（通信与信息系统专业论文）iptv机顶盒高清播放器的研究.pdf

i 芒l - p 。k 嬲 独创性( 或创新性) 声明 本人声明所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不 包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京邮电大学或其他 教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任 何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 本人签名： 士毫盗金 日期：理鲤。互。! 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京邮电大学有关保留和使用学位论文的规定，即： 研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属北京邮电大学。学校有权保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许学位论文被查阅和借 阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它 复制手段保存、汇编学位论文。( 保密的学位论文在解密后遵守此规定) 保密论文注释：本学位论文属于保密在一年解密后适用本授权书。非保密论 文注释：本学位论文不属于保密范围，适用本授权书。 本人签名：趣羞数日期：型芝，之! 篁 导师签名：3 毛真厶盔二 日期：五吐艮五一 p t 一 ， 。0 飞 i p t v 机顶盒高清播放器的研究 摘要 随着科技的进步，传统的电视用户越来越不再满足于电视业务的 单向广播模式，希望在电视上实现双向交互功能，并且，通过交互通 信，运营商也能够及时的得知用户的需求，更好地改善业务运营。 i p t v ( i n t e m e tp r o t o c o lt v ) 的出现，使这种愿望变成可能。i p t v 主 要是以网络机顶盒作为用户终端，以电视机为显示设备，以宽带为主 要传输网络，为用户提供多媒体信息服务。随着宽带网络和视频压缩 技术的迅速发展，宽带视频业务将是运营商关心的新增长点，用户对 视频画面质量的要求也逐渐提高，因此高清与i p t v 结合必将成为当 前宽带网络上最具发展潜力、最具盈利前景的宽带增值应用热点之 o 媒体播放器是i p t v 终端机顶盒的关键软件模块，主要完成i p t v 的流媒体业务和其他应用业务的图形及伴音展示。本课题主要对 i p t v 机项盒高清播放器进行了研究工作。 本文对i p t v 的体系架构和i p t v 机顶盒进行了介绍，通过对目 前的机顶盒播放器的实现方案进行分析和比较，最终选择了基于 s t 7 1 0 9 硬件平台的高清h 2 6 4 v c l 单片解决方案，并搭建了底层开 发环境，包括操作系统内核的裁剪和编译、网络文件系统和串口通信 软件的安装和配置以及s t a p i 的编译。在充分考虑软件结构的健壮 性、可移植性以及可扩展性的情况下，设计和实现了i p t v 机顶盒播 放器的软件系统，并对其组成模块进行了功能设计和实现。最后，对 i p t v 机顶盒高清播放器软件系统进行了功z 日, 匕p _ , 伙、 l i h u l 试，结果显示该机顶 盒高清播放器功能稳定可靠，达到了预期的设计目标。另外，由于 s t 7 1 0 9 是意法半导体公司的单芯片解决方案，该公司的各款机顶盒 i c 芯片在业内使用范围比较广泛，因此在i p t v 快速发展的今天，本 文所研究的播放器具有较强的实用意义。 关键字：i p t v ，机顶盒，播放器，s t 7 1 0 9 r - o ， ，1 r e s e a r c ho fh i g h d e f i n i t i o np l a y e ro f i p t vs e t t o pb o x a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to ft e c h n o l o g y , t h et r a d i t i o n a lt va u d i e n c ei sn o l o n g e rs a t i s f i e dw i t ht h eo n e - t o a ub r o a d c a s tm o d eo f t h et r a d i t i o n a lt v s e r v i c ea n dh o l d sa ni n c r e a s i n gh o p eo ft h ei n t e r a c t i v ef u n c t i o no ft h e