Radioelektronik Audio-HiFi-Video 7/2001

Rozwój rozwi¹zañ

MPEG-4 do urz¹dzeñ

przenoœnych trzeciej

generacji.

K

olejna generacja urz¹dzeñ te-

lefonii ruchomej i innych urz¹-

dzeñ mobilnych stanowi wyzwa-

nie zarówno dla projektantów,

jak i firm oferuj¹cych krzemowe uk³ady

scalone, gdy¿ istnieje potrzeba opraco-

wania nowych uk³adów o wiêkszych szyb-

koœciach transmisji danych, daj¹cych prak-

tyczne mo¿liwoœci przesy³ania sygna³ów

wizyjnych. Te nowe w³aœciwoœci nie mog¹

jednak niekorzystnie wp³ywaæ na dotych-

czasowy zakres funkcji i musz¹ byæ uzy-

skane przy tym samym poziomie kosztów.

MPEG-4 zapewnia lepsz¹ kompresjê da-

nych, która wymagana jest do transmisji

danych obrazowych o znakomitej jakoœci,

przy jednoczesnym wzroœcie szybkoœci

tej transmisji.

Dotychczasowy rozwój MPEG-4 koncentro-

wa³ siê na integracji dŸwiêku, danych i wi-

zji w konwencjonalnym telefonie przeno-

œnym. Taki rozwój kodowania i dekodo-

wania MPEG-4 wymaga³ wiêkszej mocy

przetwarzania, która musia³a bardzo znacz-

nie zwiêkszyæ moc obliczeniow¹ telefonu.

Mia³o to wp³yw na wielkoœæ aparatu, liczbê

podzespo³ów, pobór mocy (a tym samym

¿ywotnoœæ baterii) oraz na ³¹czne koszty

systemu. Standard MPEG-4 pokrywa sze-

roki zakres zastosowañ, które dotychczas

by³y definiowane we w³asnych standar-

dach, np. H.263, H.261, MPEG-1 i MPEG-

2 (rys. 1). Z tego powodu istnieje alterna-

tywne rozwi¹zanie, w którym telefon prze-

noœny ma s³u¿yæ jako „podstawowy modu³

telekomunikacyjny” dla wideotelefonów

MPEG-4 z mo¿liwoœci¹ do³¹czenia do nie-

go ró¿nych akcesoriów, takich jak np. mi-

niterminale. Zawiera³yby one w pewnej

mierze „inteligencjê” i przejê³y zasadnicz¹

czêœæ MPEG-4. Takie rozwi¹zanie otwiera

mo¿liwoœci produkcji wielu ca³kiem no-

wych przenoœnych urz¹dzeñ rozrywko-

wych. Jednak¿e, niezale¿nie od tego czy

MPEG-4 -

GOTOWY

DO ZASTOSOWAÑ PRAKTYCZNYCH

MPEG-4 jest w telefonie, czy w akceso-

riach, ci¹gle trzeba rozwi¹zywaæ te same

podstawowe problemy projektowe.

Co to jest MPEG-4?

MPEG-4 opracowano w celu kompresji

danych audiowizu

alnych. Trzeba by³o po³¹-

r

PODZESPO£Y

8

lewizji cyfrowej. MPEG-4 jest wynikiem

ostatnich prac miêdzynarodowej grupy z³o-

¿onej z naukowców i in¿ynierów z ca³ego

œwiata. Prace maj¹ce na celu rozszerzenie

zakresu zastosowañ standardu s¹ konty-

nuowane.

Oprócz telefonii trzeciej generacji (3G,

UMTS) kodowanie MPEG-4 bêdzie sto-

32 k 64 k 1,5 M 15 M bit/s

MPEG-4

MPEG-1

MPEG-2

H.263

H.261

Przep³ywnoœæ

Telewizja

Telekomunikacja

WielkoϾ obrazu

HDTV

Standard-TV

CIF

QCIF

Rys. 1. Proces kompresji MPEG-4 pokrywa spektrum zastosowañ szeregu

dotychczasowych standardów transmisji

⇐ ⇒

⇐ ⇒

czyæ poszczególne sk³adniki z czêœci sk³ado-

wych dŸwiêku oraz obrazów ruchomych

i nieruchomych. MPEG-4

1)

definiuje narzê-

dzia do skutecznej ochrony przed b³êdami,

poprawnej skalowalnoœci, a tak¿e wiêkszej

skutecznoœci kodowania. W 1997 r. grupa

„Moving Pictures Expert Group” rozpoczê³a

prace dotycz¹ce specyfikacji MPEG-4. Pod

koniec roku 1998 okreœlono pierwsz¹ wersjê

standardu. Norma zatytu³owana MPEG-4

Wersja 2 zosta³a ostatecznie ustanowiona

w pocz¹tkach ubieg³ego roku.

