视频解码芯片“齐争鸣” 谁主沉浮？

随着近几年互联网的迅速发展，全新的超高清蓝光标准在2016年开始全面爆发，相比蓝光其有着孕育市场的先天优势——超高清显示设备，包括电视、投影仪几乎是同一时间推向市场，互联网高速发展同样为超高清流媒体视频内容开辟疆土，而剩下的就是超高清播放器的解码核心以及成品的推向市场。
 
　　超高清蓝光标准具有5方面的内涵，包括4K分辨率、10Bit-12Bit高色深、HDR高动态、60P高帧数、BT.2020高色域空间，因此带来了画面动态更大、色彩空间更丰富的画面细节呈现。那么现在在市场上有哪些支持超高清蓝光标准的解码芯片推出？谁又主沉浮呢？
 
　　视频编解码芯片，原是国外厂商的天下
 
　　视频编解码，目前在网络上传输比较流行的是H.264与H.265。H.264/MPEG-4 AVC(H.264)是1995年自MPEG-2视频压缩标准发布以后的最新、最有前途的视频压缩标准。H.264是由ITU-T和ISO/IEC的联合开发组共同开发的最新国际视频编码标准。通过该标准，在同等图象质量下的压缩效率比以前的标准提高了2倍以上，因此，近几年来H.264被普遍认为是最有影响力的行业标准。
 
　　逆袭有望 纵观国产视频芯片进化史
 
　　H.264标准的使用了几个关键技术，分别是帧内预测编码、帧间预测编码、整数变换、量化和熵编码。帧内编码用来缩减图像的空间冗余。帧间预测编码利用连续帧中的时间冗余来进行运动估计和补偿，预测采用了基于4×4像素块的类似于DCT的整数变换。量化，H.264中可选32种不同的量化步长，这与H.263中有31个量化步长很相似，但是在H.264中，步长是以12.5%的复合率递进的，而不是一个固定常数。H.264视频编码处理的最后就是熵编码，在H.264中采用了两种不同的熵编码方法：通用可变长编码(UVLC)和基于文本的自适应二进制算术编码(CABAC)。H.264的编码和解码流程具体见图一。
 
　　由于H.264具备高压缩性，同时适合在网络里边进出传输，随着互联网地不断发展，各个半导体厂家也看到了这个金矿。2005年起，美国的TI、安霸、NXP、台湾的TEWELL、日本的SONY、SHARP等一大批国家半导体企业或者电子企业将目光投入到了H.264编码芯片上，量身打造适合不同区域的视频编解码芯片，大力推动了整个市场的发展。
 
　　可以说，在2010年之前，国内的自研芯片基本处于样机或者自用阶段，市场的接受度非常的低。据粗略数据统计，见下图二，国产芯片的占比只有1%左右，国外芯片占比95%以上，TI半导体巨头占领了中国几乎一半市场。其原因在于国外厂家有丰富的经验积累，深耕在这个领域多年，熟悉产业的特点，国产芯片的稳定性也有待提高。当时，应用视频行业的厂家，对于芯片的选型基本只考虑国外芯片，选择国内芯片的凤毛麟角。
 
　　图像去隔行单芯片，辉煌时代一去不返
 
　　电视发展的早期阶段，一般都采用“隔行扫描”技术，目的是减少传输图像的数据量。该技术将一帧图像分为前后两场，奇数行一场为奇场，偶数行一场为偶场。先发送奇场的数据，紧接着发送的是偶数行的数据，发送视频数据量将减少一半。隔行扫描时，一帧图像分为前后两场，场间间隔时间为喊间间隔时间的一半。即，扫描光栅在奇场从左到右，从上往下隔一行扫描一行，直到最后一行，在偶场按同样的扫描方式进行。为了图像效果更加好，在显示端，一般都会使用去隔行芯片，对视频图像进行处理。去隔行的方法有多种，包含了场间插值、场内插值、运动补偿等方法。
 
　　单芯片去隔行芯片的过去主要半导体厂家有美国的TI、日本的i-Chips和韩国的Macro Image，国产的去隔行单芯片基本没有厂家介入。从全球范围来看，消费量终端的显示器是非常多的，在VIDOE时代，去隔行芯片的使用量非常巨大。随着1080p分辨率普及，TVBS信号的应用逐步减少，取而代之的是3G SDI，同时DP、DVI信号协议里边不在包含i制信号，在专业视频应用领域，单去隔行芯片的需求正在减少。
 
