新一代数字电视交互式应用的技术特征及市场前景

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留法博士 廖洪涛

　　编者按：廖洪涛于1986年到法国留学，1990年获得博士学位。1995年加盟法国Canal+从事数字电视软件的研发工作（后转为Canal+ Technologies）。他是交互性极强的中间件系统Mediahighway的创史人和系统设计师，率先将Java应用于数字电视嵌入式环境，并在世界上第一个成功地在数字电视机顶盒中实现了Java虚拟机，在欧洲专利局获得了10项发明专利。廖洪涛参与了欧洲数字电视标准DVB-MHP标准的制定工作，且主持了MHP在Mediahighway中的实现工作。廖洪涛现已回国，力求与国内数字电视界同行一道开发出具有中国自主知识产权的数字电视系统。

前言

　　建立在MPEG-2传输与压缩标准之上的数字电视从一开始就以其三大特征吸引着人们：高质量和高清晰度的图象与立体声的伴音以及各种数据。而数据的传输被广泛利用，成为交互式电视的基础。自法国在1996年4月率先在欧洲进行商业运营以来，数字电视业务相继在世界各地象雨后春笋般不断发展壮大。如果说丰富的内容、优质的声音图象是数字电视业务的基础，那么交互式应用是为这种业务不断扩展，使老用户更忠诚、新用户更踊跃的不可缺少的重要手段。

　　早期的交互式应用以为观众提供信息与资料为主，典型的应用为电子节目指南（EPG）。目前数字电视技术已进入了一个新的时代，它使得人们不但从技术上来重新审视数字电视及其应用，更重要的是从用户的需求及个性化和崭新的市场发展角度来重新认识、发掘和使用数字电视这一技术。 本文简单地描述一下数字电视交互式应用的发展及现状，然后着重介绍以硬盘为基础的新一代交互式应用的技术特征以及其市场发展前景。

数字电视交互式应用的发展及现状

　　随着数字电视技术走进寻常百姓家里，它就伴随着丰富的节目内容和实用而又充满娱乐的交互式应用。交互式应用为电视用户发掘节目内容提供了必要的手段。一个典型的交互式应用为电子节目指南（EPG），它能够提供不同频道在不同时间段上的节目内容，包括种类、内容简介、播出时间等信息，还可以提供自动录入磁带，待机时自动唤醒等功能。

　　有数字电视节目而不提供准节目点播（NVOD）或付费收视（PPV）是不可想象的。因此每一个数字电视运营商在推出其数字电视业务时总是有NVOD服务的，否则他们宁可晚些时推出其数字电视业务。最好的情况当然是视频点播服务（VOD），但在广播（broadcast）的环境中由于带宽的限制，真正意义上的“点播”是很难实现的。对大部分的电视用户来说，准节目点播（NVOD）提供的服务已经足够了。NVOD的特征是采用多个频道，在定点定时重复播放，如每隔30分钟播放一次，这就同点播差不多了。

　　交互式应用的最大好处就是为运营商带来了新的收入增长点，这也是在数字电视运营不断向前发展走向成熟而逐步认识到的。它主要表现在电子商务的概念运用到电视中，形成了没有泡沫，简单易行，深受欢迎的电视电子商务，或简称“电视商务”。有几个典型的应用是属于电视商务的，如电视购物、家庭银行、股票信息及博彩等。电视购物程序将丰富的商品分类，并有简易的文字和图片介绍，观众可选择他们所喜爱的商品，只要在遥控器上按几下键，就可完成选购和交款的工作，且商品会在短时间内送上门来，大大地方便了人们的生活。家庭银行能够为观众提供银行帐户的查询以及转帐的工作，无须再到银行柜台前去排队填表了，节省了时间。股票和博彩更是将人们与外面的世界紧密地联系在一起，通过指头一点便了解令人激动的股票行情，热情投入到炒股大军中，岂不是一大快乐？体育彩票是一项有益的活动，它既为国家创造利润，也为自己带来乐趣和收益（在运气好时）。 一般的交互应用还有很多，如天气预报、新闻与本地信息、交通状况通报、与实时节目有关的信息及广告等，多得不可胜数。总之这些应用都给运营商带来了良好的品牌形象和较大的经济效益，同时也大大的吸引新的电视用户和使老用户更加忠诚。

随着科学技术的不断发展，尤其是永久存储介质（如硬盘等）价格的下降，在个人电脑PC机习以为常的硬盘正被用于数字电视机顶盒中，这不但为软硬件的设计与开发提出了新的挑战，也使得运营商从新的角度来发掘交互式应用的市场。

新一代交互式应用的技术特征

　　存储设备（包括硬盘、内存等）是一种高技术产品，其容量的增加与价格的减低都是呈指数曲线变化，但这一变化趋势不象处理器能力的增强和带宽的增加这两种数字技术的发展那么引起人们的注意。但它们是同样重要。它将影响到数字产品的类型、新的服务以及新的商业模式。事实上，已有一些技术公司将高容量数字存储设备（一般都在30G以上）用于数字电视机顶盒中，正在开发新的应用和服务。在下面的介绍中我们将这种本地数字存储设备简称为硬盘。

