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家庭媒體中心設計趨勢探討
 

【作者: John Carey】   2006年10月02日 星期一

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從PC的普及,到影音內容數位化及寬頻網路的實現,今日的家庭中充斥著各種各樣的傳播管道、媒體格式以及收播、錄製裝置。在傳播管道上,除了既有的有線及衛星電視外,透過網路傳輸的IPTV服務也開始興起了;在媒體內容上更是多樣,除了數位、類比電視外,還有數位相機拍的照片、DV拍的影片、網路下載的MP3、iTune音樂、電影,以及DVD、CD等等,甚至還有線上或機台的3D遊戲。


這些涵蓋音訊(audio)、視訊(video)、影像(image)和圖像(graphic)的多媒體內容,在過去分屬於電視、CD/DVD播放器、收音機、音響、遊戲機等客聽中的機盒式家電,以及臥客中的PC週邊,或隨身的照相機、錄影機、MP3播放器和PDA等。然而,在數位網路化的新環境中,家庭用戶開始期待這些裝置都可以並存在相同的家庭網路平臺上,而各種內容之間也都能夠互通傳遞,並匯聚到客廳的家庭媒體中心(Home Media Center)來播放。


這種匯流的變遷趨勢,也意味著龐大的商機開始浮現。有實力角逐這個市場的重量級玩家,主要是既有的影音家電業者,以及來自PC陣營、消費性電子設備商(如遊戲機、PVR)及網路設備商(如閘道器、NAS儲存器)的挑戰。大家除了致力於相容來自其他陣營的媒體格式及介面,以及在功能性與操作性上互別苗頭外,也各自有一套媒體中心的建置架構及發展策略。由於PC業者的挑戰實力最堅強,本文將著重對家電陣營的盒式(Box-centric)方案與PC-based方案進行比較。


多元的媒體格式與介面

今日家庭媒體中心需克服的一大問題,就是如何整合各種各樣的多媒體內容格式,分析如下:


視訊(動態影像)上的主要編解碼格式包括MPEG-2、MPEG-4、H.264/AVC、VC-1及中國的AVS等,還有VCD、DVD、DivX等媒體格式。MPEG-2在電視節目的製播上仍有穩定的市場需求,但隨著市場應用上對高畫質及頻寬效率的要求日益提升,新一代的編解碼格式也愈來愈受重視,其中又以H.264最被看重,而VC-1則屬於微軟陣營的視訊格式,也有相當的市場份量。在影像的解析度上,又可以分為電視螢幕的標準畫質電視(SDTV, 720x576)和高畫質電視(HDTV, 1920x1080),以及PC螢幕的VGA(640x480)、SVGA(800x600)和UVGA(1024x768)等。


在音訊部分,也有很複雜的規格。幾個重要的音效格式包括AAC/AAC+、AMR-NB/WB、AC3、MP3/MP3Pro、WMA、OGG、MIDI、Dolby等;若要在家中講VoIP電話,則需用到LPC、CELP與ACELP等語音編碼格式。此外,為滿足家庭劇院(Home Theater)的逼真音效,還得支援立體多聲道的環繞效果。


除了音、視訊格式外,在家庭媒體中心中得處理的內容還包括靜態影像(照片)和2D/3D的圖像。在格式上,常見的影像處理格式包括BMP、TIF和JPEG等等,目前以JPEG最流行,而下一代的JPEG2000也開始商業化,它能讓影像的處理獲得更高效率的壓縮及多功能的特性。在遊戲方面,家庭媒體中心必須支援2D、3D、SVG(Scalable Vector Graphics)的各種規格。


複雜的傳輸介面

除了以上琳瑯滿目的各種媒體內容格式外,這些內容的顯示及播放,也得透過極多樣的介面來傳送。在視訊輸出方面,包括既有的D-Sub、S-Video、AV端子、三色色差端子,以及高畫質電視新主流的DVI、HDMI端子等;在聲音的輸出上,包括Mic、Line-out、Line-in,並要支援5.1,甚至是7.1聲道,此外,要接上家庭劇院的數位擴大機,則會需要S/PDIF光纖輸出。


