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數據雙向流動技術在電視技術領域內的應用分析
數據雙向流動技術在電視技術領域內的應用分析
2002中南地區廣播電視技術年會優秀論文一等獎現在的視聽受眾已經不滿足于總是被動的在電視上接收視音頻信號，用戶要求有自己的選擇。于是很多廠家便提出交互技術（Interactive Technology ）這個概念。交互電視也成為視頻設備廠商特別是機頂盒制造廠商吹捧的賣點。但廠商的宣傳材料中很少涉及交互技術的實質，我們認為現在所謂采用交互技術的交互電視只是數據雙向流動技術在視頻領域內的一個應用。
數據雙向流動本來應該是一個最基本的信息傳輸方式、理論上應該每根數據線都應該雙向傳輸數據，但在電視技術領域卻不是這樣。由于播出的特性和信噪比的原因使得無論在無線廣播還是有線電視網絡中，技術總是側重于單向的向用戶傳輸數據而幾乎步考慮用戶對播出方的數據傳輸。在電視一統天下的時候，用戶對此還是可以接受的。但互聯網絡產生后，用戶開始認識到相互交流信息的重要性。超文本文件傳輸協議的出現使用戶可以便利地和網絡交互信息，共享網絡資源。用戶可以自由地在網絡上瀏覽文字，圖像，聲音甚至視頻，這種數據雙向流動技術給傳統的電視業者帶來危機感并產生對電視未來的迷惑。
為了對抗這種迷惑，電視技術領域引入了一個誘人的概念：視頻點播。當這個概念被提出時，所有人都雙手贊成，認為通過這種技術，我們可以改變電視領域的未來。但事實卻不盡如人意，時間過去很久了，真正的視頻點播依然還是一個概念。我們現在知道依靠現有的電視廣播平臺，實現廣泛的視頻點播無論是從技術角度或是從商業角度考慮都有很大的難度。而Internet卻依靠其平臺優勢和利用流媒體技術率先實現了一些具有視頻點播特性的功能，我們可以利用流行的流媒體格式,如Microsoft Windows Media和Real Media及相應的RTSP、MMS等傳輸協議在互聯網上實現視頻點播，但其從本質上來看并不能算是真正的視頻點播。
視頻點播無疑是數據雙向流動技術在電視技術領域內應用的一種，但數據交互技術決不僅僅等同于視頻點播。本文將就在電視技術領域內各種數據的應用形式以及數據交互技術在電視技術和其它媒體技術之間相互交流所起到的作用進行探討。
下面我們將分別討論在電視技術領域和互聯網技術領域建立聯系的數據交互技術和所謂得交互電視技術,進而討論在一個跨平臺的界面上使用數據交互技術。從而分析數據雙向流動技術在電視技術領域內的應用及前景。
電視技術領域和互聯網絡數據交互的幾種數據手段
現在電視網絡和計算機互聯網絡相互滲透。這種滲透體現在兩個方面：一、用戶通過傳統的電視設備瀏覽互聯網絡的內容，二、互聯網用戶通過現有的電視廣播傳播系統對互聯網絡進行訪問。這兩種方式看起來是相近的，但是無論從概念上到具體技術細節上卻存在著很大的差別。
一、 用戶通過傳統的電視設備瀏覽互聯網絡的內容。
這對ISP(互聯網絡服務提供商)來講當然是一個很好的思路，它可以使得現有的電視用戶成為互聯網絡用戶。于是以微軟公司為代表的計算機業界的巨頭們率先步入了這個領域，提出了WEBTV（網頁電視）的概念。這個概念的引入基于用戶使用現有的電視機設備訪問互聯網，收發電子郵件，而無需購置價格相對比較昂貴的計算機系統。而傳統的電視機設備對信息是沒有處理能力的，所以利用現有的電視機設備訪問互聯網絡就必須在電視機設備上加裝機頂盒（Set-Box）。
其結構示意圖如圖-1所示：
機頂盒內內置調制解調器（MEDOM）和處理芯片，用戶可以通過控制機頂盒在電視機設備上選擇收看有線電視節目還是瀏覽互聯網絡。當用戶選擇瀏覽互聯網絡的時候。機頂盒通過電話線或雙絞線與互聯網絡服務提供商（ISP）進行連接，在電視機設備上顯示用戶所點取的網頁。ISP同時還提供電子郵件服務，用戶可以通過機頂盒的遙控裝置或外設（如鍵盤）來書寫和發送基于文本的電子郵件。
這種工作方式意圖提供給電視用戶提供一個廉價的互連網絡接入方案，其本質上使用相對較為廉價的機頂盒代替計算機的處理系統，用傳統的電視機設備替代計算機系統的現實設備。但在實際應用中這種方式的一些技術缺陷卻阻礙的它的廣泛推廣。
