Mit Cavium PureVu vom Paket zum Pixel
Cavium bietet HD H.264 Codec-SoCs mit integriertem Networking
2003 haben die Kodierexperten der ITU und der ISO einen gemeinsamen neuen Video-Kompressions-Standard veröffentlicht, den die ITU als H.264 und die ISO als AVC (MPEG-4 Part 10 Advanced Video Coding) bezeichneten. Die neuen Algorithmen wurden mit der Maßgabe entwickelt, eine im Vergleich zu MPEG-2 um mindestens den Faktor 2 verbesserte Kompression zu erreichen und tatsächlich zeigen praktische Implementierungen eine sogar noch höhere Kodiereffizienz.
Somit ist es möglich, High-Definition-Inhalte bei hoher Qualität mit etwa 10..20MBit/s zu verteilen, auf lokalen Netzwerken etwa oder drahtlos über 802.11n. Der Hersteller Cavium hatte bereits mit seiner ersten Familie von H.264-HD-Codecs die technischen Grundlagen entwickelt und erweitert sein Portfolio nun mit H.264-HD-SoCs, die neben dem Codec auch die notwendigen CPU-Kerne zum Networking enthalten.
- Datenraten von Videostreams bei Standard- und HD-Auflösung
H.264 aka MPEG4 AVC
- Effizienz verschiedener Kompressionsverfahren
H.264 ist kein grundlegend neuer Ansatz zur Kompression von Videoströmen, enthält aber eine Vielzahl neuer Features zur Steigerung der Kompressionsleistung im Vergleich zu MPEG-4. Er wurde zudem mit Blick auf die Übertragung in paketbasierenden Infrastrukturen wie beispielsweise Ethernet oder 802.11 spezifiziert, so dass er sich für die multimediale Heimvernetzung ebenso empfiehlt wie für den professionellen Einsatz in Videostudios oder Sendeanstalten.
MPEG-4/AVC unterscheidet sich deutlich von MPEG-4/ASP und seinen Derivaten DivX und XviD, erreicht typischerweise eine etwa dreimal so hohe Kodiereffizienz wie H.262 (MPEG2) und ist auch für hoch aufgelöste Bilddaten (z.B. HDTV) ausgelegt. Das heißt, vergleichbare Qualität ist etwa bei einem Drittel der MPEG-2-Datenmenge zu erreichen. Allerdings ist der Rechenaufwand auch um den Faktor 2 bis 3 höher. Das Bild zeigt bekannte Kompressionsverfahren mit ihren jeweiligen S/N-Ratios in Abhängigkeit der resultierenden Datenrate.
Unterstützt wird die Vielseitigkeit auch durch das hohe Maß an Skalierbarkeit des Standards mittels Profilen und Leveln. So können z.B. die Quantisierungsparameter derart eingestellt werden, dass die Kodierung nahezu 100% originalgetreue Ergebnisse liefert.
Die Kompression kann ausschließlich mit den I-Frames erfolgen oder einschließlich P- und/oder B-Frames, um damit noch bessere Effizienz durch Ausnutzung spatialer Redundanzen zu erreichen.
Der Standard erlaubt die Kompression von Videos in YUV 4:2:2 Chroma Subsampling oder aber auch im 4:4:4-Format sowie Pixelformate mit mehr als 24 Bit/Pixel und bietet darüber hinaus sogar ein „Lossless“-Profil.
Dank der Kodiereffizienz von H.264 lässt sich mit Datenraten von weniger als 50 Mbit/s eine hervorragende Qualität bei „Full HD“ (1080p60) erzielen, dies bedeutet immerhin eine Reduktion der Datenrate von etwa 75:1 verglichen mit den originalen 3.6 GBit/s eines 1080p60-Streams.
H.264 hat sich inzwischen am Markt als führender HD-Standard durchgesetzt und Encoder dafür gibt es bereits in Digitalkameras und Camcorder zu erschwinglichen Preisen.
