深入探讨视频系统设计中的HD技术

前些年人们所期待的数字视频革命现在正如火如荼的进行。近年来，技术的发展推动了新的视频功能在终端设备的应用范围不断扩展，小到手机和MP3播放器，大到电视墙和广告牌等设备。由于数字视频市场需求旺盛，创新技术层出不穷，系统制造商必须考虑在新产品中采用何种视频格式，其中一大考虑因素就是能否支持高清（HD）技术。HD能大幅改善影像质量，为观众带来前所未有的体验。考虑到市场对更大更好设备的强烈需求，我们也会不假思索的选择HD技术。
HD指什么？
若想给出HD的全面说明，就会发现这个术语实在太难定义。对大多数人和大多数使用情况来说，HD是指高清电视（HDTV），比传统的标清电视（SDTV）屏幕更大，清晰度更高。SDTV的宽高比为1.33（4:3），而HDTV则为1.78（16:9），更接近于大多数电影屏幕的宽高比，因此在高清电视屏幕上播放电影时，剪切与遮幅就会更少些。HDTV定义的最高清晰度比SDTV高六倍，使细节更加清晰，色彩更加鲜艳。因HDTV采用数字传输技术，所以影像要么传输成功，要么传输失败，过去那种有雪花、发白的影像以及类似模拟视频常见的纵向滚屏问题均已成为历史。数字源还意味着同一屏幕可同时显示多个画面，这样就能方便地进行频道预览，参考节目安排及其它信息等。多音响环绕立体声与视觉优势的完美结合可为家庭娱乐带来震撼的全新体验。这种色彩鲜艳的大屏幕影像效果可与电影相媲美，因此消费者对这种新的数字传输技术的宣传非常感兴趣也就不足为奇。不过，HDTV 并不等同于数字电视 (DTV)，DTV 的定义更广，尽管人们总是将二者混为一谈。
HD还有其它含义吗？
新的高端格式还在不断开发之中，推动显示技术进一步发展，如实验室里演示的超高清视频 （UHDV）格式，清晰度提高了16倍，可达到1920×1080像素。毋庸赘述，我们可以看到，比HDTV分辨率更高的设备已用于数字影院和商业视频制作。此外，HD计算机图像格式有时也用于视频显示技术。计算机图像格式以前都采用1.33的 SD屏幕宽高比，适合CRT 要求，不过为能支持HD数字视频等应用，又出现了对宽屏LCD的定义。这些宽屏格式包括分辨率达1280×800的Wide XGA（WXGA）、1680×1050的Wide SXGA+，以及分辨率达 1920×1200的Wide Ultra XGA（WUXGA）等，宽高比均为1.60。刷新率几乎都采用逐行扫描技术，比DTV的扫描速率要快得多。尽管这些计算机图像格式不同于HDTV的标准格式，但计算机和 DTV 显示技术实际上目前是紧密相连的，因此大多数HDTV电视机实际上也支持WXGA等VESA分辨率。
影响影像质量的其它因素
开发人员在进行HD设计之前最好应先了解系统在显示方面的要求。人们的感觉和技术要求同样重要，人们要问，系统怎样使用才能让显示格式更吸引观众？首先，HD的效果只能通过大屏幕才能体现出来，要是屏幕对角线不到40英寸，那么高清效果就完全体现不出来。显然，HD对手机上的显示屏毫无疑义，再比方说，坐在车后座上的观众看前方座椅背后的小显示屏，也看不出HD和SD的差别。
其次，环绕音响的效果比高清屏幕的效果更为震撼。换言之，出色的音响效果会让一般的影像显得更好，而出色的影像效果则也会因音响不佳而大打折扣。因此，制造商在改进视频的同时，甚至之前，就要考虑怎么改进音频。
第三，视频压缩和解压缩也会产生影响。通常，数字视频压缩后会减少所需的巨大带宽，否则SDTV广播格式所需的带宽就可能超过124 Mbps，而1080i60标准所需的带宽将达到 750Mbps。存储容量也是要考虑的因素，单层DVD的容量约为4.7GB，只能支持较短的未压缩视频剪辑。双层HD-DVD和蓝光光盘的存储容量分别约为30GB和50GB，不过仍然需要进行大量压缩才能在一张光盘上放下几个小时的视频内容。
MPEG-2 Main Profile 是目前最通用的视频压缩标准，通常采用4:2:0 的色彩采样率，根据不同的视频源，能达到30:1到50:1的压缩率。由于H.264/MPEG-4 AVC High Profile基本能将这种压缩率翻番，因此今后几年视频广播和录制产业会逐渐向这种新标准过渡。不过所有ITU/MPEG标准都会发生质量损耗，因此解压缩的影像播放出来肯定低于压缩前的原始影像质量。由于影像在运动中而且标准定义时已经对人们的观赏体验进行了大量研究，因此影像质量的损耗能够被很好地隐藏起来，往往人们难以觉察到。不过，如果采用MPEG-4 Main Profile标准将压缩比提高到约60:1乃至100:1，那么就可能暴露出影像的瑕疵，而且HD显示屏会让这些瑕疵更明显。
