基于IP网络的智能机顶盒终端产品研制_张一哲.pdf

广播与电视技术 2023年 第50卷 第1期60有线网络 CATV传输覆盖基于IP网络的智能机顶盒终端产品研制【摘 要】本文论述的IP网络机顶盒是在保持现有业务全兼容、安全播出同等级的基础上，充分吸收和借鉴互联网视听行业的先进理念，以江苏有线“一云、双网、三用、四统、5G、多屏”为支撑主线，研制适用于IP网络的多款机顶盒。这些智能机顶盒与江苏有线全业务融合IP电视播出平台以及运营支撑平台对接，完成了联调测试，有效支撑了公司优势业务跨网络、全场景覆盖，是江苏有线IP化工程的重要组成部分。【关键词】IP化，IP机顶盒，电视棒，人工智能【中图分类号】TP37 【文献标识码】B 【DOI编码】10.16171/ki.rtbe.20230001012【本文献信息】张一哲，庄崟，姚辉军，李蓓佳.基于IP网络的智能机顶盒终端产品研制J.广播与电视技术，2023,Vol.50(1).Development of Intelligent STB Terminal Products Based on IP NetworkZhang Yizhe1,Zhuang Yin1,Yao Huijun2,Li Beijia1(Jiangsu Cable Technology Research Institute Co.,Ltd.,Jiangsu 210000,China)1(Jiangsu Radio and Television Cable Information Network Co.,Ltd.,Jiangsu 210000,China)2 Abstract The IP network STB discussed in this paper is based on maintaining the full compatibility of existing services and the same level of safe broadcasting,fully absorbing and drawing on the advanced concepts of the Internet audio-visual industry,and taking Jiangsu cables“one cloud,two networks,three functions,four systems,5G,multi-screen”as the main support,to develop a variety of set-top boxes suitable for IP networks.These intelligent set-top boxes are connected to Jiangsu cables full-service integrated IP TV broadcasting platform and operation support platform.It is an important part of Jiangsu wired IP project to complete the joint debugging and testing,effectively supporting the cross-network and full scene coverage of the companys superior business.Keywords IP,IP set-top box,TV stick,Artificial intelligence张一哲1，庄崟1，姚辉军2，李蓓佳1(江苏有线技术研究院有限公司，江苏 210000)1(江苏省广电有线信息网络股份有限公司，江苏 210000)20 引言随着互联网的普及，写字楼、酒店会场等公共设施基本不再铺设同轴电缆，部分家庭用户也不再必备同轴线路，导致有线电视新装及流失情况异常严峻。IP 融合业务平台（以下简称“平台”）作为江苏有线“十四五”期间规划布局的重点项目，是落实公司党委关于加快推进“两个平台”建设、支撑“新屏战略”实施的重要平台基础设施，为配合江苏有线全网 IP 化进程，承载各类 IP 化新功能新业务，江苏有线决策构建面向 IP 网络化的系列终端产品体系。