Tsinghua结课论文

IPTV暨IPTV机顶盒应用发展-----基于IPTV机顶盒高清播放器的设计摘要：IPTV即交互式网络电视，是一种利用宽带有线电视网，集互联网、多媒体、通讯等多种技术于一体，向家庭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 机顶盒播放器是IPTV 终端机顶盒的关键软件模块，主要完成IPTV 的流媒体业务和其他应用业务的图形及伴音的展示。

媒体文件的播放是机顶盒最主要的用户验之一，在现有的网络环境以及特定的硬件平台上，如何设计一款稳定、高效率、高可扩展的媒体播放器成为了机顶盒软件设计的关键。

本文在简要阐述IPTV给出了一种基于STB7109 硬件平台的IPTV 机顶盒高清播放器的解决方案，从而实现媒体文件的播放。

关键词：IPTV；技术应用；机顶盒；STB7109；高清；播放器等。

1.引言IPTV 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3G 手机都可以作为IPTV 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+电视机应该是未来的主流终端[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。

用户在家中可以有两种方式享受IPTV服务：(1)计算机，(2)网络机顶盒+普通电视机。

它能够很好地适应当今网络飞速发展的趋势，充分有效地利用网络资源。

IPTV既不同于传统的模拟式有线电视，也不同于经典的数字电视。

因为，传统的和经典的数字电视都具有频分制、定时、单向广播等特点；尽管经典的数字电视相对于模拟电视有许多技术革新，但只是信号形式的改变，而没有触及媒体内容的传播方式。

本文就是利用STB7109 芯片能够支持播放高清视频码流的特点，设计了一款基于STB7109 芯片的IPTV 机顶盒高清播放器。

2.IPTV关键技术简要概述IPTV是利用计算机或机顶盒+电视完成接收视频点播节目、视频广播及网上冲浪等功能。

它采用高效的视频压缩技术，使视频流传输带宽在800Kb/s时可以有接近DVD的收视效果(通常DVD的视频流传输带宽需要3Mb/s)，对今后开展视频类业务如因特网上视频直播、远距离真视频点播、节目源制作等来讲，有很强的优势，是一个全新的技术概念。

传统电视播放存在的问题传统的电视是单向广播方式，它极大地限制了电视观众与电视服务提供商之间的互动，也限制了节目的个性化和即时化。

3.IPTV的特点及应用IPTV是利用宽带有线电视网的基础设施，以家用电视机作为主要终端电器，通过互联网络协议来提供包括电视节目在内的多种数字媒体服务。

特点表现在：1)用户可以得到高质量(接近DVD水平的)数字媒体服务。

2)用户可有极为广泛的自由度选择宽带IP网上各网站提供的视频节目。

3)实现媒体提供者和媒体消费者的实质性互动。

IPTV采用的播放平台将是新一代家庭数字媒体终端的典型代表，它能根据用户的选择配置多种多媒体服务功能，包括数字电视节目，可视IP电话，DVD/VCD播放，互联网游览，电子邮件，以及多种在线信息咨询、娱乐、教育及商务功能。

4)为网络发展商和节目提供商提供了广阔的新兴市场。

目前我国通信事业正在迅猛地发展，用户对信息服务的要求越来越高，特别是宽带视频信息。

可以说中国已基本具备了大力发展IPTV的技术条件和市场条件。

IPTV5.IPTV的突破与发展NGN(下一代网络)，3G、3G演进，WiMAX、IPTV及NGBW(下一代宽带无线)、固定移动融合FMC等是目前通信业界关注和探讨的热点话题，人们希望通过NGN及NGBW及FMC等来解决目前各类网络中的许多问题，如网络安全问题、QoS问题、智能网管、网络的移动性与包括“三网”在内的网络汇聚及融合、前后向兼容平滑演进、建立增加ARPU及纯利润率(APP U)与有效的多业务增值的可赢利商业模式等。

6.IPTV 机顶盒硬件（STB7109）环境STB7109 是STMicroelectronic 公司的产品，它是一款高清晰视频解码芯片。

其中包括一个266MHz 的ST40 CPU 用于应用及设备控制；2 个400MHz 的ST231 CPU 分别应用于视频解码和音频解码。

STB7109 的视频解码能力如下：该芯片的视频解码支持1080I、720P、480P/576P、480I/576I 等多种显示格式，支持DVI/HDM 解码输出，RGB/YcbCr 高清输出和YpbPr/YC/CVBS 标清输出。

STB7109 的音频解码能力如下：该芯片的音频解码兼容所有的通用音频标准，如AAC、Dolby、PCM 等；支持模拟音频输出接口RCA。

数字音频输出接口S/PDIF 和HDMI 音频输出，支持PCM 音频输入、输出。

7.系统软件结构设计由于IPTV 机顶盒作为整个IPTV 系统的客户端设备，考虑到用户消费能力等因素要求就是体积小、价格便宜，因此进行IPTV 机顶盒的开发实际上是在进行嵌入式软件的开发。

IPTV 机顶盒的运行环境需要一个嵌入式系统，而嵌入式系统是对硬件启动与运行的控制，并没有提供机顶盒所需要的控制系统，因此软件系统的设计实际就是完成在嵌入式操作系统之上的，除提供机顶盒所需要的基本操作之外，还需要可支持业务扩展的中间件（Midware）层。

一个完整的机顶盒可分为4 层，从底层向上分别为：硬件（Hardware）、实时操作系统（RTOS）、中间件（Midware Layer）、应用层（Application Layer），如图1 所示。