　　如果只将高容量的硬盘当作一种简单的存储介质（如PC机的硬盘那样），用作数字录相机（Digital Recorder）， 那未免就有点目光短浅。基于这种存储的新服务和业务正给消费者、广告商、版权所有者、电视运营商及OEM技术供应商等带来令人激动的机遇和新的收益。实际上，它能如此引起人们的重视，是因为有了它，数字电视机顶盒就变成了一个实实在在的“家庭媒体服务器（Home Media Server）”。

家庭媒体服务器的特征

完备的家庭媒体服务器具有下面的特征：

1. 大容量：它可存储几十小时甚至几天的节目内容。

2. 非线性搜索：它象磁盘而非磁带那样能进行非线性搜索，快速寻找已存储的资料，且能够同时进行读和写，提供一边观看一边录的功能。

3. 支持“宏数据（Meta Data）”处理。这种数据用来描述一个节目或其中的一段，能够将节目内容进行“聪明”的管理和分类。

4. 提供相应的用户界面友好的软件以便很容易的找寻和播放已存储的节目内容。

家庭媒体服务器的工作方式

　　由于能进行大容量的存储，家庭媒体服务器或带有硬盘的数字电视机顶盒被用来预先存储大量的节目，以便电视用户随时观看。

家庭媒体服务器主要有两种工作方式：

1. 边录边看正在播放的节目，即Time-Shifting功能

2. 定时下载并存储非正在播放的节目，即Content Push

　　边录边看（Time-Shifting）应该是这种新一代数字电视机顶盒的一项内置基本功能。由于有足够的存储空间，在电视用户观赏某一节目时，组成该节目的音视频及数据流（MPEG-2 Streams）也自动地记录了下来。这样有两种用途：

　　暂停观看而不中断。如正在观看某一精彩电影，可突然电话响了，是一好朋友打来的，且长时间没见面了，那自然要聊上一会儿。这样可暂停观看，而该电影从此时刻起所有的内容被自动记录下来了。15分钟或半个小时后，你可以从以前中断的地方接着往下观看。这样既没有耽误你的电话，又不中断节目的观看。

　　随意浏览其它频道。有些人在观看某个频道时，其节目内容不错，但又想知道其它的频道在放什么。这时，Time-Shifting又可帮上大忙了：它可继续记录当前的频道和播放的内容，而你可调节到其它的频道上去，看看有什么更精彩的节目。这样可以在又回到原来的频道上时接着当时暂停的地方继续看下去。当然这种功能需要有2个调谐器（Tuner）。

　　边录边观看（Time-Shifting）并不是这种家庭媒体服务器机顶盒最诱人的功能。它最多给电视用户带来许多新的方便而已。它并不能带来什么新的增值服务，就象EPG于第一代机顶盒一样，为人们查找电视节目带来方便。但并不是一个能带来经济效益的交互应用。

　　自然人们会想到利用新一代机顶盒的存储功能，给电视用户“悄悄地”送去许多新的内容。这些内容大致可以分为两类：

1. 需付费才能收看的：如新电影、文档资料等

2. 免费资料：这主要是一些广告等资料

　　这些节目及资料可以通过这些用户自己选择， 根据他感兴趣的内容在预定的时间， 当不需要看电视时（如深夜），通过网络（卫星，有线网等）自动下载并存储到电视用户的机顶盒中。在用户想观看时，他选择想观看的内容，自动播放，并且提供（当然地）暂停、回放或快进等功能。这些节目的观看可以是付费的，每观看一次要付一定的费用。这样“家庭媒体服务器”就变成了一种“本地视频点播器（Local Video On Demand），从另一个角度来完成VOD的功能。

节目内容的存储

　　可以想象，一旦家中有了一个大容量的数字存储设备，其容量随着技术的进步而越来越大，但其价格也越来越低，其可存储的内容也就会越来越多。它包括加密的用于点播的付费节目（Pay-Per-View），也包括一些来源于某些运营商的节目，它们可能形成一个“虚拟频道”，即有一个连续结构指向某服务器，而且一个电视用户还可接收不同的运营商送来的节目，当然电视用户也可存储其个人资料，如相片等。当这种存储的内容达到一定的数量时，那存储设备就会分成不同的块，形成一些不完整的部分。如何将这些复杂的内容向用户展示，提供一个简单的索引与目录（Catalogue），是值得研究的。

服务器的技术难点

　　尽管大容量的存储设备（如硬盘）在PC机环境下使用已经很多年了，但要保证它在数字电视机顶盒的环境下良好运行并不是那么容易的。这主要的原因有二：

　　1. 机顶盒是一个实时工作环境。数据的读取与存储要求能满足用户的实时习惯：看电视是实时的，每秒要播放25幅图像呢。而PC机则不是一个实时工作环境，因而对实时性要求不强。

