新一代Web技术在数字电视交互业务中的应用与发展前景

朱佩江王德平袁晓昆

(广播科学研究院 云南广电网络集团公司云南广电网络集团公司)

摘要本文分析了HTML5、Web-based OS以及MPEG-DASH等新技术在数字电视业务应用方面的技术特点，探讨了它们在数字电视业务发展中的应用与发展前景。 关键词数字电视 Web技术 HTML5 Web-based OS 1 前言随着互联网技术和云计算的发展，在有线数字电视系统中采用Web技术实现音视频业务以及各种交互业务应用成为一种趋势。同时随着OTT TV逐渐走热，这种通过互联网将音视频直接发布到用户连接的设备，允许其在任何时间、任何地点在任何设备上访问的技术体系逐步得到人们的关注。国内外各运营商和生产厂商也在积极探索如何在有线网中采用类似OTT技术实现交互互动业务，以及OTT与数字电视相结合的业务和技术方案。而OTT的业务和应用很多都是基于Web技术实现的，可以看出无论是数字电视系统的技术发展演进还是OTT电视的技术实现中Web技术都起到了非常关键的作用。在前端以云计算和云存储为基础以Web服务向用户提供业务，在终端用户以浏览器以及基于Web技术的网络操作系统（Web-based OS）等方式访问媒体内容和业务，这种实现机制可以较大程度的降低终端的配置要求，也就是瘦终端化。这一特性很符合有线数字电视机顶盒的特点：处理能力相对较弱、存储空间有限，因此可以预期的是随着各地有线电视网络双向化改造的完成和数字电视交互业务的推广，在有线数字电视系统中Web技术的应用会越来越广泛。2 HTML5技术在有线数字电视交互业务中的应用分析HTML5技术和标准的出现和逐渐成熟已经使浏览器的功能和概念发生了巨大的改变，互联网行业对此有较多的论述，本文仅从数字电视行业的角度讨论其优势和意义。这里我们所说的HTML5也不仅指HTML5本身，而是泛指HTML5.0、CSS3.0、 JavaScript以及新的浏览器API所包含的整套Web技术。在讨论HTML5之前，简单分析一下从1999年发布到如今已经在互联网广泛应用了二十多年的HTML4.01和XHTML1.0，从广播电视行业的角度来看，对HTML的展现能力的要求主要侧重在音视频的展现能力，而HTML4.01恰恰在这方面的支持是没有进行定义的，这也造成了互联网上音视频内容的播放和展现需要浏览器安装Adobe Flash或MicrosoftSilverlight等第三方插件来实现，而大多数嵌入式终端并不支持这些插件。事实上同样在1999年由日本无线工业及商贸联合会在XHTML1.0早期版本的基础上扩展定义并发布了BML（Broadcast Markup Language）以加强对音视频内容的支持，但在全球广电行业并没有得到全面的支持和应用。随着我国有线电视网络中视频点播业务的广泛开展，为了在HTML4.01基础上实现音视频点播业务，系统开发商都对HTML进行了扩展定义以实现业务支持，其扩展的方法一般是采用对<object>或<embed>标签以及相应的JavaScript接口和对象进行扩展定义，并对浏览器进行了相应定制开发，但都缺乏统一的规范。也是针对这一情况，国家新闻广电总局发布的行业技术规范《GY/T 267-2012 下一代广播电视网（NGB）终端中间件技术规范》中的NGB-H部分在HTML4.01的基础上对音视频的支持进行了扩展定义，也是采用了对<object>进行扩展定义的方法。同时HTML4.01缺乏对用户交互接口和动态画面效果的支持，造成了如网页游戏、画面动态展示、复杂的页面用户交互等多种交互业务和服务必须依靠Flash或Silverlight等第三方插件来实现。2.1 HTML5对音视频和画布的支持HTML5定义了<video>和<audio>标签实现了对音视频的通用化的支持，换句话说就是支持HTML5的浏览器可以让用户在不用安装任何插件的情况下轻松的观看视频。HTML5定义<canvas>标签实现对及画布的支持，使浏览器可以通过JavaScript脚本实现复杂的矢量绘图以实现各种动画和交互效果。这几个标签的定义使浏览器摆脱对Flash和Silverlight等第三方插件的依赖，大幅降低了对CPU和内存资源的占用，而对于数字电视行业来说实现对HTML5的支持，有利于机顶盒终端的标准化和统一，《GY/T 267-2012 下一代广播电视网（NGB）终端中间件技术规范》中的NGB-H部分中也提出了对HTML5的支持，但由于HTML5标准在当时自身的内容还存在不同的争议和发展方向，因此GY/T 267-2012提出HTML5的支持属于可选项。另外广电总局新发布的TVOS标准也提出了对HTML5的支持。2.2 HTML5对Web Sockets的支持
HTML5定义了Web Sockets的支持大大增强了浏览器和服务端的实时交互能力，实现了浏览器与服务器全双工通信。原来的浏览器和服务器之间的通讯，都只能先由浏览器发起，采用轮询(polling)机制或者采用Comet技术，这些技术都存在效率低下，实时性较差等缺陷；另一方面Flash 提供了 XMLSocket类实现了相应的通信功能，但同样是需要Flash插件，对CPU和内存资源消耗较大，对于大多数嵌入式终端来说，如手机机顶盒而言则无法进行支持。Web Sockets的定义解决了这些问题，其机制和标准的Socket类似，浏览器和服务器先进行握手，然后之间形成快速通道，其优势在于Web Sockets与HTTP论询机制相比使用非常小的Header只有2字节，另外一方面服务器可以主动传送数据给客户端。图1是一张引用自W3C网站的统计图，分别给出了分别是1000个、10000个和100000个客户端每秒接收一个消息情况下的需要的数据传输带宽，比较明显可以看到10万个用户情况下轮训机制需要接近696Mbps带宽，而采用Web sockets方式则只需要1.6Mbps带宽，效率提高非常显著。

