畅游于无限的内容世界未来的家庭电视体验?

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摘要:未来的家庭视频体验正在发生翻天覆地的变化。从有限的计划内容广播到电视及有线机顶盒的转变,将走向一个由有线电视运营商或互联网提供的、按需点播的无限内容世界,这些内容针对您的个人观赏品味而定制,并可支持家中的多种设备。

这给整个价值键中的各个环节提出了巨大挑战――从服务供应商到分线盒制造商以及两者的软硬件供应商,无一例外。本白皮书将主要讨论家庭视频体验中长期以来被人们所忽视的组成部分――即图形用户界面(GUI)。

我们将探讨图形用户界面对成就下一代家庭视频体验至关重要的原因,以及必不可少的硬件和软件。

最后,我们将考察ARM及我们的合作伙伴正全力开发的最新技术,这些技术将为2009年及以后实现数字家庭创造条件。

1数字家庭用户体验的演变

1.1 准高清――提升屏幕分辨率

如今,找到一台屏幕分辨率不足1920x1080的非“HD-ready”(准高清)新电视越来越难。在美国及欧洲,模拟广播信号即将退出舞台,这一趋势有力地促进了人们购买高清电视的欲望。

屏幕分辨率的提高意味着,在32位/像素下,像素通量和比特率将大幅提高,1080p的高清屏幕要求60 Mb/帧以上的带宽。这就为图形子系统运行简单的图形过渡或用户界面效果构成了巨大挑战,我们后文将看到这一点。

用户需要的不仅仅是以高清频道和蓝光DVD形式提供的高清内容,而且需要将广播视频以外的内容摆上高清屏幕。

1.2 身不离座的浏览、以IP为中心的互连家庭

据思科预测,到2012年互联网的使用量将比2008年增长75倍(资料来源:思科,2008年10月举行的机顶盒大会),而有线电视接入和IPTV则是这一趋势的巨大动力。

通过YouTube一类网站的视频消费呈爆炸式增长,促使有线电视运营商引入网络服务,提高IPTV的普及率。2010年,用户将可以从众多的广播和按次付费频道、预录数据、网站内容中从容选择,甚至可以将自己的个人视频、照片和内容上传到网上――面向大众市场的身不离座的浏览体验将在此年成为现实。

几乎“无限”的内容大量涌现,为内容的个性化提出重大挑战,体现在如何向您呈现自己喜欢的选择,如何以便于浏览的方式组织这些选择,如何确保定向广告切实可见、引人注目且易于访问等方面。

实现身不离座浏览体验这一愿景的重大技术难题之一是,如何以清晰、直观、引人的方式将用户吸引到内容和广告上――这将是基于屏幕的任何家庭视频解决方案的致胜法宝。

1.3 眼球争夺战――高清电视用户界面

对于电视用户界面将如何永久性地改头换面,例子数不胜数。对于为新的高清家庭媒体系统支付数百美元甚至上千美元的您来说,像下面一样的节目指南――2009年高级节目指南的典型样式――是远远不够的。

这样的用户界面无法管理将来呈现在用户面前的海量内容,无法全面支持互动或下载型应用。更糟糕的是,这种界面甚至没有采用多种现有设备业已使用的技术。

至关重要的是如何以个性化的方式向用户呈现内容,使其可以方便地从众多的广播电视、预录视频、互联网数据和视频以及家庭自制视频和照片中选择自己喜欢的内容。

节目指南正演变成用户的定制“主页”――由此为扩大广告覆盖面、提高讯息传播频率提供了新的机会。同样,通过简单、美观的用户界面将用户吸引到此类广告上是非常重要的。

不但需要在底层数据库中融入一定的智能,还需要以精心设计的方式将数据呈现在用户眼前。一种方法是用定制型小部件(widget)将信息清晰地呈现在屏幕上,并允许用户对屏幕进行定制。可以利用简单的窗口混合技术和透明效果(以显示下层窗口),来打造悦目的外观,简化屏幕导航。

以下示例显示了如何在用户“家庭屏幕”上将定制型假日照片和天气小部件与广告有机地结合起来。

如图2所示,呈现大量数据有利于大致了解有哪些内容可供选择,但是,对高级用户界面来说,某个对象或应用的无缝缩放能力也同等重要。

在用户界面中,对用户而言真正重要的是什么?可靠性――用户界面必须以一致、直观的方式达到用户的预期,必须能使用户快速访问意向内容,最重要的是,要简单易用。

另一个重要的考虑因素是:用户界面必须“性感十足”。这已成为吸引眼球之战中的一个关键战场。观众已经通过体育、新闻及其它广播节目,接触到了大量的3D过渡效果。3D用户界面越来越多地出现在大量消费电子设备上――从最新式的手机到便携式导航设备、打印机、相机,甚至数码相框――应用调整、偏移、倾斜、缩放等效果,增强照片或相册搜索功能,利用3D技术营造一种“游戏一般的”内容导航体验。随着设计精美的用户界面在数字家庭中的日益普及,缺少这样的用户界面将成为不可想象之事。

1.4 狐狸先生,盒子中是什么――2010年的机顶盒中

数字电视、机顶盒以及数字家庭中的其它设备的功能不断增加,实现桌面电脑一样的多媒体体验不但可能,而且势在必行。

硅工艺尺寸不断缩小,使得可以在更小的硅面积内实现性能提升和功耗降低(最终导致成本降低)。

多重处理CPU已然面市,性能达1000 DMIPS以上,并具有深度片内缓存和浮点支持能力。在大众化消费设备中,GPU正变成现实,将可带来3D图形体验,实现视频和图形的高级混合。

