H.264トランスコーダLSI

あ ら ま し 地上デジタル放送などに用いられているMPEG-2方式の画像圧縮データをより圧縮率 の高いH.264方式の画像圧縮データに，またH.264方式の画像圧縮データをより低いビッ トレートにそれぞれ変換することで，記録時間をより長く，ネットワークのトラフィッ クをより低くすることが求められている。本稿では，これらの用途に必要となるトラン スコード処理をリアルタイムで実行するLSIを紹介する。本LSIは画質面で最も有利とさ れる，画像圧縮データを一旦伸張し，再度圧縮するトランスコード方式を採用しており， 変換処理に伴う画質の劣化を最小限にしている。また，USBバスパワー（2.5 W以下）で の動作やPCI Express Mini Cardサイズ（30 mm×50.95 mm）への搭載などを可能とする ため，小型かつ低消費電力を実現しており，現状では地上デジタル，BSデジタル，CSデ ジタルなどの放送の長時間記録の実現を目的として主にPC-TVやPVRに採用されている。 昨今，スマートフォンやタブレットなどの携帯端末の普及に伴い，動画像のネットワー ク経由での視聴・録画の需要が増大しており，ネットワークのトラフィック低減や携帯 端末で再生可能な画像圧縮形式への変換などへの採用が見込まれている。富士通セミコ ンダクターでは，これらの用途に対応するため，新たなソリューションの構築を進めている。 Abstract

Video data are compressed in MPEG-2 format for use in terrestrial digital broadcasting and such like. To extend the recording time and reduce network traffic, it is necessary to convert such data into H.264 format, which features an even higher compression rate, and also convert data in H.264 format into data of a lower bit rate. This paper introduces an LSI capable of transcoding, which is necessary for these conversions in real time. This LSI uses a transcoding method that is regarded as being the most advantageous in terms of image quality. With this method, encoded video data are decoded once and then re-encoded to minimize the degradation of video quality caused by the conversion processing. The LSI, which has also been given a small size and low power consumption to allow it to operate with USB bus power (up to 2.5 W) and be used in devices with the size of a PCI Express Mini Card (30×50.95 mm), is mainly used at present for PC-TVs and PVRs with a view to achieving long time recording of broadcasting including terrestrial digital, BS digital and CS digital broadcasting. As mobile devices such as smartphones and tablets have become widespread recently, the demand for viewing and recording videos via a network is increasing and it is hoped that the adoption of this LSI will reduce network traffic and convert data into video formats that allow them to be decoded on mobile devices. Fujitsu Semiconductor is working on coming up with new solutions to support these applications.

