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IPTV关键技术综述
 
慧聪网   2006年3月9日11时43分   信息来源:天极网    

    [导读]IPTV是一种集互联网、多媒体、通信等多种技术于一体的全新的个人视频业务,在从内容制作到终端接收的整个实现过程中,涉及到包括编码、数字版权管理(DRM)、内容分发网络(CDN)、光纤到户(FTTH)、电子节目指南(EPG)、机顶盒(STB)等许多关键技术,本文对这些技术逐一进行了介绍,并对其发展前景进行了探讨。

  关键词IPTV 视频编码 DRM CDN FTTH EPG STB

  一、引 言

  TV的IP化一直是IT业和家电业的梦想,而IP能承载TV也是电信业梦寐以求的目标之一。早在1999年,微软便力推“维纳斯计划”,试图将中国庞大的电视机资源与互联网接轨,最后以失败告终。然而,势易时移,时过境迁。从2004年开始,IP电视再次成为人们关注的焦点,不过与上次相比,结果却大为迥异。2004年5月,中国网通与IDG等合资组建的天天在线获准成为国内首家播放视频节目的宽带门户网站。2004年8月,继北京之后,央视网络电视又在上海落地,110多万上海电信宽带用户可在试验阶段免费上网收看中央电视台的网络电视节目,其频道建设正在加紧实施中,预计今年可扩展到100个。现在,很多高校(北京大学、上海师范大学、中国农业大学等)都已经开始为大学生提供IP电视服务。虽然,IPTV在技术、运营、政策等方面还存在着诸多疑问,但无论是电信部门还是广电部门均以高涨的热情开始了各方面的探索工作。甚至有业内权威人士认为,2005年将是大发展的IPTV年。

  IPTV既可以提供电视节目直播(LTV)、视频点播(VoD)、准视频点播(NVoD)、时移电视点播(TSTV)、电视网络冲浪(Web-TV)等基本业务,又可以提供诸如视频即时通信、电视短信、互动广告、在线游戏、在线购物等各种视频增值业务,尤其是视频相关业务更因其成本低廉而被人们普遍看好。然而,目前的IPTV还无法与传统电视所具有的操作简单、反映实时、画面稳定和服务可靠等优点相提并论。在IPTV业务中,从内容制作到终端接收的整个实现过程中,还有许多关键技术需要探讨,其中包括编码、数字版权管理(DRM)、内容分发网络(CDN)、光纤到户(FTTH)、电子节目指南(EPG)及机顶盒等一系列技术。

  二、IPTV关键技术

  1. 视频编码技术

  编码技术是多媒体通信中使用的基本技术之一。多媒体通信的一个显著特点就是要传输的信息量非常大,尤其是视频数据,其编码技术甚至会在较大程度上影响业务质量,因此视频编码技术在IPTV中的地位非常重要。

  随着人们对视频编码技术研究的不断深入,一些视频编码技术成果相继诞生,有的甚至已经被国际电信联盟(ITU)和国际标准化组织(ISO)接受为国际标准。其中,已经发布的有:H.261,H.262,H.263,H.264以及MPEG-1,MPEG-2,MPEG-4等。目前,国内外已经开展的IPTV业务基本上都是使用MPEG-2编码方式。

  MPEG-2主要目的是提供标准数字电视和高清晰度电视的编码方案,目前人们所熟知的DVD就是采用的这种格式。MPEG-2在编码时对图像和声音的处理是分别进行的,将图像看成是一个矩形像素阵列的序列来处理,将音频看成是一个多声道或单声道的声音来处理。这种处理方式压缩效率较低,而且不利于传输。目前的趋势是,使用更加适合于流媒体系统的H.264/MPEG-4。MPEG-4将一个场景的视频、音频对象综合考虑,对不同的主体采用不同的编码方式,再在解码端进行重新组合。它综合了数字电视、交互图形学和Internet等领域的多种技术,在大大提高了编码压缩率的同时,亦提高了传输的灵活性和交互性。H.264是MPEG-4的第10部分,它不仅能使MPEG-4节约50%的码率,而且引入了面向IP包的编码机制,更加有利于网络中的分组传输。

  AVS是我国自行开发、具有自主知识产权的新一代编码方式。目前,我国正在进行AVS的规格制订工作,AVS视频主要面向高清晰度电视、高密度光存储媒体等应用中的视频压缩。

  除了视频编码技术之外,目前互联网使用较多的流媒体格式主要是美国Real Networks公司的RealMedia,Apple公司的QuickTime,微软公司的Windows Media以及Macromedia的ShockWave F1ash。