數位內容也可能透過其他的儲存媒介傳送到家庭媒體中心,因此得支援CF Type I/II、SD、MMC、MS、MS PRO、xD等記憶卡格式,以及常見的USB 2.0及IEEE 1394匯流排,此外,高速的e-SATA也是有可能用得到的介面。在通訊的介面上,則包括有線/無線及區域/廣域的Ethernet、xDSL、Cable、Wi-Fi、Bluetooth、UWB等等。請參考(圖一)。



《圖一 家庭媒體中心的連結環境》
《圖一 家庭媒體中心的連結環境》

PC-based的媒體中心途徑

在看了上述媒體內容及傳輸介面的介紹後,可以理解到家庭媒體中心架構上的複雜度,然而,它的最大挑戰正是如何化繁為簡,讓坐在客廳中的老老少少都能很輕鬆的取得、操作與享受這些內容。最理想的操作模式,自然還是讓用戶能舒舒服服地坐在沙發上,用一只搖控器就能很容易地點選自己想看的節目、照片,想聽的音樂、廣播,想瀏覽的網站,以及想玩的遊戲。


以PC的能耐,本來就可以執行各種的應用功能。除了文件編輯外,PC用戶早已習慣利用電腦來播放處理影音內容,只要再插上一片電視卡,就能收看電視節目了。不過,PC從安裝到各種應用程式及使用介面的操作,都有不少的學習門檻,並非適合家庭媒體中心的運作模式。為此,PC陣營的領導者積極針對客廳的環境推出了更容易上手的解決方案,包括微軟的MCE(Windows XP Media Center Edition)、Intel的Viiv和AMD Live!,都是訴求結合電腦和多媒體娛樂,將DVD 播放機、數位錄放影機(DVR)、CD 播放機、音響以及其他娛樂設備整合為一體,在單一裝置上實現遙控操作功能。


用用看今日的媒體中心(Media Center)PC,可以發現其操作介面已有大幅的簡化改善,也可以用遙控器來執行暫停、倒轉電視或廣播節目、以數位元元方式錄製完整的電視系列或是節目類型、觀賞DVD和視訊檔案、組織整理並播放音樂選集,以及展示數位相片。此外,此類PC甚至還貼心地設計了快速開關的「Away」模式。


不過,即使一台多媒體PC的外型可以非常類似一般的影音家電,但其殼子裏畢竟是PC架構的再包裝,仍難脫PC的一些特性。在操作介面上雖已大幅的簡化,但買了台多媒體PC回去,仍得進行一堆「正確」的設定;在內部的硬體架構上,儘管雙核心的處理器能在高效能的同時緩和高熱源的議題,但散熱與耗電仍是頭痛的問題,伴隨而來的風扇噪音也必須得到完善的處理。


此外,身為PC,「當機」仍是隨時可能發生的原罪;而一台微軟作業系統的PC,還得處處防範「病毒」及「駭客」的攻擊。最後,也是最現實的問題,就是一台多媒體PC的價格動輒四、五萬元,這或許是合理的PC價格,但在家電的市場,這已足夠再添購一台大螢幕的電漿電視了。而與其競爭的一台入門STB,可能不到1000元就可以買得到了。


Box-centric的媒體中心途徑

另一個可行的途徑,還是採家電的設計架構。此作法往往能滿足低價和簡易操作性的需求,但想在今日的媒體中心裏扮演要角,還得先克服連結性與效能處理的問題。看看今日的影音家電環境,存在著數位電視、STB、PVR、家庭劇院、遊戲機、DVD播放器/燒錄器、數位攝影機、照相機,以及可攜式遊戲機、PMP或MP3等。這麼多元的家電設備該如何整合在一起呢?