Uprzednio wdro¿one opracowania grupy

MPEG, standardy MPEG-1 i MPEG-2 [1]

s¹ u¿ywane od kilku lat i stosowane przy

nagrywaniu p³yt Video CD i DVD oraz w te-

sowane w wielu innych dziedzinach, ta-

kich jak: telewizja cyfrowa, interakcyjna

grafika (obrazy syntetyczne) oraz interak-

cyjne multimedia, a w tym WWW, dystrybu-

cja i przesy³anie danych audio-wizualnych.

Pe³na norma MPEG-4, wydana przez miê-

dzynarodow¹ organizacjê normalizacyjn¹

ISO, jest osi¹galna w Internecie

2)

. Rów-

nie¿ tam mo¿na kupiæ pe³n¹ wersjê opro-

gramowania MPEG-4 wersja 1 na CD-

ROM; koszt wynosi 56 CHF, czyli ok. 160

z³otych. Oprogramowanie jest wolne od

restrykcji typu copyright i mo¿e byæ wyko-

rzystywane do prac zwi¹zanych z zastoso-

waniem MPEG-4.

1)

Wiêcej informacji na temat MPEG-4 mo¿na znaleŸæ

pod adresem

http://www.cselt.it/mpeg/standards/mpeg-4.htm

2)

Zamówienia nale¿y sk³adaæ pod adresem

sales

@

iso.ch

9

Radioelektronik Audio-HiFi-Video 7/2001

Wyzwania projektowe

dla rozwi¹zañ MPEG-4

Najwiêksze wyzwania stoj¹ce przed projek-

tantami uk³adu scalonego MPEG-4 zesta-

wiono w nastêpuj¹cych punktach:

q

Jak mo¿na scaliæ algorytmy kompresji

MPEG-4 obok innych wymagañ, jak np.

wysokiej jakoœci odtwarzanie mowy?

q

Jak mo¿na urzeczywistniæ efektywny

algorytm estymacji ruchu, który redukuje

wymagany algorytm do odtwarzania ca³e-

go obrazu?

q

Jak mo¿na zredukowaæ pobór mocy,

aby zagwarantowaæ d³u¿sz¹ ¿ywotnoœæ

baterii w ma³ym aparacie przenoœnym?

q

Jak musi wygl¹daæ odpowiednia sta-

bilizacja warunków pracy, która zminimali-

zuje pobór pr¹du w stanie spoczynkowym

uk³adu?

q

Jak mo¿na zrealizowaæ mo¿liwie efek-

tywnie interfejsy do zintegrowanych podze-

spo³ów i zespo³ów lub zewnêtrznych urz¹-

dzeñ peryferyjnych?

Aby sprostaæ tym wyzwaniom, ró¿ni produ-

cenci pó³przewodników opracowali scalo-

ne krzemowe rozwi¹zania MPEG-4, które

wykazuj¹ zasadnicze zalety w stosunku

do alternatywnych rozwi¹zañ wykorzystu-

j¹cych elementy dyskretne. Te rozwi¹zania

próbuj¹ zespoliæ koder i dekoder MPEG-4

z procesorami i innymi funkcjami, jak np.

dekodery mowy, multipleksery dŸwiêku

i obrazu oraz wewnêtrzn¹ (On-Board)

pamiêæ.

