1、 I摘 要随着信息技术的高速发展，IP 多媒体技术已日渐成熟，融合多媒体内容平台、宽带网络平台和数字 IPTV 终端平台的宽带服务模式正在成为全球极具前景的产业。与此同时，宽带在中国的普及已进入千家万户，庞大的宽带用户数量显示了 IPTV 在中国发展的巨大潜力。目前，中国的 IPTV 用户数呈稳步上升趋势，产业也呈现着良好的发展态势。视频点播作为 IPTV 的主要业务，其实质是实现流媒体的播放，这样一来，流媒体播放终端的功能和性能对于 IPTV 有着很大的影响。目前已经有一些适合商用的流媒体服务器，但是对基于 IPTV 机顶盒的流媒体终端还没有一个统一的解决方案，因此对基于 IPTV 机顶盒的
2、视频点播终端的研究显得很有意义。 本课题研究的 IPTV 视频点播终端采用 IPTV 机顶盒+电视机的接收方式，这种形式的 IPTV 终端兼顾了个人电脑和电视机的功能，可以直接利用家庭中已有的电视终端来扩展业务，同时也符合中国国情，目前是信息行业发展的重点。课题采用的IPTV 机顶盒为 Philips 公司生产的 STB810 开发板，它内含 PNX8550 多媒体处理器和流媒体编解码芯片（DSP ） ，具有较强的解复用和音视频流解码功能,为 IPTV 视频点播终端的实现提供了良好的硬件基础。论文深入讨论了嵌入式 Linux 下 IPTV 视频点播终端的技术理论和核心技术的实现。首先从总体上介
3、绍 IPTV 的发展状况；同时把本课题研究所涉及到的技术理论做了简要的说明，包括 IPTV 机顶盒技术、流媒体技术、 RTP/RTCP/RTSP/SDP 协议及MPEG-2 传输流；重点阐述了 IPTV 视频点播终端的系统设计：流媒体客户端与服务器的交互流程，音视频的解码播放和消息驱动机制；实现了一种能提供良好视频质量和友好人机交互方式的基本视频点播终端。关键词：IPTV 视频点播 机顶盒 流媒体IIABSTRACTWith the development of information technology, IP multimedia technology became more matur
4、e, the broadband service mode which integrates multimedia content platform, broadband network platform and digital IPTV terminal, has became the most perspective industry in the world. At the same time, broadband had come into every house. The huge amount of broadband users indicates the huge potent
5、ial of IPTV. Currently, the amount of IPTV users rises up steadily, and industries go on well in China. Video-on-demand as the main business of IPTV is actually to play streaming media, so the function and capability of streaming media broadcast terminal have great effects on IPTV. Now, there had be
6、en some streaming media services which are suitable for business, but no uniform solution for streaming media terminal based on IPTV STB, so studying on video-on-demand terminal based on IPTV STB makes great sense.The project terminal system which used the IPTV STB and television had functions both
7、personal computer and TV. Using TV to extend business is in consonant with the situation of China, and is the core of information development. Project used the STB810, which is the Philips produced, contains PNX8550 multimedia processor and streaming media encoding and decoding chip, has great demux
8、 and audio/video decoding function. It provides good hardware for implementation of IPTV video-on-demand terminal.The paper discussed technical theory and the core technology implementation of IPTV video-on-demand terminal based on embedded Linux. First, as a whole introduces the development conditi