s e r v i c e a n d ，i nt h ei n t e r a c t i v ec o m m u n i c a t i o n ，s e r v i c ep r o v i d e r sc a n r e c e i v et h eu s e r sn e e d si nt i m ea n di m p r o v et h e i rs e r v i c eo p e r a t i o n i p t v ( i n t e m e tp r o t o c o lt v ) c a nm a k et h ew i s hc o m et r u e i p t vi s a t e c h n o l o g y w h i c h s u p p l i e s m u l t i m e d i ai n f o r m a t i o ns e r v i c e s ，u s i n g n e t w o r ks e t t o p b o xa st h em a i nt e r m i n a l s ，t va sd i s p l a yd e v i c e sa n d b o a r db a n da sm a i nt r a n s p o r tn e t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fv i d e o c o m p r e s s i o nt e c h n o l o g y , b o a r d b a n dv i d e ob u s i n e s sw i l lb ean e wg r o w t h p o i n tf o rt h eo p e r a t o r s ，a n dt h ec o m m a n d so f u s e r sg r o wm o r ea n dm o r e t h e nw i t ht h ei n t e g r a t i o no ft h eh i g hd e f i n i t i o na n di p t vt h em a r k e to f h di p t vi sb e c o m i n gb i g g e ra n db i g g e r t h ep l a y e ro fi p t vs e t t o pb o xi sa nv e r yi m p o r t a n ts o f t w a r em o d u l e o fi p t vs e t t o pb o x ，a n di tp l a y st h eg r a p h i c sa n dt h es o u n d t h ep a p e r h a sd o n er e s e a r c h e so nt h eh i g h d e f i n i t i o np l a y e ro fi p t vs e t t o pb o x t h i sp a p e rf i r s t l yg i v e sa l li n t r o d u c t i o nt ot h ei p t vs y s t e ms t r u c t u r e a n di p t vs e t - t o p b o x ，t h e nc o m p a r e ss e v e r a ls o l u t i o n so ft h ep l a y e ro f i p t vs e t t o pb o xa n df i n a l l yt h i sp a p e ra d o p t st h es o l u t i o nb a s e do n s t b 710 9h 2 6 4 v c1h i g hd e f i n i t i o ns i n g l ec h i pa st h eh a r d w a r ep l a t f o r m o fi p t vs e t t o pb o x a n dt h ep a p e l a l s ob u i l d su pe n v i r o n m e n ti nt h e s t b ，i n c l u d i n gc u t t i n gt h ek e r n e l ，c o n f i g u r i n gt h en e t w o r kf i l es y s t e m a n ds e r i a lp o r t ，c o m p i l i n gt h es t a p ia n ds oo n f u l l yc o n s i d e r i n gt h e r o b u s t n e s s ，p o r t a b i l i t ya n de x t e n s i b i l i t yo ft h es o f t w a r es t r u c t u r e ，t h i s p a p e rd e s i g n sa n di m p l e m e n t sah i 曲一d e f i n i t i o np l a y e ro fi p t vs e t t o p b o xs o f t w a r es y s t e ma n dd e s c r i b e so ft h ed e s i g no fi t sm o d u l e s l a s t l y , t h ef u n c t i o n a lt e s ti sa c c o m p l i s h e d t h er e s u l to ft h et e s td e m o n s t r a t e st h e f u n c t i o no ft h eh i g h d e f i n i t i o np l a y e ro fi p t vs e t t o pb o xi ss t a b l ea n d r e l i a b l e ，w h i c ha c h i e v e st h ee x p e c t e do b j e c t i v eo ft h ed e s i g n b e s i d e s ， s t 710 9i st h es i n g l ec h i ps o l u t i o no fs t m i c r o e l e t r o n i c sw h o s es e t t o p b o xi cc h i p sa r ew i d e l yu s e di n s i d et h i sa r e a c o n s e q u e n t l y , i nv i e wo f t h er a p i dg r o w t ho f ft h ei p t v i n d u s t r y , t h ep l a y e rr e s e a r c h e di nt h ep a p e r p o s s e s s e sp r a c t i c a ls i g n i f i c a n c e k e y w o r d s ：i p t v , s e t - t o pb o x ，p l a y e r , s t 7 10 9 ， ，铽 一 广 目录 第一章概述1 1 1 课题背景和意义1 1 2 论文主要内容和工作2 1 2 1 研发内容2 1 2 2 主要工作2 1 3 论文组织结构。3 第二章基本理论与关键技术4 2 1 口t v 概述4 2 1 1i p t v 体系架构4 2 1 2i p t v 机项盒7 2 2 嵌入式系统概述8 2 3 音视频编码标准9 2 3 1 音频编码9 2 3 2 视频编码10 2 4 流媒体协议1 2 第三章i p t v 机顶盒高清播放器底层环境搭建。1 5 3 1 嵌入式开发环境l5 3 1 1 硬件平台s t 7 1 0 9 1 5 3 1 2 操作系统s t l i n u x 16 3 1 3 中间件st a p i 1 6 3 2 内核的裁剪与编译17 3 3s t a p i 的编译18 3 4 设置网络文件系统n f s 1 9 3 5 安装串口通信软件k e r m i t 2 0 3 6 本章小结2 1 第四章i p t v 机顶盒高清播放器方案选择与设计2 2 4 1i p t v 机顶盒高清播放器基本功能2 2 4 2i p t v 机顶盒高清播放器底层方案选择2 3 4 2 1 系统方案现状2 3 4 2 2 系统方案确定2 6 4 3 口t v 机顶盒高清播放器总体设计2 7 4 4 本章小结2 9 第五章i p t v 机顶盒高清播放器关键模块的实现3 0 5 1 数据的接收和预处理模块3 0 5 1 1 数据的接收3 0 5 1 2 数据的预处理3 2 5 1 3 多媒体同步3 3 5 2 解码和显示模块3 7 5 2 1 视频解码3 7 5 2 2 音频解码3 8 5 2 。3 视频显示3 9 5 3 解码显示的总流程4 2 5 3 1s t a p i 系统实际应用4 2 5 3 2s t a p i 的基本调用4 3 5 3 3 视音频解码显示总流程4 4 5 4 播放器软件的交叉编译4 5 5 4 1 交叉编译介绍4 5 5 4 2 交叉编译的实现4 6 5 5 系统测试及结果分析4 8 5 5 1 测试环境4 8 5 5 2 显示效果4 8 5 5 3 性能分析4 9 5 6 本章小结5 0 第六章总结与展望5 1 6 1 总结5 1 6 2 展望5 1 参考文献5 3 致谢。