数字家庭影院中的HD显示技术与分析

关键词： 家庭影院 , 数字 , 显示技术

消费人群对视觉和听觉享受的追求，使音视频技术发生了革命性的变革。HD可能是近年来出现频率较多的词汇之一，其在音视频领域代表高分辨率（High Definition）的音视频信号质量。目前的家庭影院解决方案和相关技术也早已不再把目光局限于分辨率只有720 x 480的DVD标清（SD, Standard Definition）效果，日本NHK科学技术研究实验室甚至在2006年就推出了令人乍舌的具有7680 x 4320像素分辨率（逐行扫描，60fps）的“Super HiVision”技术。此外，在市场方面，据产业研究机构In-Stat预测，全球数字家庭市场收入将在2009年达到200亿美元，中国和亚太地区市场数字家庭设备和技术发展速度将持续领先，年复合增长率可达到30%。高清晰度创造了广阔的技术和市场前景，但同时也给相关系统带来了数倍甚至数十倍的负担。

HD 系统的性能要求

HD技术目前正应用于各种场合。由于带宽、压缩程度及显示格式的不同，各种HD系统的要求，如处理速度、存储容量、编解码器的选择等差别很大。德州仪器（TI）首席科学家方进（Gene Frantz）先生针对媒体处理方案和技术表示，视频输入流和应用会不断变化，HD 输出会越来越丰富，因此系统显然需要一定的灵活性。设计人员在选择视频系统的底层技术时，一定要考虑到上述问题。

德州仪器公司（TI）针对三个典型HD编解码器应用总结了其各自对应的一般系统要求，其主要包括广播、视频会议，和数码相机（表1）。首先，广播HDTV的输出比特率最高，采用MPEG-2或H.264/MPEG-4进行实时压缩。当前技术情况下，压缩HDTV节目进行传输的广播系统需要大量高频率数字信号处理器（DSP）和现场可编程门阵列（FPGA），以及数千兆字节（GB）存储器的支持。众多刀片式设备可以作为并行处理阵列运行，以支持多个通道的压缩HDTV输出。

视频会议作为另一种HD应用，需要做相应的缩放，要考虑到多数广域网连接不到百兆带宽的情况，同时还满足在大屏幕上显示HD影像的要求。短暂时延可以接受，但不能妨碍对话的实时性。虽然比 HDTV 示例中的标准要低，但仍属于高端标准。

数码相机（DSC）是视频压缩的常见消费类应用之一。我们可用数码相机捕获较短的视频剪辑，随后可在HD显示屏上播放。DSC系统必须方便易用，价格低廉，因此采用 MPEG-4 Simple Profile以确保处理和存储器的要求较低。基于DSP的高集成度的单个SoC专为便携式应用进行优化，能满足上述应用的编解码器要求。

HD格式对存储器与处理能力要求均大大超过SD格式。这些要求会提高组件成本，不过像所有半导体成本一样，最终会随着时间的推移而下降。因此TI认为，对系统制造商来说，问题在于是现在成本高的时候就支持HD，还是一两年后继续支持SD，等组件成本降下来和 HD需求提高之后再进入市场。

媒体处理器及国内代表性方案

HD音视频给人们感官享受的同时，也给播放系统带来更大的负担。相比SD内容，目前HD要求的处理能力和存储容量要高约5"6倍。特殊的功能和性能的要求也产生了多种视频处理器架构，如TI的Da Vinci系列、Sigma Designs的系列产品、Freescale 的iMX系列、以及Intel、AMD等厂商的X86架构产品等。

在竞争激烈的音视频技术领域，国内厂商也在努力打破垄断，相继推出创新性的产品和技术，其中代表性的厂商如C2 Microsystems和上海杰得微电子等。

杰得微电子的产品定位为手持信息终端、移动电视、IPTV等领域的移动多媒体SoC。其产品多选用ARM 926EJ内核。产品优势在于通过高效和精简的数学算法提高效率并减少功耗。

C2 Microsystems的SoC产品针对IP机顶盒、便携式媒体播放器、PVR等多媒体应用。C2的方案可以理解为一个多核架构的可编程多媒体专用处理器，其采用一个CPU加3个专用DSP的结构。专用DSP分别针对图像和多媒体处理运算所需要的运动估计（Motion Estimation）、熵编码（Entropy Encoding）和向量处理而设置的，SoC的整体结构也同时兼顾了开发的灵活性需求。C2 Micro-systems市场经理刘明璋先生表示，TI的DaVinci采用ARM加通用DSP的技术虽然可实现较高的性能和灵活性，但通用DSP没有对音视频专门进行优化设计，如果简单地通过提高主频来保证视频处理需要运算资源的话，必然会给PCB设计增加复杂度和成本；而完全通过硬件模块处理视频又牺牲了灵活性。