本文主要从研制 IP 机顶盒、电视棒等终端产品形态技术设计方案论述，技术方案分别从软硬件原型设计方面讨论 IP型机顶盒结构构成、如何与江苏有线全业务融合 IP 电视播出平台以及运营支撑平台对接、如何全场景覆盖等内容，最后介绍了应用案例。截至 2021 年 12 月，首批订购的 5000 余台IP 机顶盒已在江苏有线全省投放试商用。1 IP型机顶盒硬件结构设计1.1 IP型机顶盒硬件逻辑架构IP 型机顶盒数字电视终端设备以 RJ-45 接口或 Wi-Fi 完成数据的双向通信；其硬件逻辑架构包含通信接口、核心处理、外围接口三部分，如图 1。1.通信接口1）RJ-45 接口/Wi-Fi 完成数据的双向通信；广播与电视技术 2023年 第50卷 第1期61CATV 有线网络 传输覆盖2）IR 接口，用于红外遥控器；3）蓝牙接口支持遥控、语音、蓝牙音箱等设备。2.核心处理1）CPU 运行操作系统，完成部分音视频播放等功能；2）GPU 完成图形和视频处理功能；3）视音频图片编解码完成视频、音频、图片的解码，编码处理功能；4）图形及显示处理完成视频、图形缩放，亮度、色度、对比度、饱和度调节，视频图像质量处理等功能；5）存储控制完成内存、存储的连接控制。3.外围接口完成视音频输出、外设接口（USB）连接等功能。1.2 芯片方案IP 机顶盒在硬件方案上，IP 机顶盒 SoC 均采用 HI3798M-V310 或同等规格的芯片方案，存储为 2G 内存+8G Flash，其余接口规格要求见表 1。2 系统软件总体设计与系统对接2.1 终端软件总体方案IP 机顶盒基础软件均采用 TVOS3.1 及以上版本作为机顶盒基础软件的操作系统，该系统具备安全、可管可控、标准化、开放构架等特点。通过接入江苏有线电视网络专属网络，支持直播、点播、回看等业务。具备向用户提供各类应用软件 APP 安装、管理、升级等能力，其基础框架见图 2。2.2 系统预置应用系统预置应用为机顶盒生产阶段预置到系统软件中的应用，用于实现系统级的管理和控制，以及机顶盒出厂后首次开机时的引导安装等功能。系统预置应用是基于智能电视操作系统开发的应用，主要包括引导程序、开机广告、开机认证、影视 APK、直播 APK 等。图1 IP型机顶盒硬件逻辑架构CPUGPUDDRCGP I/ORJ-45WIFI&BTIR2USB2.0HDMIAVEMMcSD I/OPower图2 VOS基础技术框架硬件平台安全芯片Linux 内核层蓝牙驱动体感设备驱动摄像头驱动体感设备驱动文件系统驱动网卡驱动遥控器驱动显示驱动存储器驱动电源管理WIFI驱动键盘驱动前面版驱动USB驱动安全芯片驱动资源管理模块安全模块Linux调用接口/硬件抽像层（HAL）组件层互动电视组件图层控制组件人机交互组件家庭互联组件通讯组件应用管理组件安装包管理组件窗口管理组件工具组件内容管理组件Web Kit终管管理组件AV 设置组件媒体管理组件网络协议组件设备管理组件文件管理组件图形库组件UI 组件语言管理组件存储管理组件账号管理组件DTV组件应用信令组件通用组件接口TVM执行环境层Web Brower基本应用框架NGB-J应用框架HTML5JS 1.5NGB-JJS对象资源管理模块安全模块资源管理模块安全模块应用框架层应用编程接口应用层系统内置/运营商定制/用户自选JAVA应用系统内置/运营商定制/用户自选WEB应用广播与电视技术 2023年 第50卷 第1期62有线网络 CATV传输覆盖表1 4K超高清（IP型）机顶盒硬件基本配置及外围接口规格序号项目内容备注1机顶盒SoC 主芯片CPU 为 ARM v8 架构、处理能力 14000DMIPS（每秒百万条指令）；支持 4KP50 以上规格分辨率与帧率视频解码，支持 MPEG1/MPEG2/MPEG4/H.264/HEVC/AVS+/AVS2 等视频格式硬件解码，支持 HDR（HDR10、HLG），支持 MPEG-1/2 LayerI/II/III/WMA/AAC/AC3/E-AC3 等音频格式解码；具备 3D GPU 图形加速功能，支持 OpenGL ES 1.0/1.1/2.0，OpenVG 1.1MPEG 音视频格式，符合 ISO/IEC 13818-1、ISO/IEC 13818-2、ISO/IEC 13818-3、ISO/IEC 13818-6-1996、ISO/IEC 13818-7-2006 的标准要求；AVS+、AVS2 格式，分别符合行业标准 GY/T 257-2012、GY/T 299-2016 相关要求；UHD 电视信号的图像空间特性、时间特性、光电转换特性等满足 GY/T 307-2017 规范要求；HLG遵循ARIB STD-B67规范，HDR10遵循CEA-816.3规范。