2024年3月21日发(作者:)

《中国有线电视》2008(12) CHINA DIGI I’AL CABLE Ⅳ ⑥ 文章编号:1007—7022(2008)12—1322—05 ・实用知识连载・ 中图分类号:TN948.6 文献标识码:B 条件接收系统(CAS)技术讲座 第十四讲 现代数字影视系统的 条件接收技术 口周师亮{中国广播电视设备工业协会专家委员会,北京lo0102) (上接2008年第l1期) 数字电影(Digital Cinema)、手持电视(手机电视) 3数字电影系统结构重点 数字电影和数字电视两者都由数字节目源获取, 是现代影视技术的发展方向,它既和数字电视有着许 多共同的地方,又具有各自的特殊之处。影视业发展 的趋势一定着重在增值服务方面,因此条件接收是必 须用到的技术。由于各自的特点,在数字电视系统中 用到的条件接收技术能否直接用于现代影视系统中 去,值得探讨。 在本质上都属于多媒体信息与通信系统。数字电视系 统的框图架构已为大家所熟知,不再赘述。数字电影 节目源来自数字摄影、胶片转数字和计算机制作3个 方面。数字节目源要利用数字中间片(DI,Di tal In— tennediate)进行节目后期工艺制作后,产生数字电影 发行母版(DCDM,Digital Cinema Distributi0n Master), 1数字电视系统框图(图见1) 之后就要对图像数据进行压缩编码,对所有数据进行 加密,然后再进行封装打包产生用于电影发行的数字 信号传输 卫星 弭嚣 荐量蓄:H垂 信Q号VPAS调MBK 制 C0FDM 电影数据包(DCP,Digital Cinema Package)。 有线 地面 数字中间片并不是特指某种类型或型号的电影胶 片,而是指一种影片的处理方法或处理过程,即将整部 影片进行高分辨率数字化,在此基础上完成非线性编 接收机lH ’l AVs解码 l留 4 H I 复用 lH蘑耋簇器 ’I信道解码 图l 数字电视系统框图 辑、校色、调光处理、视觉特效、字幕混叠等一系列工 作,最终将完成的影片输出到电影胶片或其他类型的 介质上。如果仅需在数字影院放映,则DI完成后得到 的是相应数字格式的母版。 2数字电影系统框图(见图2) 嵩H I数字电 。 — 慧 H 数字中间片是近几年在电影制片领域中谈论的热 点。长久以来,电影制作者一直希望能够像电视制作 者那样,只需坐在视频监视器前,就可以完全按照自己 画 丽 —}电脑制作 H(_J( )DI) IlI DcDM IH字幕卜. 磊 —— __———— 加密 薯 亲lf一 l MXF/ 》 妻器f lj旃 .PN) 包DcPll l封装 I和打包 的意愿,完成编辑、特效制作、调色等一系列工作,制作 出自己所想要的作品。这种愿望也许就是“数字中间 片”得以产生和发展的原动力。 对于影片的创作者来说,DI可以提供以往采用传 统胶片处理技术难以提供的创作自由,它提供了一个 非常好的机会(对画面)进行更进一步的控制,当对你 图2数字电影系统框图 1322
中国有线电视》2008年第12期 的影片进行调色时,你能够像在原始拍摄时一样对影 片施加直接的影响力。利用DI中强大的校色工具,操 周师亮:第十四讲现代数字影视系统的条件接收技术 本要求)。2 k是数字电影对图像质量的最低要求,但 即使是2 k图像也比HD图像在水平分辨率上高出 l28个像素,4 k图像则相当于由4幅2 k图像组成,因 作师可以按照坐在旁边的主创人员的要求来改变画面 的对比度,利用“窗口”功能有选择地将画面的局部进 行散焦和颜色调整,针对某种颜色(如人的肤色)进行 单独的分离和控制,进行场景与场景间的颜色匹配、增 加晕影等特殊光效等操作,而这些操作的结果都会实 时地以所见即所得的方式反映到大银幕上。这样的处 理方法在以往的影片制作过程中是难以想象的。 