多核和可编程架构的烦恼

多核可编程结构在处理性能上有很大优势，但也有其应用上的弊端。多核处理技术已存在多年，性能上的优势无需多谈，而带来的麻烦也很多，其中主要集中在开发难度方面。

多核处理的原理是将任务拆分后由多个处理器协同完成，相应的开发人员则要求具有较高的编程能力才能将多核协作的能力发挥出来。可编程方案的灵活性很高，适用于应付各种各样的媒体格式，但难题仍然在于开发的复杂程度。因此要实现可编程和并行结构的优势，需要有专有的开放开发平台，并以此培养庞大的开发用户群。

鉴于多核和可编程架构在性能和应用上的两面性，许多国内厂家对其的态度十分谨慎。杰得微电子CEO欧阳合博士表示，多核技术是一个趋势，杰得将来可能也会做多核，但会很谨慎。因为如果编程的技巧上不去，多核就反而成了负担。而要降低开发的难度，又要有一定的用户基础和工程师基础。比如用ARM的费用很高，但需求仍然很大，就是因为它已经成了一种文化，写进了课本。TI的成功也并不单纯由于它技术的出色和产品性能的优越，单靠DSP的处理速度、架构的优势等方面还是不够，根本原因之一是TI产品的开发难度较低，开发人员很多，而且它的DSP技术已经写进了教科书，大学里的教授都懂TI的东西，因此即使有更优秀的DSP也很难与之竞争。所以，如果搞多核架构，要想到编程人员可能会很难找，有可能最终导致产品功能发挥不出来。这对于小厂来说就难度更大，因为开发人员可能需要几千个，自己的设计人员虽然懂一些底层的东西，但用户的需求是千奇百怪的，最终还是很难应付。

定位是首要问题

定位是制定商业战略的第一步，但在技术设计领域也依然适用。欧阳合博士表示，除了技术和创新性以外，产品的定位很重要。例如在手持设备领域，功耗永远是首要问题之一，而对多格式内容的支持则不是；相反在网络和家用视频方面就要就对支持格式尽量的多样化。德州仪器Jeremiah Golston先生也表达出类似的观点，他认为，很多显示格式都可称之为HD，但在某些应用中HD并不适用，所以要首先弄清自己需要的产品应用场景，再进一步选取格式和相应的技术。视频系统开发人员必须清楚HD的定义是什么，避免误以为什么设备都必须支持HD。此外，显示质量需要与信号压缩率保持平衡；当然，任何系统都必须考虑成本问题。然而，真正问题不在于是否需要HD，而是如何根据系统的显示、带宽和存储条件实现最佳质量，而且要在人们的支付能力范围内。一旦明确了这个问题，开发人员就可以选择一款底层处理技术来满足性能、灵活性以及低成本等一般系统要求。

市场观察

iSuppli：CES 2008市场观察

120Hz

高清（HD）格式向120Hz的帧频的转变已成为液晶电视图像质量方面的重点。使用120Hz的帧频可以最大限度地消除拖尾。面板厂商多数利用60Hz的输入材料，然后用插帧算法计算出补偿帧。

超薄成为时尚

OLED电视引发了液晶与等离子电视厂商的竞赛而争相推出最薄的产品。日立将于2008年率先推出厚度只有19mm的液晶电视。先锋在等离子电视方面走在前列，展示了厚度只有9mm的原型面板设计。

MPEG-4系统节省带宽

汤姆逊推出一套MPEG-4系统，用6Mbps的带宽就能提供同样的HD体验，而其它系统则需要8Mbps。在此情况下，处理能力的提高在一定程度上降低了带宽需求。

无线无处不在

电视厂商希望使电视成为互联家庭的主要组成部分，其试图通过提供无线连接使产品更具竞争力，如提供无线高清多媒体接口(Wireless HDMI)和与YouTube等内容提供商结盟来获得竞争优势等。但以何标准实现电视与家庭网络之间的连接，目前业内还缺乏共识。