Durch die im Vergleich zu MPEG2 mindestens doppelt so effektive Kompression ist es möglich, hoch aufgelöstes Filmmaterial mit akzeptabler Spieldauer auf eine Blu-Ray-DVD zu bannen oder in bezahlbarer Bandbreite zu übertragen. Die Tabelle oben zeigt zur Illustration die notwendigen Übertragungsressourcen bei verschiedenen Videoformaten. Ein echtes HD-Bild (1080p60) mit guter Farbauflösung verlangt knappe 4 Gbit/s an Bandbreite.
Kompression und Verzögerung
Mit der Fortentwicklung der Kompressionsstandards und ihren ausgeklügelten Algorithmen zur Reduktion der notwendigen Übertragungsrate steigt leider auch die Durchlaufverzögerung oder Latenz, also die Zeit, die eine Encoder-Decoder-Kette benötigt, um das erste eingespielte Bild wieder am Ausgang anzuliefern.
Diese Latenzzeit neigt zum Steigen, sobald sich Parameter wie Auflösung, Bildwiederholrate und Farbtiefe erhöhen und beeinträchtigt nicht nur H.264, sondern auch andere Kompressionsstandards. Zusätzlich erhöht die Bitraten-Steuerung, also die Vorgabe der Datenrate anstelle einer Kompressionsrate, ebenfalls die Latenzzeit. Das liegt an der notwendigen Bufferung, also Zwischenspeicherung von Daten zur Erzielung der voreingestellten Datenrate und wirkt sich naturgemäß ungünstig auf die Durchlaufverzögerung aus.
Für das Ziel einer drahtlosen Übertragung von HD-Video ist aber die eng tolerierte Steuerung der Bitrate unerlässlich, um starke Änderungen der Übertragungsbandbreite zu vermeiden, die sehr negative Auswirkung auf die Bildübertragung hätte.
Starke Fluktuationen der Bitrate gehen mit der Übertragung von I-Frames einher und auch zwischen den I-Frames hängt es letztlich von der Komplexität des Bildinhaltes ab, welche Datenrate nach Kompression entsteht.
Super Low Latency Technologie (SLL)
- Ausschnitt aus der unkomprimierten Video-Testsequenz (720p)
Cavium hat die Herausforderung kurzer Latenzzeiten schon in seiner ersten Generation von HD H.264 Video Codecs durch Innovationen der Architektur und Entwicklung eigener Algorithmen gemeistert. Die daraus entstandene Super-Low-Latency-Technologie (SLL) erweitert den Flaschenhals in Sachen Processing und Steuerung der Bitrate.
Dank SSL hängt die Latenzzeit nun lediglich vom Pixelclock ab, d.h. ein 1080p60-Stream wird mit geringerer Latenz generiert wird als einer mit 480p60, einfach weil der Pixeltakt bei 1080p60 wesentlich schneller ist. Tatsächlich kann ein einzelner 1080p60-Stream mit einer Encoder-Decoder-Latenz von weniger als 1 ms verarbeitet werden.
Die SSL-Technologie löst die Latenzzeit-Problematik, die von der I-Frame-Zwischenspeicherung herrührt, durch ein spezielles Verfahren, das Macroblock-Intra-Refresh genannt wird. Anstelle der Verarbeitung von I-Frames als einzelne Frames werden diese verteilt über eine Gruppe von Bildern prozessiert. Damit kann der I-Frame Bitstream innerhalb der Vorgaben von Bit-Rate und Latenz erzeugt werden. Ein weiterer Vorteil dieser Methode der verteilten Verarbeitung ist die inhärente Robustheit gegenüber Fehlern.
Die bemerkenswert niedrige Latenzzeit der SLL-Technologie hat für drahtlose HDMI-Anwendungen noch einen weiteren Vorteil, nämlich die Sicherstellung von Lippensynchronität. So können Bildinhalte beispielsweise drahtlose auf Monitore übertragen werden, während die zugehörigen Tonspuren direkt vom Player kommen.