对于影片的出品方来说,DI意味着能够以最便捷 的方式获得更多的回收投资的途径。采用DI最后得 到的完成母版,除了可以印成胶片在影院放映,还可以 制成数字影院节目直接以数字的方式放映,可以制作 成HDTV节目在电视台放映,可以制作成DVD和录像 带发行,可以制作成流媒体的方式在计算机网路中发 行或向手机用户发行等等,而所有这些格式的制作都 很便捷(制作的成本甚至可以忽略不计)。另外,由于 所有拍摄的素材都以数字的方式保存,根据需要,可以 很容易地制作“导演剪辑版”、“加长版”等不同版本的 完成版,充分挖掘作品的潜力。对于电影观众来说,DI 意味着更高的图像质量。对于关心环境保护的人来 说,DI意味着在影片的制作过程中,可以更少地涉及 胶片的冲洗过程,可以大幅度地减少废水和银、汞等重 金属有害物质的排放。 MxF(Material exchange F0rn1at,素材交换格式)是 多媒体领域广泛应用的通用文件交换格式,它遵守 SM E 336M KLV(Key—Len h—Value)数据编码协议, 数字电影在发端和收端进行封装打包和解包解封装处 理时必须遵守SMPrE 422M、SMPTE429—3、SM E 429—4、sMPTE 429—6等标准,从而使不同设备制造 商提供的编码器所生成的DcP能够满足通用性要求, 播放服务器能够实现互操作。 xML(extensib1e Markup Language,可扩展标记语 言)是一种文本描述语言,用于描述数字电影合成播 放列表(cPL,c0mp0siti0n Playlist)、打包列表(PKL, Packing List)、密钥传送消息(KDM,Key Delivery Mes. sage)、事件日志(LOG)等信息。 4数字电影的技术处理要点 数字电影与数字电视的传输和播出的图像格式是 不同的,数字电视采用SD(标清,standard D胡niljon 720×576)和HD(高清High Definiti0n,1 920×1 O80) 图像格式;数字电影则采用2 k(2 048×1 080)和4 k (4 096×2 l60)图像格式(这是电影对放映图像的根 而远高于HD的图像质量。数字电视与数字电影压缩 前图像码率的比较见表1,可见数字电影要求的码率 远远高于数字电视,这也反映出数字电影与数字电视 对图像质量的不同要求。因此,在一些技术上也要相 应采取不同的处理方法。 表1 数字电视与数字电影压缩前图像码率比较 类型 参数 压缩前码率 数字sD 4:2:2(720 576 1/2 720 576 1/2 720 电视 576)×8(bit)×3U(帧)=l (Mb/s) 数字HD 4:2:2(1 920 l 080 l/2 l 920 1 080 1/2 电视 l 92o×l 08o)×8(biIJ×30(帧)= (Mb/s) 数字2 k 4:4:4(2 048 1 080 2 o48 1 080 2 048 电影 l O80)×l2(bit)×24(帧)=1.911(Gb/s) 数字4 k 4:4:4(4 096 2 l6O 4 096 2 160 4 096 4.1 图像压缩编码技术的选取 数字电影首先要保证图像质量。图像压缩效率、 传输带宽以及存储空间容量的大小都要围绕保证图像 质量来考虑。数字电视采用MPEG一2、H.264或AVS 图像压缩编码技术。MPEG一2是基于离散余弦变换 (DCT,Discrete Cosine n’ansf0m1)来压缩码率的,适用 于数字电视,但由于它不支持2 k/4 k图像格式,不适 合数字电影应用。H.264压缩效率高、算法先进、抗误 码能力强,同时还能支持2 k/4 k及更高分辨率图像, 但在处理2 k/4 k等高分辨率图像时算法过于复杂, 运算量太大,使得实现图像实时解码的难度很大;此 外,H.264中还涉及到众多的专利费,所以不被数字电 影采用。