9、on of IPTV, meanwhile the technical theory which involves this topic research institute has done brief showing, including IPTV STB technology, streaming media technology, RTP/RTCP/RTSP/SDP agreement and MPEG-2 TS. Introduced with emphasis the IPTV video-on-demand terminal system design, elaborated t
10、he selection and build of RTSP client, and interactive with server, audio/video decoder and Message driving mechanism of man-machine interaction. Implement a basic video-on-demand terminal which can provide good video quality and friendly man-machine interaction.Keywords: IPTV Video-on-demand STB St
11、reaming mediaIII目 录摘 要 .IABSTRACT .II1 引言 .11.1 课题背景及研究意义 .11.2 国内外发展现状 .21.3 论文研究工作 .31.4 论文组织结构 .42 IPTV 终端的关键技术 .52.1 机顶盒技术 .52.1.1 视频编解码技术 .52.1.2 中间件技术 .62.1.3 嵌入式操作系统 .62.1.4 图形和图像显示技术 .72.2 流媒体技术及相关协议 .82.2.1 流媒体技术 .82.2.2 实时传输协议 RTP/RTCP.102.2.3 实时流传输协议 RTSP.122.2.4 会话描述协议 SDP.132.2.5 MPEG-2
12、 传输流 .142.3 本章小结 .163 基于嵌入式 Linux 的视频点播终端的设计 .173.1 总体结构设计 .173.1.1 STB810 的硬件平台 .193.1.2 STB810 的软件架构 .203.2 流媒体数据接收模块设计 .213.2.1 流媒体服务器 .213.2.2 RTSP 客户端 .223.2.3 环形缓冲区 .243.3 音视频解码播放模块设计 .303.3.1 流媒体数据解复用设计 .303.3.2 音视频流解码设计 .333.4 人机交互方式设计 .343.4.1 消息驱动机制 .34IV3.4.2 交互流程设计 .373.5 本章小结 .394 基于嵌入式
13、 linux 的视频点播终端的实现 .414.1 流媒体数据接收模块的实现 .414.2 音视频媒体播放模块的实现 .464.2.1 解复用的实现 .474.2.2 视频解码实现 .494.2.3 视频点播的流程实现图 .514.3 人机交互界面模块的实现 .514.3.1 菜单命令操作 .524.3.2 滑动条命令操作 .534.4 本章小结 .545 嵌入式视频点播终端软件环境的搭建 .555.1 交叉开发环境的建立 .555.2 设置环境变量 .565.3 重建根文件系统设备 .565.4 导出根文件系统 .575.5 本章小结 .586 总结与展望 .596.1 课题小结 .596.2
14、 展望与改进 .59中外参考文献 .61致 谢 .6311 引言1.1 课题背景及研究意义本课题来源于湖北省科技攻关计划项目“光纤到户流媒体接入技术” 。随着计算机网络和信息业的迅猛发展，国内电信网、计算机网和广电网三网正逐渐走向融合，IPTV 的发展也越来越迅速，逐渐成为业界关注的焦点。 IPTV（Internet Protocol Television）即交互式网络电视，是一种利用宽带网络作为基础设施，集互联网、多媒体、通讯等多种技术于一体，通过 IP 协议向用户提供包括数字电视在内的多种交互式服务的崭新技术。IPTV 业务扩展了电信业务的使用终端，又拓展了电视终端可支持的业务范围，其覆盖
15、的业务范围非常之广，可分为基本业务和增值业务。其中基本业务包括视频点播，视频直播和时移播放等，目前比较有市场潜力的增值业务有个人视频录制、远程教育、视频会议、电视购物、游戏等。而实质上，对于用户来说，IPTV 最大的优势就在于可以通过视频点播的方式收看自己感兴趣的节目。据有关资料显示，上海文广新闻传媒集团曾对 IPTV 用户进行了调查，结果显示，在所有的 IPTV 业务中，视频点播业务最受用户的欢迎 4。视频点播（VOD, Video on Demand） ，也称为交互式电视点播系统，是计算机技术、网络技术与多媒体技术发展的产物，它之所以倍受人们的青睐，主要原因在于它彻底改变了过去收看节目的被
