个人视频录像技术及其在数字电视机顶盒中的应用

发布时间:2010年09月03日 13:09    发布者:techshare
关键词: 机顶盒 , 录像 , 视频 , 数字电视
PVR(Personal Video Recorder,个人视频录像机),的突出特点是以硬盘作为存储媒介,建立本地的海量缓冲区和巨大的节目存储库,并利用数字化处理技术实现对节目的控制和管理。数字化和存储技术是PVR技术的核心,在这个基础上对节目进行灵活的编辑和录放控制。 PVR技术和数字电视机顶盒结合而产生的 PVR机顶盒,带来了数字化视频录放和内容互动。据美国市场调查咨询机构Ovum公司的分析显示,全球数字电视用户将从2001年的6200万户猛增到2006年的3.5亿户。PVR数字电视机顶盒作为一种非常有特色的数字电视终端,具有广阔的市场前景。  

PVR机顶盒的原理  

PVR机顶盒把数字电视技术和硬盘录像技术完美结合,不仅使机顶盒增加了录像的功能,更是通过时移技术、智能录像技术、Watch&Record(边看边录)技术等给观众提供了一种全新的观看电视的方式。  

PVR机顶盒的原理如图1所示。机顶盒通过高频头解调和解复用模块解复用后得到用户所选中的数字电视节目A/V数据,在正常观看节目的情况下,解复用得到的A/V数据同时通过通道1和通道3送到解码器和硬盘,分别进行解码播出和时移存储。当用户进行暂停、后退、慢放等操作时,机顶盒进入时移状态,通道1切断,解码器通过通道2从硬盘获取A/V数据进行解码输出,通道3依然保持正常工作。




图1 PVR机顶盒原理图

当用户进行录像操作时,通过通道3送到硬盘的数据存储在指定的录像文件中,A/V输出的数据依然来自通道1。而在播放已录制节目时,断开通道1,接通通道2,一般情况下此时通道3也是断开的。

当用户想在观看一路节目的同时,录制另外一路节目,那么就需要Watch& Record技术。如果机顶盒只有一个高频头,那么只能对同一个TS流里的节目进行边看边录的操作。如果机顶盒有两个高频头和两套解复用模块的话,就通过解复用模块解出两路不同的电视节目,对两个TS流的节目分别边看边录。  

硬盘节目录制功能的实现  

硬盘节目录制就是将所需节目的TS流及相关信息以一定数据组织格式存储到硬盘上,同时该节目或者其他节目仍可以解码播放。其系统流程如图2所示。  



图2 PVR录制功能框图

经过前端解调得到的TS流经由多路选择器,进入可编程传输接口模块。可编程传输接口模块是一个集成在主控芯片中的特殊微处理器,其主要任务是完成TS流的分析、解扰和解复接。它自带的片内缓存可以与外部存储以DMA方式进行数据传输,这也为节目的硬盘录放功能提供了硬件支持。可编程传输接口模块提取TS流中需要录制的节目的相应的TS包,并将该类TS包存入片内缓存,当有TS包收到时,通过驱动程序通知软件部分,由软件负责将片内缓存中的TS包复制到外部存储中,一旦外部存储区中为硬盘读写开辟的区域(64 KB)充满后,将数据从外部存储区写入到硬盘上,完成了录制的全过程。同时,由于多路选择器的多通道选通功能,以及可编程传输接口单元的多节目选通功能,在录制节目的同时,还可以对其进行实时回放,并且可以实现在录节目的同时观看其他节目。

机顶盒作为一个硬件平台结构已经固定,对于开发新的应用,在硬件支持的基础上,大部分任务由软件完成。对于硬盘节目录制工作,软件部分的核心部分为一个节目录制控制器。通过该控制器,可以对节目的硬盘录制功能进行操作,并能实时得到所有状态信息。节目录制控制器由3个线程实现:线程1为控制线程,是软件部分的主线程,该线程通过分析外部命令(如:选择节目频道、开始录制、停止录制等),设置与硬盘录制相关的各个模块,并控制线程2、线程3。线程2、线程3均为数据传输线程,分别完成由片内缓存到外部存储及由外部存储到硬盘的传输,两个线程之间通过信号机制进行同步。  

对于节目录制功能来说,与已有的广播节目的接收、解码、回放功能比较,差别只是可编程传输接口模块的TS流输出路径不同,所以只需考虑从片内缓存到外部存储区以及外部存储区到硬盘的传输效率即可。片内缓存到外部存储采用DMA方式,所以效率非常高,同样,硬盘的数据写入采用UDMA33模式,并且采用最小距离I/O调度算法,所以硬盘写入速度完全能够胜任一般高清晰度电视的码流要求。

硬盘节目回放功能实现方法  

硬盘节目回放功能实现方法与录制有许多相似的地方,但也有不同之处。节目回放涉及了硬盘读取、码流解复接、定时模式、视音频同步等各个方面,涉及范围要多于节目录制,同时,硬盘节目回放功能的实现方法也不同于接收广播方式码流进行解码播放的方式,它在定时模式和视音频同步方面采用了不同的实现方法。

