机顶盒技术及其在视频点播中的应用

2019-11-03 10:35:36

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供稿：网友

邓永红　　在数字广播领域中，有条件接收系统并不仅只于加密和可寻址能力，如果开展诸如电视购物、电子游戏、体育节目、电视广告、电视博彩以及视频点播等交互式业务，必须要求将具有高度灵活的有条件接收系统集成到头端设备、机顶盒、中间设备以及开发环境等各个方面。

　　机顶盒STB（Set-Top-Box）起源于二十世纪九十年代初，当时在欧美作为保护版权和收取收视费的重要手段，有线电视台在每台用户电视机之前加一个密钥盒，只有交了费的用户才能正常收看电视，这就是最初的机顶盒。

　　二十世纪九十年代中期，国际互联网在全世界快速发展和普及，人们萌发了用电视机上网的想法，于是具有Internet功能的机顶盒出现了。当时，计算机和网络厂商都期望因特网机顶盒能成新的家用电器，市场炒作曾经几起几落，但始终未成气候。

　　1998年11月，美国和欧洲HDTV试播后，又一次掀起了机顶盒的高潮，这次机顶盒的主要作用是用普通模拟电视机收看数字高清晰度电视，当然也具备网络和有条件接收功能。

　　2000年8月14日，中国数字有线电视节目在深圳首播成功，2000年全国24个省、自治区、直辖市有线电视联网，2001年实现全国联网。全国有300多个有线电视网络公司在双向HFC分配网上进行综合业务试点，为数字有线电视多功能开发架起了桥梁。在HFC网改造成双向HFC网中，许多有线电视网络公司在开展广播电视、数据传输、因特网接入、视频点播等综合业务试点上取得了成功经验。由于数字CATV（有线电视）系统的机顶盒能将模拟电视节目、DTV（数字电视节目）和高速数据等多媒体交互业务一起转换（显示）在用户的电视机和个人电脑上，向用户提供了更为宽松的交互环境，用适合于用户的高速数据多媒体交互业务，把电视节目和广告连接到网页，在数字机顶盒的遥控器上实现VOD（视频点播）和简单的E—mail（电子邮件）收发；访问Internet（国际互联网）的娱乐、信息和授权的电子商务等。大大改变了传统电视广播的特性，提供着信息的交互应用。随着数字电视广播业务的发展，机顶盒技术和市场都有了很大发展，现在，对于任何经营数字广播业务的广播商而言，机顶盒是最大的投资，可以说，数字电视广播和宽带互联网是机顶盒发展的外部条件。

一、机顶盒的结构

　　根据接收数字电视广播和互联网信息的要求，一个机顶盒的硬件结构由信号处理（信道解码和信源解码）、控制和接口几大部分组成。机顶盒的结构图如图一所示：

图1 机顶盒的结构图

　　机顶盒从功能上看是计算机和电视机的融合产物，但结构却与两者不同，从信号处理和应用操作上看，机顶盒包含以下层次：

1）物理层和连接层：包括高频调谐器，QPSK、QAM、OFDM、VSB解调，卷积解码，去交织，里德—索罗门解码，解能量扩散。

2）传输层：包括解复用，它把传输流分成视频、音频和数据包。

3）节目层：包括MPEG—2视频解码，MPEG/AC—3音频解码。

4）用户层：包括服务信息，电子节目表，图形用户界面（GUI），浏览器，遥控，有条件接收，数据解码。

5）输出接口：包括分模拟视音频接口，数字视音频接口，数据接口，键盘，鼠标等。

二、机顶盒的功能

　　机顶盒从功能上分，可分为数字电视机机顶盒、网络机顶盒和多媒体交互式机顶盒。交互式机顶盒综合了前两种机顶盒的所有功能，可以支持几乎所有的广播和交互式多媒体应用

　　用于数字终端的多功能数字机顶盒应具备如下功能：在具有双向控制通道、模拟视频通道、数字视频通道的前提下，它的功能有数字调谐器、QPSK/QAM解调、微处理器（CPU）、MPEG—2传输器、视音频解调、交互控制功能（包括上行数字调制编码）、接入因特尔网、ip地址、红外遥控、打印、智能卡、多媒体合成模块等功能。

