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数据双向流动技术在电视技术领域内的应用分析
数据双向流动技术在电视技术领域内的应用分析
2002中南地区广播电视技术年会优秀论文一等奖现在的视听受众已经不满足于总是被动的在电视上接收视音频信号，用户要求有自己的选择。于是很多厂家便提出交互技术（Interactive Technology ）这个概念。交互电视也成为视频设备厂商特别是机顶盒制造厂商吹捧的卖点。但厂商的宣传材料中很少涉及交互技术的实质，我们认为现在所谓采用交互技术的交互电视只是数据双向流动技术在视频领域内的一个应用。
数据双向流动本来应该是一个最基本的信息传输方式、理论上应该每根数据线都应该双向传输数据，但在电视技术领域却不是这样。由于播出的特性和信噪比的原因使得无论在无线广播还是有线电视网络中，技术总是侧重于单向的向用户传输数据而几乎步考虑用户对播出方的数据传输。在电视一统天下的时候，用户对此还是可以接受的。但互联网络产生后，用户开始认识到相互交流信息的重要性。超文本文件传输协议的出现使用户可以便利地和网络交互信息，共享网络资源。用户可以自由地在网络上浏览文字，图像，声音甚至视频，这种数据双向流动技术给传统的电视业者带来危机感并产生对电视未来的迷惑。
为了对抗这种迷惑，电视技术领域引入了一个诱人的概念：视频点播。当这个概念被提出时，所有人都双手赞成，认为通过这种技术，我们可以改变电视领域的未来。但事实却不尽如人意，时间过去很久了，真正的视频点播依然还是一个概念。我们现在知道依靠现有的电视广播平台，实现广泛的视频点播无论是从技术角度或是从商业角度考虑都有很大的难度。而Internet却依靠其平台优势和利用流媒体技术率先实现了一些具有视频点播特性的功能，我们可以利用流行的流媒体格式,如Microsoft Windows Media和Real Media及相应的RTSP、MMS等传输协议在互联网上实现视频点播，但其从本质上来看并不能算是真正的视频点播。
视频点播无疑是数据双向流动技术在电视技术领域内应用的一种，但数据交互技术决不仅仅等同于视频点播。本文将就在电视技术领域内各种数据的应用形式以及数据交互技术在电视技术和其它媒体技术之间相互交流所起到的作用进行探讨。
下面我们将分别讨论在电视技术领域和互联网技术领域建立联系的数据交互技术和所谓得交互电视技术,进而讨论在一个跨平台的界面上使用数据交互技术。从而分析数据双向流动技术在电视技术领域内的应用及前景。
电视技术领域和互联网络数据交互的几种数据手段
现在电视网络和计算机互联网络相互渗透。这种渗透体现在两个方面：一、用户通过传统的电视设备浏览互联网络的内容，二、互联网用户通过现有的电视广播传播系统对互联网络进行访问。这两种方式看起来是相近的，但是无论从概念上到具体技术细节上却存在着很大的差别。
一、 用户通过传统的电视设备浏览互联网络的内容。
这对ISP(互联网络服务提供商)来讲当然是一个很好的思路，它可以使得现有的电视用户成为互联网络用户。于是以微软公司为代表的计算机业界的巨头们率先步入了这个领域，提出了WEBTV（网页电视）的概念。这个概念的引入基于用户使用现有的电视机设备访问互联网，收发电子邮件，而无需购置价格相对比较昂贵的计算机系统。而传统的电视机设备对信息是没有处理能力的，所以利用现有的电视机设备访问互联网络就必须在电视机设备上加装机顶盒（Set-Box）。
其结构示意图如图-1所示：
机顶盒内内置调制解调器（MEDOM）和处理芯片，用户可以通过控制机顶盒在电视机设备上选择收看有线电视节目还是浏览互联网络。当用户选择浏览互联网络的时候。机顶盒通过电话线或双绞线与互联网络服务提供商（ISP）进行连接，在电视机设备上显示用户所点取的网页。ISP同时还提供电子邮件服务，用户可以通过机顶盒的遥控装置或外设（如键盘）来书写和发送基于文本的电子邮件。
这种工作方式意图提供给电视用户提供一个廉价的互连网络接入方案，其本质上使用相对较为廉价的机顶盒代替计算机的处理系统，用传统的电视机设备替代计算机系统的现实设备。但在实际应用中这种方式的一些技术缺陷却阻碍的它的广泛推广。