5 4 攻读学位期间发表的学术论文目录。5 5 l i 声 ，簪、 文i p t v 机顶盒高清播放器的研究 1 1 课题背景和意义 第一章概述 随着互联网技术和视音频压缩技术的快速发展，人们已经能够实时的从互联 网上得到视音频资源。相对于互联网用户，传统的电视用户在数量上占有绝对优 势，大多数人们依然习惯于在电视上观看电视节目。随着科技的进步，传统的电 视用户也越来越希望在电视中实现双向交互功能而不再满足于传统电视业务的 单向广播模式运营。另外，通过交互通信，运营商也能够及时地得知用户的需求， 而终端用户也可以改变以往单一被动的信息接收方式，更多地参与到业务运营 中。因此，碑t v ( i n t e m e tp r o t o c o lt v ，网络电视) 应运而生。 l p l v 业务是一个全新的业务模式，它给消费者带来的是集信息、娱乐、学习、 购物于一体的网络享受。个人电脑、机项盒+ 电视机或3 g 手机都可以作为口t v 业务的终端。从适合广大用户消费习惯和舒适度角度考虑，机顶盒+ 电视机应是 i p t v 未来的主流终端。对i p t v 机顶盒的技术需求，主要从两个方面考虑，一是实现 业务的需求，二是用户体验的需求。 从实现业务的需求考虑，i p t v 的主要业务特征体现在交互式多媒体检索和 播放形式上。交互需要网络具有双向能力，检索需要双向信息交互，播控也需要交 互；播放需要足够的接入带宽和媒体传输协议；多媒体需要音视频编解码能力。 因此，为实现i p t v 业务应用，要求i p t v 机顶盒具有支持接收网络直播电视节目， 进行视频点播、时移点播等基本业务功能，同时还要具有互联网浏览和信息服 务、电子节目指南( e p g ) 和节目检索，以及互动游戏和软件在线升级等扩展功能。 作为i p t v 业务终端的机顶盒设备要具有开放式系统结构，以适应不断升级和扩展 的业务需求；充分考虑网络环境和协议因素，要求其具有不少于两种的上行网络 接口，支持多种接入认证协议和i p 协议；要求具有音视频媒体编解码功能，以及业 务应用和管理功能等。总之，从业务角度需要i p t v 机顶盒具有开放型业务能力，以 满足不断发展的业务需求。 从用户体验的需求考虑，高清电视是未来电视发展的必然趋势，也是目前电 视行业竞争最为激烈的一个方面，而口t v 业务所带来的重要改变之一流媒体视 频服务，即观看通过互联网传输的电视节目或者视频点播节目。为了达到高清的 北京邮电大学硕： ：论文i p t v 机项盒高清播放器的研究 视频质量，一方面需要足够的带宽资源，另一方面也需要机顶盒芯片具有支持高 清视频播放的功能。s t r a t e g ya n a l y t i c s “家庭网络终端”服务总监p e t e rk i n g 认为， 任何i p t v 系统如果还没有，或是不打算，升级到高清电视( h d t v ) ，从长远来看， 是不具有竞争力的。 i p t v 的兴起带动了与i p t v 相关的终端设备市场的活跃，各类的电信设备制 造商纷纷投入机顶盒的研发生产，而原有的数字电视机顶盒厂商也不甘落后，纷 纷投入i p t v 机顶盒的研制和开发。由于i p t v 的巨大市场潜力，作为实现i p t v 业务终端的机顶盒必然是当前的研究热点之一，本文的研究内容是在这样的背景 下产生的。 1 2 论文主要内容和工作 1 2 1 研发内容 i p t v 业务是一个全新的业务模式，它给消费者带来的是集信息、娱乐、学习、 购物于一体网络享受，个人计算机、机顶盒+ 电视机或3 g 手机都可以作为i p t v 业务的终端。从适合广大用户消费习惯和舒适度角度考虑，机项盒+ 电视机应该 是未来的主流终端【1 1 。而能够体验到高清晰度的视频更会给用户带来美好的视觉 享受。本文就是利用s t 7 1 0 9 芯片能够支持播放高清视频码流的特点，设计了一 款基于s t 7 1 0 9 芯片的_ i p t v 机顶盒高清播放器。 1 2 2 主要工作 针对课题的内容，本人的主要工作是在s t 7 1 0 9 硬件平台上，基于s t l i n u x 操 作系统，编写完成i p t v 机顶盒高清播放器软件系统，并搭建测试环境，对设计 完成的播放器软件进行功能测试。具体完成了以下几个方面的工作： 1 1 对i p t v 技术及嵌入式媒体播放器技术进行调查。主要是通过阅读已有的 关于i p t v 体系结构、i p t v 机顶盒软件系统以及嵌入式播放器的资料，了解i p t v 播放器在i p t v 机顶盒软件系统中所扮演的角色和完成的功能。 2 ) i p t v 机顶盒高清播放器软件系统的设计。根据i p t v 机顶盒高清播放器软 件系统的基本功能要求，设计能够完成功能定义要求的、具有稳定性和可扩展性 的软件体系结构，并定义软件结构中各模块的基本功能。 