互动数字电视中间件标准解读（GEM篇）

【编者按】数字电视时代，各种互动应用、增值业务应运而生。作为支撑这些业务和应用的中间件，世界各国（地区）和技术标准组织都积极行动并制定了相关的标准。正确理解并选择合适的标准，作为企业或单位产品和业务的开发基准，搭建尽可能开放的运营环境，对于数字电视产业链的健康发展和聚变式跨越都至关重要。

【摘要】本文专门介绍由DVB 标准化组织制订的GEM标准，内容包括GEM的由来和特点、标准的体系架构和组成部分、市场推广和应用情况以及标准未来的发展趋势等。

　　【关键词】IPTV GEM MHP DVB

　　GEM是什么和为什么？

　　1.GEM是什么？

　　DVB-GEM（Globally Executable MHP）是由DVB项目组制定的互动电视中间件标准。它有如下主要特点：
●　它的出台使得基于GEM的交互应用既能够跨广播和宽带网络运行，同时也适用于基于蓝光光碟的业务平台。
●　GEM基于Java，提供了一个和硬件平台独立的应用执行环境，可为不同的设备和市场生成各种互动业务。
●　GEM建立在JavaME（Java Micro Edition）之上，并为电视特有功能，附加了各种相关的API。
●　GEM并不限定于特定的广播信令，而是定义了一套公共的抽象概念适用于各种不同的电视系统。该公共概念的核其实是一套API和相关的语义规则，适用于所有的GEM终端。在公共核的基础上，各种特定的市场对API进行扩展就形成了所谓的Profile（功能集）。

　　目前GEM已经被许多国际机构采用，其中包括CableLabs、ATSC、ARIB和蓝光联盟（Blu-ray Disc Association）。GEM同时也是ITU-T（国际电信联盟）推荐的互动电视的中间件标准。

　　2.为什么需要GEM？

　　GEM 起源于DVB项目组织和北美CableLabs的合作，起初是根据OCAP和 MHP中间件平台的公共交集而开发制定出来，其第一版本于2003正式颁布。

　　MHP是建立较早并被广为接受的数字电视中间件标准，它定义了一个综合的业务平台，使得各种互动电视业务都可以在基于MHP标准的设备中运行。MHP定义了MHP终端的标准，并可以接受基于各种传输标准的数字电视广播业务。这些传输类型包括有线、卫星、地面、微波和TCP/IP等；传输层的协议可以是DVB-T/T2、DVB-C/C2、DVB-S/S2或者TCP/UDP/IP等。

　　也许要问，既然已经有了数字电视中间件标准MHP，为什么其他国家和地区不能直接采用？现实情况是在一些国家和地区，完全采用MHP标准是不切实际的。例如，在美国，已经有大量投资有线电视网络设施，不可能轻易地转变成MHP。在日本，其地面广播系统非常类似DVB-T，但并不完全相同，要想完全在其终端系统中照搬MHP标准也是不切实际的。除去这些地区性的差异，理想情形下是可以在不同的有线电视网络体系中把运行GEM应用作为业务的一部分，前提是中间件的标准支持同样的APIs和语义规范。GEM就是定义了这样一套APIs、语义和内容格式等规范。换句话说，这种假设是依赖于所有的互动电视标准都支持GEM应用，任何一个基于GEM的标准都必须把GEM作为一个整体来参考，并必须实现GEM所有规范性的需求。GEM标准没有为终端设备提供一个完备的规范，需要其他标准提供相关的补充，比如需要MHP提供基于DVB-S、DVB-T和DVB-C传输系统方面协议的支持。（关于GEM和其他国际标准之间的关系，可以参见2009年9月《中国数字电视》上作者文章中的相关章节，在此不再赘述——编者按）

　　GEM支持的应用和定义的Profile

　　GEM 定义了三大目标应用领域：广播、打包媒体和IPTV。前两个领域又可以进一步细分成增强广播应用和交互广播应用。增强型广播应用组合了数字视音频的广播业务和可下载的应用以提供本地的互动性，该类应用无需回传信道；互动广播应用包括许许多多和广播业务相关或独立的各种互动业务，这类应用需要回传信道的支持。到目前为止，GEM具体支持的目标应用包括：

●　广播类，包括MHP、OCAP、ATSC和ARIB等

●　打包媒体类，如基于蓝光光碟的应用

●　IPTV类，如基于GEM-IPTV和OpenIPTV Forum

　　一方面，并不是所有的GEM实现方案都能支持所有的应用领域；另一方面，随着时间的推移，会有更多的应用领域和业务的演化，因此GEM采用的策略是使用Profile，不同的Profile支持不同的应用领域。最新的GEM1.2.2 对应上述应用目标定义了5大Profiles，它们是：