不同的推广商在采用这种交互手段时，在技术细节上可能有所不同，但是其基本架构均是如图1所示的机顶盒与ISP连接的结构。这种交互方式其本质实际上是将用户的电视机设备添加外设来作为互联网络（INTERNET）的终端来使用。
二、 互联网用户通过现有的电视广播传播系统对互联网络进行访问。
这种方式是用户利用现有的广播电视网络作为途径访问互联网络，这种途径可以是有线网络，也可以是无线网络、微波或是卫星通信方式。
目前应用的比较广泛的是基于有线电视网络的Cable Modem系统，其基本架构如图-2所示：
如图-2所示，有线电视网络通过Cable Modem终端系统（CMTS-Cable Modem Termination System）与互联网络连接。用户通过二路分离器将从CMTS得到的信号分为两路，一路直接接到用户的电视机中用于用户观看有线电视节目，另一路连接到用户的Cable Modem上，通过Cable Modem调制解调与用户的计算机连接，用户可以使用计算机通过Cable Modem浏览互联网络。
在这种工作模式下，Cable Modem通过正交调幅（QAM）的方式调制解调信号，通过有线电视同轴电缆上和下载数据。这种技术实际上是从有线电视同轴电缆的模拟信号带宽中分离出6MHz作为载频建立下行通道。根据采用的调制方式的不同以不同的速度传输数据。Cable Modem一般采用的是64-QAM和256-QAM两种调制方式，其特性如表-1。
同样，为了抑制上行的噪声积累，一般采用16-QAM或者QPSK ( Quadrature Phase Shift Keying ) 调制方式。其特性如表-2所示：
由此可以看出这种工作模式其本质就是利用现有的有线网络带宽来传递互联网络数据。
在这种模式下工作时，Cable Modem终端系统（CMTS）在整个系统中起到非常重要的作用，它不但是Cable Modem的控制中心，而且它还是有线电视网络与互联网络的接口部分。用户通过CMTS与互连网络交换数据。
CMTS结构如图-3所示：
它其实与一般的互联网接入方案没有太大的区别，系统包括路由器、以太网交换机、用户账号管理服务器、数据缓存服务器。但与一般的互联网接入方案不同的是，它增加了Cable modem控制服务器和将与互联网络交互的数据转为RF信号并嵌入有线电视信号的部分。
这种工作方式所带来的好处是显而易见的，有线电视用户不用铺设新的数据通道，利用现有的有线电视线路，即可以与互连网络交互数据。并且根据表-1所示，用户使用时的数据下载速率和现有的DSL、LAN等宽带接入方案不相上下。用户甚至可以无需缴纳网络使用费用，当然这要取决于有线电视网络服务商是否愿意提供这项服务。
但这种工作方式的缺点正如表-2所示，由于信噪比的原因，数据上行的速度就远远慢于数据下行的速度。这从以浏览为主的用户而言并不是什么问题，但对一些需要大量上传数据的用户而言这种接入方式就不是很理想了。
图-4所示为应用卫星系统传输数据的系统结构图。用户和互联网络服务提供商采用廉价的电信线路（例如电话线、无线电）连接，用户利用此线路通过互联网络服务提供商向INTERNET发出请求。INTERNET响应后，通过互联网络服务提供商将数据经过调制后传输给卫星信号发射设备。卫星信号通过通讯卫星传输给用户端的卫星信号接收设备。调制解调设备将接收到的卫星信号解调后得到数据再传送给请求数据的用户使用。利用卫星信号，可以给用户提供宽带的接入方式。
在这种工作模式中，可以明显看出上行数据速度和下行数据速度是不平衡的，我们甚至可以认为这只是一个单向下行的接入方式，而且这种工作模式占用卫星线路的资源。但是这种工作方式非常适用于地形条件恶劣的地区，如山区、极地等不适合铺设高速数据线路的地区。另外，它还适用于海上作业等许多的移动目标接收数据。如果我们将数据嵌入卫星转播的电视信号之中，在用户卫星信号接收解码后使用类似于Cable Modem 的调制解调设备接收数据。那么它对于卫星电视用户来说将更加节省资源。
利用微波系统传输INTERNET网络数据的方式与上面介绍的利用卫星系统的方式基本相同，只是使用微波发射接收设备替代卫星信号发送接收设备。二者的工作原理是完全一致的。
以上介绍了在电视技术领域和互联网络技术领域数据交互的几种技术，下面我们要介绍在电视技术领域内的数据交互技术，即所谓的交互电视。但通过分析我们将会看到上面介绍的这几种技术在交互电视技术领域中所起到的作用。