Integracja wszystkich funkcji

w jednej strukturze

Kluczowym problemem ka¿dego urz¹dze-

nia przenoœnego jest u¿yteczna ¿ywotnoœæ

baterii, a zatem w uk³adzie scalonym

MPEG-4 priorytet ma kwestia poboru mo-

cy. Z tego powodu ³atwy do stosowania

i osi¹gaj¹cy sukcesy rynkowe uk³ad scalo-

ny MPEG-4 powinien mieæ tak¹ architektu-

rê systemow¹, która ³¹czy³aby energoo-

szczêdn¹ eksploatacjê z wbudowanymi

zoptymalizowanymi algorytmami. Na po-

cz¹tku projektant musi wyjaœniæ nastêpu-

j¹ce cztery problemy systemowe:

q

Jaki jest pobór mocy przez pamiêæ

DRAM i procesor/interfejs pamiêci?

q

Jaka architektura procesora nadaje siê

do realizacji dekoderów wizji i fonii oraz

multiplekserów?

q

Jakie nale¿y zastosowaæ algorytmy do

estymacji ruchu, aby obni¿yæ wymagania

dotycz¹ce mocy obliczeniowej i zu¿ycia

energii?

q

Jaka jest najbardziej odpowiednia stra-

tegia realizacji zadañ przy uwzglêdnieniu

opcji procesorów, którymi siê dysponuje?

Wbudowana DRAM redukuje

pobór mocy

Najlepszy sposób minimalizacji zu¿ycia

energii wymaganej do realizacji systemu

pamiêci polega na umieszczeniu czêœci

DRAM wewn¹trz uk³adu scalonego. Dziê-

ki temu mo¿na zredukowaæ pobór pr¹du

czêœci DRAM o ok. 90% w porównaniu

z alternatywnymi rozwi¹zaniami dyskretny-

mi. Wbudowanie DRAM ma dodatkow¹

zaletê polegaj¹c¹ na zmniejszeniu zapo-

trzebowania na miejsce na p³ycie, a tak¿e

powoduje zmniejszenie wypadkowej liczby

podzespo³ów oraz znacznie wiêksze szyb-

koœci przep³ywu danych, przez co poprawia

siê wydajnoœæ ca³oœci. Ponadto, wbudowa-

na DRAM stanowi lepsze rozwi¹zanie na

d³u¿szy czas, poniewa¿ zmniejsza niebez-

pieczeñstwo awarii.

Architektury procesorów

Realizacja uk³adu scalonego MPEG-4 jest

mo¿liwa przy wykorzystaniu ró¿nych ar-

chitektur procesorów: standardowego pro-

cesora RISC, zoptymalizowanego proceso-

ra RISC lub te¿ cyfrowego procesora sy-

gna³owego (DSP). Ka¿dy z tych wariantów

zapewnia ró¿ne w³aœciwoœci dotycz¹ce

programowania, wydajnoœci, przetwarzania

sygna³u, wydajnoœci przetwarzania syn-

taktyki, a tak¿e elastycznoœci przy zastoso-

waniach multimedialnych. W tablicy za-

stawiono zalety i wady poszczególnych

rozwi¹zañ. Wynika z niej, ¿e do zastoso-

wañ multimedialnych, jakie wystêpuj¹ przy

realizacji uk³adu scalonego MPEG-4 najle-

piej nadaje siê zoptymalizowany procesor

RISC.

Wybrane rozwi¹zanie do odwzorowania

ruchu ma tak¿e podstawowe znaczenie

dla eksploatacji i obni¿enia poboru mocy

przez uk³ad scalony. Algorytm odwzoro-

wania ruchu identyfikuje „wektory ruchu”

i wykorzystuje je do okreœlania czêœci obra-

W³aœciwoœci

Standardowy RISC

Zoptymalizowany RISC

DSP

Programowanie

proste

wymagana

wymagana

specjalna technika

specjalna technika

EfektywnoϾ

przetwarzania sygna³u

z³a

bardzo dobra

bardzo dobra

EfektywnoϾ syntaktyki

dobra

bardzo dobra

z³a

ElastycznoϾ przy

zastosowaniach

multimedialnych

dobra

bardzo dobra

z³a

W³aœciwoœci ró¿nych wariantów architektury procesorów

CPU

LCD

Oprogramowanie

Uk³ad

steruj¹cy

MPEG-4

Video

Arbiter

16 Mbit DRAM

Mux./

Demux.