不同的推廣商在采用這種交互手段時，在技術細節上可能有所不同，但是其基本架構均是如圖1所示的機頂盒與ISP連接的結構。這種交互方式其本質實際上是將用戶的電視機設備添加外設來作為互聯網絡（INTERNET）的終端來使用。
二、 互聯網用戶通過現有的電視廣播傳播系統對互聯網絡進行訪問。
這種方式是用戶利用現有的廣播電視網絡作為途徑訪問互聯網絡，這種途徑可以是有線網絡，也可以是無線網絡、微波或是衛星通信方式。
目前應用的比較廣泛的是基于有線電視網絡的Cable Modem系統，其基本架構如圖-2所示：
如圖-2所示，有線電視網絡通過Cable Modem終端系統（CMTS-Cable Modem Termination System）與互聯網絡連接。用戶通過二路分離器將從CMTS得到的信號分為兩路，一路直接接到用戶的電視機中用于用戶觀看有線電視節目，另一路連接到用戶的Cable Modem上，通過Cable Modem調制解調與用戶的計算機連接，用戶可以使用計算機通過Cable Modem瀏覽互聯網絡。
在這種工作模式下，Cable Modem通過正交調幅（QAM）的方式調制解調信號，通過有線電視同軸電纜上和下載數據。這種技術實際上是從有線電視同軸電纜的模擬信號帶寬中分離出6MHz作為載頻建立下行通道。根據采用的調制方式的不同以不同的速度傳輸數據。Cable Modem一般采用的是64-QAM和256-QAM兩種調制方式，其特性如表-1。
同樣，為了抑制上行的噪聲積累，一般采用16-QAM或者QPSK ( Quadrature Phase Shift Keying ) 調制方式。其特性如表-2所示：
由此可以看出這種工作模式其本質就是利用現有的有線網絡帶寬來傳遞互聯網絡數據。
在這種模式下工作時，Cable Modem終端系統（CMTS）在整個系統中起到非常重要的作用，它不但是Cable Modem的控制中心，而且它還是有線電視網絡與互聯網絡的接口部分。用戶通過CMTS與互連網絡交換數據。
CMTS結構如圖-3所示：
它其實與一般的互聯網接入方案沒有太大的區別，系統包括路由器、以太網交換機、用戶賬號管理服務器、數據緩存服務器。但與一般的互聯網接入方案不同的是，它增加了Cable modem控制服務器和將與互聯網絡交互的數據轉為RF信號并嵌入有線電視信號的部分。
這種工作方式所帶來的好處是顯而易見的，有線電視用戶不用鋪設新的數據通道，利用現有的有線電視線路，即可以與互連網絡交互數據。并且根據表-1所示，用戶使用時的數據下載速率和現有的DSL、LAN等寬帶接入方案不相上下。用戶甚至可以無需繳納網絡使用費用，當然這要取決于有線電視網絡服務商是否愿意提供這項服務。
但這種工作方式的缺點正如表-2所示，由于信噪比的原因，數據上行的速度就遠遠慢于數據下行的速度。這從以瀏覽為主的用戶而言并不是什么問題，但對一些需要大量上傳數據的用戶而言這種接入方式就不是很理想了。
圖-4所示為應用衛星系統傳輸數據的系統結構圖。用戶和互聯網絡服務提供商采用廉價的電信線路（例如電話線、無線電）連接，用戶利用此線路通過互聯網絡服務提供商向INTERNET發出請求。INTERNET響應后，通過互聯網絡服務提供商將數據經過調制后傳輸給衛星信號發射設備。衛星信號通過通訊衛星傳輸給用戶端的衛星信號接收設備。調制解調設備將接收到的衛星信號解調后得到數據再傳送給請求數據的用戶使用。利用衛星信號，可以給用戶提供寬帶的接入方式。
在這種工作模式中，可以明顯看出上行數據速度和下行數據速度是不平衡的，我們甚至可以認為這只是一個單向下行的接入方式，而且這種工作模式占用衛星線路的資源。但是這種工作方式非常適用于地形條件惡劣的地區，如山區、極地等不適合鋪設高速數據線路的地區。另外，它還適用于海上作業等許多的移動目標接收數據。如果我們將數據嵌入衛星轉播的電視信號之中，在用戶衛星信號接收解碼后使用類似于Cable Modem 的調制解調設備接收數據。那么它對于衛星電視用戶來說將更加節省資源。
利用微波系統傳輸INTERNET網絡數據的方式與上面介紹的利用衛星系統的方式基本相同，只是使用微波發射接收設備替代衛星信號發送接收設備。二者的工作原理是完全一致的。
以上介紹了在電視技術領域和互聯網絡技術領域數據交互的幾種技術，下面我們要介紹在電視技術領域內的數據交互技術，即所謂的交互電視。但通過分析我們將會看到上面介紹的這幾種技術在交互電視技術領域中所起到的作用。