图1 不同数量的客户端每秒接收一个消息占用的带宽情况

Web sockets的采用，使很多交互业务可以直接在浏览器中实现，响应时间和用户体验极大提升。原来必须通过Java或者C/C++实现的专有客户端软件和应用，如大型网络游戏，音视频聊天，股票数据业务，网页数据推送业务，快速互动需求的交互业务等等，都可以通过浏览器实现并达到类似的效果和用户体验。2.3 HTML5对WebGL的支持HTML5还定义了WebGL，使浏览器具备了3D图形的支持，利用底层的图形硬件加速功能进行图形渲染，实现了Web交互式三维动画而无需插件。其实现方式是通过JavaScript对canvas标签进行操作实现。虽然目前能看到对WebGL支持的浏览器只有google的Chrome，而目前的数字电视机顶盒基本上不具备3D绘图的硬件和能力，但通过浏览器实现3D绘图和3D游戏而不用安装客户端的业务实现方式对于没有很大本地存储能力的机顶盒还是有一定的利用前景。2.4 HTML5的其他值得关注的新特性从数字电视行业的角度来看，DRM的支持也是今后HTML5应用的一个重要方面，2013年5月W3C发布了加密媒体扩展工作草案（EME），定义了JavaScript和HTML与解密/保护模块进行交互的API。同时HTML5的一些新特性，如本地SQL数据库的支持、对摄像头、麦克风以及地理位置信息等外部设备的支持、对终端屏幕大小自适应处理的支持，都对数字电视交互业务以及OTT应用的开展提供了强大的底层支持。2.5 HTML5总结所有这些HTML5的特性使浏览器具备了前所未有的强大功能，可以很容易的实现各种音视频、实时互动、3D游戏、各种交互APP应用，而同时不需要下载和安装APP，而是所有应用在云端运行。这些特性都很符合有线数字电视机顶盒的特点：处理能力相对较弱、存储空间有限以及开机就在线接受服务。综合来看，由于HTML5已经获得了GOOGLE、苹果、微软、ADOBE等IT巨头的支持，HTML5的标准化、易于互联互通、屏幕融合业务的支持和跨终端平台的特性日渐显现，如今很多SaaS云服务平台开始利用HTML5提供服务，同时移动终端对HTML5的使用越来越多，良好的开放性，更多的IT巨头的支持都使得HTML5的前景较为光明。同时HTML5也不是没有问题，首先HTML5的安全性相对于HTML4.01并没有太多提升还待完善，同时HTML5技术标准的碎片化的问题还待解决，各家浏览器以及浏览器核心所支持的HTML5的程度和子集不尽相同，HTML5标准制定组织WHATWG与W3C因为理念上的差异而分裂，影响到了HTML5的应用和标准化。总之基于HTML5实现有线电视中的交互业务技术，是今后有线数字电视交互业务的一种重要的实现方式和发展方向，因此跟踪关注和研究HTML5的技术发展具有较为重要的意义。3 Web-based OS技术在有线数字电视交互业务中的应用分析Web-based OS称为网络操作系统，基于浏览器的虚拟的操作系统，用户通过浏览器在网络操作系统上运行基于Web技术的在线应用（Web Application）来实现终端系统上的各种操作（包括文档的存储，编辑，媒体播放等等），不需要下载和安装APP。举一个简单的照片处理的例子：PC上进入Windows操作系统，运行Photoshop程序来进行加工和操作。对于在网络操作系统上，打开浏览器登录到虚拟的桌面上，运行Picasa这样的网络应用程序来进行照片的加工和处理。从用户的角度出发，两种运行方式在实际操作上不会有太明显的差别，唯一不同的地方就是网络操作系统是运行在一个浏览器内。Web-based OS并不一定是一个独立的操作系统，用户需求的将只是一个浏览器，这个浏览器可以运行在Windows的操作系统上，也可以运行在Linux上，而且用户并不需要安装各种的应用软件，所有的应用软件在服务器端和云端运行。