系统资源
1080i60视频解压缩后比解压缩的SD 视频大6倍，解压缩的720p60比SD大5.3倍，因此可以粗略地说，系统必须为HD提供比SD高6倍的处理吞吐量和存储容量。此外，由于更高级的编解码器采用更多存储器，支持更多处理功能，因此能实现更高的压缩比，这样就会相应提高系统要求。举一个具体例子来说，以MPEG-4 Simple Profile 480i30 SD解码器为参考帧数据，那么所需的存储器约为0.5MB，而H.264 High Profile解码器对于1080i60 HD所需的最小存储器都高达15MB，高出30倍之多。导致这一增加的原因不仅是由于像素分辨率更高，而且还由于MPEG-4 SP的帧预测算法只要求一个帧，但H.264 Level 4.0 High Profile则要求5个帧。对于HD解码而言，处理器需要提供30倍的存储器容量才能支持内部参照帧缓冲。此外，还需要更多存储器空间来支持显示缓冲以及诸如流媒体缓冲和运算表等其它解码器功能。
HD系统多功能性
除了成本等因素，制造商要考虑HD系统设计的多功能性。几乎目前设计的所有数字视频系统都必须解决编解码器不断发展扩充的问题。不管是DTV广播、IPTV、视频会议还是其它应用，今后几年H.264/MPEG-4 AVC标准都将发挥巨大影响力。此外还有一些WMV9/VC-1 与中国的AVS以及ITU/MPEG标准等竞争性标准等。机顶盒（STB）等系统可能要动态支持多种不同标准格式，还可能要连接到娱乐和游戏设备上，并支持家庭电脑系统，今后还要支持视频电话。这种系统不仅要支持解码，重要的是还要支持转码和转速率、视频流和不同的显示屏，更不要说不同的应用和控制软件了。视频监视系统这样比较封闭式的应用也要支持编解码器的升级以及搜索和识别等特性。
处理器的选择
为了支持HD视频系统的高吞吐量、多应用要求，处理器必须以合理的价格支持高性能和多功能。根据设计，数字信号处理器（DSP）提供高性能，满足音视频编解码器和HD级数据流所需的实时算法要求。有的处理器集成了DSP和RISC，这样就具备更多优势，能进行功能分区，让DSP负责信号处理，而RISC负责控制、通讯和应用软件。采用达芬奇技术的TI数字媒体处理器等多核心DSP还包括视频图形协处理器（VICP），能为视频编码器常用的具体操作提供硬件加速，此外还具备更多片上硬件，能分担视频缩放以及图形视频混合等显示处理工作，支持屏上显示功能。
可编程DSP提供了支持多种编解码器和显示标准所需的灵活性，还使系统具有较强的灵活性，以满足新功能的要求。此外，统一的基本设计能根据不同市场乃至不同地区要求快速进行再编程。DSP近年来在用户友好性方面也取得了长足进步，达芬奇等处理技术包括全面的开放式软件平台，提供音频视频应用编程接口（API），确保DSP的透明性，这样开发人员只需用C语言和标准开发工具对RISC进行编程就能完成设计工作了。最后，支持片上系统（SoC）集成的DSP再配合存储子系统和专为视频功能而设计的外设，这样才能提供全面的解决方案，在支持 HD 和其它高级视频特性的同时还有助于降低系统成本。
总结
TV与其它应用的高清显示技术是数字视频领域的重要组成部分，视频系统制造商在是否实施HD技术方面面临着决策压力。不要人云亦云，因为别人都投入HD而随大流做出系统决策。应当记住，HD 包括多种格式，必须确定到底应当支持哪种或哪些格式。此外，并不是所有应用都需要 HD，具体取决于屏幕大小、带宽及系统成本等。HD需要巨大的数据吞吐量，比SD的实施成本更为昂贵，而且系统可能要支持多种编解码器和应用软件。因此，必须根据实时信号处理性能、编程的灵活性和易用性以及 SoC 集成是否物美价廉来认真选择底层处理技术。近期上市的基于 DSP 的媒体处理器提供了专用视频架构和开放式软件平台，有助于加速开发过程，降低开发成本。利用这种技术，系统开发人员能设计出全新的HD产品，满足不同市场的需求。