3 ) i p t v 机顶盒高清播放器软件结构中各个功能模块的编写。编写函数，完 成各个模块功能的实现。 4 ) i p t v 机顶盒高清播放器软件系统的测试。主要是搭建环境，对播放器软 2 北京邮电大学硕士论文i p t v 机顶盒高清播放器的研究 件系统进行了测试。 5 ) i p t v 机顶盒高清播放器软件系统文档的编写。在整个课题的实施过程 中，负责从设计文档到测试文档的部分文档的编写工作。 1 3 论文组织结构 第一章主要针对课题的背景和意义、论文的主要内容和工作以及论文的组织 安排进行了描述。 第二章介绍了i p t v 相关知识，包括i p t v 的体系架构和作为i p t v 用户终端的 机顶盒。同时对嵌入式系统、音视频编码标准、相关的流媒体协议进行了简单介 绍。 第三章详细介绍了i p t v 机顶盒高清播放器底层环境的搭建，包括s t l i n u x 操 作系统内核的裁剪和编译、网络文件系统和串口通信软件的安装和配置以及 s t a p i 的编译。 第四章介绍了i p t v 机顶盒高清播放器软件方案的选择和确定，详细描述了 口t v 机项盒高清播放器软件系统的总体设计，定义了系统中各个模块的功能。 第五章具体介绍了i p t v 机顶盒高清播放器软件系统中各个功能模块的实现 过程，对i p t v 机顶盒高清播放器软件进行了功能测试，并对测试结果进行了分 析。 第六章首先对论文涉及的工作进行了总结，提出了本文设计的播放器的一些 具体特点，然后对其应用前景进行了展望，并提出了一些可以改进完善的方面。 3 北京邮电火学硕j 论文i p t v 机顶盒商清播放器的研究 2 1i p t v 概述 第二章基本理论与关键技术 i p t v ( i n t e r n a lp r o t o c o lt e l e v i s i o n ) 俗称交互式网络电视。i p t v 技术集互联 网、多媒体、通信等多种技术于一体，利用宽带网络作为基础设施，以家用电视 机、个人电脑和手机作为主要显示终端，通过i p 协议向用户提供包括数字电视节 目在内的多种交互型多媒体业纠2 1 。 2 1 1i p t v 体系架构 i p t v 系统主要包括i p t v 业务平台、i p 网络和用户接收终端三个组成部分。 如图2 - 1 所示。 图2 - 1 唧系统架构 4 北京邮电人学硕士论文 l p t v 机项盒高清播放器的研究 下面具体介绍各个组成部分。 1 i p t v 业务平台 1 ) 信源编码和转码系统 信源编码和转码系统完成各种信号源的接收，按照规定的编码格式和码率对 音视频信号源进行压缩编码并转化成适合互联网传输的数字化音视频流文件。接 收内容提供商所提供的内容的方式有很多，既可以通过卫星、有线电视网、地面 无线网和i p 等网络手段，也可以通过光碟、现场录音录像等方式直接获得。编 码系统的作用是按照一定的格式和码率特性要求完成模拟音视频信号的数字化。 目前信号源编码格式还无法实现统一，需要进行编码格式的相互转换，即实现转 码功能。实时性或非实时性的音视频数据流文件被分类存储在存储系统中，再由 流媒体服务器在运营支撑系统的控制下把音视频数据流文件推送到宽带传输网 络中。 2 ) 存储系统 存储系统用于存储数字化音视频数据流文件和各类管理信息，考虑到数字化 后的视频文件相当庞大以及各类管理信息的重要性，因此存储系统必须兼顾海里 数据量和安全等特性。 3 ) d r m 数字版权管理( d i g i t a lr i g h t sm a n a g e m e n t ，d r m ) 为数字媒体的商业运作 提供了一套完整的解决方案，保护数字媒体内容免受未经授权的播放和复制。 d r m 的作用不仅仅是阻止非授权用户访问和共享数字资源，更主要的是保证合 法授权用户能够便捷的访问i p t v 内容。 4 1 运营支撑系统 为满足i p t v 业务产业化运营要求，完善的运营支撑系统是必不可少的。i p t v 运营支撑系统主要负责完成下述管理任务。 系统应用：对所有的流媒体服务器和系统服务器进行统一监控和管理。 业务应用：业务受理、运营支持、网关安全、统计报表管理和第三方运营管 理等。 流媒体内容管理：控制流媒体内容的采集、编码、编辑制作、审查、存储、 编目、搜索、归档、编排、分发、负载均衡、电子节目导航和数字版权管理等。 用户管理：用户认证、授权、计费、结算和账务处理等，保障合法用户得到 安全高质量的服务。 5 ) 流媒体系统 i p t v 技术平台采用流媒体技术通过i p 网络传输音视频数据流文件。流媒体 5 北京邮l u 人学硕士论文i p t v 机项盒高清播放器的研究 系统中包括了提供多播和点播服务的流媒体服务器流媒体服务器负责在运营支 撑系统的控制下将音视频数据流文件推送到宽带传输网络中。