　　2. 机顶盒的内存是有限的。一般为8M或16M，有些更少。而PC则至少需要64M，甚至128M或256M才能正常工作。

　　带硬盘的机顶盒的技术难点主要在以下几个方面：

　　1. 怎样在存储设备（硬盘）建立一个有效的、存取容易的文件系统，以便满足节目内容存取的实时性要求。　　2. 如何保证服务器能实时地接收从解复用模块来的数据并把它再合成TS流而存储到硬盘上。

　　3. 在存储的同时，服务器如何能保证响应媒体播放器的要求，不断地读取数据并把它再送到MPEG-2解码器，让内容完整地播放出来，且可能同时有几个媒体播放器在工作。

　　4. 如何对存储的内容进行加扰，而在播放时再解扰，而如何保护节目内容供应商的版权以保护他们在新一代的数字电视机顶盒的交互式应用中获取更多的利益。

　　这些技术难点主要都是在与存储设备应用有关的软件系统的设计与开发上。

节目内容版权的保护

　　电视节目和电影等的制作需要投入大量的人力物力。如何保护这些节目内容，使得制作者的权益不受侵犯。这便是硬盘机顶盒和以此为基础的新一代交互应用是否有市场前景的关键问题。如果节目内容（如电影等）被下载存储到机顶盒中，电视用户可随意观看而不交任何费用，那内容提供商是不会乐意的，因而也就不会提供好的节目，运营商也就不能从中获利。如果存储的新电影每次再看都能收取一定的费用，且别人不可能盗版到其他的地方去，那将会给节目提供商和内容运营商带来巨大的利益。 TV Anytime 专家组（TV Anytime Forum）对这个问题作了不少研究，提出了版权管理与保护系统的概念（Content Management and Protection System，简称CMPS）。CMPS与数字电视机顶盒中的条件接收（Conditional Access）系统紧密联系，也与“家庭媒体服务器”直接相联。 CMPS模块的主要功能如下：

　　1. 当媒体服务器需要向硬盘文件系统写文件时，它向CMPS模块发出请求，CMPS获取Bitstreams中的ECM信息并能通过Smart Card模块实时地产生EMM。ECM和EMM信息通过再复用模块与应该存储的节目内容（如由Video/Audio PID指使的Bitstreams）一起再复用变成TS流，这个TS流就直接以文件的形式存在硬盘的文件系统中。

　　2. 当媒体播放器要播放用户选择的节目时，媒体服务器从硬盘文件系统中读取相应的TS流文件，将TS流传给解复用模块，同时媒体服务器将相应的ECM/EMM信息传给CMPS模块。根据用户的权限，CMPS又再将ECM/EMM送给Smart Card模块。SC模块将控制字解码出来，通过服务器送给解扰模块。这样用户就可以观看播放的节目内容了。

　　根据不同的节目内容和不同的商业运营模式，可以采用不同的收视控制方式，如一个节目（一部电影）可允许观看3次，还可以象PPV那样提供一定时间的预览等。所有这些信息都由CMPS提供管理。

市场需求预测

　　目前数字家庭媒体服务器机顶盒市场并未大规模启动。Tivo和Replay TV在美国推出了这一服务，但只用于模拟电视领域。但鉴于这种新一代机顶盒所能带来的利益，可以认为它是有前途和生命力的。英国的Durlacher公司对带硬盘的机顶盒将在欧洲市场的情况作了预测。根据电视用户对电视节目的喜好、数字电视增长的情况和硬盘存储设备价格的下降，可以有两种可能的情况：

　　1. 快速增长的情况

　　2. 慢速增长的情况

　　即使根据这个保守的估计，这种新一代机顶盒和新的交互式服务的市场发展也是令人鼓舞的。

未来展望与结论

　　目前已有一些公司在研究这种带大容量存储能力的数字电视机顶盒，Tivo和Replay TV是两家在这一领域起步较早的公司，且他们已在美国市场上推出了这一服务（目前尚限于模拟电视领域）。

现在已知正在这一领域进行研究的公司有机顶盒的设计和制造商（如TMM、Nokia、PACE、EchoStar, SONY等），有数字电视系统技术开发商（如Canal+ Technologies 、 NDS 、Liberate, EnReach, Metabyte 等），也有一些运营商已推出了服务（如 AOL的AOL TV ），Microsoft 推出了具有PVR功能的UltimateTV。法国电视运营商 Canal+和Canal Satellite 正在集成和测试新一代机顶盒，预计在2002年9月正式推出与硬盘存储器相关的服务。

　　毫无疑问，带大容量存储能力的硬盘数字电视机顶盒是数字电视技术发展的趋势，它的使用必将给交互式应用无论从形式还是商业模式上都会带来生机和新的动力，为运营商和内容提供商带来新的收入增长点和更大的经济利益，也为电视用户带来丰富的节目内容和更多的娱乐。

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