HDR视频和HLG视频需具备以下处理能力：a)支持 HDR/SDR 内容转换到任何 HDR/SDR 电视上正常显示；b)支持 SDR 菜单叠加 HDR 内容在 HDR 电视上正常显示；c)HDR10/HLG 视频格式在 HDR 电视上正常显示，HDMI 无黑屏切换存储FLASH 8GByte eMMCeMMC 5.0 以上规格内存 2GByte DDRDDR4 以上规格音视频 信号输出接口3.5mm 转 CVBS+L/R 立体声符合 SJ/T 11331-2006、SJ/T 11329-2006 标准，1 个HDMI 接口符合 HDMI Licensing,LLC 发布的 HDMI version2.0a 以上版本规范 HDMI 接口 1 个，Type A，支持HDMI CEC，支持 HDCP 2.2 及以上版本USB 接口两个 USB2.0 以上规格接口符合 USB Implementers Forum 发布的 Universal Serial Bus Cables and Connectors Class Document 规范要求2 网络接口WiFi 无线接口内置 WiFi 无线网卡，支持 IEEE 802.11 a/b/g/n/ac，符合附录 B 要求10M/100M 自适应 RJ-45 接口物理特性符合 TIA/EIA 568-B 规范、协议采用 ISO/IEEE 802.3-2012 的 RJ-45 接口 1 个3 蓝牙内置蓝牙模块遵循 Bluetooth SIG 发布的 Bluetooth Core Specification v4.0 以上版本规范；符合附录 C 要求遥控器1 个符合Q/JSCN 技 04.092018 江苏有线蓝牙语音遥控器技术规范技术要求4 面板显示电源状态指示灯 1 个双色，绿光开通，红光待机，无光断电WIFI 状态灯 1 个单色，绿光可通，无光断开5 电源开关强制开关6 电源模块使用外接电源，输入为直流 12V 1A，电源线长度 1.5 米，DC 头，尺寸 5.5*2.1*10mm，直头，内正外负通过国家 CCC 认证，符合 YD/T 993-2006 EMC 要求7 配件遥控器、两节 7 号电池、1.5 米 HDMI 线一根、外置电源适配器广播与电视技术 2023年 第50卷 第1期63CATV 有线网络 传输覆盖2.3 业务平台对接集成方案IP 型机顶盒软件在平台对接集成上，对接 IP 融合业务平台。根据江苏有线 IP 融合业务平台总体实施方案：IP 融合业务平台主要由运营平台、支撑平台、能力平台、多屏终端体系及安播监测体系等五大功能域组成，如图 3 所示。采用新研发 SDK/APK 的方式对接江苏有线已建成的 IP 融合运营平台，具备在互动内网运行的能力。根据市场部门规划，江苏有线主要视频业务如传统的直播；SP 垂直内容/自有内容、CP 本地内容和第三方互联网业务，在内容集成上，统一承载各上层业务，采用接口/协议/SDK 等不同方式进行对接与联调，支持 APK 以及 WEB 两种应用类型，从而达到统一技术平台、统一运维体系、统一终端软件的目的。江苏有线内容总体生产体系如图 4。3 系统软件主要功能实现3.1 双向通信协议IP 型终端软件双向通信协议以 TCP/IP 协议族为基础，它是互联网中的基本通信协议，且是开放式的通信协议，不基于任何特定硬件平台。支持并对接前端消息系统。支持双向网络协议主要包括应用层、传输层、网络层、数据链路层等几部分。机顶盒系统和前端双向交互支持的协议如 图 5。3.2 浏览器环境IP 型终端软件浏览器环境以江苏有线机顶盒浏览器 JavaScript 扩展接口规范为蓝本，实现对 HTML/CSS/JavaScript 等网页内容的解析，并针对数字电视应用做一定的扩展。