三、机顶盒的主要技术

　　信道解码、嵌入式CPU、MPEG—2解压缩、嵌入式实时多任务操作系统和显示控制是机顶盒的主要技术。

1．信道解码

　　机顶盒中的信道解码电路相当于模拟电视机中的高频头和中频放大器。在机顶盒中，高频头是必须的，不过调谐范围包含卫星频道、地面电视接收频道、有线电视增补频道。根据DTV目前已有的调制方式，信道解码应包括QPSK、QAM、OFDM、VSB解调功能。

2．嵌入式CPU

　　嵌入式CPU是机顶盒的心脏，当数据完成信道解码以后，首先要解复用，把传输流分成视频、音频，使视频、音频和数据分离开，在机顶盒专用的CPU中集成了32个以上可编程PID滤波器，其中两个用于视频和音频滤波，其余的用于PSI、SI和PRivate数据滤波。CPU是嵌入式操作系统的运行平台，它要和操作系统一起完成网络管理，显示管理、有条件接收管理（IC卡和Smart卡）、图文电视解码、数据解码、OSD、视频信号的上下变换等功能。为了达到这些功能，必须在普通32～64位CPU上扩展许多新的功能，并不断提高速度，以适应高速网络和三维游戏的要求。

3．MPEG—2解码

　　MPEG—2是数字电视中的关键技术之一，目前实用的视频数字处理技术基本上是建立在MPEG—2技术基础上，MPEG—2是包括从网络传输到高清晰度电视的全部规范。MP@LL用于VCD，可视电话会议和可视电话用的H.263和H.261是它的子集。MP@ML用于DVD、SDTV，MP@MH用于HDTV。

　　MPEG—2图像信号处理方法分运动预测、DCT、量化、可变长编码4步完成，电路是由RISC处理器为核心的ASIC电路组成。

　　MPEG—2解压缩电路包含视频、音频解压缩和其它功能。在视频处理上要完成主画面、子画面解码，最好具有分层解码功能。图文电视可用APHA迭显功能选加在主画面上，这就要求解码器能同时解调主画面图像和图文电视数据，要有很高的速度和处理能力。OSD是一层单色或伪彩色字幕，主要用于用户操作提示。

　　在音频方面，由于欧洲DVB采用MPEG—2伴音，美国的ATSC采用杜比AC—3，因而音频解码要具有以上两种功能。

4．嵌入式实时多任务操作系统

　　嵌入式实操作系统是相对于桌面计算机操作系统而言的，它不装在硬盘中，系统结构紧湊，功能相对简单，资源开资较小，便于固化在存储器中。嵌入式操作系统的作用与PC机上的DOS和Windows相似，用户通过它进行人机对话，完成用户下达的指定。指定接收采用多种方式如：键盘、鼠标、语音、触摸屏、红外遥控器等。

5．显示技术

　　就电视和计算机显示器而言，CRT显示是一种成熟的技术，但是用低分辨率的电视机显示文字，尤其是小于24×24的小字，问题就变得复杂了。电视机的显像管是大节距的低分辨率管，只适合显示720×576或640×480的图像，它的偏转系统是固定不变的，是为525行60HZ或625行50HZ设计的，而数字电视的显示格式有18种以上。上网则要符合VESA格式，显然，电视机的显示系统无法适应这么多格式。另外，电视采用低帧频的隔行扫描方式，当显示图形和文字时，亮度信号存在背景闪烁，水平直线存在行间闪烁。如果把逐行扫描的计算机图文转换到电视机上，水平边沿就会仅出现在奇场或偶场，屏显时间接近人眼的视觉暂留，会产生厉害的边缘闪烁现象，因而要用电视机上网，必须要补救电视机显示的缺陷。

　　根据技术难度和成本，目前用两种方法进行改进，一种是抗闪烁滤波器，把相邻三行的图像按比例相加成一行，使仅出现在单场的图像重现在每场中，这种方式叫三行滤波法。三行滤波法简单易实现。但降低了图像的清晰度，适用于隔行扫描方式的电视机。另一种方法是把隔行扫描变成逐行扫描，并适当提高帧频，这种方式要成倍地增加扫描的行数和场数，为了使增加的像数不是无种生有，保证活动画面的连续性，必须要作行、场内插运算和运动补偿，必须用专用的芯片和复杂的技术才能实现，这种方式在电视机上显示计算机图文的质量非常好，但必须在有逐行和倍扫描功能的电视机上才能实现。另外把分辨率高于模拟电视机的HDTV和VESA信号在电视机上播放，只能显示部分画面，必须进行缩小这就象PIP方式，要丢行和丢场。同样为保证图像的连续性，也要进行内插运算。