目前最可行的方式是透過USB、Ethernet、HomePlug、Cable(MoCA/HPNA)或無線方式(Wi-Fi)等介面來與STB串連,利用STB來執行影音的解調(demodulation)和解碼(decode)等工作,再傳送到電視機螢幕播放。在這類架構中,最受注目的是結合網路與電視內容的IPTV服務模式。這是一套整合語音、視訊和數據的Triple Play多重業務模式,在全球市場已開始快速的成長,若從IPTV的服務營收來看,MRG(Multimedia Research Group)預估其營業額會從2004年的6億3500萬美元成長到2008年的720億美元,年成長率高達102%;用戶數則可望從在2004年的190萬戶,成長到2008年的2530萬戶。


IP STB無疑是此架構的核心裝置,在其開發上有兩種策略,一是依個別服務供應商量身訂製其需要的IP STB規格,另一個方向則是採開放性的架構,透過通路來銷售這樣的設備。以前者來說,營運商具有極高的掌控性,能建置較安全及可靠的系統,並透過遠端來管理與升級這些設備,但產量受限、產品成本難以降低,設備商的創意也難以發揮。


通路式的IP STB則能開創水平性的商業模式,將市場規模做大,也能在競爭下有效刺激成本。設備商能依其技術能力及行銷策略推出高、中、低等級的產品系列,讓用戶有多元的選擇。這當然是相當理想的發展模式,雖然目前IPTV多由大的電信業者所主導,形成垂直性為主的商業型態,但由網路端發起的服務模式,也由微軟、Yahoo等大廠開始炒熱。因為此類IP STB也能成為家庭媒體中心的主機,正是發展IP媒體中心(IP Media Center)的另一項選擇。


Media Center PC vs. IP STB/Media Center

以PC來當做家庭媒體中心主機,雖有價格偏高及操作較複雜的弱勢,但對於熱衷新產品的早期採用者(early adopter),尤其是一些PC的玩家來說,他們較能接受數萬元一台的多媒體PC,也願意自行手動安裝與升級。不過,對於一般的用戶來說,他們當然以便宜好用為購買的第一原則,而且會要求產品的穩定性及耐用性。這群人無疑是市場上的多數族群,他們會偏好選擇盒式的解決方案。


IP STB是代表性的一項產品,在專屬性的設計下,能提供更可靠、安靜、省電、更小尺寸,也符合使用者習慣,及滿足營運商或通路模式的解決方案。此外,在作業系統上若採用WinCE或Linux的平台,則能進一步提供接近PC的多樣化功能,讓用戶也能透過網路下載內容或應用程式,為STB進行功能的升級和擴充。


系統規劃挑戰

相較於PC採用通用式的硬體及無所不包的軟體,IP STB必須針對特定的規格定義來妥善規劃其軟、硬體系統。面對龐雜的功能整合需求及愈來愈繁重的處理工作,今日的IP STB得克服極大的設計挑戰,包括編解碼(Codecs)、安全/內容管理、介面、軟體的複雜度、QoS等等。


IP STB有三大任務,一是處理網路資料流,二是處理影音串流,三是進行資料的存取。在三大任務中,影音處理無疑是最繁重的工作,整個工作涵蓋了解碼、DRM授權、影像後處理,再送到螢幕播放。目前從家庭到行動設備的新興視訊應用上,都迫使視訊編解碼的格式轉向新一代的H.264或VC-1視訊格式。


從家庭媒體中心來看,高畫質電視(HDTV)已形成強烈的市場需求,儲存媒介的容量也不斷提升(如HD-DVD、BD),但不論是從地面、衛星、纜線或網際網路來傳輸內容,其可用頻寬都十分有限,若想流暢的傳送高畫質的節目,就得更有效率的運用有限的頻寬及頻譜。


新一代的H.264或VC-1便是極佳的選擇。以H.264來說,它能提供遠高於MPEG-2或MPEG-4的壓縮率,但仍能保持視訊的品質。試驗顯示,在相同視訊品質情況下,與MPEG-4 Advanced Simple Profile壓縮協議相較,H.264可以把位元率降低35%~50%,而與MPEG-2相較可降低40%~65%;與MPEG-4 Simple Profile壓縮協議相較,H.264 Baseline Profile還可以在廣泛的位元率範圍內將峰值訊息噪音比降低50%以上。


