个人视频录像技术及其在数字电视机顶盒中的应用

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。