浏览器基本功能点如表 2 所示。3.3 媒体处理IP 型终端软件系统媒体处理主要是为上层应用提供统一定义的媒体公共接口供第三方业务调用，实现音频、视频、字幕等的播放与控制，支持的媒体类型由终端解码芯片决定。该模块实质是一个通讯桥梁，将 RTSP、HTTP 协议控制下的媒体流去除控制包，再通过硬件驱动程序传递给相应的解码芯片，完成解复用、视音频解码等功能。该模块需支持直播、图3 IP融合业务平台总体架构图广播与电视技术 2023年 第50卷 第1期64有线网络 CATV传输覆盖点播和本地文件等不同的传输格式，支持打开、播放、暂停、快退、快进、停止和关闭等控制行为。3.4 图文处理IP 型终端软件的图文处理为上层应用提供“图文”处理接口，以实现对图形、图像、图层、动画、字体等平面元素进行处理。图形：是指由外部轮廓线条构成的矢量图。图形用一组指令集合来描述其内容，如描述构成该图形的各种图元位置维数、形状等。描述对象可任意缩放不会失真。TVOS 操作系统应支持各种常用图形及相应操作，如绘制、擦除、变形等。图像：是由像素点阵构成的位图。TVOS 操作系统应支持常用的图像格式及各种操作，如显示、隐藏、变换等。图层：是构成图像的层，每个层都能单独地进行编辑操作。许多效果可以通过对图层的直接操作而得到，用图层来实现效果是一种直观而简便的方法。TVOS 操作系统提供图层机制，实现丰富的显示及处理效果。图4 江苏有线统一内容生产示意图3.5 安全认证IP 型终端软件的安全认证负责系统的安全机制，以实现对证书、签名、许可、DRM、SSL/TLS、监控等安全模块的读写访问，支持融合 AAA 系统对接和直播认证。安全认证管理模块包含以下功能：图5 双向交互通道协议栈广播与电视技术 2023年 第50卷 第1期65CATV 有线网络 传输覆盖1.用户认证及相关信息管理；2.应用业务授权；3.软件升级和下载时进行认证；4.网络安全策略管理。3.6 升级模块IP 型机顶盒软件支持 IP Loader 升级模式。IP Loader 直接对接 IP 运营平台系统的 IP Loader 升级模块，实现对终端升级范围、升级策略、升级方式可管可控2。3.7 内置模块集成IP 型终端软件内置功能主要如下：1.内置 SDK：播放器 SDK、数据采集 SDK、语音 DLL文件等；2.区域码机制：针对 IP 型终端，支持从 AAA 获取区域码机制，在保证全省终端软件统一的前提下，对接本地平台；3.扩展应用开发接口：通过键值映射、开发 JS 插件等方式扩展应用开发接口，适配各类智慧城市业务，满足本地化业务需求。3.8 UI集成IP 型机顶盒软件集成统一新版 UI，统一对接 IP 运营平台中的 Launcher 管理系统，并同时满足以下要求：统一 UI 既要保证全省 UI 的统一性，又要能满足分公司开展本地业务的个性化需要；统一 UI 的所有元素可以灵活更新，可根据公司业务发展需要在不升级机顶盒软件的情况下在线改版。3.9 直播方案IP 型机顶盒软件直播模块集成第三方播放器 SDK，为上层其它应用提供直播调用接口，为了保证安全，直播业务需使用安全专网进行传输。采用第三方 IP 播放器，通过基于 IP 通道的单播、组播或单向广播的方式结合 AAA、DRM、安全启动、安全校验等技术手段实现直播接收与播放，支持表2 浏览器基本功能点功能标准标准制定组织版本说明HTMLW3C4.01超文本标记语言（HyperText Markup Language）是由 W3C（World Wide Web Consortium）制定的用于网页的互联网标准语言。HTMLW3C5.0HTML5 标准仍在制定中，标准仍在改变，当前版本参见 http:/ Style Sheets），一种用来为结构化文档（如 HTML 文档或 XML 应用）添加样式（字体、间距和颜色等）的计算机语言。JavaScriptECMA2621.5Javascript 是一种由 Netscape 的 LiveScript 发展而来的原型化继承的面向对象的动态类型区分大小写的客户端脚本语言。DOMW3C1.0/2.0DOM 是一种不依赖于某一种软件平台和语言的应用程序接口，它允许程序对用 HTML/XML 语言写成的网页内容、结构和文体进行动态的访问和更新。