Εισαγωγή Η ευρυεκπομπή τηλεοπτικών δεδομένων, η μετάδοση δηλαδή τηλεοπτικών σημάτων με ψηφιακό τρόπο, οδήγησε στη σύγκλιση της τηλεόρασης με τα πολυμέ

Transcript

1 Ψηφιακές εφαρμογές πραγματικού χρόνου στην τηλεόραση Επιβλέπων καθηγητής: Γ. Στυλιαράς Όνομα: Α. Καραμάνη γτπ61

2 Εισαγωγή Η ευρυεκπομπή τηλεοπτικών δεδομένων, η μετάδοση δηλαδή τηλεοπτικών σημάτων με ψηφιακό τρόπο, οδήγησε στη σύγκλιση της τηλεόρασης με τα πολυμέσα Η αυξανόμενη ζήτηση πολυμεσικών πληροφοριών, η αύξηση του διαδικτύου και η χρήση ασύρματων δικτύων δημιούργησαν το ενδιαφέρον για Multimedia Streaming πχ. Video Η πρόοδος στην τεχνολογία συμπίεσης, στις συσκευές αποθήκευσης υψηλού εύρους ζώνης και τα μεγάλα δίκτυα κατέστησαν εφικτή την παροχή real lti time multimedia services. Η ψηφιακή τηλεοπτική μετάδοση (Digital Video Broadcasting DVB) προσέφερε ρ καινοτομίες και άλλαξε τις τηλεοπτικές συνήθειες 2

3 Εφαρμογές IPTV ορυφορική ψηφιακή τηλεόραση Επίγεια ψηφιακή τηλεόραση 3

4 IPTV IPTV: Μετάδοση περιεχομένου ήχου και βίντεο μέσω του δικτύου IP στη χρήση της τηλεόρασης Πλεονεκτήματα IPTN: Σημαντική οικονομία σε υποδομή, ανάπτυξη, υποστήριξη και έξοδα διαχείρισης υνατότητα πολλαπλής λή διανομής δεδομένων δδ σε μεγάλο σύνολο χρηστών οικονομική μεταφορά πληροφορίας 4

5 Streaming Multimedia Streaming Η μεταφορά πολυμεσικών εφαρμογών (π.χ. video, ήχος) μέσω του ιαδικτύου από τον εξυπηρετητή (server) στον πελάτη (client) σε πραγματικό χρόνο Streaming Η αποστολή υλικού (π.χ. ήχου και εικόνας) από κάποιον server σε κάποιο τερματικό, μέσω ενός packet based δικτύου, όπως το Internet. Ο server κατατέμνει το υλικό (media) σε πακέτα (packets), τα οποία εκπέμπονται μέσω του δικτύου προς έναν προκαθορισμένο αποδέκτη. Η αναπαραγωγή του υλικού αρχίζει καθώς αυτό παραλαμβάνεται από τον υπολογιστή του χρήστη, κατά συνέπεια είναι πολύ ευαίσθητο στις μεγάλες καθυστερήσεις 5

6 Streaming Απλή μεταφορά αρχείου μέσω δικτύου Streaming 6

7 Streaming Παράγοντες που διαμορφώνουν την τελική ποιότητα: Καταγραφή ή δημιουργία του υλικού ψηφιακή μορφή ή ψηφιοποίηση η η Συμπίεση του υλικού με κατάλληλα codecs Κυριότερες αρχιτεκτονικές από την Microsoft, Apple και Real Networks Τοποθέτηση του υλικού σε κάποιον server και αποστολή προς τους τελικούς αποδέκτες μέσω των νέων streaming πρωτοκόλων που έχουν αναπτυχθεί 7