当前数字电影采用的是JPEG2000图像压缩 编码技术。 有关影视技术的国际标准是由国际标准化组织 (Is0)、国际电工委员会(IEc)和国际电信联盟(ITu) 负责制定颁布的,JPEG2000(IsO/IEc 15444)就是由 IS0/IEc颁布确定为数字电影图像压缩编码国际标 准,其第1部分(IS0/IEC l5444—1,JPEG2o00核心编 码系统)免收专利费,这符合数字电影技术标准应当 具有公开性、开放性和免授权的基本要求。此外电影 电视工程师协会(SM E,S0ciety 0f Moti0n Picture &Television Engineers)分支机构数字电影技术委员会 1 323
周师亮:第十四讲现代数字影视系统的条件接收技术 《中国有线电视》2o08年第12期 的“渐现”挣I生,它先传输图像的轮廓,然后逐步传输数 据,不断提高图像质量,让图像由朦胧到清晰显示。 (4)JPEG2000支持所谓的“感兴趣区域”特性,可 以任意指定图像上感兴趣区域的压缩质量,还可以选 择指定的部分先解压缩,以突出重点。 为搭建数字影院研究和试验平台,中国电影科研 所购置了杜比JPEG2O00数字影院编解码系统,并于 (Dc28)则负责制定和颁布数字电影技术的行业标准。 JPEG2o00是由JPEG组织负责制定。JPEG全名 为Joint Ph0t0graphic Experts Gr0up(联合图像专家 组),它是一个在国际标准组织(IS0)下从事静态图像 压缩标准制定工作的委员会,它制定出了第一套国际 静态图像压缩标准:ISO 109l8—1,就是我们俗称的 JPEG。JPEG优良的品质,使得它在短短的几年内就 获得极大的成功,目前网站上80%的图像都是采用 2007年5月10日完成了设备安装、调试和培训。这 JPEG压缩标准。然而,随着多媒体应用领域的激增, 传统JPEG压缩技术已无法满足人们对多媒体图像资 料的要求,因此,具有更高压缩率以及更多新功能的新 一代图像压缩技术JPEG 20o0诞生了。 JPEG2000的原理: JPEG 20o0与传统压缩编码最大的不同,在于它 放弃了JPEG、MPEG一2以离散余弦变换(DcT)为主 的区块编码方式,而采用以离散小波变换(DWT,Dis crete Wavelet tmnsf0砌)为主的多解析编码方式,所以 不会产生基于离散余弦变换所产生的块状模糊瑕疵 (Block Effeet),从而大大提高了图像质量,非常适合 数字电影应用。小波转换的主要目的是将图像的频率 成分抽取出来,小波变换(wAVELET)是MpEG一4标 准的一部分,该算法在图像处理方式上的特殊性(将 影像的频率成分分别抽取出来),决定了它在影像回 放和远程传输方面上的优越性。wAVELET算法使用 逐渐编码方法,它先将整个图像以较低的分辨率编码, 然后逐渐增加细节,而MPEG一2等则是将图像分成 一定大小的图块进行编码,如果需要不同的分辨率,则 需要再次分割图像,并逐个编码。用wVELET算法处 理的图像,轮廓清晰,即便在图像分辨率较低时,在辨 认局部表情和面板数字这些细节时也比其他压缩算法 效果好得多。wAVELET的图像质量好,图像质量和 传输位率之间为线性关系,JPEG 2000算法是以 WAVELET为技术核心开发的。 JPEG2000的优点: (1)JPEG2o0O作为JPEG升级版,高压缩(低码 率)是其目标,其压缩效率比JPEG高30%左右,但由 于JPEG2o00只进行帧内压缩,而不进行帧间压缩,与 MPEG一2、H.264等相比压缩效率要差些。 (2)JPEG2Oo0同时支持破坏性资料压缩(有损压 缩,压缩后受损的图像质量就再也无法复原了)和非 破坏性资料压缩(无损压缩)。 (3)JPEG2000能实现渐进传输,这是JPEG2O00的 一个极其重要的特征,也就是我们对GIF格式图像常说 1324 是我国第一套按照DcI(由美国好莱坞7大制片商联 合成立的数字电影倡导组织)技术规范要求研制的 JPEG2000数字影院母版制作及播放系统,它与电影科 研所现有的SAN(存储区域网)、节点服务器成功互 联,并组建完成了支持多cPu集群、可大大提升编码 速度的REN—derfaml(集群渲染管理),从而实现了与 数字中间片(DI)系统的无缝连接。 JPEG200O也存在版权和专利的风险。这也许是 目前JPEG2Oo0技术没有得到广泛应用的原因之一。 JPEG200O标准本身是没有授权费用的,但是,因为编 码的核心部分的各种算法被大量注册有专利,所以一 般认为,不太可能避开这些有专利费用而开发出来的 免授权费的商用编码器。 电影不同于电视,电影应当满足全球通用性的要 求。不同制片商、发行商、设备制造商和放映商所提供 或采用的数字母版、发行数据包、系统、设备、技术标准 以及软、硬件都应该符合国际规定的通用性和互操作性 (包括条件接收技术在内),才能有利于电影产业的持续 和规范发展。如果像数字电视的发展过程那样各自为 政,就会严重阻碍电影在全球范围内的流通与传输。 4.2数字电影的信息安全保证 数字电影的发展,使影片的存储载体由传统胶片 转变到硬盘、数字磁带及光盘上,从而大大降低了电影 的制作、发行成本,而且提高了图像的质量;但同时也 大大增加了发生盗版的风险,所以电影的信息安全至 关重要,电影的加密是数字电影技术中一个重要环节。 信息(内容)安全包括条件接收技术和数字版权保护 两大方面。数字电影巨大的数据量对加密系统的速度 提出了非常高的要求。从AEs算法的测试结果看,软 件实现的速度都达到了每秒数兆或数十兆比特,所以 数字电影节目内容采用了先进加密标准AES128,加过 密的电影节目再以DCP的形式安全传送到影院。对 于内容密钥则采用密钥长度为2 048比特的RsA非对 称加密算法进行加密,加密后的内容密钥以KDM(密 钥传送消息)的形式安全传送到影院。保证密钥的安
《中国有线电视》2008年第12期 全是防止盗版的重要环节,所以密钥在生成和传输时 必须与电影节目分离,在通过影院身份认证后,密钥才 周师亮:第十四讲现代数字影视系统的条件接收技术 数字影院。数字电影明确要求经过JPEG20o0压缩之 可以使用,为此需要有一个独立的管理中心对密钥进 行管理和分发,方能确保数字电影节目的安全。 此外,数字电影要求在发行母版和影院服务器内部 后的2 k/4 k图像的码率不超过250 Mb/s,而由 JPEG200o压缩的图像、声音及字幕数据组成的合成码 率不超过3O7 Mb/s,如此高的码率必须在吉位以太网 甚至10 Gb/s以太网上才能进行节目传输。卫星传输 条件最好,成本最低,传输范围最广,但是从当前的技 术条件来看安全性稍差;物理媒介的时效性差,安全性 也不佳;相比之下基于虚拟专用网(VPN,Virtual Pri— 嵌入高隐蔽眭、高鲁棒性的数字水印或指纹,同时要求对 合成播放列表(cPL)、打包列表(PKL)、密钥传送消息 (KDM)和事件日志(L0G)等必须进行数字签名。推荐使 用影院服务器和数字放映机合而为一的一体机,即将影 院服务器的核心部分一媒体模块(MB,Media Block)置 于数字放映机内部。数字节目从影院服务器输出端口送 到数字放映机输入端口这一段,数字节目可能已经解密 成为明文信号,这可能给盗版者提供机会,而一体机能够 弥补这个漏洞。对于影院服务器与数字放映机相分离的 情况,则必须在这两者之间采用AEs128或,rDEs112算法 进行链路加密(Linl【Encr)rpti0n)。 数字电影通过KDM进行密钥管理的基本原理如 图3所示。