Kỹ thuật truyền thông đa phương tiện và ứng dụng trong giảng dạy trực tuyến

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn Mẫu 3. Trang phụ bìa luận văn (title page) ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN KHOA CÔNG NGHỆ THÔNG TIN VŨ VĂN HÙNG KỸ THUẬT TRUYỀN THÔNG ĐA PHƯƠNG TIỆN VÀ ỨNG DỤNG TRONG GIẢNG DẠY TRỰC TUYẾN LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC MÁY TÍNH THÁI NGUYÊN - 2010 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn Mẫu 4. Trang bìa 1 tóm tắt luận văn thạc sĩ (khổ 140 x 200 mm) ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN KHOA CÔNG NGHỆ THÔNG TIN VŨ VĂN HÙNG KỸ THUẬT TRUYỀN THÔNG ĐA PHƯƠNG TIỆN VÀ ỨNG DỤNG TRONG GIẢNG DẠY TRỰC TUYẾN Chuyên ngành: Khoa học máy tính Mã số: 60.48.01 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC MÁY TÍNH NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS. PHẠM VIỆT BÌNH THÁI NGUYÊN - 2010 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan luận văn này do tôi tự nghiên cứu, tìm hiểu và tổng hợp từ nhiều nguồn tài liệu khác nhau. Luận văn tốt nghiệp là kết quả của quá trình học tập, nghiên cứu và thực hiện hoàn toàn nghiêm túc, trung thực của bản thân. Tất cả các tài liệu tham khảo đều có xuất xứ rõ ràng và được trích dẫn hợp pháp. Tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm về nội dung và sự trung thực trong luận văn tốt nghiệp Thạc sĩ của mình. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn DANH MỤC HÌNH Tên hình Trang Hình 1.1: Giao tiếp one-to-one qua cuộc gọi point-to-point 3 Hình 1.2: Giao tiếp one-many qua cuộc gọi point-to-point 3 Hình 1.3: Giao tiếp many-many qua cuộc gọi point-to-point 4 Hình 1.4: Video conference có nhiều bên tham gia qua cuộc gọi đa điểm (multipoint call) 5 Hình 1.5: Nhiều giáo viên cùng giảng một lớp học sử dụng video conference 6 Hình 1.6: Một giáo viên cùng giảng nhiều lớp học sử dụng video conference 6 Hình 1.7: Các nhân tố tạo nên chất lượng dịch vụ. 9 Hình 2.1: Các thành phần trong hệ thống H323 22 Hình 2.2: H323 TE 23 Hình 2.3: H.323/PSTNGateway 24 Hình 2.4: Các chức năng của Gateway 25 Hình 2.5: Chức năng của Gatekeeper 27 Hình 2.6 Các vị trí của MC và MP trong hệ thống H.323 28 Hình 2.7 Sơ đồ cấu trúc phân lớp 29 Hình 2.8 Gatekeeper tìm đường báo hiệu cuộc gọi 33 Hình 2.9 Báo hiệu cuộc gọi trực tiếp giữa các Endpoint 33 Hình 2.10 Thiết lập kênh điều khiển H.245 trực tiếp giữa các Endpoint 34 Hình 2.11: Các loại socket 35 Hình 2.12: Sự phụ thuộc giữa tỉ lệ mất gói tin với thời gian làm trễ việc chạy q. 47 Hình 2.13: Chèn thêm thông tin bổ xung là các gói tin tốc độ bit thấp vào gói tin bình thường 50 Hình 2.14: Cơ chế khôi phục gói tin bị mất theo kiểu xen kẽ. 51 Hình 3.1 Sơ đồ thuật toán của mô hình client-server 54 Hình 3.2 Mô hình mạng Peer to peer 55 Hình 3.3 Sơ đồ chi hệ thống 56 Hình 3.4 Biểu đồ usecase của tác nhân học 57 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn viên Hình 3.5 Biểu đồ usecase của tác nhân người dạy 57 Hình 3.6 Biểu đồ usecase cho tác nhân Server 58 Hình 3.7 Biều đồ trình tự module voice service 59 Hình 3.8 Biểu đồ trình tự module video service 60 Hình 3.9 Biểu đồ trình tự module desktop service 61 Hình 3.10 Biểu đồ trình tự chương trình chạy server 62 Hình 3.11 Cài đặt Silverlight 63 Hình 3.12 Cài