机市场可达3160万台,25%配备HDD,且单价将低于500美元。现在DVD录像机的价格介于699到2000美元之间,2003年春将出现低于500美元的廉价机种。在日本,Pioneer预测2004年DVD录像机出货量将高过DVD Player。DVD录像机市场将随着各业者IC的纷纷出炉而更形热络。



在MPEG4及其它高效能的影像压缩芯片方面,美欧系的IDM,如TI、Intel和STMicro都已推出相关产品,但大都是放在手机的多媒体处理器上,侧重软件方面的解决方式。在日本的IDM方面,松下、东芝、日立、富士通都有MPEG4的芯片已出货或在开发中,市场应用亦集中在3G手机中;惟其产品型态较偏重固定电路,而非以软件方式解决,在省电效能上较具优势。硅谷的专业IC设计业者,自然是以固定电路的开发为主,投入者应在10家以上,包括Divio、WIS、VWeb,都是国内耳熟能详的业者。在H.264方面,投入的业者以SandVideo较具知名度,正当大部份的业者锁定MPEG4奋战之际,该公司即以较前瞻性的眼光,直接进军H.264。现在从事MPEG4开发的硅谷业者,遂不得不将H.264亦列入短中期发展的蓝图上,以获取投资人的信心。



SandVideo在2003年的CES展览会场中展示了利用Xilinx的FPGA所开发出的HDTV及H.264之译码器,并预定在2003年第四季推出商业化的单芯片样品。该公司计划未来将推出H.264之CODEC,并和其它业者合作,支持MPEG2,做到和MPEG2兼容,使该芯片可以放在DVD Player上。此芯片可以7Mbps的速度,对1920 x 1080之的HDTV解碼。LSI Logic、STMicro和Broadcom都有H.264的开发计划,但均未展示任何开发成果。



影像压缩技术相当热门,更随着半导体制程技术的进步,使高压缩率高影像品质成为可能。在市场方面又横跨各领域,市场机会似乎不小。不过这种分布式的型态,反而是容易扼杀新兴业者的机会,如手机和DVD Player等最大应用市场,已有强大的既存势力,并都有自己的技术来源。欲要抢入市场,确有实质的困难。另一方面其技术的成熟度亦是业界一大考验。或许要到2005年以后,方有较明确的情势。