XMLW3C1.0/1.1可扩展标记语言，它与 HTML 一样，都是标准通用标记语言。AjaxW3C一种创建交互式网页应用的网页开发技术，通过异步模式，提升了用户体验，优化了浏览器和服务器之间的传输，减少了不必要的数据往返，减少了带宽占用，Ajax 引擎在客户端运行，承担了一部分本来由服务器承担的工作，从而减少了大用户量下的服务器负载。其中 Ajax 的主要方法为：XMLHttpRequest Object。CookieRFC 2109Cookie 的格式实际上是一段纯文本信息，由服务器随着网页一起发送到客户端，并保存在客户端硬盘中指定的目录中。MarqueeMicroSoft跑马灯，可以上下左右、不同速率地滚动。广播与电视技术 2023年 第50卷 第1期66有线网络 CATV传输覆盖4K 业务，支持 H.264、H.265 等，支持 AAC、Mpeg1Layer2、AC-3、E-AC-3、ATMOS 等节目格式；支持融合 EPG 节目信息数据的解析或提取。3.10 点播方案IP 型机顶盒软件点播模块对接融合 IP 运营平台，均集成第三方软件 APK，为上层其它应用提供“IP 点播平台”公共接口，实现对接 IP 点播中关键技术的支持，支持 H.264、H.265等，支持 AAC、Mpeg1-Layer2、AC-3、E-AC-3、ATMOS 等节目格式等。3.11 探针IP 型机顶盒软件集成第三方探针应用，为上层“终端管理系统”提供接口，实现对终端设备信息的采集。支持业务数据采集、传输数据采集。通过机顶盒探针模块对直播数据进行 QoS（服务质量）分析，支持 TR069 协议，终端将状态、业务统计、版本等管理以及相关参数配置、查询、报告数据上报至终端行为采集系统。3.12 广告IP 型机顶盒软件需要对接“双向广告系统”接口，实现双向广告关键技术的支持，上报广告到达情况，确保广告样式、分辨率、格式、到达率、曝光率等统一标准。4 应用案例4.1 通用型IP机顶盒通用型 IP 机顶盒，是江苏有线基于 IP 网络机顶盒终端设计方案的一个基础应用案例，是样板产品。在外观设计上运用江苏有线 Logo 中彩虹元素的圆弧线条切割，使用撞色设计，企业 Logo 高调呈现，拥有极强的记忆点，注重江苏有线文化元素表达。机顶盒内部 PCB 放置空间需比较方正，提升 PCB 的利用率，外部结构可根据造型做相应创新。其它类型的终端产品主要是以该款机顶盒进行外延拓展进行研制的，参见图 6。4.2 IP电视棒智能电视棒是一款小巧便捷式 4K 超高清 IP 终端产品，也叫“电视狗”或“电视伴侣”，其特点可以隐藏放置，通过USB 方式直插在电视 USB 供电。在通信上，采用无线方式通信，从而避免了多个实线连接的尴尬。作为光纤到户家庭或行业用户小型化 IP 终端，该款产品简约便捷的使用方式，赢得了年轻用户的青睐。外观如图 7。5 结束语本文论述基于 IP 网络的智能机顶盒终端设计方案已应用于通用型 IP 机顶盒、电视棒等多个形态的 IP 型终端产品上，以相关国际标准、国家标准、行业标准为指导，在已有的统一终端技术规范的基础上，构建符合江苏有线业务发展、技术架构和管理需求的 IP 终端标准规范体系，重点围绕公客、集客实际应用场景，满足不同客户群体对终端产品的需求，实现 IP 终端技术体系统一性、业务承载统一性和用户体验统一性，进一步完善了现有终端技术体系。参考文献：1 陈德林,黎政,王颖,等.NGB TVOS的软件架构及其主要技术特点J.广播电视信息,2013(10):21-25.2 张一哲,姚辉军,庄崟,等.基于TVOS的智能终端IP Loader系统研究与设计J.广播与电视技术,2018,45(3):78-82.3 张一哲,姚辉军,李蓓佳,等.基于TR-069协议的终端管理系统设计与应用J.广播电视网络,2020,27(2):54-57.第一作者简介：张一哲（1984），男，江苏有线技术研究院终端技术部高级工程师，硕士，江苏有线首批“223”人才。主要从事有线电视终端技术研究，参与国家科技重大专项项目课题“智能电视终端操作系统业务服务平台研制、DVB 智能电视机顶盒解决方案及产业化”建设，负责完成 TVOS 在江苏落地推广。图6 通用型IP机顶盒效果图图7 电视棒终端硬件效果图