8 Eίδη η streaming Progressive Steaming Realtime Streaming Με τη μέθοδο αυτή ο ρυθμός του online υλικού ελέγχεται, ώστε να προσεγγίζει τον ρυθμό λήψης του από τον υπολογιστή του χρήστη. Αφού λοιπόν το υλικό αποστέλλεται μα τον ίδιο ρυθμό που παραλαμβάνεται, μπορούμε να το παρακολουθήσουμε σε πραγματικό χρόνο. Ο εξυπηρετητής (Video Video-Streaming i server) μεταδίδει τη video ροή σε κάθε τελικό χρήστη που θα τη ζητήσει. Ο χρήστης δεν την αποθηκεύει τοπικά, αλλά τα δεδομένα προβάλλονται στο τερματικό του μέσα από κάποιο Player, χωρίς να μένει κάποιο αντίτυπο στον τοπικό του δίσκο. Η τεχνική είναι η πλέον κατάλληλη για την μετάδοση real time περιεχομένου, ζωντανές εκδηλώσεις, συναυλίες, διαλέξεις, σεμινάρια 8

9 Τεχνικές μετάδοσης video Unicast IP (Internet Protocol) Στο μοντέλο αυτό κάθε χρήστης (client) λαμβάνει μια ξεχωριστή (unicast) point to point ροή δεδομένων από τον ίδιο server. Η αποστολή της ίδιας ροής δεδομένων σε πολλούς χρήστες ταυτόχρονα δημιουργεί υπερφόρτωση στο δίκτυο και μειώνει την ποιότητα εξυπηρέτησης (quality of service). Το bandwidth (εύρος ζώνης) αυξάνεται γραμμικά για κάθε σύνδεση με έναν client 9

10 Τεχνικές μετάδοσης video Multicast IP Ο server μεταδίδει την ίδια πληροφορία μια φορά μόνο σε πολλούς χρήστες. Μεταξύ του server και των clients παρεμβάλλονται multicast routers οι οποίοι βρίσκουν τον πλησιέστερο κόμβο που διαθέτει την πληροφορία και την αντιγράφουν. Έτσι δεν υπερφορτώνεται το bandwidth με ατομικές συνδέσεις των clients. Τα πλεονεκτήματα γίνονται εμφανή στις ζωντανές μεταδόσεις. Broadcast Ειδική περίπτωση της multicast, στην οποία μεταδίδεται ένα απλό stream ταυτόχρονα σε όλους τους clients. Χρησιμοποιείται για ζωντανές μεταδόσεις γεγονότων ή για παρουσιάσεις νέων προϊόντων παγκοσμίως. 10

11 Τεχνικές μετάδοσης video Μετάδοση unicast Μετάδοση multicast 11

12 Αλγόριθμοι συμπίεσης Streaming Media Σε σχέση με τους αλγόριθμους video που χρησιμοποιούνται στα CD-ROM και στο TV broadcast απαιτούν: Μεγαλύτερη κλιμάκωση Λιγότερες υπολογιστικές απαιτήσεις Μεγαλύτερη ανθεκτικότητα σε προβλήματα λόγω δικτύου Λιγότερη καθυστέρηση κατά την κωδικοποίηση και αποκωδικοποίηση εικόνας και ήχου Σύνδεση με προγράμματα λήψης περιεχομένου για το καλύτερο δυνατό ποιοτικό αποτέλεσμα 12

13 Αλγόριθμοι συμπίεσης Streaming Media ύο κατηγορίες ανάλογα με το αν η συμπίεση διαρκεί περισσότερο από την αποσυμπίεση: Συμμετρικοί: χρησιμοποιούνται στις εφαρμογές πραγματικού χρόνου, όπου η συμπίεση πρέπει να γίνεται σε πραγματικό χρόνο Ασύμμετροι: απαιτούν ισχυρούς υπολογιστές για την συμπίεση και χρησιμοποιούνται για υλικό που θα συμπιεστεί μία φορά και θα αναπαραχθεί πολλές. 13

14 Αλγόριθμοι συμπίεσης Streaming Media Πρότυπα από τη ιεθνή Ένωση Τηλεπικοινωνιών (ITU): H.261, H.263 και Η.264 Πρότυπα από την ομάδα εμπειρογνομώνων κινούμενων εικόνων (MPEG Motion Picture Expert Group): MPEG -1, MPEG -2, MPEG -3, MPEG - 4, MPEG -7 και MPEG -21 MPEG 2: Αποτελεί τη βάση πάνω στην οποία στηρίζονται όλες οι προσπάθειες για τη δημιουργία συστημάτων ψηφιακής τηκεόρασης. Υποστηρίζει ρυθμούς μέχρι 30 Bit/s Ικανότητα να αποκωδικοποιεί την πληροφορία με μεταβλητό ρυθμό δεδομένων - VBR 14