存储器成本不断下降,闪存和RAM推陈出新,使得在设备内部存储大量内容成为可能。

同时,本地连接通量也节节攀升,基于家中MoCA、HPNA V3、HomePlug AV及DLNA兼容软件栈的USB 2.0高速家庭网络的普及是其原因,这些为从数字家庭的多个设备访问视频和网络内容创造了可能。

1.5 图形加速及对GPU的需求

高清电视需要处理的像素量本身即意味着,即使简单的渲染任务也需要GPU。例如1,从480i标清转到1080p高清电视时,一次简单的2D位块传输所需要的CPU周期数和内存存取次数会增加10倍左右。

另外,用户对高清屏更高的品质预期也要求增加单位像素的处理量:例子包括高品质图像重调、多层透明、全屏抗锯齿,以及景深、倒影、衍射等高级视觉效果。传统的嵌入式CPU不太适合这类工作,而传统2D位块传输器则不够灵活,无法应对特色要求。

图4所示用户界面即采用了符合OpenGL ES 3D图形标准的特色功能。

这种用户界面下,封面图像、倒影、文本和背景总共只需要100至200个三角即可。然而,对于30帧每秒的1080p高清电视,原始像素填充率绝对不能低于120MPix/s 。其中,至少50%是双线性或三线性过滤纹理数据。

结果,仅仅是过滤运算(不包括透明/混色),每秒就共需读取360M左右的24bit像素(至少1.1Gbyte/s) 和理论上不低于3.2 GFLOPS。

显然,通过CPU或现有2D位块传输器来完成上述工作是极不经济的,甚至是不可能的;用GPU来处理这类工作要简单得多。例如,ARM推出的Mali系列GPU可以极其高效地执行三线性过滤,而专门的内置缓存则最大限度地降低了纹理带宽用量。Mali也支持双线性过滤,不会使性能受到丝毫影响。Alpha混色同样免费提供,支持额外纹理读取和混色,如上例倒影所示。

某些情况下,对输出像素的要求可能稍低,但每个像素的处理量却可能更高。

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常见用例之一是在视频流中应用3D过渡效果,如图6中的翻页效果,但这里存在一个困难。

GPU处理的数据通常是RGB格式。视频解码器通常产生YUV格式的数据,在内存和带宽利用方面效率更高。从YUV格式转换为RGB格式需要消耗大量的带宽(即功率)和CPU周期。

虽然可以在GPU中为YUV数据提供硬件支持,但需要支持的YUV格式有多种。一种更灵活的替代方案是利用Mali等下一代GPU可编程的特性,编写效率极高的片段着色程序,每像素只需2-3个周期,即可在GPU上将YUV格式转换成RGB格式,包括对比度、亮度、饱和度控制。这样,GPU可以直接读取YUV数据,用于2D和3D效果,而无需通过单独的转换程序。

接下来考察下面的下一代OpenGL ES 2.0用户界面(由TAT AB提供),其中即利用了可编程3D图形硬件。

其中,需要进行YUV色彩空间转换,以将视频数据拉入图形管线。该用户界面效果还包括实时对比度、亮度和饱和度调整、衍射效果以及景深/模糊效果。

同样,所有运算均可由GPU高效地处理,比如Mali系列中的片段着色器。例如,在单个周期中,一个双核Mali-400 MP可以在纹理过滤、混色、抗锯齿等运算之外,执行多个着色器运算。

尽管有些更具吸引力的效果可能要求极高的像素率,但可以带来令人惊奇的过渡效果,彰显用户界面与竞争解决方案的差异。例如,下图所示放射模糊过渡效果即广泛应用在高端游戏中,在多种图像处理软件包中也是屡见不鲜,可以轻松为前例增加10倍的高清电视像素。

2小结

随着几乎无限的内容迈入数字家庭,再加上“Apple效应”的影响,用户界面的质量和诱人魅力成为左右用户购买决策的关键因素。从令人眼花缭乱的内容的访问过程的个性化和简化,到应用酷美的过渡效果,用户体验将成为2010年数字家庭中至关重要的因素。

在性能要求达1G像素每秒,功耗要求比典型的桌面电脑低100倍以上的条件下,图形处理器将在这种演变中扮演中心角色。

幸运的是,这种技术已经研发成功,硅供应商和OEM厂商已开始部署高级GPU设计,比如面向大容量机顶盒和数字电视的Mali-200和Mali-400 MP。

争夺观众眼球的这场战争已然拉开序幕。对用户来说,这是条好消息,他们将成为视听体验革命的见证人;2009年及未来,GPU的大规模部署必将使数字家庭焕发活力、光彩照人。

参考文献

[1 ]若是负载分辨率线性调整,位块传输将导致2次内存存取(读写各1次)

[2] 120MPix/s来自以下假设:屏幕上overdraw为1.9倍:1920*1080*30帧每秒*1.9overdraw~= 120MPix/s

[3]每秒360百万像素,其假设是,50%的纹理化像素经过双线性过滤(读取4个纹理元素),剩下的50%经过三线性过滤(读取8个纹理像素)。可推广到每纹理化像素读取6个纹理元素。

背景可能采用纹理化,也可能是产生渐变效果的片段着色器。假定存在一种效率合理的应用,其中,仅有约50%的像素经过纹理化处理。(注意:低效应用可轻易在背景上浪费掉一个全1920x1080纹理):120MPix/s * 6个纹理元素每像素 * 50%纹理化像素= 360MTex/s

[4]对于纹理过滤的计算成本,我们假定双线性过滤为每24bit像素33次浮点运算,三线性过滤为75次浮点运算。假设双线性和三线性过滤各一半,则得到:(75+33)次浮点运算* 双线性和三线性各50% * 120MPix/s * 50%纹理化像素= 3.24 GFLOPS。

(本文由ARM公司供稿)

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