交互電視技術
交互電視（Interactive Television）技術已經不是一個概念了，許多基于這種技術的產品已經在現實中得以應用。在美國基于交互電視技術有線網絡服務商已經擁有上百萬的用戶。國內有些電視臺也開始在這個方面發展。
廠商的宣傳往往是含有水分的，正如我們在前言中所起提到的，視頻點播（VOD）技術是交互技術的一種，但視頻點播決不等同于交互電視技術，交互電視技術在電視技術領域內有著各式各樣的應用。
首先我們可以給出一個最簡單的交互技術的例子，實際上國內的很多電視臺已經在使用它。如下圖所示：
這樣的通過電話點播的結構其實已經屬于交互電視技術的范疇，用戶在撥通點播電話之后使用電話上的按鍵對電視屏幕上的選項進行選擇。信號轉換單元將用戶給出的信號轉變為點播控制服務器可以接受的指令發送給點播控制服務器。由點播控制服務器控制視頻服務器播放用戶所選取的節目片斷。
這其實上就是一個交互的過程，只不過用戶是使用電話作為反向數據傳輸手段來實現這個交互的過程的。
圖-6所示的工作方式本質上與圖-5所示的工作方式完全相同，只不過用戶不用通過電信網絡，而是直接利用有線網絡反向傳遞指令信號。用戶利用這種工作方式的時候和打電話點播沒有太大的區別，任務依然只能面對單一對象。但是這種工作模式下，如果節目播出方面愿意給用戶權限，那么在節目播出的過程中給用戶一些控制節目的權力，包括節目的中止、慢放等。
上述這兩種工作方式雖然也屬于交互電視技術的一種，但是從商業角度來應用價值不大。
另外有一種技術看起來比上面介紹的交互方式更吸引人一些，用戶加裝機頂盒后，電視屏幕上出現字幕畫面等選項提供選擇，用戶可以通過遙控器在屏幕上進行選擇所要收看的節目或信息。
這種工作方式如下圖所示：
這種體系的工作方式是利用數字壓縮技術，將若干路視頻、字幕和圖像等信息壓縮調制到一路信號通道上，用戶的機頂盒內包含處理芯片和解碼器。用戶可以通過機頂盒來選擇想要收看的信息，機頂盒中的解碼器負責將用戶選擇的內容顯示在電視屏幕上。在這個意義上而言機頂盒其實是一個選擇開關。用戶并不反向傳遞控制信息給節目提供方，用戶只是使用遙控器來控制并行接收的眾多數據中自己感興趣的節目信息或視頻信號。
而這些信息中有的信息數據量非常小，而且利用存儲和在互聯網絡比較成熟的技術（如Flash技術等）可以使這些信息的傳輸流量更小。比如本地交通狀況，天氣預報，股票行情等等，使用圖片或字幕顯示，只要定時更新就可以了。而大量這樣的信息提供給觀眾選擇卻能給觀眾一種交互的感覺。這是很多廠商的賣點，而且這樣的工作模式從商業角度來看比前兩種工作模式更加的具有吸引力.
這種工作模式的優勢在于它不用對現有的有線電視網絡線路進行改造，不用考慮信噪比對反向傳輸數據的影響，節目提供方只需要在播出部分和用戶方加以改造便可以投入使用。而且節目提供方不需要為了遷就某一個孤僻的用戶而降低收視率。
從嚴格的意義來講這種工作方式其實已經不能算是交互技術，它應該算是數字電視技術的一種應用。當然廠商是不會承認這一點的。但它在商業上的應用價值卻使得它首先在交互電視技術領域投入應用。因為它提供了媒體發展最本質的東西--信息量的增加。現在，歐洲和美國已經擁有大量采用這種方式的電視用戶，而且正在逐步增加中。基于這種工作原理的電視設備廠商也已經開始進入中國市場，有些電視臺已經開始提供類似的服務。
但是國外的交互電視服務提供商并不滿足于單單提供信息和多路視頻給用戶，比如美國的Meta TV等交互電視服務提供商還提供給用戶其它的一些服務，如電視購物、查詢個人信息、電子商務服務等。這些行為確實是用戶與提供商在進行交互，但它涉及到下面我們要談到的問題--跨平臺。
跨平臺
上面所提到交互電視服務提供商所提供的電子商務等服務其實是在一個跨平臺(Cross-Platform)的技術平面上實現的。如下圖所示：
交互電視網絡服務提供商接收從用戶方反向傳遞的信息，經過處理系統進行處理后跨平臺的傳輸給互聯網絡Internet或合作的服務提供商（比如銀行、證券交易所）等等。并將這些服務提供商的應答信息反饋給用戶。
進一步了解這種模式，我們會發現其實上它和圖-2所示的Cable Modem工作方式在原理上是相同的。只不過圖-2中由Cable Modem終端系統（CMTS）提供的跨平臺服務被圖-8中的交互電視服務提供商所替代。而圖-8中的機頂盒起到了的圖-2中Cable Modem的作用。