●　打包媒体互动Profile

●　打包媒体增强型Profile

●　广播互动Profile

●　广播增强型Profile

●　IPTV Profile

　图1展示了这些Profile及和应用目标之间的关系。

　　

　　GEM的体系架构

　　图2显示了基本的GEM模型，包括资源层、系统软件和应用层。

　　从应用的角度来看，API介于应用层和系统软件层之间。

　　

　　平台中的硬件具有各种功能，通过硬件资源和软件资源的形式表现出来。它们之间如何组合，标准不做任何假设。一个总平台可能包含多个硬件实体，但是从抽象的角度来看，逻辑资源是对应到一个硬件实体还是多个硬件实体没有任何区别。重要的是资源对于应用是透明的，它能够访问到，对它而言就是一个硬件实体。

　　1.系统软件

　　应用不能直接访问资源，而是要通过系统软件的抽象间接访问。该中间层把应用和硬件隔离开来，目的是使得应用可移植。

　　2.应用管理器

　　系统软件包括了应用软件的管理功能，负责管理所有应用的生命周期。

　　3.应用和API

　　作为软件运行在各种硬件平台上，应用实现各种互动业务。应用程序接口（API）是从应用的角度来看系统软件，图2给出的是一个理想化的系统架构模型。应用管理器属于系统软件并且和具体的实现紧密相关，它和所有的应用进行交互。系统软件通过对下属内容的抽象来实现API，并通过API为应用程序提供相应的服务：

●　通过不同的源和通道传输和播放的节目码流
●　命令和事件
●　数据记录和文件
●　硬件资源

　　4.GEM应用和GEM终端间的接口

　　应用通过各种API来访问接收机的各种资源，这些资源包括数据库、流媒体解码器、静态内容（如图片和文本等）解码器及各种通信资源。这些资源是接收机的功能单元，并最终映射到相关的硬件。图3是应用和终端之间的接口示意图。

　　

　　图4描述了GEM应用和GEM平台子系统之间的接口关系。GEM标准只定义这些接口，不涉及各具体模块的实现细节，这些细节由各自的方案提供商根据相关的标准自行实现。

　　GEM标准内容介绍

　　接下来就最新发布的GEM1.2.2标准文本做一简单介绍，该文本长达1052页。

　　1.内容概要

　　GEM标准文本主要有正文和附录两大组成部分，其中正文主要规范了下列内容：

●　传输协议
●　内容格式
●　应用模型
●　应用信令
●　DVB-J平台
●　安全机制
●　图形参考模型
●　系统集成情形
●　细化的平台规范定义
●　常量定义
●　因特网访问客户端

　　附录部分包括：

●　相关的外部参考、更正、澄清和例外
●　广播文件系统和触发器传输
●　GEM涉及到的相关技术的书目
●　文本呈现
●　字符集
●　应用创作和实现指南
●　最小的平台能力集
●　GEM的扩展
●　DVB-J的基本类
●　DVB-J事件的API
●　DVB-J永久存储体的API
●　SI访问API
●　流媒体API的扩展
●　JavaTV SI API的集成
●　广播传输协议的访问
●　数据包Socket缓存控制
●　DVB-J回传信道连接管理API
●　应用列表和发起（Launching）
●　权限（Permissions）
●　扩展的图形API
●　DVB-J示例
●　测试支持
●　应用间和Xlet间的通信API
●　GEM环境下的业务，业务上下文和应用
●　Inner 应用
●　Plug-in API
●　驻留应用API
●　因特网客户端API
●　为加密而定义的DVB扩展
●　加密业务的安装
●　扩展业务选择API
●　扩展内容参考API
●　智能卡读卡器API
●　Provider API
●　业务和业务列表
●　JavaTV和业务发现及选择之间的对照关系
●　JavaTV和宽带节目内容指南之间的对照关系
●　AIT表的XML编码
●　IPTV用例
●　应用管理API
●　IPTV内容参考API
●　扩展业务列表API
●　DVB业务发现和选择的API
●　DVB宽带节目内容指南的API
●　TV-Anytime和JavaTV的集成
●　MHP终端硬件API

　　2.传输协议

　　针对不同的应用目标，GEM终端需要支持的传输协议也不同。对于纯广播业务而言，系统只需一个从业务提供商到消费者的下行通道；而互动业务则额外需要一个回传信道；对于诸如蓝光光盘类的应用，GEM终端可以从光盘中获取AV码流，并通过IP网络和外界进行互动。