与传统的下载播放 不同，流式播放技术采用边下载边播放的方式，用户不必等到整个文件全部下载 完毕，而是只需要几秒或几十秒的启动延时，即可在用户终端上对压缩的音视频 流进行解压播放。此时流媒体文件的剩余部分将在后台由服务器向用户终端进行 连续的传送，而播放过的数据也不保留在用户终端的存储设备上【3 j 。 2 i p 承载网络 1 ) 骨干网城域网 骨干网城域网主要完成音视频数据流文件在城市之间和城市范围的传送。 2 ) 内容分发网 c d n 是一个叠加在骨干网城域网之上的应用网络，其基本原理是在网络边 缘设置流媒体内容缓存服务器，把进过用户选择的访问率极高的流媒体内容从初 始的流媒体服务器复制、分发到网络边缘最靠近终端用户的缓存服务器上；当终 端用户请求点播类i p t v 业务时，由c d n 的管理和分发中心实时的根据网络流 量和各缓存服务器的负载状况以及到用户的距离等信息，将用户的请求导向最靠 近请求终端的缓冲层服务器并提供服务【4 j 。 3 ) 宽带接入网 宽带接入网主要完成用户到城域网的连接。一般而言，i p t v 系统的业务平 台直接连接在骨干网城域网上，音视频流提供内容分发网被复制等位于网络边 缘的宽带接入设备或边缘服务器中，然后通过宽带接入网传送到接收终端。 3 用户接收终端 1 ) 机顶盒+ 电视机 电视一般仅具备显示各类模拟和数字视频信号的能力，而不具备交互能力， 无法满足i p t v 的业务要求。因此目前采用机顶盒+ 电视机的终端应用较多。机 顶盒主要作为数字视频信号的接收和处理设备与网络进行交互控制，实现i p t v 业务功能，电视只完成数字视频的显示工作。i p t v 业务可以由多种类型的终端 实现，但最为实用和可以被广大消费者接受的应该是以机顶盒+ 电视机的组合。 首先是这种方式保持了用户的休闲习惯，从人体生物学角度，最为舒适的观赏姿 势是后仰3 0 度，操作电脑的姿势是前倾3 0 度，传统i n t e r n e t 视频用户是用p c 作为显示终端，操作电脑的姿势要保持前倾，因此长时间操作电脑会很累，并容 易患颈椎病肩周炎等疾病。其次是利用s t b + t v 方式不仅保持电视节目还可以 将互联网内容从书房搬到了客厅，使不会操作电脑的人也能够上网，利用互联网 收发邮件、聊天。将宽带用户从上网族扩展到非上网族，将宽带娱乐市场从2 2 0 0 多万宽带用户、8 7 0 0 多万网民，延伸到十几亿电视观众。 6 北京邮电人学硕士论文i p t v 机项盒高清播放器的研究 2 ) 个人计算机 个人计算机包括了各种台式机以及各种便携式计算机，如个人数字助理 ( p d a ) 设备等，此类设备的特点是自身具备较强的处理能力，不仅可以独立完 成视频解码显示任务，同时还可以安装其他软件完成信息交互、自动升级和远程 管理等功能。基于p c 的终端系统是沿用互联网视频的应用形式，利用网络流媒 体技术传送某种格式的数据流，用户可在计算机上利用相应的播放器对压缩的视 音频流媒体文件解压后进行播放。这种形式的终端硬件比较简单，只需要1 台具 有以太网卡的p c 机安装相应的播放器应用软件就可以播放音视频节目和上网浏 览。基于p c 机的终端系统优点是简单，投资小，上网方便等。缺点首先是每一 种播放器软件都局限于厂商私有的文件格式，通用性差。其次是利用p c 显示器 观看电视节目相对于电视机观看屏幕小并且舒适度差。再次是对于不会使用电脑 的人来说根本无法享受此项业务【5 】。因此鉴于以上分析，利用p c 作为i p t v 终 端系统只能是临时或在不适于摆放电视机的场所使用，并不适于大范围推广。 3 ) 手机 手机作为口t v 业务的终端设备必须具备处理和显示数字视频信号的能力， 一般用于移动i p t v 业务。提到用于i p t v 的移动终端系统人们自然会想到垃 手机，它能够处理图像、音乐、视频流等多媒体，并利用无线通信网络和互联网 相结合提供网络电视、视频电话、网页浏览、电视会议、电子商务等多种媒体服 务。i p t v 的移动终端在应用中还有很多需要解决的问题。首先是在观看效果上， 目前无论是采用什么技术播放的图像，其速度都会受到网络速度的制约，很难达 到像电视一样实时传输的平滑效果。虽然目前利用手机观看网络视频的效果还不 错，这是因为现在移动视频业务还限于少数高端用户使用。随着p t v 业务的发 展和普及，用户量的上升，网络带宽和手机处理能力可能会成为一个瓶颈。再就 是目前手机电源技术无法与i p t v 移动终端的强大功能相匹配，手机的待机时间 太短，而i p t v 业务一部影片至少9 0 分钟，消耗电量十分惊人，观看一小段节 目尚可，但想看完一部长片就需要不断更换电池，这对于i p t v 业务来说无疑是 个很大的障碍。 2 1 2i p t v 机顶盒 机顶盒s t b ( s e t t o pb o x ) ，顾名思义就是放在电视机上的盒子，是一种将 数字电视信号转换为模拟信号的设备。