KDM由公钥、私钥和签名部分组成,内容 密钥经RsA加密之后就放在私钥中,私钥在KDM中 安全性要求最高。KDM包含以下3类信息:①用于解 密cPL的内容密钥;②内容密钥的参数,主要是密钥 有效期;③可信任设备列表(TDL,Trusted Device List),即经过授权的合法设备。电影发行方首先分别 使用各个播放设备的公钥对内容密钥进行加密,再使 用自己的私钥进行数字签名,播放设备方在接收到 KDM之后首先利用发行方的公钥验证签名来确认发 行方的身份,再利用各自的私钥进行解密,提取出内容 密钥,从而解密出电影节目明文。 l接收方公钥用l l接收方私钥用l I于RsA加密 f f于RsA解密 f , 列霎表 (TDL) lL一]■_方_J L圆, _接收方U’_] — l【.1 篓列表 篙 (TDL) l发行方私钥用I于数字签名 l Il发行方公钥用l于验证签名 l 图3利用KDM进行密钥管理的基本原理 4.3数字电影的传输方式 与数字电视的广播传输方式不同,数字电影的传 输是点对点或者多点的点播、多播方式进行的。高质 量丰富多彩的电影票房价值动辄以亿元计,所以传输 手段不能不讲究。一般来说可以通过物理媒介(硬 盘、光盘、磁带等)、卫星和高速光纤3种方式传送给 vate Netw0rk)技术的高速光纤网进行数字电影节目传 输也许是当前发展的方向。 5数字电影技术存在的问题 电影是电视节目资源的主要来源之一,数字电影 业的发展也将是数字电视业蓬勃发展的基础。从压缩 编码、传输方式到条件接收、版权认证保护等一系列技 术措施的实施都已初具规模,但是所采取的技术措施 都是后发制人的;对于在电子影院现场,用一个普通的 袖珍摄录机非法录制的盗版行为还是防不胜防,如今 一部票房价值亿元以上新的电影还未正式上映,盗版 光碟已经满天飞了。 在模拟电视时代已经有防止对银幕图像进行盗版 的防复录技术,那么在数字电视时代如何从技术上来对 付这种盗版现象是数字电影要设法克服的一大难题。 6手机电视对条件接收技术的要求 手机电视是我国的一种俗称,其特征顾名思义应 是既具有手机双向通信的能力又要有广播电视的功 能。当前国际(英特尔,微软)国内(CMMB)都将其归 属于移动设备类,该类设备规定屏幕尺寸不大于7英 寸(这个尺寸拿在手上想必很不舒服)。笔者认为手 机电视和移动电视的根本不同之处在于它是手持的, 有手机功能,它的屏幕尺寸不应大于5英寸;而移动电 视设备(比如车载等)的体积虽然可能比固定设备的 体积小,但一定会比手机大,而且不会具有手机功能。 所以技术标准在手机电视和移动电视两者之间还是应 当再细分一下为好。 当前无论国外国内,对手机电视都没有一个统一 的权威标准。手机电视当然属于数字电视系统范畴, 但它和数字电视系统(有线、地面、卫星的数字广播) 还是有着一定的差别。比如,在手机屏幕上观看VcD 水平的图像清晰度和观看HDTV的图像清晰度没有 任何区别,所以传输手机电视的图像分解力只要320 ×24O就已经足够。 现以我国广电系统颁布的中国移动多媒体广播 (CMMB,China Mobi1e Multimedia Bmadcast)系统来和 1325
周师亮:第十四讲现代数字影视系统的条件接收技术 《中国有线电视》2O08年第l2期 经济也正从计划经济转向市场经济的初级阶段,“没 有免费的午餐”已成为人们的口头禅,除了必要的公 益性服务外,人们要享受其他增值服务就要支付相应 的代价,条件接收功能正是发展数字电视事业必不可 少的支撑手段。 当前CA技术犹如百花齐放一般各显神通,随着 我国的数字电视系统的标准进行比较探讨: (1)移动多媒体广播系统的特点决定了其带宽资 源非常有限,远低于其他数字电视广播系统的带宽资 源。cMMB的8 MHz带宽模式的系统净荷数据率支 持范围为2.046一l6.243 Mb/s,而2 MHz带宽模式的 系统净荷数据率支持范围只有0.409—3.248 Mb/s。 