  2. 数字版权管理(DRM)技术

  随着计算机技术和网络的飞速发展及数字化技术的不断成熟,人们可以通过CD-ROM和互联网络非常方便地进行多媒体内容(包括音乐、歌曲、照片和影视作品等)的存储、复制和传播。由于网络的开放性和互联性,这种传送方式不受时间和空间的限制,而且根本不需要物流传送,因此非常方便快捷。不仅如此,由于计算机知识的普及,也使得普通大众对多媒体内容进行任意编辑和修改成为了可能。这样一来,人们在方便快捷地尽情享受视听愉悦的同时,也不禁对媒体内容的安全性和真实性产生怀疑;媒体原创者在享受媒体介质传送的快捷性的同时,也承受着盗版问题带来的经济损失和版权纷争问题带来的困扰。数据数字版权管理(Digital Rights Management,简称DRM)技术为内容提供者保护他们的私有视频、音乐或其他数据的版权提供了一种技术手段,也为这些问题的解决带来了希望。

  DRM技术的工作原理是,媒体制作者在节目制作阶段将版权信息嵌入到媒体内容之中,并通过加密方式对其加以保护。当需要验证媒体合法性的信息时,再通过技术方法或手段从媒体之中将版权信息读取出来,这样就可以进行版权信息的比对了。

  目前,使用最为普遍的数字版权技术是数字水印(Digital Watermark)。它使用一定的算法,在被保护的数字格式的音乐、歌曲、图片或影片中嵌入某些标志性信息(称为数字水印),来达到证明版权归属和跟踪侵权行为的目的。数字水印信息一般包括作者的序列号、公司标志以及一些有特殊意义的文本信息。虽然这些数字水印一般很难被清除掉,但它们并不影响原内容的价值和使用,而且为了不影响用户观看正常节目内容,也常常不易被人的感知系统所察觉出来。

  数字多媒体内容是IPTV中最为关键的节目来源。有了DRM技术,可使各个平台(无论是因特网、流媒体还是交互数字电视)的内容提供商们放心地提供更多的内容,采取更灵活的节目销售方式,同时有效地保护知识产权。

  3. 内容分发网络(CDN)技术

  内容分发网络(CDN)起初只是一个为了加快用户的互联网访问速度而建立的网络,一般由各类网站自己建立。其目的是,通过CDN把互联网视频和网页内容分发到靠近用户端的CDN节点,在一定程度上保证端到端的服务质量,提高用户的响应速度。在互联网中,CDN所承载的数据存储量和流量都不大,主要传送的流媒体文件格式为RM和WMV等。然而,对于IPTV业务,如果直接使用原来互联网中所使用的CDN,就无法承载完整的IPTV业务,因为电视观众对视频信号的高质量及实时性要求远比其对互联网内容的要求高得多。这就对所提供的CDN提出了更高的要求,诸如需要存储海量数据,提供支持流媒体能力,支持急剧扩大的客户数据流量,以及提供更高的服务质量等。此时,CDN网络除了提高用户响应速度之外,还有一个更为重要的作用,就是要减轻巨大的数据流量对骨干网的压力。因此,CDN网络的地位越来越重要,甚至已经出现了单独的CDN网络运营商。

  相对于为互联网建立的CDN网络来讲,为IPTV业务服务的CDN网络需要针对IPTV业务的特点,引入先进技术来进行建设和管理。例如,针对IPTV需要存储海量数据的特点,可以利用刀片式服务器、NAS、SAN等以先进的存储装备配置、先进的存储技术和先进的存储管理方式来对CDN网络进行改造。针对IPTV实时性和高质量的要求,可采用将原来依靠Internet的网络传输改为通过专线传输和将文件进行切片并利用P2P机制传输来解决。对于CDN网络管理,可以制定一个合理的内容管理方案来提高CDN网络的效率,变被动管理为主动管理。例如,可将媒体内容分为直播内容、点播内容来分别处理,再根据点播率将点播内容分为冷/热片来分别对待。

  4. 光纤到户(FTTH)技术

  接入带宽问题一直是互联网业务发展的瓶颈所在,虽然近年来已经有了很大进步,从窄带ISDN到宽带ADSL及VDSL等技术,每一次新技术的飞跃都大大推进了宽带业务的发展。但是,由于DSL技术固有的传输速率低、出线率不高、传输距离短等缺陷,效果一直不甚令人满意。虽然,作为一种实现低端用户普遍服务的宽带接入方式,DSL在近几年内还会大行其道。不过,作为IPTV业务的接入方式,似乎还很勉强,很难达到HFC网络传输的质量。因此,这“最后一公里”的重任就责无旁贷地落在了FTTH技术的身上。FTTH是将光纤作为物理媒介实现用户和运营商之间网络连接的一种技术,因其利用了光网络和光纤通信所固有的大容量、高速率的特点而倍受青睐。现在,日本和韩国的FTTH业务发展得非常快。从2002年7月开始,日本就已经有9家公司提供FTTH业务。韩国通信于2003年11月开始进行实地试验,为2006年内开通FTTH商用服务进行准备,并计划在2010年使FTTH的家庭普及率超过70%。我国运营商也已开始使用部分FTTH产品进行试点工程的建设。