不過,由於H.264的演算技術更為複雜,在編解碼上需採用更高階的處理架構。以運算記憶體來說,若要執行HDTV的解碼,MPEG-2只需要用到9MB的記憶體空間,H.264則需要超過15MB的空間;以記憶體頻寬來說,HDTV的H.264解碼器也會需要比MPEG-2大兩倍的頻寬才跑得動。不過,隨著SDRAM在密度及頻率上的提升,這些問題已獲得很大的改善。


在處理效率上,同樣採軟體方式設計的H.264解碼器,會佔用比MPEG-2大六倍以上的運算資源。因此,以純粹軟體方式來設計H.264解碼器並非理想的作法,採用硬體方式雖會增加一些元件成本,但能夠大幅提升處理效能,對系統的整體效益是很明顯的。


不過,即使支援了新一代的編解碼格式,IP STB仍得廣泛支援市場上存在的多重格式,而且針對同一種格式中的不同類型(profile),也要有支援能力。尤其是採通路式市場的IP STB,支援多重格式才能應付各種可能的編解碼需求。此外,由於IP STB是多種媒體匯流的中心(Hub),它也得具備從低階QCIF到高階1080i的多重解析度,甚至具有編碼轉換(transcoding)及速率轉換(transrating)的技術能力。最後,在後製處理(post processing)的階段,還要求以不同解析度來提供子母畫面(Picture in picture;PIP)、頻道瀏覽(Channel browsing)和多重播放(Multi-play)等加值應用功能。請參考(圖二)。



《圖二 STB需在同畫面中提供不同解析度的畫質》
《圖二 STB需在同畫面中提供不同解析度的畫質》

軟體開發

為滿足多樣化的功能,IP STB在軟體開發上的複雜性也不斷在提升,其設計考量的層次必須涵蓋硬體層、驅動程式、作業系統、中介軟體和應用軟體,而整個產業鏈中的參與業者眾多。在這些軟體層次中,作業系統的選擇無疑是個關鍵,它將決定整個開發工作的難易度,以及未來的升級能力。


在嵌入式的系統中,通常會採用即時作業系統(RTOS)或高階作業系統(High level OS;HLOS),後者又以WinCE和Linux為大宗。採用RTOS能讓系統獲得最佳化的設計,但需投入較長的研發時間;相較之下,HLOS則提供了更完善的各種功能套件,讓開發工作能順利許多。


目前Linux以其開放性條件,在嵌入式系統中取得一席之地,但針對如IP STB/Media Center的複雜性設計,Linux設計師必須具有強大的技術能力,才能順利將來自不同來源的連結協定及功能套件整合在一起,並獲得理想的工作表現。相較之下,WinCE已將多數常用的連結性協定整合在其中,例如WMDRM-ND、WMC、P4S、TCP/IP等等,設計者不需再為此傷腦筋,而且提供了方便的建置平台,協助設計者進行開發、除錯或調校系統。當然,微軟方面會負責產品的升級開發,持續推出新的升級版本。請參考(圖三)。



《圖三 WinCE與其他方案的比較》
《圖三 WinCE與其他方案的比較》

硬體架構

硬體架構架構上,盒式的IP STB/Media Center設備業者會希望在一個完整性的平台上進行系統規劃。這個平台必須能提供接收衛星、數位地面電視及播放DVD/HD-DVD的媒體介面,以及寬頻的網路介面,並對多重影音格式進行解碼及輸出。要達成這樣的平台,必須掌握一些關鍵性的技術,包括影音編解碼、家庭網路協定、支援多重諧調器(tuner)、提供數位錄影功能,以及安全性的技術(CA/DRM),並能滿足低成本和省電的要求。請參考(圖四)。



《圖四 IP Media Center平台的關鍵技術》
《圖四 IP Media Center平台的關鍵技術》

結論

何種解決方案最終將在家庭媒體中心的戰場中勝出,目前仍然言之過早。不過,就短期的戰線來看,家電式的IP STB/Media Center具備了較明顯的優勢,也就是能以客製化的系統架構來提供低價、易操作及性能穩定的使用經驗,若採用WinCE等作業系統,還能提供接近PC的多元功能。當然,PC陣營也非省油的燈,這場戰役才剛剛開打而已。


(作者為ST大中華區消費與顯示部門桌上盒競爭力中心經理)


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