15 Αλγόριθμοι συμπίεσης Streaming Media MPEG 4: Interactive multimedia υλικού μέσω δικτύου Προδιαγραφές για ήχο, βίντεο και δυνατότητες αλληλεπίδρασης Αφαιρεί πλεονάζουσες πληροφορίες μεταξύ των καρέ, συμπιέζοντας ταυτόχρονα τα ίδια καρέ με μια τεχνική παρόμοια του JPEG Μεταβλητός ή σταθερός ρυθμός μετάδοσης (variable/constant bit rate) Υψηλή ποιότητα αναπαραγωγής και μικρό μέγεθος αρχείων 15

16 Πρωτόκολλα μεταφοράς για εφαρμογές φρμγ πραγματικού χρόνου Τα πρωτόκολλα μεταφοράς εξασφαλίζουν end-to to-end υπηρεσίες μεταφοράς σε πραγματικό χρόνο. Οι υπηρεσίες περιλαμβάνουν: Τον προσδιορισμό του τύπου του φορτίου (payload type) Την διαδοχική αρίθμηση (sequence numbering) Το χρονικό αποτύπωμα (time stamping) Τον έλεγχο της μεταφοράς (delivery monitoring) 16

17 Πρωτόκολλα μεταφοράς για εφαρμογές πραγματικού χρόνου Real Time Transport Protocol (RTP) Πρωτόκολο μεταφοράς δεδομένων Παρέχει υποστήριξη για εφαρμογές πραγματικού χρόνου, συμπεριλαμβάνοντας ανίχνευση απωλειών, ασφάλεια και ταυτοποίηση περιεχομένου. Το RTP ορίζει μια κεφαλίδα (header) που μπαίνει στην αρχή κάθε πακέτου και ακολουθείται από το ωφέλιμο φορτίο (δηλαδή τον κωδικοποιημένο ήχο και video). Η κεφαλίδα χωρίζεται σε πεδία που το καθένα φέρει κάποια πληροφορία, ώστε να είναι εφικτή η αναγνώριση, ο κατάλληλος χειρισμός και η αναπαραγωγή γή των δεδομένων πραγματικού χρόνου. 17

18 Πρωτόκολλα μεταφοράς για εφαρμογές πραγματικού χρόνου Real Time Transport Protocol (RTP) Πληροφορίες: Ο αριθμός σειράς του πακέτου για την ανίχνευση της θέσης του στη ροή δεδομένων Η χρονοσφραγίδα RTP που χρησιμοποιείται για τη συγχρονισμένη αναπαραγωγή του μέσου Ο προσδιορισμός ωφέλιμου φορτίου για την αναγνώριση του τύπου των δεδομένων που μεταφέρονται στο πακέτο Ο προσδιοριστής της πηγής που παρήγαγε το πακέτο, ώστε αυτό να μπορεί να ομαδοποιηθεί με τα άλλα πακέτα της ίδιας πηγής Το RTP χρησιμοποιεί multicast t διανομή, αν φυσικά υποστηρίζεται από το υποκείμενο δίκτυο Το RTP επιβαρύνεται με ένα πρωτόκολλο ελέγχου το RTCP 18

19 Πρωτόκολλα μεταφοράς για εφαρμογές πραγματικού χρόνου Τα συμπιεσμένα δεδομένα σπάζουν σε πακέτα από το RTP layer Τα RTP packetized streams μεταβιβάζονται στο UDP/TCP layer και μετά στο IP layer Τα πακέτα IP μεταφέρονται μέσω διαδικτύου και φθάνουν στον παραλήπτη Στο control plane, τα RTCP και RTSP packets πολυπλέκονται λέ από το UDP/TCP layer και μετακινούνται στο IP layer για μετάδοση στο διαδίκτυο 19