Kodierleistung im Praxistest
- Gleicher Ausschnitt bei MPEG-2 Kompres sion auf 5 Mbit/s. Deutlich sind typische Block artefakte zu erkennen
Das obrige Bildbeispiel zeigt die Kodierleistung von H.264 im Vergleich zu MPEG-2 anhand eines 720p HD-Streams, der als YUV-4:4:4 Material vorlag.
Der Stream wurde mit Hilfe des Open-Source Multitalents VLC mit einer Zieldatenrate von 5 Mbit/s einmal mit MPEG-2 kodiert und im Vergleich dazu mit H.264. Mit dieser Vorgabe ist eine recht heftige Kompression verbunden, bei einer Dateigröße des Ausgangsmaterials von ca. 1.35 GByte schrumpft der Clip auf etwa 7 MByte zusammen. Kein Wunder also, dass hier deutliche Artefakte auftreten.
Vor allem Klötzchenstrukturen treten bei der MPEG-2 Version deutlich hervor und „verschleiern““ feinere Strukturen recht nachhaltig. Dies ist wenig überraschend, denn in H.264 wurde ein Block Filter definiert, der exakt dieses Problem wirkungsvoll behebt.
Die CNW56xx Familie
- Cavium WiVu Technology Product Brief
- Cavium CNW6611 H.264 Video Processors Tiga-Universal Wireless Display Adapter
- Cavium PureVu CNW5621 Super Low Latency Full-HD Video Co-processor
- Cavium PureVu CNW5602 Super Low Latency Full-HD Video Co-processor
- Cavium PureVu CNW5102 Super Low Latency Full-HD Video Co-processor
- Gleicher Ausschnitt mit H.264-Kompression
Die leistungsfähige und hoch integrierte PureVu-Prozessorlinie mit ihrer Super Low Latency (SLL™) H.264 Kompressionstechnologie ermöglicht drahtlos angebundene Anzeigeeinheiten auf Basis des 802.11 WiFi Standards zu Preisen, wie sie für Produkte der Consumerelektronik mit hohen Stückzahlen üblich sind.
Dabei unterstützen die neuen Bausteine drahtlose HD-Distribution unterschiedlichster Geräte aus dem Bereich der Unterhaltungselektronik und PC-Technik und ermöglichen damit die Anzeige von Videoinhalten in mehreren Räumen und auf mehreren Displays sowie „Wireless Docking“ und Erweiterungsbildschirme, möglich sind damit aber auch hoch interaktive Anwendungen wie beispielsweise das „Wireless Gaming“.
Die auf Industriestandards basierenden Lösungen von Cavium sind hinsichtlich ihrer Skalierbarkeit und Kompatibilität in idealer Weise darauf zugeschnitten, beliebige Inhalte auf jeden Bildschirm in einem Haushalt zu transportieren.
Im Unterschied zu den Codes der ersten Generation (CNW3xxx) integriert die neue Familie einen Dual-Core ARM11 Prozessor und erübrigt damit Host-CPUs zur Realisierung der Network-Connectivity.
Zielanwendungen
Der CNW5602 ist der am umfangreichsten ausgestattete Vertreter von Caviums neuer Videoprozessor-Familie. Das SoC (System-On-Chip) unterstützt bidirektionalen Videotransfer mit H.264 Kompression bis zu einer Auflösung von 1920 x 1200 Pixel bei maximal 60 Frames je Sekunde, überragende Steuermenüs über eine 2D-Graphics-Engine sowie Kopierschutz nach HDCP 2.0.