  在诸多FTTH技术中,近年来兴起的无源光网络(PON)接入技术尤其引人注目。千兆无源光网络(GPON)的带宽下载速度将达到2.4Gbit/s,上传速率达到1.2Gbit/s,可支持长达20km的传输距离,消除了各类铜缆接入的距离限制。应该说,GPON技术已经成为一种理想的IPTV宽带接入技术。

  5. 电子节目指南(EPG)技术

  电子节目指南(EPG)也就是电视节目导航系统,主要用来描述提供给电视观众的所有节目的信息,它是构成交互电视的重要技术之一。在IPTV业务中,用户可通过EPG来了解电视节目的名称、播放时间和内容梗概等相关信息,并实现对节目的快速检索和访问,进行频道选择或视频点播等操作。除了电视节目的导航之外,还可通过电子节目指南向用户提供由文字、图形和图像组成的人机交互界面来实现各种增值业务的导航。

  一般来讲,一个EPG系统包含两个主要部分,即发生器子系统和解码器子系统。发生器子系统负责产生IPTV业务信息(Service Information,SI),一般由平台运营商提供。解码器子系统负责对业务信息进行解析并生成电子节目菜单,一般在接收端机顶盒的综合接收解码器(IRD)中实现。这就要求发生器子系统产生的信息,必须能保证被解码器子系统正确解析。

  为保护广大收视观众的利益,多平台运营商并存肯定是不可避免的。因此,为保证IPTV业务的顺利开展,必须进行业务信息的标准化。虽然平台运营商和机顶盒制造商都可以自由选择EPG生成和显示方式,但必须保证基本信息的标准性。GY/Z 174-2001《数字电视广播业务信息规范》中明确规定,EPG基本信息必须使用SI传送,以保证IRD获取EPG基本信息的兼容性,对于个性化EPG所需的额外信息,用户可根据具体情况通过专用数据传送。因此,可将EPG信息分成基本EPG信息和扩展EPG信息两部分。对于基本EPG信息,在相同的EPG标准下,只要发生器子系统发送的是标准SI信息,那么不同厂家生产的机顶盒即可按照同样的标准对SI信息进行解析。对于扩展EPG信息,各平台运营商和机顶盒制造商可用来提供自己的特色功能。

  6. 机顶盒STB技术

  IPTV终端有三种基本类型,分别是计算机、手机和电视机。计算机配备相应的软件,即可直接用作IPTV的终端;用于移动流媒体平台的多媒体手机也可以直接使用;但对于电视机来讲,情况就不同了。由于电视机本身并没有存储功能,不支持软件安装,也无法像手机那样加装流媒体支持功能,因而无法实现IP的支持功能,必须加装一个将IP数据流转换成电视机可以接受的信号的机顶盒设备作为中介才能收看IPTV节目。这样,作为普及面最广的接收终端——电视机,为它制作机顶盒就成为开展IPTV业务的关键。

  就目前的发展情况来看,作为用户接收端设备,STB需要具备包括数据转换、接入支持、协议支持、业务支持、解码支持等在内的多种功能。数据转换是STB最基本的功能,就是要将接收到的IP数据转换成电视屏幕可以显示的数据。在接入支持方面,STB一般需要支持目前应用较多的LAN或xDSL或WLAN等多种宽带接入方式,未来还要提供FTTH接入支持。在协议支持方面,STB需要支持TCP/UDP/IP协议族来完成互操作信息的网络传输,以及IP数据和视频流媒体数据的接收和处理工作。在业务支持方面,STB一般需要支持目前较为流行的视频点播、组播,Internet浏览、短消息、可视业务和网络游戏等业务。在解码支持方面,STB需要支持对多媒体码流的解码能力,一般需要支持现行的国际标准格式(如MPEG-2,MPEG-4等)以及国产标准格式AVS。除了上述这些功能之外,STB还要支持数字版权管理、内容缓存、交互控制、接入鉴权和业务及网络管理功能。当然,如果要求在一个机顶盒之内将所有这些功能全部实现,可能也不太现实,很可能会因为成本太高、价格昂贵而不能为用户所接受,但制造商可以考虑将这些功能按照一定的标准分成几个级别,分别制造高、中、低端产品,供用户挑选使用。

  三、结束语

  IPTV是一种全新的业务,从内容制作到终端接收的整个实现过程,涉及到包括编码技术、DRM、CDN、FTTH、EPG、STB等许多关键技术。这些技术中,还有许多问题需要进行研究探讨。笔者相信,通过业界人士的努力钻研,精诚合作,这些技术都将逐渐走向成熟,IPTV业务进入可运营阶段的时刻指日可待。

  徐贵宝 信息产业部电信研究院通信标准研究所IP与多媒体研究室高工
 
 
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