20 Πρωτόκολλα μεταφοράς για εφαρμογές πραγματικού χρόνου RTCP (Real Time Control Protocol) Πρωτόκολο ελέγχου, ανατροφοδοτεί με πληροφορίες για την ποιότητα των δεδομένων μετάδοσης. Το RTCP αποτελεί μέρος του πρωτοκόλλου RTP. Κατά τη μετάδοση υλικού μέσω του RTP, ο server και ο client ανταλλάσσουν ανά τακτά χρονικά διαστήματα πακέτα RTCP με πληροφορίες ρ για την ποιότητα υπηρεσιών και τη διαχείριση συνδρομών. UDP Universal DataGram Protocol Το UDP δεν πραγματοποιεί ελέγχους για σφάλματα σε πακέτα, σε αντίθεση το TCP. Συνέπεια αυτού είναι η αποφυγή καθυστερήσεων από την επαναμετάδοση πακέτων σε περίπτωση σφάλματος. Μικρός αριθμός χαμένων πακέτων σε μετάδοση video έχει ελάχιστες συνέπειες στην εικόνα. Μειονέκτημα: αντιμετωπίζει προβλήματα με τα firewalls 20

21 Πρωτόκολλα μεταφοράς για εφαρμογές πραγματικού χρόνου MBone (Multicast Backbone) Πειραματικό overlay network protocol που λειτουργεί πάνω από το Internet. Εξετάζει τα πλεονεκτήματα και τα μειονεκτήματα του μοντέλου multicasting που υποστηρίζει το IPv6. Χρησιμοποιείται σε 1700 δίκτυα σε 20 χώρες για μετάδοση ραδιοφωνικών εκπομπών και ζωντανών γεγονότων. RTSP (Real Time Streaming Protocol) Υψηλού επιπέδου πρωτόκολλο client/server, που επιτρέπει τον έλεγχο της ποιότητας αποστολής του υλικού και την εκτέλεση λειτουργιών όπως stop, pause, rewind και fast forward σε πραγματικό χρόνο. Εξασφαλίζει την ασφάλεια του υλικού, τη διαχείριση δικαιωμάτων και την καταμέτρηση του υλικού που παραλαμβάνουν οι χρήστες. 21

22 Πρωτόκολλα μεταφοράς για εφαρμογές πραγματικού χρόνου RSVP (Resource Reservation Protocol) Σκοπός του είναι η εξασφάλιση της ποιότητας μετάδοσης, θέτοντας όρια στην καθυστέρηση μετάδοσης των πακέτων. Ο αποδέκτης μπορεί να απαιτήσει από το δίκτυο την παροχή του συγκεκριμένου bandwidth που χρειάζεται για την παρακολούθηση του streaming υλικού. 22

23 Αρχιτεκτονικές streaming media Microsoft Windows Media H Microsoft έχει αναπτύξει ένα σύνολο codecs για ήχο και εικόνα που υποστηρίζουν μια πληθώρα μέσων και ρυθμών μετάδοσης. Υποστηρίζεται σταθερός ρυθμός μετάδοσης για εφαρμογές streaming καθώς και μεταβλητός ρυθμός μετάδοσης για δημιουργία αρχείων Media Video v8.0 ο σημαντικότερος video codec παρέχει: Πολύ καλή ποιότητα σε ποικιλία ρυθμών ροής δεδομένων (data rates) Ταχύτητα ως προς τη συμπίεση Υποστήριξη VBR (Variable Bitrate) 23

24 Αρχιτεκτονικές streaming media Microsoft Windows Media Τεχνική Intelligent Streaming Κατά την έναρξη της αναπαραγωγής, ο Media Player και ο Windows Media Server επικοινωνούν μεταξύ τους και επιλέγουν το κατάλληλο video stream, ανάλογα με το διατιθέμενο bandwidth. Αλλά και κατά τη δά διάρκεια αποστολής του υλικού, ο server μπορεί να ανιχνεύσει τις διακυμάνσεις του bandwidth και να επιλέξει δυναμικά την καταλληλότερη. Ο Media Player μπορεί ακόμη να απορρίψει καρέ (drop frames) ή να μειώσει την ποιότητα της εικόνας, ώστε να εξασφαλίσει την αναπαραγωγή του υλικού σε πραγματικό χρόνο. 24