●田中和幸

ま　え　が　き 録画機能付きテレビやハードディスクレコーダ では，トランスコーダ（注1）_{を用いたH.264方式での} 長時間録画機能は今や標準となり，多くの機器に トランスコーダLSIが搭載されている。また，スマー トフォンやタブレット製品などのモバイル機器で もHDコンテンツを視聴する機会が増えており，帯 域幅の狭いワイヤレス伝送路上でデータ量の多い HDコンテンツを高圧縮して伝送するために，トラ ンスコード機能が広がりつつある。 富士通セミコンダクターは，フルHDの動画像を H.264方式でリアルタイムに圧縮・伸張するコー デックLSI「MB86H51」を2007年5月に発表（1）_した。 また，同LSIの映像処理技術をベースに，第1世代の トランスコーダLSI「MB86H52」を2007年8月（2）_に， 更に機能強化，小型，低消費電力化を進めた第2世 代のトランスコーダLSI「MB86H57」「MB86H58」 を2009年5月に発表（3）_{している。} 今回，ハードディスクレコーダなど据置き機器 や，ノートパソコン用アクセサリーなどのモバイ ル機器にも幅広く採用された第2世代のトランス コーダLSI「MB86H57」「MB86H58」に機能追加 を行った，第3世代トランスコーダLSI「MB86M01」 「MB86M02」「MB86M03」（以下，MB86M0x）を 開発した。 本稿では，現行製品の課題，MB86M0xの概要を 述べた後，本LSIのシステム構成例および今後の開 発予定を概説する。 現行製品の課題 MB86H57，MB86H58は，上述のとおり様々な 製品に採用されているが，更なる用途拡大のため に解決が必要な以下の課題を有している。 （1） 世界各国の放送規格への対応 MPEG-2からH.264へのトランスコードのみの対 応となっているため，H.264方式の放送向けの製品 に用いることができない。 （2） 携帯端末の表示解像度向上への対応 サイマルトランスコード（フルHD解像度の入力 ま　え　が　き （注1） MPEG-2などの圧縮データをH.264などのより圧縮率の 高い方式で再圧縮する（トランスコード）処理を実行す る装置やLSI。 現行製品の課題 データからフルHDと，フルHD未満の解像度の2種 類のストリームを同時に生成）時に，フルHD未満 の解像度としてQVGAにしか対応できない。その ため，昨今のスマートフォンなどの携帯端末向け としては解像度が不十分である。 （3） USB運用時のデュアルトランスコード対応 ホストインタフェースとしてUSBを選択した場 合，マスタ/スレーブ接続機能（専用インタフェー スでトランスコーダ2個を接続することでマスタ側 のトランスコーダからスレーブ側のトランスコー ダの制御を可能とし，ホストCPUから2個のトラン スコーダを1個に見せる機能）に対応していないた め，デュアルトランスコーダとして使用できない。 （4） 画質改善 高画質であることをお客様にも評価いただいて いるが，今後も業界トップクラスの画質を維持す るためには，継続した画質改善が必要となる。 （5） ダブルチューナ対応 チューナ入力が1系統しかないため，裏番組録画 などチューナが2個必要な場合は，本LSI 1個では 対応できない。 （6） USBロゴ認証取得対応 USBサスペンド時の消費電力が規格を満たして いないため，USBバスパワー運用時にUSBロゴの 取得ができない。

MB86M0x

の概要 MB86M0xは，前章の課題に対応する製品として 開発した。MB86M0xのブロック構成を図

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に示す。 映像データを変換するH.264/MPEG-2トランス コーダ/エンコーダ部は，既存のコーデック・ト ランスコーダLSIなどで実績のある，エンコーダ およびデコーダコアをベースとしており，低消費 電力化と，富士通研究所独自のアルゴリズムによ り高画質化と処理量低減を実現している。また， MB86H57，MB86H58で 実 現 し て い るMPEG-2 からH.264へのフルHDトランスコード機能に加え て，H.264方式の映像データを更に高圧縮のH.264 方式の映像データに変換するトランスレート機能 にも対応している。 オーディオトランスコーダ/エンコーダ部は各種 フォーマットのオーディオトランスコード/エン コード処理を実行し，システム多重化部は映像デー

MB86M0x

の概要

マートフォンやタブレット向けのアクセサリー製 品やノートパソコンなどのモバイル関連製品向け に13 mm角の小型パッケージ，据置き機器向けに ボールピッチが0.8 mmと広い21 mm角パッケージ をラインナップしている。 MB86M0xのチップ外観を図