7.1 硬件硬件提供机顶盒的硬件平台，是整个IPTV 机顶盒运行的基础，可提供音视频输入/输出、网络接口、音视频解码等功能。

本文设计的播放器利用的硬件平台是STB7109，具体介绍见前面的第2 节所述。

7.2 实时操作系统实时操作系统负责本地资源和网络资源的管理，提供基本的操作功能和设备的访问控制。

IPTV 机顶盒的RTOS 是存储在FLASH ROM 上的，通过引导启动机顶盒。

要求能够在启动时对系统部分硬件进行检测，同时提供各种硬件的驱动[2]。

本文播放器所用的RTOS 是STLinux2.2。

7.3 中间件层中间件层是一种将应用程序与底层的操作系统、硬件细节隔离开来的软件环境。

它将应用软件与依赖硬件的底层软件分离开来，使应用不依赖于特定的硬件环境运行[3]。

我们使用的是ST 公司专门为ST 产品开发的一套完整的中间件STAPI，它是一套得到业界全面支持的并且具备详细文档的程序接口。

7.4 应用层播放器软件设计IPTV 机顶盒高清播放器的软件框架如图2 所示。

播放器进程可以分为独立四个独立的功能模块：媒体处理模块、解码输出模块和底层硬件适配模块和系统控制模块。

这四个模块作为2 个独立的线程（任务）运行于播放器进程中：媒体处理线程和解码输出线程，播放器的详细软件架构如图3 所示。

7.4.1 媒体处理模块媒体处理模块主要完成本地文件处理、流媒体处理、媒体数据解析以及媒体数据的处理等功能。

首先从本地文件系统读取媒体数据或从流媒体服务器上获取流媒体数据，并将媒体的视音频信息解析出来供初始化解码器使用。

下面将分别介绍该模块中的各个子模块。

1) 网络媒体子模块网络媒体子模块负责流媒体数据的监听和接收，主要实现RTSP、RTP、RTCP 等数据的传输、控制协议socket 的建立和关闭、完成控制信令的交互以及媒体数据的接收。

2) 本地文件子模块本地文件子模块负责本地文件媒体数据的获取等操作。

3) 媒体数据解析及媒体会话子模块媒体数据解析及媒体会话子模块主要负责从媒体服务器返回的SDP 中(或从本地文件) 获取媒体信息，并根据媒体信息建立媒体会话，负责各个媒体数据处理和控制模块的调度与使用。

该模块的主要功能有获取媒体信息；建立多媒体通信的会话并保存会话及其子会话的相关信息，建立并维护各个媒体数据处理模块和控制模块，根据子会话相关信息初始化媒体数据处理子模块。

4) 媒体数据处理子模块媒体数据处理子模块负责对接收到的媒体数据（来自网络或本地）进行处理。

主要是将获得的数据进行解分组和拼接等操作，从而获得完整的一帧数据和时间戳等信息；并进行数据的组装，对完整的帧数据和时间戳等信息进行后处理，将其组装成解码任务，按照解码顺序放到队列中。

7.4.2 解码输出模块解码输出模块负责从解码队列中获得媒体数据，调用解码器进行媒体数据的解码和播放。

该模块将调用STAPI 提供的解码函数，利用专用的解码芯片对接收到的音视频数据进行解码，并调用STAPI 提供的显示函数，将解码后的音视频数据展现在终端设备上。

7.4.3 底层硬件适配模块底层硬件适配模块是对中间件STAPI 的中相关函数的封装，为上层应用调用底层硬件的功能提供调用接口。

该模块主要完成硬件的初始化和关闭、视频解码和播放、音频解码和播放等功能。

7.4.4 系统控制模块系统控制模块主要完成同步控制和媒体数据的缓冲管理等功能。

各个子模块的详细介绍入如下。

1)同步控制子模块音视频基本码流在经过编码器编码后，这些音视频流的每个单元会被打上固定的时间标签，这些时间标签被称为该音频或视频单元的显示时间戳，终端机顶盒在接收到音视频单元后，将该单元的时间戳一直保存到该单元输出前，而如何最大限度的保证显示时间戳相近的音频和视频同时输出，就是音视频的同步。

该模块就是利用从RTP/RTCP 协议获得音视频单元的显示时间戳或从本地文件中获得的音视频单元的显示时间戳，再利用硬件本身提供的同步机制，从而达到音视频数据的同步播放。

2)媒体数据缓冲管理子模块由于视音频数据是从流媒体服务器上边下载边播放，而网络中存在网络延时和网络抖动，所以需要在媒体播放器端设置解码缓冲区以抵消延时抖动，从而保证媒体内及媒体间的同步。

但是解码缓冲区的大小需要合理的设计，缓冲区太小不能抵消时延抖动，甚至会丢失数据，造成播放的不连续，从而使播放质量下降；缓冲区太大则会使播放时延变大，而且较大的缓冲区增大了系统开销，对于嵌入式系统而言，内存是及其宝贵的资源。

为了保证长时间连续流畅的播放，较好的解决方法就是是缓冲区始终处于半充满状态，这样播放器就能就能将从流媒体服务器上获得的音视频数据源源不断的解码播放。

本文主要利用循环缓冲区来实现音视频数据的存取、生产消费关系的维持并根据缓冲区的状态对缓冲区进行适当的管理。

8.测试与结果本文所设计的播放器的开发采用了NFS 网络挂载的方式，其思想就是将宿主机和目标板通过串口相连，利用NFS 实现宿主机和目标板之间文件的共享，这样就可以在目标板中调试在宿主机硬盘中交叉编译好的应用程序。

如图5 所示，测试环境是在局域网内，ST7109 平台作为客户端。

测试流程如下：1).在linux 的shell 终端中输入kermit，进入开发板环境。