25 Αρχιτεκτονικές streaming media Quicktime Πλατφόρμα της Apple για την δημιουργία, αναπαραγωγή και streaming πολυμεσικών δεδομένων Qucktime 5: ισχυρή υποστήριξη για Realtime Streaming To format των αρχείων βασίζεται α σε tracks, tac που όμως μπορούν να αποτελούνται από διάφορα είδη περιεχομένου video, ήχο, flash κ.α.- παρέχοντας έτσι μεγάλη ευελιξία υνατότητα για overlapping προβολή κειμένου πάνω από video (πχ. Υπότιτλοι) σε πραγματικό χρόνο 25

26 Αρχιτεκτονικές streaming media Real System Αναπτύχθηκε από την εταιρεία Real Networks και προσφέρει πραγματικό Real time Streaming αλλά και Progressive Download. Τεχνολογία Sure Stream: επιτρέπει την δημιουργία έως 8 video και audio tracks, που μπορούν να διαφέρουν ως προς ένα πλήθος παραμέτρων διαφορετικοί codecs, frame rates και data rates ενώ μόνο η ανάλυση του video θα πρέπει να παραμένει σταθερή. Κατά την αναπαραγωγή, ο Real Player επικοινωνεί με τον Real Server και μπορεί δυναμικά να επιλέγει όποια ροή ανταποκρίνεται καλύτερα στο bandwidth του χρήστη. Έτσι αντί να απορρίπτει ολόκληρα frames, σταματά να αποστέλλει τις λιγότερο χρήσιμες πληροφορίες με αποτέλεσμα την μικρότερη αλλοίωση της απεικόνισης 26

27 Εφαρμογές Ε ΕΤ Εθνικό ίκτυο Έρευνας και Τεχνολογίας Παρέχει στους φορείς του (ΑΕΙ, ΑΤΕΙ, Ερευνητικούς φορείς) και τους χρήστες τους εφαρμογές μετάδοσης οπτικοακουστικού σήματος σε πραγματικό χρόνο μέσω του δικτύου δεδομένων από τις υπηρεσίες webcasting και την πιλοτική υπηρεσία ψηφιακής τηλεόρασης Webcasting: Ζωντανή μετάδοση δημόσιων εκδηλώσεων και γεγονότων ενδιαφέροντος για τους φορείς όπως μαθήματα, διαλέξεις σεμινάρια, συνέδρια, πολιτιστικά και αθλητικά δρώμενα. Μετάδοση unicast, οπότε χρησιμοποιείται streaming server του Ε ΕΤ ή Μετάδοση multicast, οπότε σύλληψη, κωδικοποίηση και εκπομπή της ροής εκτελούνται από τον εξοπλισμό του φορέα 27

28 Εφαρμογές Πιλοτική υπηρεσία ψηφιακής τηλεόρασης: αναμετάδοση μέσω του δικτύου δεδομένων τηλεοπτικών προγραμμάτων (όπως της βουλής των Ελλήνων και της ΕΡΤ), την ανάδειξη διαδικτυακών εκπομπών που μεταδίδονται και ανακοινώνονται στο δίκτυο multicast (mbone gateway) και τη δημιουργία εικονικών καναλιών των οποίων η ροή συντίθεται από οπτικοακουστικό υλικό που παρέχεται ρχ από τους φορείς του Ε ΕΤ Μετάδοση multicast και Μετάδοση unicast για επιλεγμένα κανάλια 28

29 Εφαρμογές You Tube Υπηρεσία ζωντανών μεταδόσεων ξεκίνησε το You Tube τον Σεπτέμβριο του Τα ζωντανά βίντεο προβλήθηκαν στα κανάλια που διατηρούν στο You Tube τέσσερις εταιρείες διαδικτυακών πολυμέσων: η Young Hollywood, η Next Networks, η Howcast και το Rocketbottom. Χρησιμοποιώντας τεχνολογίες άλλων εταιρειών, το You Tube έχει μεταδώσει στο παρελθόν μια συναυλία των U2, παιχνίδια κρίκετ στην Ινδία καθώς και το πρώτο διάγγελμα του Μπάρακ Ομπάμα στο αμερικανικό λαό 29