一路数字电视节目通常只能在500 kb/s内传输,而音 频广播则需要更小的传输速率,这就要求音视频压缩 编码必须采用低码率、高效率的压缩方式;此外在如此 三网融合的脚步声日渐迫近,各种技术之间的兼容甚 至合一将呈不可逆转之势。 中星九号卫星上天对传输电视广播作出了一些限 制规定,即目前只用于村村通免费接收,城市还不能收 看,因为对于农村用户是免费收看的,所以号称不加 密,而对城市用户为了不冲击有线电视的收费,实际上 是加密的,也就是说城市人即使你想办法弄到一台卫 星接收机,如果不经过前端授权解密,你是看不到电视 节目的。笔者认为这个政策也许会引发黑客们的攻击 热情,原因是不同的有线电视系统采用了不同的cAS, 而同一种CAS的用户数量相对来说较少,应对窃密的 技术手段比较多。而卫星只有一个前端,它的覆盖面 稀少的有效码率下,不可能像有线、地面或卫星那样动 辄拿出l~2 Mb/s码率来供条件接收系统用,而压缩 编码则可以和数字电视系统靠拢,这方面恰好和数字 电影要求相反。 (2)CMMB不采用MPEG一2 TS流的打包传送方 式,而采用复用帧的封装打包方式,原因是在低码率传 输应用中MPEG一2 rI's在传输效率方面存在不足。根 据计算,在低码率下MPEG一2传输流的传输效率损 耗可达到15%~20%,这样基于MPEG一2的数字电 视所采用的条件接收系统至少不能完全照搬到手机电 视中来,不过手机电视中应用的条件接收技术不必像 数字电影要求那样严格。 又很广,如果窃密成功,他们的对象(城市人口)人数 之庞大足以使他们心动甘于冒险,而前端应对窃密的 技术手段虽也不少,但是考虑到对广大农村用户接收 (3)考虑到用户漫游的需要,CMMB条件接收系 统一定是一个全国统一的平台,而且要采取中央集中 管理的授权机制,这和当前数字电视系统各自为政、多 机的相应处理,也是一件麻烦事。目前笔者还不了解 中星九号卫星对此问题的处理方法,但愿是杞人忧天。 CA的发展虽然千变万化,但其最基本的原理都是 头联合的体制也是不相容的。 目前手机电视还处于免费收看的促销阶段,但是 相通的(包括DRM、水印、指纹等技术),希望本讲座能 为大家对CA技术的初步了解提供一定的帮助。 在编写本讲座时,曾参阅了数十篇由专家们撰写 的书籍和资料,并从中吸取了一些观点和内容,限于篇 幅难以一一列出,一并在此致谢。 (全文完) 『收稿日期:2008-()8.191 … “… … … “”“ … … ”” ”“ … … “”‘ 增值、收费服务是手机电视能够得到发展的经济基础, 所以长远来看不能没有CA,国家广播电影电视总局也 正准备开展cMMB的CA招标工作。 7结束语 我国数字电视正处于起步发展之中,我国的社会 “” ‘… …。‘…’。… …。‘…。‘… … …。‘“” … ““” ”” … ”“ … ”” … … … … …j 海南有线推出有线电视自助服务 12月3日,海南有线电视充值卡首发仪式在海南有线中心营业厅举行,中国有线海南公司率先全国创 新推出有线电视自助服务和充值卡。 j 据悉,海南省有线数字电视用户数已经突破60万户,不断提升数字电视服务水平,增加用户满意度,是 中国有线海南公司向全省用户的郑重承诺。此次推出的有线电视自助服务系统秉承了“以人为本”的服务 ;理念和超越期待的创新设计,在全国有线电视服务行业属于首创。 有线电视自助服务系统具备四大功能:一是足不出户,可缴纳有线电视费。用户购买充值卡后,只要拨 打963999888就可以完成有线电视缴费,省去了营业厅排队和欠费停机之恼。二是可以为亲友的电视充值, 传递关爱。三是付费频道播出机制进行了积极创新,30套付费频道节目全部让用户免费观看体验,自主选 择订购,即定即看,无需等待开通。四是实时点播电影,享受如梦如幻的电影世界。 1326