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に，主要諸元を 表

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に示す。 タとオーディオデータをTS/MP4コンテナに多重化 する。システム多重分離部はTS/MP4コンテナから 映像データとオーディオデータを分離する。 MB86M0xは上記のブロックのほか，サムネイル 画像を生成するJPEGエンコーダ部，画像の拡大/ 縮小を行うスケーラ部，セキュリティ機能を実現 するAES暗号化部とMULTI2/AES復号部，1 Gbit FCRAM（Fast Cycle RAM，富士通セミコンダク ター独自技術の低消費電力メモリ）のアクセス制 御を行うFCRAMコントローラ部を内蔵する。 更に，SMPTE 274M/296M-2001，ITU-R BT.656 など非圧縮のデジタルビデオデータを入力するビ デオ入力部，I2_{S形式でデジタルオーディオデータ} を入力するオーディオ入力部，ストリームデータ を入力するストリーム入力部と出力するストリー ム出力部，外部のホストCPUとコマンド，ストリー ムまたはJPEGデータをやり取りするPCI Express/ USB部やI2_{C/SPI/B-CASなどの各種インタフェー} スとLSIの動作クロックを生成するPLLなどを 1チップに集積し，1 Gbit FCRAMを含め1パッケー ジに封止した。 消費電力はフルHDでのH.264トランスレート時 に1.2 W（メモリ込み）と業界トップクラスの低 消費電力を実現している。加えてパッケージもス デジタル ビデオ入力 デジタル オーディオ入力 ストリーム出力部 （8bitパラレル/シリアル） FCRAM コントローラ部 PLL ストリーム トランスコーダ制御，ストリーム/JPEG ストリーム/JPEG ストリーム入力部 （8bitパラレル/シリアル） AES暗号化部

PCI Express USB

システム多重化部 JPEGエンコーダ部スケーラ部 H.264/MPEG-2 トランスコーダ/エンコーダ部 オーディオトランスコーダ/ エンコーダ部 システム多重分離部 オーディオ入力部 各種インタフェース B-CAS I2_{C SPI} 1Gbit FCRAM SiP ロジック チップ ・・・ ビデオ入力部 MULTI2/AES復号部 図-1 MB86M0xのブロック構成 図-2 MB86M0xのチップ外観

主　な　特　長 MB86M0xは以下の特長を有しており，様々な用 途での使用を可能としている。 （1） H.264トランスレート，各種オーディオトラン スコード対応 従来製品は，MPEG-2方式での放送圏である日 本，米国向け製品のみへの対応であった。今回， H.264ト ラ ン ス レ ー ト 機 能 を 追 加 す る こ と で， H.264方式での放送圏である欧州・南米・アジアな ど世界各地域の製品や，日本国内でもH.264方式の 放送となっているスカパー！ HD対応機器への搭載 が可能となった。本機能によりH.264方式の放送で あっても，データを再圧縮することができるため， 記録時間を延ばすことができる。また，各種フォー マ ッ ト｛MPEG-2/4 AAC-LC，HE-AACやDolby®

Digital（AC-3），（注2） _{MPEG-1 Audio Layer2など｝}

のオーディオトランスコードにも対応し，再生機 主　な　特　長 （注2） Dolbyはドルビーラボラトリーズの登録商標です。 器の仕様に合わせた変換を可能とした。 （2） 更なる高画質化 参照B-pictureへ対応することで圧縮率を更に向 上し，低レートでの画質を改善した。 （3） 視聴番組と録画番組の同時制御機能 二つのチューナ入力端子により，チューナモ ジュールを二つ接続することで，視聴番組と同時 に録画番組の制御を可能とした。 （4） USBデュアルトランスコード機能 従来製品ではPCI Express使用時でしか使用でき なかった，マスタ/スレーブ接続機能をUSB使用時 でも使えるようにした。本機能により本製品2個を 接続し，デュアルトランスコーダとしての使用を 可能とした。 （5） USBサスペンド時の消費電力低減 従来製品では対応できなかったUSBバスパワー 動 作 で のUSBロゴ認証取得を可能とするため， USBサスペンド時の消費電力を規格内に収まるよ うに低減した。 表-1 MB86M0xの主要諸元 機 能 仕 様 トランスコード ビデオ MPEG-2HD→H.264HD/SD＋H.264SD/QVGA H.264HD→H.264HD/SD＋H.264SD/QVGA MPEG-2HD→MPEG-2SD H.264HD→MPEG-2SD ＊トランスコードのスピードは1.n ∼ 2倍速 オーディオ MPEG-2/4 AAC-LC，HE-AAC，