硬盘节目回放功能包括节目选择、节目数据读取、TS流解复接、视音频解码等几个主要部分,它涉及到了除机顶盒前端外的大部分模块,功能结构如图3所示。  



图3 PVR回放功能框图

由图3可以看出系统流程:硬盘上所有节目的节目信息(包括节目的内容、长度、码率、添加时间等)通过显示设备(显示器或电视机等),以OSD菜单的形式列出, 用户通过遥控器选择播放的节目;节目选定后,读取硬盘中相应的节目流,将其放入外部存储区(SDRAM)中;节目TS流通过多路选择器,由可编程传输接口模块对其进行解复接等操作;解复接得到的视频、音频PES流交由解码器进行解码。软件部分的结构与节目录制功能类似,但不完全是节目录制的逆过程,本文介绍从略。  

定时模式与视音频同步  

对于广播方式的码流,可编程接口模块提取码流中的PCR数据,并利用其设置时钟恢复单元,得到一个与发送端时钟同步的系统时钟,这样就保证了码流可以按照发送端的码率平滑地传入视音频解码器中,同时,利用该系统时钟以及码流中携带的视音频PTS信息,就可以完成视音频的同步。  

而对于硬盘节目回放,由于从硬盘上读到的数据无法以一个固定的码率输出到可编程接口模块,所以上述定时模式不适用。可以采用视音频解码器共同定时的方法,视音频解码器不再是数据被动的接收端,而变成数据主动的请求端,视频解码单元与音频单元在解码时,各自按照自己解码速度读入数据。在视音频解码单元前,各有一个FIFO,如果这两个FIFO都保持不上溢,并且不长期下溢(在FIFO变空后能及时补充数据),就可以保证码流的正常解码播放,利用FIFO变空这一事件作为请求,通知数据传输线程,读取所需数量的数据,从而完成定时。对于视音频同步,则是以视频解码器作为主导,在每一个新的视频帧(Picture)到来时,由视频PTS值设置时钟恢复单元的系统时钟,音频PTS则参照该系统时钟,从而实现视音频同步。  

如果TS流传输路径的各个模块传输速度都足够快的话,就可以保证正常的持续的解码。在以上几个传输模块中,可编程传输接口模块的解复接过程是效率最低的,但是也可以胜任一般高清晰度电视码流的传输,所以传输速度可以得到保证。同时,也必须保证各个传输模块的前端缓冲不出现上溢、下溢,避免数据的丢失,所以在任两个数据传输模块间都采用了数据传输保证机制,利用缓冲的半空、半满中断请求进行控制,这样就保证了码流补给的稳定性。  

PVR技术的发展与应用前景  

目前机顶盒与DVD相结合的趋势并不明显,主要因素是市场正在向HDTV过渡。此外,用户的消费习惯也是进行这种产品开发决策的重要考虑因素。事实上,部分开发商此前推出的像TV+DVD的产品并没有得到用户的响应,而PVR功能集成已经成为主流方案提供商的共识。尽管目前在国内,机顶盒+PVR并没有得到开发商的十分关注,但在欧美地区机顶盒+PVR已成为标清和高清电视广播应用中一个增长很快的市场。据In-Stat/MDR调查显示,2004年美国市场售出的有线数字机顶盒中,每五台机顶盒就有一台具有PVR功能。据 Informa Media 公司预测,到2010年全球所有电视家庭将有近一半拥有某种类型的PVR服务;在发达国家,PVR功能在有线数字电视家庭的普及率将达95%。Broadcom公司机顶盒产品高级行销经理Nicholas Dunn认为,机顶盒正在向具有PVR功能的趋势发展,PVR可为用户提供真正的节目收看和节目录制功能,Broadcom等公司都为此推出了可支持PVR的系列双解码解决方案。这样的方案通常要求CPU处理能力强大、支持多通道解码以及先进的接口功能,同时,由于需要采用双调谐器,需要增加整机成本和改变前端设计。

另外一种更长远的发展趋势是“家庭PVR(all home PVR)”,这种技术包括一个可接入广播电视网及宽带网、可存储大量广播电视和家庭媒体数据的中央媒体服务器。媒体服务器通过有线或无线网络技术将家庭网络与任意数量的瘦型客户机相连,将硬盘里的内容、图片甚至实时广播电视传输到家里任何位置的电视机上。

PVR机顶盒在数字电视网络中的应用,带来了电视生活的新概念,能够极大地促进数字电视业务的开展。硬盘、PVR技术与机顶盒的结合,将成为数字电视机顶盒的一种发展方向。目前,一些国际性的电视设备公司都加快了PVR机顶盒的研制,芯片厂商和硬盘厂商也加强了对该类产品的投入,并生产专用于PVR机顶盒的芯片和硬盘。国内的高科技公司也看准了PVR机顶盒的优势和美好前景,永新同方、大洋的国内公司正致力于中、高档机数字电视机顶盒的研制,并推出了多种PVR数字电视机顶盒。随着数字电视的迅速崛起,PVR数字电视机顶盒必将得到更加迅猛的发展。
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