交互电视技术
交互电视（Interactive Television）技术已经不是一个概念了，许多基于这种技术的产品已经在现实中得以应用。在美国基于交互电视技术有线网络服务商已经拥有上百万的用户。国内有些电视台也开始在这个方面发展。
厂商的宣传往往是含有水分的，正如我们在前言中所起提到的，视频点播（VOD）技术是交互技术的一种，但视频点播决不等同于交互电视技术，交互电视技术在电视技术领域内有着各式各样的应用。
首先我们可以给出一个最简单的交互技术的例子，实际上国内的很多电视台已经在使用它。如下图所示：
这样的通过电话点播的结构其实已经属于交互电视技术的范畴，用户在拨通点播电话之后使用电话上的按键对电视屏幕上的选项进行选择。信号转换单元将用户给出的信号转变为点播控制服务器可以接受的指令发送给点播控制服务器。由点播控制服务器控制视频服务器播放用户所选取的节目片断。
这其实上就是一个交互的过程，只不过用户是使用电话作为反向数据传输手段来实现这个交互的过程的。
图-6所示的工作方式本质上与图-5所示的工作方式完全相同，只不过用户不用通过电信网络，而是直接利用有线网络反向传递指令信号。用户利用这种工作方式的时候和打电话点播没有太大的区别，任务依然只能面对单一对象。但是这种工作模式下，如果节目播出方面愿意给用户权限，那么在节目播出的过程中给用户一些控制节目的权力，包括节目的中止、慢放等。
上述这两种工作方式虽然也属于交互电视技术的一种，但是从商业角度来应用价值不大。
另外有一种技术看起来比上面介绍的交互方式更吸引人一些，用户加装机顶盒后，电视屏幕上出现字幕画面等选项提供选择，用户可以通过遥控器在屏幕上进行选择所要收看的节目或信息。
这种工作方式如下图所示：
这种体系的工作方式是利用数字压缩技术，将若干路视频、字幕和图像等信息压缩调制到一路信号通道上，用户的机顶盒内包含处理芯片和解码器。用户可以通过机顶盒来选择想要收看的信息，机顶盒中的解码器负责将用户选择的内容显示在电视屏幕上。在这个意义上而言机顶盒其实是一个选择开关。用户并不反向传递控制信息给节目提供方，用户只是使用遥控器来控制并行接收的众多数据中自己感兴趣的节目信息或视频信号。
而这些信息中有的信息数据量非常小，而且利用存储和在互联网络比较成熟的技术（如Flash技术等）可以使这些信息的传输流量更小。比如本地交通状况，天气预报，股票行情等等，使用图片或字幕显示，只要定时更新就可以了。而大量这样的信息提供给观众选择却能给观众一种交互的感觉。这是很多厂商的卖点，而且这样的工作模式从商业角度来看比前两种工作模式更加的具有吸引力.
这种工作模式的优势在于它不用对现有的有线电视网络线路进行改造，不用考虑信噪比对反向传输数据的影响，节目提供方只需要在播出部分和用户方加以改造便可以投入使用。而且节目提供方不需要为了迁就某一个孤僻的用户而降低收视率。
从严格的意义来讲这种工作方式其实已经不能算是交互技术，它应该算是数字电视技术的一种应用。当然厂商是不会承认这一点的。但它在商业上的应用价值却使得它首先在交互电视技术领域投入应用。因为它提供了媒体发展最本质的东西--信息量的增加。现在，欧洲和美国已经拥有大量采用这种方式的电视用户，而且正在逐步增加中。基于这种工作原理的电视设备厂商也已经开始进入中国市场，有些电视台已经开始提供类似的服务。
但是国外的交互电视服务提供商并不满足于单单提供信息和多路视频给用户，比如美国的Meta TV等交互电视服务提供商还提供给用户其它的一些服务，如电视购物、查询个人信息、电子商务服务等。这些行为确实是用户与提供商在进行交互，但它涉及到下面我们要谈到的问题--跨平台。
跨平台
上面所提到交互电视服务提供商所提供的电子商务等服务其实是在一个跨平台(Cross-Platform)的技术平面上实现的。如下图所示：
交互电视网络服务提供商接收从用户方反向传递的信息，经过处理系统进行处理后跨平台的传输给互联网络Internet或合作的服务提供商（比如银行、证券交易所）等等。并将这些服务提供商的应答信息反馈给用户。
进一步了解这种模式，我们会发现其实上它和图-2所示的Cable Modem工作方式在原理上是相同的。只不过图-2中由Cable Modem终端系统（CMTS）提供的跨平台服务被图-8中的交互电视服务提供商所替代。而图-8中的机顶盒起到了的图-2中Cable Modem的作用。