MPEG-1 Audio Layer2，Dolby®_{Digital（AC-3）} Re-mux

データ再多重化 ARIB Data，Closed Caption，Teletext

エンコード ビデオ H.264 HD/SD/QVGA，MPEG-2 SD

オーディオ MPEG-2/4 AAC-LC，HE-AAC，_{MPEG-1 Audio Layer2，Dolby}®_{Digital（AC-3）} ストリーム

フォーマット MPEG-2 TS，MP4

インタフェース

PCI Express，USB2.0（Device），

Stream-I/F（Serial or 8bit Parallel）［2 input，3 output streams］， Video I/F（SMPTE 274M/SMPTE296M-2001，ITU-R BT.656）， Audio I/F（I2_S） そのほかの機能 セキュリティ：AES（暗号化/復号），MULTI-2（復号のみ） JPEG QVGAエンコーダ（サムネール用） I2_{C，SPI-ROM（EEPROM）I/F，B-CAS I/F} 消費電力 1.1 W（typ.，MPEG-2 HD to H.264 HD トランスコード時）_{1.2 W（typ.，H.264 HD to H.264 HD トランスレート時）} メモリ 1 Gbit FCRAM内蔵

パッケージ（SiP） MB86M01：FBGA 490ピン 13 mm角（ボールピッチ 0.5 mm）MB86M02：FBGA 490ピン 21 mm角（ボールピッチ 0.8 mm） MB86M03：FBGA 289ピン 13 mm角（ボールピッチ 0.65 mm）※

（3） 多チャネル同時録画対応レコーダ（図

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） トランスコーダの2系統チューナ入力とマスタ/ スレーブ接続機能を利用することで，モジュール あたり4チャネルの同時視聴/録画が可能となるソ リューションである。本構成により地上デジタル 放送のみに対応するシステムであれば，BOMコス トアップの要因となっているB-CASカードの枚数 を4枚から1枚に減らすことが可能である。 今後の開発予定 前記のWi-Fi TVチューナ，多チャネル同時録画 対応レコーダのシステム構築には，トランスコー ダを制御するホストCPUが必要となるが，性能や コスト面で最適な製品がない状況である。この課 題へ対応するため，現在トランスコーダのコンパ ニオンLSIの開発を進めている。また，フルHD よりも更に高解像度の4K2K（4096×2160または 3840×2160画素）などの動画への対応も今後，要 求が高まると予想されており，トランスコーダな どの製品向けに4K2K対応コーデックの技術開発も 進めている。以下，これらについて概説する。 今後の開発予定 （6） サイマルトランスコード解像度向上 従来品ではQVGAサイズまでしか対応できな かった同時トランスコード解像度をSDサイズまで 拡張した。 システム構成例 MB86M0xでのシステム構成例を示す。 （1） USBドングルTVチューナ（図

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）

TVやSTB（Set Top Box）などUSBインタフェー スを有する機器に接続することで，長時間録画が 可能なチューナを増設できるソリューションであ る。USBバスパワー動作が可能であるため，ACア ダプタが不要で非常にシンプルなシステム構成が 可能である。 （2） Wi-Fi TVチューナ（図

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） スマートフォンやタブレットなどの携帯端末で のTV視聴を可能とするソリューションである。携 帯端末でフルHD放送をそのまま表示するのはデ コード性能やネットワーク帯域面で問題があるた め，トランスコーダで解像度やビットレートを変 換することで対応が可能となる。 システム構成例 チューナ モジュール _MB86M03 トランスコーダ チューナ モジュール MB86M02 トランスコーダ チューナ モジュール ホストCPU Wi-Fi 図-3 USBドングルTVチューナ 図-4 Wi-Fi TVチューナ