16、动方式，解决了一个想看什么节目就看什么节目，想何时收看就何时收看的问题，是一种可以按用户需要点播节目的交互式视频系统，为用户提供了各种交互式信息服务。目前家庭中普遍采用的有线电视视频点播是利用有线电视网络，采用多媒体技术，将声音、图像、图形、文字和数据等集成为一体，向特定用户播放其指定的视听节目的业务活动，包括按次付费、轮播及按需实时点播等服务形式。IPTV 系统中的视频点播其本质就是一种基于 IP 网络的、利用机顶盒作为接收终端，电视机作为显示设备的视频点播系统 4。视频点播作为 IPTV 的核心业务，其实质是实现流媒体的播放，这样一来，流媒体播放终端的功能和性能对于 IPTV 有着很大的影
17、响。目前已经有一些适合商用的流媒体服务器，但是对基于 IPTV 机顶盒的流媒体终端还没有一个统一的解决方案，因此对基于 IPTV 机顶盒的视频点播终端的研究显得很有意义，对于推动我国实现IPTV 产业化有着巨大的潜力。现在的视频点播不再仅仅是为了满足用户对自主收看视频节目的需求，已经渗入到大众文化和商业运作之中，不仅为用户提供丰富多彩2的媒体信息服务，扩大人们的信息渠道，丰富人们的内在精神财富，而且在医院、宾馆、飞机等场所的娱乐，远程教育、公司的职员培训、公司的广告业务等领域都充斥着视频点播技术的全新应用，相信在不久的将来，视频点播也会同其他信息服务一样，走进千家万户。1.2 国内外发展现状目
18、前，在国内外 IPTV 系统的用户终端一般有以下 3 种接收方式：（1）通过 IP网络直接连接到 PC 终端；（ 2）通过移动通信网络连接到手持移动终端；（3）通过IP 网络连接到 IP 机顶盒和电视机。然而前两种方式都存在着一定的局限性：PC 终端虽自身具备较强的处理能力，但其播放软件局限于厂商私有的文件格式，通用性差，而且不会使用电脑的人也无法享受此业务，因此利用 PC 机作为 IPTV 终端仅适合低成本推广 IPTV 业务的场合，不会成为发展的重点。手持移动终端作为 IPTV 终端设备，必须具备处理和显示数字视频信号的能力。而目前市场上具有处理显示动态画面的手机，受到网络传输速率和视频解
19、码处理能力的限制，还无法提供比较流畅的视频信号，虽然目前 3G 网络已投入运营，但尚未有更有效的编码方案，只有等编码方案成熟后，手机才能逐渐成为 IPTV 的终端设备。根据以上分析，本文研究系统采用了第三种接收方式，通过 IP 网络连接到 IP 机顶盒和电视机。 4IP 机顶盒具备数据转换功能、接入支持、协议支持、解码支持能在内的多种功能，可以将接收到的网络数据转换成电视屏幕可以显示的数据，支持LAN/xDSL/WLAN/FTTH 等多种宽带接入方式，支持 TCP/UDP/IP 协议族来完成互操作信息的网络传输，以及网络数据和流媒体数据的接收与处理工作，支持多媒体码流的解码能力，支持现有的国际
20、标准（如 MPEG-4，H.264 等）以及中国标准 AVS。这种形式的 IPTV 终端兼顾了个人电脑和电视机的功能，可以直接利用家庭中已有的电视终端来扩展业务，因此成为目前发展的重点。IP 机顶盒国内外发展状况如下 4：首先是基于专用芯片的结构：2005 年 1 月 5 日，机顶盒芯片供应商 ST（意法微电子）公司发布了世界上第一个支持 H.264 和 VC-1 高清晰度标准的解码芯片STB7100。2005 年年底， ST 公司又退出了 STB7100 的第二代产品 STB7109，改进了安全性和连通性，增加了对新的 DVD 格式和安全标准的支持。2006 年 8 月底，浙江大华数字科技有
21、限公司推出了基于 STB7100 的第三代有线/IP 双模机顶盒。Micrbonas 与面向消费电子产业的嵌入式软件和开发工具供应商 Planetweb 结成联盟，联手推出用于 IPTV 和数字电视机顶盒的参考设计。该设计整合了 Micronas3的 DeCyhper DHM 8100 高清多格式解码器和 Planetweb 的 SpectraWorks 用户界面平台和应用程序。荷兰飞利浦电子公司（Philips ）也推出了 Nexperia STB810 IP 机顶盒解决方案。该方案包含了一个硬件开发平台、软件基础架构、主要编解码器和一些参考实例。对于基于数字媒体处理器的结构：美国德州仪器（
22、TI）公司的 TMS320 DM644x数字媒体处理器能够满足 IP 机顶盒对 DSP 的要求。中国康佳集团采用 TI 公司达芬奇技术开发出全新的 IP 机顶盒 IPB5310。该机顶盒支持 MPEG-2、MPEG-4、H.264 等多种编解码标准，其应用范围包括 IP 电视服务、视频点播、时移电视、Web 浏览服务、短信通知服务、信息广播服务等。此外，美国模拟器件公司推出了 BlackFin561 双内核处理器的解决方案，也支持H.264 编解码标准。考虑到视频点播对音视频编解码的要求及终端的扩展性，课题采用的 IPTV 机顶盒为 Philips 公司生产的 STB810 开发板，它内含 P
23、NX8550 多媒体处理引擎和流媒体编解码芯片（DSP） ，具有较强的解复用和音视频流解码功能，为 IPTV 视频点播终端的实现提供了良好的硬件基础。1.3 论文研究工作内 容 提 供 商影 视新 闻MTV内 容 运 营 商点 播直 播增 值 业 务内容整合 终 端 维 护用 户 管 理运维 计 费 管 理 网 络 运 营 商数据转发 光 纤计 费 管 理无 线专 线ADSL用 户 终 端机顶盒 +电视机 数 据 接 收音 视 频解 码 播 放人 机 交 互图 1.1 IPTV 运营结构图如上图所示，在 IPTV 整个运营图中，主要包括内容提供商、内容运营商、网络运营商和用户终端四大部分。本课