這種方式下交互電視服務提供商其實已經同時成為了互聯網絡服務提供商（ISP）。利用其它的一些非視頻領域內的信息傳輸交流手段，提供一些服務給電視用戶從而提高用戶數量和增加服務收費。
交互電視服務商可以通過加密等手段將信息反饋給用戶，但這并不是真正安全的，因為依舊是所有的用戶都可以收到該信息，只是不能解碼罷了。在這種工作模式下，點對點傳遞數據依然無法真正的實現。因為它有一項關鍵的障礙-用戶尋址的技術。
尋址技術是互聯網絡的關鍵技術，每一個互聯網絡的用戶都有一個IP地址來表明自己的身份，所以在互聯網絡上可以實現視頻點播技術，只要視頻點播播放端的處理能力夠強，網路帶寬足夠（如使用DSL等寬帶手段），就可以支持相當多的用戶采用點對點的視頻點播方式。而有線電視用戶卻沒有自己的地址標識，節目提供方并不知道要把特定的節目送到哪一個用戶的電視上，并且使用單一的線路（同軸電纜、廣播、衛星、微波等）的帶寬無法適應同時傳輸所有用戶點播的節目數據。
要真正的在電視領域內實現視頻點播，則必須要將互聯網絡的數據傳輸交換技術引入電視技術領域。電視技術不能再局限于自己的領域，跨平臺的數據傳輸方式必將主導未來的交互電視領域。互聯網絡數據可以利用有線電視網絡傳播，電視節目也可以通過其它的網絡形式進行傳播。
我們可以從MPEG-4在傳輸方面所提供的手段看出這種趨勢。在MPEG-4標準中定義了DMIF（Delivery Multimedia Integration Framework 多媒體綜合傳輸架構）。DMIF在MPEG-4體系中是一個非常重要的架構，它體現了MPEG-4對于傳輸方式的概念改變。與MPEG-1和MPEG-2不同的是，應用DMIF的MPEG-4可以通過DMIF層來利用其它的傳輸格式實現數據傳輸的功能。
如圖-9所示，MPEG-4定義了一個FlexMux的工具來實現傳輸，從上圖我們可以看出來：MPEG-4通過DMIF提供的FlexMux工具可以使得MPEG-4標準下的應用采用其它格式的傳輸方式來傳輸數據，比如可以利用MPEG-2的傳輸格式，可以利用ATM的傳輸格式，也可以利用UDP(IP)的傳輸格式。在這個意義上看來，基于MPEG-4的應用可以在跨平臺的多種傳輸網絡中交互數據，這也正是它最重要得優勢之一。
我們不能說MPEG-4這樣的標準代表著電視技術領域的未來，但我們可以從中看出電視技術領域的發展方向。未來的電視技術領域一定是多種平臺并存，多種傳輸手段相互交織的技術領域。那時我們對交互電視的要求就不僅僅是可以在電視上收看即時的天氣預報和交通狀況了。人們將會得到全方位的交互服務。
我們不妨大膽設想一下跨平臺的數據交互方式如何實現：
如圖-10所示的交互網絡中，每個用戶或基于一個社區的用戶擁有一個自己的地址，用戶通過數據接口與小區服務器相聯接，服務器具有大容量緩存并提供服務（包括視頻、電子商務和其它各種的服務）在小區服務器不能提供服務的情況下通過多種網絡交互的平臺向（視頻/數據）服務提供商提出要求并獲得服務。服務提供商同時也通過多種網絡交互平臺連接其它的服務提供商。這種工作方式可以分級減緩用戶對數據源的壓力，使得每個用戶都可以真正得到數據交互。
這種大一統的方式在目前技術及商業條件下顯得并不現實，但技術的進步將使這種網絡格局逐步形成，比如說交互電視的下一步很可能就是采用分布式的視頻服務器，應用流媒體的相關技術使用戶可以實現真正點對點的視頻點播或其他服務。而多種網絡平臺的交互技術將使得我們區別不出誰是有線電視服務提供商，誰是交互電視服務提供商，誰是互聯網絡服務提供商。
總結
數據雙向流動技術在電視技術領域內的發展代表了人們對媒體的根本要求--信息量的最大化。單純的利用一種網絡平臺實現交互技術也是不現實的。從數據交互技術在電視技術領域內的應用我們可以看出未來的網絡服務提供模式。電視技術領域將不再只是包括傳統的電視傳播技術，互聯網絡和其它相關領域技術將與電視技術充分的融合。跨平臺的電視技術最終會占據主導地位。這正是本文的想與各位在電視領域內的技術工作者所探討的。
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