International CESでは4K2K対応TVが複数のメー カ よ り 発 表 さ れ，2012年4月 に 市 場 投 入 さ れ た Intelの次期メインストリームCPU（Ivy Bridge） は4K2K動画の再生をサポートするとしている。 また，4K2K対応のカメラは既に多数製品化され ており，コンテンツの作成は可能となっている。 4K2K動画においてもデータ量が膨大であること から，何らかのフォーマットでの圧縮が必要とな るが，フルHD動画に対して4倍のデータ量となる ため，更なる圧縮率の向上が求められている。こ の要求に対応するため，H.264の2倍の圧縮率を 実 現 す る 新 方 式 と し てHEVC（High Effi ciency Video Coding）の標準化作業がISO/IECのMPEG とITU-TのVCEGに よ る 研 究 開 発 チ ー ムJCT-VC （Joint Collaborative Team on Video Coding） で 進められている。規格化完了は2013年1月の予定 であるが，富士通研究所は標準化作業に参画して おり，既にアルゴリズムの検討にも着手している。 このような状況を鑑み，4K2K，HEVC対応のコー デックコア開発の検討を開始したところである。 む　　す　　び 本稿では，動画像をリアルタイムで変換するト ランスコーダLSIと今後の開発予定について紹介し た。今日までフルHD対応のコーデックLSI，トラ ンスコーダLSIの開発を進めてきたが，MB86M0x は現状のコーデック技術を用いた製品として一つ む　　す　　び （1） コンパニオンLSI 現状のWi-Fi TVチューナソリューションではメ インCPUとしてマルチデコーダや通信プロセッサ が用いられているが，マルチデコーダLSIでは性 能に余裕がなく，機能追加に対応できない。逆に 通信プロセッサは性能が過剰であり，消費電力や 価格面で同ソリューションには適していない。ま た多チャネル同時録画対応レコーダソリューショ ンでは，複数のトランスコーダを制御する必要が ある。しかし，同時にHDDやネットワークへの 接続を考慮すると，多数のインタフェースが必要 となるが，現状，この要求を満足する最適なLSI は存在しない。現在，これらの課題を解決し，過 不足なく実現するトランスコーダ専用のコンパ ニオンLSIを開発中である。本LSIはCPUとして ARM社製のCortexTM_{-A9デュアルコアプロセッサ} （∼ 500 MHz動作）を搭載し，各ソリューション で必要となる各種インタフェース（USB2.0/3.0， S-ATA，PCI Express，Gbit Ether MACなど）を 1チップに集積したものである。性能および機能を トランスコーダの各ソリューションに最適化する ことにより消費電力の低減，低価格化を実現する 予定である。 （2） 4K2K，HEVC対応コーデック開発 地上アナログ放送が2011年7月に終了し，放送 のフルHD化が完了したばかりではあるが，各方 面 で4K2K動 画 へ の 対 応 が 始 ま っ て い る。2012 B-CAS チューナ モジュール コンパニオン LSI モジュールチューナ MB86M01 トランスコーダ デコーダ MB86M01 トランスコーダ 地上デジタル放送のみの場合 チューナ モジュール チューナ モジュール 図-5 多チャネル同時録画対応レコーダ

参 考 文 献 （1） 富士通：業界初！フルHD対応，H.264映像処理1チッ プLSIを新発売． http://pr.fujitsu.com/jp/news/2007/05/21-3.html （2） 富士通：フルHD対応H.264トランスコーダLSI新 発売． http://pr.fujitsu.com/jp/news/2007/08/23.html （3） 富士通セミコンダクター：H.264/MPEG-2対応 フ ルHDトランスコーダLSI新発売． http://jp.fujitsu.com/group/fsl/release/20090508.html の完成形に到達したと考えている。今後はコンパ ニオンLSIとトランスコーダLSIのチップセットを 用いた新たなソリューション構築により用途の拡 大を図るとともに，長年にわたり蓄積してきたコー デック関連の技術を生かし，早期に4K2K，HEVC 対応のコーデックを開発し，新たな映像世界を切 り拓いていきたい。 田中和幸（たなか　かずゆき） 富士通セミコンダクター（株） アドバンストプロダクト事業本部 映像ソリューション事業部 所属 現 在， ト ラ ン ス コ ー ダLSIの 開 発 に 従事。 著 者 紹 介