24、题旨在研究用户终端播放设备，它是由电视机和机顶盒组成的电视系统，用以完成视频数据的播放，提供用户操作界面，实现交互式点播 20。本文研究目标即，针对XXX项目的技术和功能要求，通过对现有终端方式的研究和分析，设计出一种能提供良好视频质量和友好人机交互方式的基本视频点播终端。课题依据的项目中 IPTV 终端主要有本地影片、视频点播、节目直播、移动检测、图片浏览和系统设置六大模块。本文研究的主要内容是视频点播终端模块，4它包括数据接收、音视频解码播放和人机交互三大部分。以下是需要论文具体研究并解决的内容：1）调研机顶盒技术，及其 STB810 支持的接入方式，传输协议和解码功能。分析 STB810
25、 开发平台的架构和软件开发方式。2）调研流媒体技术及相关协议，包括 RTP/RTCP/RTSP/SDP 和 MPEG-2 传输流。3）调研流媒体服务器和 LIVE555 开源库，设计客户端流媒体数据接收模块，实现客户端与服务器的交互。4）设计音视频的解码播放模块，实现 TS 流的解复用和音视频的解码播放。5）设计人机交互模块，通过红外遥控器实现对交互内容的选择和控制功能。本论文拟解决的问题有：1）由于客户端通过网络接收来自流媒体服务器的数据，网络传输的数据包会存在时延抖动的问题，必然影响到客户端视频播放的质量。因此如何利用环形缓冲区技术解决网络传输过程中存在的时延抖动问题，是保证客户端视频播放
26、质量的关键。2）在上层应用软件对机顶盒硬件底层进行调用时，不可避免会导致系统资源层的多样性和复杂性问题。采用中间件技术规范上层应用软件对机顶盒硬件底层资源的调用，从而屏蔽了多样性和复杂性问题。3）消息驱动机制最终的体验是用户本人，只有存在良好的消息机制才能让客户端用户更深切地体验视频点播的便捷。因此如何设计良好的消息机制是实现人机交互的关键。1.4 论文组织结构论文围绕基于嵌入式 Linux 的 IPTV 视频点播终端的设计与实现展开讨论，组织结构如下：第一章绪论，介绍本文所做研究工作的应用背景及其研究意义，针对 IPTV 在国内外的研究现状分析，提出了论文的研究目标。最后介绍了本人的工作和论
27、文的安排。第二章主要介绍了 IPTV 终端的关键技术，包括机顶盒技术，流媒体技术，及RTP/RTCP/RTSP/SDP 协议和 MPEG-2 TS 传输流。第三章给出了终端的整个结构设计，首先对开发板的硬件和软件环境进行介绍，针对各个模块的关键技术进行详细的设计分析，包括环形缓冲区技术，音视频解码和消息驱动机制。5第四章详细介绍了视频点播系统客户端的实现过程。第五章简单地描述了 IPTV 视频点播终端软件环境的搭建。第六章对论文进行总结并描述客户端可改进的方向。62 IPTV 终端的关键技术2.1 机顶盒技术机顶盒，又称顶置盒，英文名为 STB(Set-Top Box)。它是一个体积不大，可以
28、放在电视机顶上的小盒子，并因此而得名。机顶盒作为多媒体终端，是一种典型的嵌入式系统，由硬件和软件两部分构成，提供了数/模转换和音视频编解码功能，对经过数字化压缩的图像和声音信号进行解码还原，产生模拟的视频和声音信号，通过电视机和音响设备给观众提供高质量的电视节目，同时还具备图形图像显示和流媒体传输控制功能等。其实，从 20 世纪 90 年代初，人们就开始研究机顶盒，而真正作为数字电视的辅助设备则是从 20 世纪 90 年代后期欧美国家试播数字电视（Digital Television, DTV）和高清晰度数字电视(HDTV)开始的。它的主要作用是使用户能够用原有的模拟电视机收看数字电视界面和高
29、清晰度数字电视节目，这类提供数/模信号转换功能的机顶盒叫做数字电视机顶盒 1。目前，家庭中安装的机顶盒普遍为数字机顶盒，是作为扩展电视机功能的一种新型家用电器而出现的。它可以把卫星直播的数字电视信号、地面的数字信号和有线网的电视数字信号通过内置芯片转换成模拟信号，然后利用已有的有线电视网络平台作为传输途径，传播到家用电视机上，这样用户就可以轻松的利用数字机顶盒观看数字电视节目，进行交互式的数字化娱乐、教育甚至商业化活动了。数字机顶盒根据传输网络的不同主要分为数字卫星机顶盒、数字地面机顶盒、数字有线电视机顶盒三类，然而，流媒体技术和 IPTV 技术的飞速发展，极大地推动了 IP 机顶盒的发展。I
30、P 机顶盒较于数字机顶盒，不仅可以提供以上三类数字机顶盒相同的功能，还可以作为 IP 网络与电视机之间的接口，将电视机与网络连接起来，使宽带网络上丰富的节目内容呈现在电视上，为广大的用户带来全新的数字生活新感受。其中网络电视机顶盒，即课题将要采用的 IPTV 机顶盒。 IPTV 机顶盒的关键技术主要包括数字视频编解码技术、中间件技术、嵌入式操作系统、图形和图像显示技术。而机顶盒作为终端解码设备，其解码技术非常重要。下面论文将分别对每种技术进行介绍。2.1.1 视频编解码技术视频编解码技术是 IPTV 网络电视发展的基本条件，怎么利用较小的宽带占用率去接收高清晰的数字节目，这就是视频编解码技术要解决的问题，该技术可以对视