Der CNW5602 adressiert verschiedene Produkte aus dem Bereich der Consumer-Elektronik und der PC-Technik einschließlich HDMI Transmit/Receive-Adapter, BD-Player, Home-Video-Router und Wireless Gaming Adapter. Hier einige ausgewählte Features des Bausteins:
Embedded CPU
- ARM11 Dual Core bis zu 500MHz
- Big- und Little-Endian Orientierung
- Floating-Point- und DSP-Support
Codec
- H.264 Baseline Profil Codec bis L4.2
- Unterstützt Video mit Zeilensprung
- Single-Pass, Multiple-Block Bewegungs-Abschätzung
- Halb- und Viertel-Pixel Interpolation
- Alle Intra-4x4 Luma Modi
- Alle Intra-16x16 Luma und Chroma Modi
Fehler-Immunität & Verschleierung
- Erzwungene Intra-Frames
- Intra-Refresh
- Variable GOP Grösse
- Variable Slice-Grösse
- Skip Frame
- Skip Macro-Block
Video Ein- und Ausgangs-Ports
- 2 bidirektionale Video-Ports
- 1 x YUV/RGB/4:4:4 bis 194 MHz
- 1 x YUV/4:2:2 bis 194 MHz
- ITU-R BT 709-4/1120, 656/601 YUV
Super Low Latency™ (SLL) Technologie
- 1ms 1080p60 Encode Latency
- 1ms 1080p60 Decode Latency
Hi-Speed Schnittstellen
- 1x 10/100/1000 MAC (RGMII/MII)
- PCIe x1 Root-Complex + Target
- USB EHCI/OTG
Audio
- I2S-Schjnittstelle für L/R Stereo Audio und Multi-Channel serial Audio Streaming
- SPDIF Audio-Schnittstelle
- Abtastraten 16kHz, 32kHz, 44.1kHz, 48kHz, 96kHz und 192kHz
Produktdifferenzierung
Zudem kann der CNW5602 z.B. von TV OEM-Herstellern dazu verwendet werden, High-End-Produkte zu differenzieren, indem der Fernseher von einem Gerät für reinen TV-Konsum zu einer Medienzentrale verwandelt wird, der die Bildschirminhalte an zahlreiche kleinere Displays im Haus verteilt. Dies ist natürlich für Hersteller sehr attraktiv, da sie mit geringen Mehrkosten Markentreue ihrer bestehenden Kunden stärken und neue Kunden gewinnen können. Zudem treffen die Cavium-Lösungen sehr genau die Konzepte der OEMs im Hinblick auf die Integration drahtloser Übertragungsfunktionen, denn sie setzen auf standardisierte WiFi-Technologien und verlangen daher keine neue Infrastruktur.
Der CNW5611 ist ein SoC, das mit dem Ziel entwickelt wurde, TV-Displays und PC-Monitore mit Caviums drahtloser Anzeigefähigkeit auszustatten. Der Baustein verfügt über eine Vielzahl von Schnittstellen zur nahtlosen Integration in bestehende Fernsehgeräte und Monitore. Eine schnell wachsende Anzahl dieser Geräte wird ja inzwischen zur Einbindung in drahtlose Netzwerke mit WiFi ausgerüstet. OEMs haben nun also die Möglichkeit, die WiFi-Module mit einem CNW5611 zu erweitern, um die drahtlose Anzeigemöglichkeit zu schaffen sowie Hollywood Quality Kopierschutz mit minimalen Einfluss auf Kosten oder Bauform. Die extrem leistungsfähige Video-Engine als Kernstück des CNW5611, zusammen mit einer sehr hohen Fehlertoleranz sichert beste Ergebnisse durch die robuste Videoübertragung und extrem flinke Anwender-Interaktion.
Der CNW5621 schließlich, mit seiner kleinen Bauform und niedrigen Stromaufnahme, ist ideal geeignet, um die hohe Performance von PureVu (bis zu 1920 x 1200 Pixel bei 60 Frames je Sekunde), die geringe Latenzzeit sowie den Kopierschutz nach HDCP 2.0 in portable Geräte zu bringen, beispielsweise in Notebook Computer, Netbooks oder MIDs (Mobile Internet Devices). Der CNW5621 wurde im Hinblick auf eine Integration in PCs entwickelt, z.B. in Form von DMCs (Display Mini Card) und anderen Mini-Cards oder auch USB- und HDMI-Dongles.
- Übersicht der PureVu CNW5xxx Video-Codec-Familie