Audio

Kamera

CMOS

MPEG-4 Video/Audio LSI

Interfejs

g³ówny

Szyna danych

MPEG-4

System operacyjny

Podstawowe

uk³ady

scalone

Œrodki programowo-

sprzêtowe

Terminal podstawowy

MPEG-4

Rys. 2. Do³¹czenie nowego uk³adu scalonego MPEG-4 firmy Toshiba do typowego telefonu przenoœnego

r

PODZESPO£Y

Radioelektronik Audio-HiFi-Video 7/2001

10

zu, które ró¿ni¹ siê w porównaniu z obra-

zem poprzednim. Odwzorowanie ruchu

znacznie redukuje iloϾ wymaganych da-

nych niezbêdn¹ do odtworzenia ca³ego

przesy³anego obrazu, co jest niezbêdnym

elementem przy zastosowaniach takich,

jak wideotelefony. Z jednej strony zmniej-

sza siê szybkoœæ przesy³ania danych,

a jednoczeœnie redukuje wymagan¹ moc

obliczeniow¹. Oba te czynniki powoduj¹

mniejszy pobór pr¹du.

Inny sposób obni¿enia poboru mocy pole-

ga na zastosowaniu tranzystorów CMOS z

ró¿nymi napiêciami progowymi (VTCMOS).

Mo¿na dynamicznie regulowaæ napiêcie

progowe (U

th

) przez zastosowanie napiê-

cia wstêpnej polaryzacji pod³o¿a. VTC-

MOS mo¿na zastosowaæ po to, aby zmie-

niaæ napiêcia progowe, zarówno tranzy-

storów z kana³em n jak i z kana³em p.

Dziêki temu redukuje siê pr¹d spoczyn-

kowy i zmniejsza pobór mocy. Ponadto

zmniejszenie U

th

umo¿liwia zwiêkszenie

szybkoœci dzia³ania uk³adu, bez zwiêksza-

nia poboru pr¹du.

Pobór pr¹du mo¿na jeszcze obni¿yæ przez

po³¹czenie VTCMOS z inteligentnym uk³a-

dem grupowej regulacji napiêcia zasila-

nia, znanym jako CVS (Clustered Volltage

Scaling). CVS obni¿a napiêcie zasilania

U

DD

wybranych mniej istotnych bramek.

Tego rodzaju techniki prowadz¹ do znacz-

nego obni¿enia poboru mocy elektrycznej

uk³adu logicznego i pamiêci, bez wywiera-

nia negatywnych skutków na wypadkow¹

moc obliczeniow¹.

Technika realizacji odgrywa wa¿n¹ rolê

przy okreœlaniu wydajnoœci i poboru pr¹du

uk³adu scalonego MPEG-4. Architektury

„Pipeline” (przetwarzanie potokowe) umo¿-

liwiaj¹ zmniejszenie czêstotliwoœci pracy

rdzenia RISC i tym samym zmniejszenie

poboru mocy. Dalsze oszczêdnoœci mo¿na

uzyskaæ po zastosowaniu taktowania bram-

kowanego zapewniaj¹cego unikniêcie jed-

noczesnego w³¹czania wejœæ i wyjœæ.

Uk³ad scalony MPEG-4

z trzema 16-bitowymi

procesorami RISC

Na podstawie opisanych poprzednio tech-

nik, w firmie Toshiba opracowano w pe³ni

scalony pojedynczy uk³ad scalony MPEG-

4 do wideotelefonów. Scalono w nim deko-

der wizji MPEG-4, dekoder dŸwiêku, mul-

tipleksery dŸwiêku i obrazu, a tak¿e 16-me-

gabajtow¹ DRAM. Trzy scalone w jednej

strukturze 16-bitowe procesory RISC ste-

ruj¹ oddzielnie dekoderem wizji, dekode-

rem dŸwiêku i multipleksowaniem danych

dŸwiêkowych i wizyjnych. Zastosowanie

równoleg³ej struktury Pipeline przyczyni³o

siê do zmniejszenia czêstotliwoœci pracy

rdzenia RISC z 40 do 30 MHz, co spowo-

dowa³o zmniejszenie pobieranego pr¹du o

25%. Zastosowanie wbudowanej DRAM,

w porównaniu z metodami konwencjonal-

nymi, przyczyni³o siê do drastycznego

zmniejszenia poboru mocy w zakresie I/O.

Nowego rodzaju algorytm odwzorowania

ruchu minimalizuje liczbê cyklów, które s¹

niezbêdne do obliczenia wektorów ruchu,

bez ujemnego wp³ywu na jakoœæ obrazu.

W wyniku tego skraca siê konieczny do

oceny ruchu czas kalkulacji, a zu¿ycie

energii zmniejsza siê.