　　（1）广播信道协议

　　图5描述了各种广播信道的传输协议及其层次关系。有关Carousel的内容，读者可以参见有关文献。

　　

　　（2）交互信道协议

　　图6展示了回传信道的协议栈。

　　

　　（3）IPTV协议

　　为了支持IPTV应用，GEM定义了传送GEM业务和业务信息的协议。GEM终端规范可以对下列协议进行强制要求：

●　业务发现和选择的协议

●　宽带节目内容指南的协议

●　如何使用RTP协议

●　如何使用RTSP协议

　　3.内容格式

　　GEM支持多种内容格式，具体包括：

●　静态内容
　○Bitmap图形格式包括JPEG、PNG和GIF
　○MPEG-2的I帧
　○MPEG-2的视频“drip”
　○单媒体格式的音频片段，即MPEG-1层一和层二的音频ES数据
　○单媒体格式的文本

●　广播流媒体格式
　○音频
　○视频
　○字幕

●　驻留字体

●　可下载的字体
　○PFR
　○OpenType

●　色彩

●　MIME类型

　　4.应用模型

　　讲到应用模型，先介绍几个概念以帮助理解和阅读标准文本。绑定应用（Bound Application）,该类应用和电视节目捆绑在一起，节目结束，业务也随之结束，比如和节目相关的投票应用；非绑定应用（Unbound Application），该应用不和任何电视节目捆绑，某个节目结束，该业务仍然可以为用户服务，比如电子节目指南。特权应用（Privileged Application），一种非绑定的应用，由有线电视运营商或业务运营商控制，用于管理其他各种应用，也包括一些设备管理功能。非绑定应用和特权应用都源自于OCAP标准，GEM借用了这些思想并进行了一些修改。

　　在应用模型部分，GEM定义了下列内容：

●　业务绑定类应用
●　DVB-J模型
●　应用间的资源管理
●　和传统业务无关的业务和应用
●　访问因特网应用的生命周期
●　插件的管理
●　驻留和缓存应用
●　GEM和本地应用生命周期的交互关系
●　图形限制对应用模型的影响
●　非绑定应用
●　Provider （这是一个原本Java SE中所使用的概念，通过标准的API来扩展平台的功能。它们通常是一些在标准API实现和市场特定协议之间的软件适配器，使用标准的API并且和各种特定的实现无关，因此运营商可以将它们发布到现场而无需进行软件升级——作者注）

　　5.应用信令

　　应用信令主要涵盖的内容包括：标识及发起和业务相关的应用；使得运营商能够管理应用生命周期的信令需求。具体来说，对于任何GEM应用，其最小的信令需求包括：提供某种形式的应用描述信息足以：

●　标识应用程序代码和其他资产（asset）的来源
●　标识应用的应用ID和机构ID
●　标识应用的名称
　对于DVB-J应用，额外附加的最小信令需求包括：为DVB-J提供某种形式的应用描述信息足以：

●　标识应用的信令参数
●　标识应用的起始类

　　6.DVB-J平台

　　DVB-J基于JavaME PBP1.1，并对相关部分进行了修改。这部分的内容相当多，好在Java已经普及，这里就不做进一步的介绍。

　　7.安全机制

　　GEM对安全机制做了较为详细的规范，具体包括：

●　应用的认证
●　应用的安全策略
●　回传信道通信的认证和隐私保护
●　安全证书管理

　　（1）应用的安全框架

　　GEM定义的应用安全框架使得接收机能够认证应用程序和其他文件的来源。对于一些敏感的资源，认证机制会建议接收机给予某个应用的相应访问权限来访问这些资源。系统采用3种不同的认证消息：

●　加密哈希码（Hash code）
●　签名 （signature）
●　证书 （Certificate）

　　（2）建立可信应用机制

　　如何建立一种机制使得应用可以被信赖并需要额外的权限？一种有效的办法就是签名。基于GEM的终端规范可以引入其他机制来帮助建立应用的可信机制，如各种形式的代码签名等。任何一种安全框架，不管是否涉及代码签名，都应该：

●　可信的应用要能够在众多的签[FS:Page]名应用中通过application_id被标识出来。
●　拒绝向任何未签名应用授予不在范围之内的权限，除非这些权限是通过信令做了专门的请求。
●　安全机制必须在GEM终端标准中有完整的定义。

　　8.图形参考模型

　　GEM为应用提供了一种机制来定位：通过输出设备显示的视频、用户界面构件，如按钮和列表和图形原语。每个和GEM终端相连的屏幕逻辑上都有3个平面，从后到前分别是背景、视频和图形平面。图7描述了这三者之间的关系。