在数字电视应用中，根据传输网络的不同， 可将数字电视机项盒分为三类：用于有线电视网的s t b c ，用于卫星电视网的 s t b s 和用于地面广播网的s t b t ，它们分别满足数字电视的相应标准d v b c ， d v b s ，d v b t 。随着流媒体技术及口t v 的发展，基于口的机项盒获得了极 7 北京邮电大学硕士论义i p t v 机顶盒高清播放器的研究 大的发展动力。i p t v 机项盒的发展动力来源于服务提供商的业务增长需要和用 户对新功能的需求。因为i p t v 机顶盒不仅可以提供与大多数有线或卫星数字电 视机顶盒相同的功能，而且还可以作为i p 网络与电视机之间的接口，使宽带网 络上丰富多彩的节目内容呈现在电视机上，为广大电视观众带来全新的数字生活 新感受。除对电视信号进行解码并呈现其内容外，i p t v 机顶盒还可以提供包括 视频点播、电子节目导航、数字版权管理、网页浏览、电子邮件、可视电话以及 各种交互式服务和多媒体服务在内的功能【6 j 。 2 2 嵌入式系统概述 嵌入式系统是计算机技术、通信技术、半导体技术、微电子技术、语音图像 数据传输处理技术，甚至传感器技术与具体应用对象相结合的产物，是技术密集、 投资强度大、高度分散不断创新的知识密集型系统，反映当代最新科技的先进水 平。一般来说，嵌入式系统由嵌入式芯片、嵌入式软件、嵌入式操作系统及嵌入 式开发工具4 个部分组成。嵌入式芯片包括嵌入式微处理器、嵌入式微控制器、 嵌入式数字信号处理器器以及嵌入式片上系统，随着r i s c 计算机技术和微电子 技术的迅速发展，嵌入式芯片功能越来越强，体积越来越小。 嵌入式实时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，系统结构紧凑，功能相对简单，资源开销较小，便于固话在存储器中。嵌入 式操作系统的作用与p c 机上的d o s 和w i n d o w s 相似，用户用过它进行人机对 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。 嵌入式c p u 是i p t v 机顶盒的核心，它要管理机顶盒的所有接口，包括网络 侧接口、红外接口以及各类扩展接口，要处理i p 协议栈，控制和调度所有底层 设备驱动程序。它与媒体处理器控制编解码芯片对接收到的音视频媒体流解码转 换，使视频、音频和数据分离开，通过控制数字模拟转换器还原成电视信号输 出给t v 显示出来。一般i p t v 机顶盒专用的嵌入式c p u 大多集成媒体处理功能， 增强型机顶盒也可采用上c p u 方式。 嵌入式操作系统的运行平台具有的功能包括网络管理、显示管理、智能卡管 理( i c 卡和s m a r t 卡) 、图文电视解码、数据解码、视频信号的上下变换以及 交互式控制等功能。为了达到这些功能，嵌入式c p u 就必须扩展新的功能，不 断提高处理速度，才能适应未来业务的发展要求【7 j 。 究 m p e g 一1 音频压缩算法是第一个高保真音频数据压缩的国际标准。音频信号 的采样频率可以是3 2k h z ，4 4 1k h z ，4 8 k h z ，最常用的是4 4 1 k h z ，量化等级 为16 b i t 。压缩后的比特数据流可支持单声道和双声道4 种模式，即单音频通道 的单声道模式；两个独立的单音频通道的双单声道模式；立体声通道的立体声 模式；联合立体声模式。根据不同应用，压缩后的比特流具有某种特定的比特率。 另外，m p e g 1 音频标准也支持用户自定义的数据速率，使其应用更具灵活性。 m p e g 1 音频标准提供了3 个独立的压缩层次，即层i 、层i i 、层i i i 。层次 越高，信号的压缩比越大，数据的比特率越低，音质越佳，但复杂性也随之增加。 编码后的数据流支持循环冗余校验( c r c ) 。该音频标准还支持数据流中窄带附 加信息。 在m p e g 1 音频标准的3 个独立的压缩层次中，层i 最简单，压缩比最低， 码率最高。层i 压缩编码常用与数字盒式录音机。层i i 为中等复杂程度，压缩比 层i 高许多，音质也更好。层i i 一般用于数字广播的音频编码、c d r o m 上的 音频数字压缩及c d 、v c d 等系统。层i i i 最为复杂，压缩比最大，数据率最低， 音质最佳。层i l i 也可写成m p 3 ，它特别适用于综合业务数字网( i s d n ) ，可以 从i n t e m e t 网上下载m p 3 压缩的音乐，并实时解压播放，还可以利用m p 3 压缩 技术制作c d 光盘。 2 ) a a c a a c 的全名为a d v a n c e da u d i oc o d e ，其意思为高级音频编码，是国际标准化 组织( i s o ) 制定的音频标准格式，也是m p e g 规范的一部分。