Nowy system MPEG-4 w jednej strukturze

oferuje pe³en zakres funkcji, który obecnie

bazuje na rozwi¹zaniach wieloprocesoro-

wych, mo¿e jednak pomóc projektantom

zmniejszyæ zu¿ycie energii do 30% w po-

równaniu z dotychczasowymi rozwi¹za-

niami z zastosowaniem elementów dys-

kretnych. Toshiba ocenia, ¿e czas u¿ytko-

wania zasilanych bateriami wideotelefo-

nów zwiêkszy siê do ponad dwóch godzin

(dotychczas czas ten wynosi³ jedn¹ go-

dzinê).

Przyk³ad zastosowania -

wideotelefon IMT2000

Pierwsz¹ decyzjê, któr¹ musz¹ podj¹æ pro-

jektanci, jeœli stosuj¹ MPEG-4 w telefo-

nach przenoœnych, jest ustalenie, czy za-

stosuj¹ rozwi¹zanie programowe, czy

sprzêtowe. Decyzja ta w du¿ym stopniu

okreœlona jest przez wydajnoœæ przetwarza-

nia procesora telefonu. Dekoder programo-

wy stosuje siê wówczas, gdy procesor

RISC ma wydajnoœæ obliczeniow¹ wiêk-

sz¹ ni¿ 100 MIPS. Z tego powodu obe-

cnie preferuje siê jeszcze rozwi¹zanie

sprzêtowe, poniewa¿ stanowi ono jedyne

praktyczne rozwi¹zanie dla istniej¹cych

wideotelefonów.

Na schemacie blokowym na rys. 2 przed-

stawiono wideotelefon IMT2000, który zo-

sta³ skonstruowany z zastosowaniem no-

wego uk³adu scalonego MPEG-4 firmy To-

shiba. W przyk³adzie tym MPEG-4 po³¹czo-

no z ju¿ istniej¹cym rozwi¹zaniem tak, aby

uzyskaæ wymagan¹ wydajnoœæ przetwa-

rzania, a tak¿e funkcje dekoderów obrazu

i dŸwiêku. W tym przypadku kompletne

rozwi¹zanie wymaga zaledwie interfejsu

Host-CPU, a tak¿e interfejsu trzydrutowe-

go miêdzy uk³adem podstawowym i sa-

mym uk³adem scalonym MPEG-4. W opi-

sanym zastosowaniu uk³ad scalony MPEG-

4 potrzebuje poza tym bezpoœredniego

po³¹czenia z kamer¹ CMOS oraz koloro-

wego wyœwietlacza LCD z odpowiednim

uk³adem steruj¹cym. Na rys. 3 przedsta-

wiono podzia³ poboru mocy miêdzy te

podzespo³y. Celem jest zmniejszenie pr¹-

du pobieranego przez uk³ad scalony

MPEG-4 do wartoœci poni¿ej 50% poboru

ca³ego systemu.

Odpowiednie rozwi¹zanie

do ka¿dego zastosowania

Oprócz opisanego rozwi¹zania MPEG-4,

Toshiba zamierza w przysz³oœci tak¿e ofe-

rowaæ ró¿ne pochodne tego rozwi¹zania,

które np. nie zawieraj¹ dekodera dŸwiêku.

Dziêki temu unika siê niepo¿¹danego

nadmiaru i umo¿liwia siê korzystne pod

wzglêdem kosztów implementacje, np.

w zastosowaniach, w których uk³ad podsta-

wowy sam zatroszczy siê o przetwarzanie

danych dŸwiêkowych.

W celu dalszego uproszczenia rozwoju sy-

stemów MPEG-4 Toshiba wkrótce przed-

stawi zestawy rozwojowe, które przyspie-

sz¹ ewaluacjê i szybkie wykonywanie pro-

totypów opartych na uk³adzie scalonym

MPEG-4 firmy Toshiba. (aw/cr)

n

L I T E R A T U R A
[1] Kurpiewska G: Kompresja cyfrowego sygna³u
wizyjnego. ReAV nr. 7,8,9,10/1997

Wyœwietlacz LCD

Kamera CMOS

MPEG-4

Moc zasilania

Rys. 3. Pobór mocy uk³adu MPEG-4 wynosi

po³owê ca³ego poboru mocy; w przysz³oœci

mniejsza iloϾ energii