30 Εφαρμογές 30

31 Δορυφορική ψηφιακή τηλεόραση ορυφορική τηλεόραση: Η εκπομπή και λήψη του τηλεοπτικού σήματος από επίγειους σταθμούς μεταξύ των οποίων ένας δορυφόρος δρα ως αναμεταδότης (λαμβάνει το σήμα από τη γη και το επανεκπέμπει στη γη) Αρχικά αναλογική δορυφορική τηλεόραση Σήμερα ψηφιακή δορυφορική τηλεόραση για την μετάδοση μέσω δορυφόρου του MPEG-2 Transport Stream Πρότυπα DVB-S, DVB-S2 31

32 Δορυφορική ψηφιακή τηλεόραση Πλεονεκτήματα Μειονεκτήματα Βασικότερο πλεονέκτημα: η μεγάλη περιοχή κάλυψης του δορυφόρου (μπορεί να εκτείνεται σε πολλές ηπείρους). Έτσι είναι δυνατή η λήψη προγραμμάτων και από άλλες χώρες, αλλά και η εκπομπή σε τηλεθεατές που βρίσκονται διασκορπισμένοι Βασικότερο μειονέκτημα: η πολύ μεγάλη απόσταση που διανύει το σήμα (> Km) η οποία το εξασθενεί πολύ. Γι αυτό απαιτείται ειδική εγκατάσταση στο δέκτη 32

33 Πρότυπα δορυφορικής ψηφιακής τηλεόρασης Σκοπός Σκοπός: Ο σκοπός ενός προτύπου δορυφορικής ψηφιακής τηλεόρασης είναι να θωρακίσει το MPEG-2 Transport Stream (όπως αυτό παράγεται από τον πολυπλέκτη) ώστε να ληφθεί σωστά παρόλα τα προβλήματα που παρουσιάζει η δορυφορική ζεύξη (απώλειες σήματος λόγω μεγάλης απόστασης, διαλείψεις και εξασθένηση του σήματος λόγω καιρικών φαινομένων, ατέλειες στο δορυφορικό αναμεταδότη κ.α.) 33

34 Πρότυπα δορυφορικής ρφρ ήςψηφ ψηφιακής τηλεόρασης Πρότυπο DVB-S (Digital Video Broadcasting) Σχεδιάστηκε για την εκπομπή και διανομή της ψηφιακής τηλεόρασης με πολλά προγράμματα και προγράμματα τηλεόρασης υψηλής ευκρίνειας (HDTV) Ο κύριος τύπος σήματος για τη δορυφορική τηλεόραση με ελεύθερη μετάδοση σήματος Περιοχή συχνοτήτων 10,7 έως 12,75 GHz ιαθέσιμος σε όλο τον κόσμο και ιδιαίτερα δημοφιλής στην Ευρώπη 34

35 Πρότυπα δορυφορικής ρφρ ήςψηφ ψηφιακής τηλεόρασης Πρότυπο DVB-S2 Το DVB-S2 προσφέρει μεγαλύτερη χωρητικότητα, αυξημένη αντοχή σε θόρυβο και διαλείψεις, μεγαλύτερη ευελιξία μεταφέρει όχι μόνο MPEG -2 TS αλλά οποιοδήποτε ψηφιακό σήμα. Υποστηρίζει έτσι ένα πλήθος υπηρεσιών, όχι μόνο τηλεόραση Και τα δύο είναι Ευρωπαϊκά Πρότυπα προτυποποιημένα από τον ETSI (Ευρωπαϊκή οικογένεια προτύπων για ψηφιακή εκπομπή) 35

36 Ψηφιακή δορυφορική τηλεόραση (πλατφόρμες) NOVA ΕΤ1, ΝΕΤ, MEGA, ANT1, ALPHA, ALTER, TEMPO, MAD, FILMNET, FILMSAT, SUPERSPORT1, SUPERSPORT2, CNN, CARTOON, DISCOVERY, BBC WORLD, TRAVEL, ANIMAL PLANET, NOVA PROMO, NOVA CINEMA (PPV), Ρ/Φ ΣΤΑΘΜΟΙ, EPG, ΕΡΤ gigital Eπίγεια ψηφιακή πλατφόρμα σε σύστημα εκπομπής MPEG-2 DIGEA Eπίγεια ψηφιακή πλατφόρμα σε σύστημα εκπομπής MPEG-4 36

37 Αναφορές t g