在m p e g 2 里提 出，在m p e g 4 里进一步扩展和完善。采样频率选择性更高，更接近c d 音质；并 且采用了解析度更高的滤波器组，达到很高的压缩率，并且可大幅度降低传输时间 及节省存储空间，适合新一代音乐产品使用。 和m p 3 相比，有以下一些优点可以使a a c 在不久的将来替代m p 3 成为网 络音频的音频数据格式的首选： 进步了的数据压缩技术使得在更小的数据量的前提下获得更好的音质 支持多声道音频，最高支持4 8 路的全音域声道 更高的采用音频，最高支持9 6 k h z 的采样频率 提高了解码效率，使得解码器所占的资源更少 9 北京邮电大学硕士论文i p t v 机顶盒高清播放器的研究 一般来说，专家级的听众听不出1 2 8 k b p s ( 双声道) 的a a c 音频数据和无压 缩数据之间的区别，9 6 k b p s 的a a c 音频数据就可以达到1 2 8 k b p s 的m p 3 音频数 据的音质；就是6 4 k b p s 的a a c 音频数据的音质也好于绝大多数其他的数据压缩 格式的音质。 2 3 2 视频编码 1 ) m p e g - 1 m p e g - 2 m p e g 一1 标准主要针对当时具有的视频数据传输速率( 1 5 m b i t s 左右) 和网 络而研发的，可处理标准图像交换格式s i f ( s t a n d a r di n t e r c h a n g ef o r m a t ) ，s i f 也称为信源输入格式( s o u r c ei n p u tf o r m a t ) ，适用于3 5 2 ( 像素行) * 2 4 0 ( 行帧) 术3o ( 帧秒) ( n t s c 制) 或3 5 2 ( 像素行) 水2 8 8 ( 行帧) 奉2 5 ( 帧秒) ( p a l 制) 的电视 标准，其数据压缩的输出速率定义在1 5 m b i t s 以下。m p e g 1 标准已被广泛应 用于v c d 等家用音视频设备中，但是其图像质量不高，分辨率仅与v h s 录像 机相当，已不能满足音视频技术发展的要求。 m p e g 2 是一种针对数字电视( d t v ) 、高清晰度电视( h d t v ) 、图像通信 等各个领域中关于声音、图像的一种压缩方案和系统层详细规定的标准。这一标 准已于1 9 9 4 年1 1 月被国际上公认为h d t v 信源压缩编码的标准。随之，d v d 视盘机和高档v c d 机、数字电视等设备与系统均采用m p e g 2 压缩编码技术。 由于这是一项高质量的图像压缩编码，有时也称其为广播电视的图像压缩标准。 与m p e g 1 标准相比，m p e g 2 标准有以下几个显著的特点： 图像质量高。当m p e g 一2 的数据速率为3 - 5 m b i t s s 时，图像质量能达到 广播电视的要求，其清晰度与d v d 差不多( 可达5 0 0 线) ；当数据速率 为8 1 5 m b i t s 时，能满足电视演播室的要求。 兼容m e p g 1 m p e g 2 是m p e g 1 标准的进一步发展，它能兼容 m p e g 一1 ，如在d v d 机中，m p e g 2 能向下兼容，使v c d 光盘也可以 播放。另外，它也可以支持多种分辨率，最低2 5 0 线，最高可达1 9 2 0 线。视频显示格式有1 6 ：9 和4 ：3 两种，这两种格式还可进行显示转换。 具有可变压缩比的编码技术。m p e g 2 标准拥有可变速率模式。对于动 作变化快的场景可以分配较多的数据，而变化较小的场景则分配较少的 数据，即不同画面进行不同程度的压缩。在系统和数据传送方面， m p e g 2 更加详细完善，避免了v c d 在播送快速运动场景时因信息丢失 而出现的马赛克现象。 系统复用打包技术。m p e g 2 系统的基本工作方式为数据码流复用打包。 码流结构分层嵌套。其信息编码精度更高，可达半个像素精度。 1 0 北京邮电人学硕士论文i p t v 机顶盒高清播放器的研究 场、帧视频采用自适应处理。m p e g 2 采用自适应场、帧处理技术，通 过对物体运动特性和图像细节的丰富程度作出判定来选择场处理或帧处 理。 2 )h 2 6 4 a v c h 2 6 4 标准是i t u t 和i s o 联合开发的新一代视频编码标准。与m p e g 2 相 比，在同样的图像质量条件下，h 2 6 4 的数据速率只有其1 2 左右，压缩比大大 提高。通常也称h 2 6 4 标准为高级视频编码标准( 以a v c 表示) 。与m p e g 2 标准相比，h 2 6 4 具有明显特点：编码效率高，数据压缩比；编码复杂程度高， 占用资源较多。 h 2 6 4 既保留了以往压缩技术的优点和精华，又具有其他压缩技术无法比拟 的许多优点。 码率低：和m