早在上世纪90年代就提出了面向PC终端的网络操作系统的概念，但由于网络操作系统需要高速和长时间网络连接，同时对于PC来说本地的存储和计算能力并不是必须要将数据和运算放在服务端运行，而导致了网络操作系统一直没有较好的发展。常见的有网络操作系统有ChromeOS、Firfox OS、DesktopTwo以及silveOS等等。Web-based OS的特点在于在终端用户以浏览器方式访问，与终端类型、本地操作系统无关；服务端以云计算方式提供各种应用，整合各种业务，为用户提供全面综合的服务；这种实现机制可以较大程度的降低终端的配置要求，也就是瘦终端化。同时随着HTML5的发展和成熟，对音视频、互动操作、双向通信、3D绘图、本地SQL数据库以及DRM的支持，使基于HTML5的Web-based OS具有了原来根本无法实现或者需要借助第三方插件实现的功能，从根本上解决了原有的一些瓶颈。从这些角度来看，Web-based OS更符合电视机和机顶盒的应用场景，虽然当前Web-based OS发展前景并不明朗，但是作为一种可能的选择，Web-based OS在有线数字电视终端资源和能力受限而网络带宽特别是下行数据带宽较为充裕的情况下也许能有一定的发展空间。4 其他的一些Web技术首先是MPEG-DASH（Dynamic Adaptive Stream over Http）技术，它是MPEG标准组织2011年底发布的基于HTTP协议传输音视频码流的技术规范。DASH和苹果公司的HLS技术一样通过HTTP向用户提供流服务，但DASH同时支持TS流和MPEG4文件格式的流而HLS仅支持TS流的传输，同时DASH规范定义了根据用户带宽情况动态调整下发相应码率的码流，支持通用加密和多格式DRM。这些MPEG-DASH的新特性的引入，使得基于Web技术的交互业务服务系统对不同网络传输条件和多类型终端支持能力得到了很大提升。当前虽然已有相当数量的主流公司支持DASH，也有不少还在观望中。同时在有线数字电视开展音视频互动业务和OTT业务融合方面，通过Web技术传输音视频流基本选择也就MPEG-DASH、苹果的HLS、adobe的HDS以及微软的IIS Smooth Streaming不多的几种选择，可以看出标准化且不受控于单一企业的技术也就是MPEG-DASH，因此从2012年起MPEG-DASH一直备受各方关注。最后在Web浏览器技术方面，WebKit浏览器内核引擎的发展是非常迅速的，采用WebKit作为内核引擎的浏览器包括了苹果的Safari、Google的 Chrome、qq浏览器、搜狗浏览器、傲游3等等，其他的浏览器内核有微软IE使用的Trident，Firefox使用的Gecko，以及Opera使用的Presto，但是2013年2月Opera也宣布转向WebKit引擎。由于WebKit具备了开源、清晰的源码结构、极快的渲染速度、对HTML5有较好的支持的一系列特性，从而降低了浏览器开发的门槛和难度，从这个方面来说在处理能力和内存足够的数字电视终端的浏览器采用WebKit引擎将降低浏览器和终端中间件的开发难度和技术门槛，有利于应用的通用性，利于第三方应用开发商的进入，有助于数字电视开发者集中精力于浏览器对数字电视广播以及CA相关功能的支持。5 总结各种新的Web技术对各种新功能的支持越来越强，有利于有线数字电视交互业务的开发和实现，特别是HTML5技术，它有很多适用于机顶盒和电视机的特性，在数字电视上的应用具有较好的技术前景，但HTML5还有很多需要完善的地方和技术分歧，需要继续关注和分析。 编辑：中国新闻技术工作者联合会