这种方式下交互电视服务提供商其实已经同时成为了互联网络服务提供商（ISP）。利用其它的一些非视频领域内的信息传输交流手段，提供一些服务给电视用户从而提高用户数量和增加服务收费。
交互电视服务商可以通过加密等手段将信息反馈给用户，但这并不是真正安全的，因为依旧是所有的用户都可以收到该信息，只是不能解码罢了。在这种工作模式下，点对点传递数据依然无法真正的实现。因为它有一项关键的障碍-用户寻址的技术。
寻址技术是互联网络的关键技术，每一个互联网络的用户都有一个IP地址来表明自己的身份，所以在互联网络上可以实现视频点播技术，只要视频点播播放端的处理能力够强，网路带宽足够（如使用DSL等宽带手段），就可以支持相当多的用户采用点对点的视频点播方式。而有线电视用户却没有自己的地址标识，节目提供方并不知道要把特定的节目送到哪一个用户的电视上，并且使用单一的线路（同轴电缆、广播、卫星、微波等）的带宽无法适应同时传输所有用户点播的节目数据。
要真正的在电视领域内实现视频点播，则必须要将互联网络的数据传输交换技术引入电视技术领域。电视技术不能再局限于自己的领域，跨平台的数据传输方式必将主导未来的交互电视领域。互联网络数据可以利用有线电视网络传播，电视节目也可以通过其它的网络形式进行传播。
我们可以从MPEG-4在传输方面所提供的手段看出这种趋势。在MPEG-4标准中定义了DMIF（Delivery Multimedia Integration Framework 多媒体综合传输架构）。DMIF在MPEG-4体系中是一个非常重要的架构，它体现了MPEG-4对于传输方式的概念改变。与MPEG-1和MPEG-2不同的是，应用DMIF的MPEG-4可以通过DMIF层来利用其它的传输格式实现数据传输的功能。
如图-9所示，MPEG-4定义了一个FlexMux的工具来实现传输，从上图我们可以看出来：MPEG-4通过DMIF提供的FlexMux工具可以使得MPEG-4标准下的应用采用其它格式的传输方式来传输数据，比如可以利用MPEG-2的传输格式，可以利用ATM的传输格式，也可以利用UDP(IP)的传输格式。在这个意义上看来，基于MPEG-4的应用可以在跨平台的多种传输网络中交互数据，这也正是它最重要得优势之一。
我们不能说MPEG-4这样的标准代表着电视技术领域的未来，但我们可以从中看出电视技术领域的发展方向。未来的电视技术领域一定是多种平台并存，多种传输手段相互交织的技术领域。那时我们对交互电视的要求就不仅仅是可以在电视上收看即时的天气预报和交通状况了。人们将会得到全方位的交互服务。
我们不妨大胆设想一下跨平台的数据交互方式如何实现：
如图-10所示的交互网络中，每个用户或基于一个社区的用户拥有一个自己的地址，用户通过数据接口与小区服务器相联接，服务器具有大容量缓存并提供服务（包括视频、电子商务和其它各种的服务）在小区服务器不能提供服务的情况下通过多种网络交互的平台向（视频/数据）服务提供商提出要求并获得服务。服务提供商同时也通过多种网络交互平台连接其它的服务提供商。这种工作方式可以分级减缓用户对数据源的压力，使得每个用户都可以真正得到数据交互。
这种大一统的方式在目前技术及商业条件下显得并不现实，但技术的进步将使这种网络格局逐步形成，比如说交互电视的下一步很可能就是采用分布式的视频服务器，应用流媒体的相关技术使用户可以实现真正点对点的视频点播或其他服务。而多种网络平台的交互技术将使得我们区别不出谁是有线电视服务提供商，谁是交互电视服务提供商，谁是互联网络服务提供商。
总结
数据双向流动技术在电视技术领域内的发展代表了人们对媒体的根本要求--信息量的最大化。单纯的利用一种网络平台实现交互技术也是不现实的。从数据交互技术在电视技术领域内的应用我们可以看出未来的网络服务提供模式。电视技术领域将不再只是包括传统的电视传播技术，互联网络和其它相关领域技术将与电视技术充分的融合。跨平台的电视技术最终会占据主导地位。这正是本文的想与各位在电视领域内的技术工作者所探讨的。
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