　　目前在专业的视频处理领域，视频处理厂家如美国的巴可、中国的威创视讯、淳中等，为了追求最佳的视频显示质量和旧产品的维护，还有一定的单芯片去隔行需求，但是其他小小厂家基本就直接放弃隔行视频的处理。单芯片的去隔行已经逐步转化为芯片视频处理的一个模块。据统计机构WitsView最新调研数据显示，2016年全球液晶电视总出货量为2.19亿台，按照80%计算，需要带去隔行功能的芯片年需求量大概在1.76亿片。但是，在笔者看来，随着高清视频普及和传输到户带宽的升级提高，去隔行功能模块也将逐步推出历史舞台。
 
　　视频格式转换芯片，国际半导体厂家的舞台
 
　　视频格式转换技术是当今信息领域的研究热点之一，以美国和台湾公司为主相继推出多种芯片，如Genesis Microelectronics、Gennum Corporation、Trident、Trumpion(Taiwen)、Etron Technology、Macronix International、Philips Semiconductor、Sunplus Technology、i-chips等，国内在该方面目前尚处于起步阶段。

格式转换技术其应用场合要求它具有高实时性、低代价实现，因此格式转换研究从一开始就非常注重算法的ASIC化，在初期VLSI集成度比较小时，主要研究单帧线性内插，以后随着硅片集成度的提高，逐渐采用帧间的多帧算法的自适应算法，到90年代后期，运动估计技术可以单片集成时，运动估计的格式转换才蓬勃发展。今天，硅片的集成度还在不断提高，随着片上系统(SystemOnChip)成为可能，格式转换将会发展出更加复杂、高效的技术；可能的方向是运用更多帧的信息，进行更精确、复杂的运动补偿。

 
　　随着4k、8K液晶电视的推出，视频格式转换特别是缩放技术显得尤为重要。目前很多4k电视，因为在视频传输这块还跟不上，大部分是采用视频放大功能的。尚未成熟的8k更是如此。这里不得不提日本的视频缩放公司i-chips，抛开爱国情怀不说，在视频行业搞技术的从业者都对i-chips的产品肃然起敬。在缩放这块，i-chips可以说是数10年如一日做这一产品，并且用工匠精神把它做到极致，如i-chips732等。还有日本的夏普，最新研发X8-MEP图像处理引擎，无论是4K影像内容还是电视信号或BD影像，引擎都会根据影像素材内容对细节部分进行修正处理，以8K清晰度的高精细影像再现超越现。
 
　　视频格式转换芯片是显示器系统中不可或缺的关键部件，我国是电视、各类显示器的生产大国，但是，此类产品中的关键芯片目前大部份被美国或日本的芯片厂商所控制。国产的视频芯片仅有华为海思、珠海全志几家，尚未形成气候。
 
　　视频处理未来趋势
 
　　更低的功耗，最理想的情况是高清终端本身的功耗降低到通过自然散热即可稳定工作的程度，随着芯片工艺的不断成熟，为低功耗提供了可能性。绿色地球，是大势所趋。
 
　　更高的压缩能力，随着网络市场对高清说频产品的分辨率的要求不断提高，一般的720P分辨率已经有点提襟见肘，500万、800万甚至1200万的像素需求在不断涌现，对不同格式码流的需求也成为标准配置。这些对高清视频芯片的压缩能力提出了更大的挑战。
 
　　智能分析整合，人脸识别，大数据分析等智能视频技术蓬勃发展，越来越多的在实际应用中得到普及推广，随着高清4k时代的到来，信息量成倍增加的前提下，智能视频算法集成进去视频芯片里边已经是势不可挡。
 
　　视频可从配置技术，FPGA巨头赛灵思reVISION 支持以最快速度打造响应最快的视觉系统，相比最具竞争力的计算嵌入式 GPU 和典型 SoC，将机器学习推断的单位功耗图像捕获速度提升了 6 倍，将计算机视觉处理的单位功耗帧速度提升了 42 倍，时延降低为 1/5。可以预见，未来的视频芯片集成reVision技术是必配。
 
　　纵观国产视频芯片的10年，海思半导体借助H.264/265的编解码，协同海康、大华、威创等国内视频应用厂家，已经在IP编解码市场起到了引领作用。但是，在其他视频处理芯片市场，国内的半导体厂家还需要抓住视频处理的趋势，迎头赶上。笔者预计，未来的视频芯片具备上述4点趋势，如果国内半导体厂家能牢牢抓住，必将成为“站在风口上的猪”。