　　

　　根据实现方案的不同，字幕平面的特性会有所差异，但是GEM提供了相应的API，使得这些特性能够预测。每个应用都拥有图形平面的一个连续矩形区域供其画图，应用能够把视频、界面元素和图形放入该矩形区域。应用还可以在视频平面上控制在AWT层次之外的视频，并且能够把静止图像、视频Drip或者纯色图形放置在背景平面上。基于GEM的终端能够在同一时间支持多个不同的应用，每个应用拥有屏幕的一部分区域，这些区域可以重叠。如果一个应用的显示是半透明的，那么透过它就可以看到另外应用的视频或背景。

　　GEM的发展规划

　　GEM目前正在自我完善，在2009年7月份对GEM和MHP规范完成了重大的修订工作，并在第80届DVB年会上得到批准。此次修订的目的主要是修改GEM和MHP参考的次序，以前是GEM参考MHP标准，现在修改为MHP参考GEM标准。此次修改带来的一个最直接的好处就是，其他的标准，如OCAP，就只用参看GEM标准而无需通过GEM再参考MHP的相关版本了。今后GEM主要的发展规划是涵盖更多的新兴市场的需求。

　　市场应用和推广情况

　　GEM是一个成功的标准，适用于各种应用领域，并被其他标准组织作为基准而广泛采用，基于它的产品被世界各国和地区大量采用：

●　超过3300万和GEM相兼容的设备已经部署在世界各地，包括：
　o2100万台蓝光播放器
　o1000万台MHP接收机

●　GEM 设备的市场部署还包括：
　o在有线电视网络中的OCAP/Tru2way产品（主要用在北美和韩国）
　o地面数字电视网络中的ACAP产品（主要运用在北美和韩国）
　o日本的基于ARIB B.23的产品。
　oGEM-IPTV（到截稿为止，韩国和欧洲用户接近100万）

●　GINGA-J
　o巴西采用了基于日本的ISDB-T传输系统，GINGA-J也是基于GEM标准

●　GEM同时还是IPTV标准 Open IPTV Forum的基石

产品和业务运营示例

　　鉴于篇幅，仅列举三大类应用的1～2个例子：

　　

　　小结

●　GEM 是一套公共的APIs 核以及定义这些APIs行为的相关语义规范。节目制作者可以用它们来制作全球可用的互动内容，这些内容可以适用于各种基于GEM的设备。

●　目前GEM主要针对三类不同的应用领域或目标：
　o广播类，采用有线、卫星和地面传输的数字电视系统
　oIPTV类，针对IPTV 机顶盒
　o光碟类，针对基于大容量光碟的业务，如蓝光光碟

　　上述三类目标共享同一种应用模型和一套公共的核心类。

●　针对每类应用目标和相关的Profile，GEM终端规范涵盖了下列强制和可选的部分：
　o内容格式（音频、视频和图像）
　o传输协议 （广播和因特网协议）
　o应用模型
　o应用信令机制
　o基于Java的应用平台

●　GEM允许制订功能和上述部分等同的替代模块。总的说来，不同GEM应用的根本区别还是在于不同环境中其下支撑网络及其信令的不同，如北美的有线和地面系统、DVB、ISDB-T、IPTV 和蓝光光碟等。

●　GEM与网络无关：
　oGEM 规范提供了业务抽象，没有引入任何信令或者和底层传输系统相关的网络部分
　o允许开发互动电视或者Web2.0的应用，而无需知道任何承载这些应用的网络细节信息

●　存在大量基于GEM的应用：
　o电子节目指南、邮件、聊天、短信、增强型TV、新闻、天气预报和游戏等等
　o基于GEM的应用可以直接在标准的Web 服务器上运行，并且很容易支持Web 2.0的特性，如RSS feeds、P2P和用户上载内容等

　　原本为电影光碟开发的互动功能或额外的花絮，可以很容易地移植到基于有线电视网络或其他宽带网的视频点播系统中。

　　作者简介：

　　金罗军，博士，从事视频通信专业工作近15年，先后就职于华为技术、思科、RIM和UTStarcom等国际知名公司。目前定居加拿大，就职于多业务运营商，负责下一代互动视频业务和应用的规划和设计，并参与相关国际标准制定的工作，曾经获得多项专业奖励并在美国拥有发明专利（邮件： john.king.ca@gmail.com）。如果您对本文中的有关内容有任何疑惑之处，可与作者直接联系。