四、基于机顶盒的视频点播系统

　　随着有线电视宽带技术的发展，各种基于宽带技术应用的服务日益被人们所熟悉和关注，视频点播（VOD）便是其中颇具特色的应用之一。

　　VOD的全称为Video On Demand,即视频点播技术，也称交互式电视点播系统，意即按需要的视频流播放。“在想看的时候看想看的节目”，这是最适合用户胃口的地方，也是点播业务最具魅力之处。用户可以根据自己的意愿选择收看电视节目，从根本上改变了过去被动式收看电视的不足。用户不必遵守传统的时间表，不必坐在电视机前为某个想看的电视节目苦苦等待，打开电视机就可以直接点击希望收看的节目，同时不受广告干扰，完全实现了由用户掌握获得信息的主动权。形象地说，使用视频点播业务就如同在自己的录像机或影碟机上看节目一样方便，用户不仅可以自由调用节目，还可以对节目实现编辑与处理（如暂停、快/慢进、搜索等等），获得与节目相关的详细信息，系统甚至可以通过记忆和存储用户选择来向用户推荐节目。VOD向用户提供的服务还远远不止这些，还可以实现Internet、收发电子邮件、家庭购物、旅游指南、订票预约、股票交易等其他功能。因此可以说，这一技术的出现使用户可以按自己的需要来安排工作和娱乐时间，真正实现了由用户掌握收视主动权，极大地提高和改善了人们的生活质量和工作效率，对于用户来说，这是一种新的尝试。

　　VOD系统由前端系统、网络系统及客户系统三部分组成：

　　前端系统一般由视频服务器、各种档案管理服务器以及控制网络部分的设备组成。各种档案服务器主要完成一些用户信息管理和计费工作，以及影视材料的管理工作和安全保密等。控制网络部分主要完成各种服务器中的各种信息传递工作及后台的影视材料和数据的交换。视频服务器主要有存储系统和建立其上的各种控制器管理系统组成，其目标是实现压缩媒体数据的存储以及按请求进行媒体信息的检索和传输。

　　网络系统包含主干网络和本地网络系统两部分，是影响连续媒体网络服务系统性能的关键部分。当前用于建立这种服务系统的网络物理介质主要有：CATV的同轴电缆、光纤、双绞线和无线网。在广电部门一般采用HFC技术，在CATV系统中播出节目。

　　只有利用终端系统,使用者才能与某种服务或服务提供者进行互操作。实际上，在计算机系统中，它是由带有显示设备的PC终端+Cable Modem完成；在电视系统中，它是由电视机加机顶盒（set top box）完成。基于多功能数字机顶盒的视频点播系统的结构图如图二所示：

图2 基于多功能数字机顶盒的视频点播系统的结构图

　　视频点播系统的工作过程为：在客户端，用户上行信号指令由视频点播遥控器输出至数字机顶盒，由数字机顶盒输出信号进入上行信道至交换机启动播放请求，通过网络发出通信呼叫，经上行通路（有线电视网）向视频服务器发出请求。到达并被服务器的网卡接收，传动给服务器。经过请求验收后，服务器把存储子系统中可访问的节目名准备好，并在用户屏幕上显示点播单。用户选择节目后，服务器从存储子系统取出节目内容合成一个个视像数据流。通过高速传输网传送到客户端机顶盒在电视机上播放。

　　许多发达国家和地区多年以前就已看好VOD，纷纷进行开发和实验。相比来讲，我国目前VOD建设还处在发展初期，这主要是由于VOD系统对网络要求较高，对于有线电视台的VOD，它要在双向网络上才能实现，由于绝大多数的有线电视网络都是单向的，这样就要面临双向网改造的问题，需要耗费巨大的人力物力，但从长远来看，视频点播具有巨大的潜在市场和深远的发展前景，因为从深层次来看，VOD不仅仅是视频节目点播的问题，它代表未来全功能网络化和数字交互式信息的应用发展趋势，是一种从内容、形式上更深层次上的互动，也是数字影院、交互视频新闻、广告等新应用的基础，具有广阔的发展潜力。总之VOD是未来信息高速公路构架的重要组成部分，是未来信息服务中宽带业务的灵魂。可以肯定，随着信息化进程的加快，VOD也会同其它信息服务一样，走进我们的生活，而作为VOD系统的重要组成部分——机顶盒将发挥重要的作用。

摘自《计算机世界网》

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