đặt IIS 64 Hình 3.13 Ứng dụng server 64 Hình 3.14 Giao diện Module Voice Service 65 Hình 3.15 Giao diện truyền dẫn của module Video Service 66 Hình 3.16 Giao diện nhận hình ảnh của module Video Service 67 Hình 3.17 Giao diện chương trình truyền hình ảnh của màn hình 67 Hình 3.18 hình ảnh được trình chiếu từ màn hình của người truyền 68 Hình 3.20 Chọn lớp, phòng tương ứng với mỗi người 69 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn MỤC LỤC CHƢƠNG I: TỔNG QUAN TRUYỀN THÔNG ĐA PHƢƠNG TIỆN 3 1.1. Giới thiệu về truyền thông đa phƣơng tiện. 4 1.2. Phân loại ứng dụng truyền thông đa phƣơng tiện: 4 1.2.1. Truyền video và audio đã được lưu trữ trên server (streaming stored audio and video) 4 1.2.2. Truyền trực tiếp audio/video (Streaming live audio/video) 5 1.2.3. Ứng dụng tương tác audio/video thời gian thực: 5 1.2.4. Ứng dụng video conference 5 1.2.4.1. Meetings (họp) 6 1.2.4.2. Classroom (giảng dạy) 9 1.2.4.3. Các cơ chế sử dụng trong video conference 11 1.2.5. Các thành phần chất lượng dịch vụ trong ứng dụng mạng đa phương tiện và video conference nói riêng 11 1.2.5.1. Sự mất mát gói tin (packet loss) 11 1.2.5.2. Độ trễ end-to-end (end-to-end delay) 12 1.2.5.3. Jitter - Sự thăng giáng độ trễ 12 1.3. Nén dữ liệu audio/video 14 1.3.1. Một số kĩ thuật nén audio 14 1.3.2. Nén video 18 1.4. Những vấn đề ảnh hƣởng đến chất lƣợng dịch vụ (QoS) của Multimedia 19 1.4.1. Khái niệm về đảm bảo chất lượng dịch vụ (QoS): 19 1.4.2. Ứng dụng đa phương tiện qua mạng 21 1.4.3. Các ứng dụng đa phương tiện mạng : 21 1.4.4. Ví dụ về các ứng dụng đa phương tiện: 21 1.4.5. Rào cản đối với multimedia trên mạng Internet 22 1.4.5.1 Đặc điểm truyền dữ liệu trên Internet hiện nay 22 1.4.5.2 Cách khắc phục: 23 CHƢƠNG II: KỸ THUẬT TRUYỀN THÔNG ĐA PHƢƠNG TIỆN 26 2.1. Kỹ thuật H323 26 2.1.1. Giới thiệu H323: 26 2.1.2. Các thành phần cơ bản của kỹ thuật H.323: 26 2.1.2.1. Các ưu điểm của H.323: 26 2.1.2.2. Kiến trúc hệ thống của H.323: 28 2.1.3 Sơ đồ cấu trúc phân lớp: 35 2.1.3.1.Video Codec: 35 2.1.3.2 Audio Codec: 36 2.1.3.3. Data Channel (Kênh dữ liệu): 36 2.1.4 Điều khiển hệ thống 36 2.1.4.1. Chức năng điều khiển H.245: 36 2.1.4.2. Chức năng báo hiệu RAS H.225.0: 37 2.1.4.3. Chức năng báo hiệu cuộc gọi H.225.0: 38 2.2. Kỹ thuật lập trình socket và công nghệ Silverlight 41 2.2.1. Lập trình socket 41 2.2.2 Silverlight 45 2.2.2.1 Định nghĩa Silverlight 45 2.2.2.2 Đặc tính của Silverlight 45 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 2.2.2.3 Kiến trúc tổng thể và các mô hình lập trình của Silverlight 46 2.2.2.4 Khả năng hỗ trợ trình duyệt, hệ điều hành và các công nghệ liên quan 49 2.3. Kỹ thuật làm tăng chất lƣợng dịch vụ cho ứng dụng đa phƣơng tiện 50 2.3.1. Những nhược điểm của mạng IP với dịch vụ cố gắng tối đa (best effort) 50 2.3.2. Sử dụng giao thức UDP ở tầng giao vận 50 2.3.3. Cơ chế loại bỏ jitter ở phía nhận 51 2.3.3.1. Làm trễ việc chơi với thời gian cố định (fixed playout delay) 52 2.3.3.2. Làm trễ thời gian thích nghi (adaptive playout delay) 53 2.3.4. Khôi phục các gói tin bị mất tại phía nhận 55 2.3.4.1. FEC 55 2.3.4.2. Cơ chế xen kẽ (interleaving) 56 2.3.4.3. Cơ chế khôi phục gói tin bị mất chỉ dựa trên phía nhận (receiver- based) 57 CHƢƠNG III: XÂY DỰNG ỨNG DỤNG 59 3.1. Phân tích thiết kế chƣơng trình 59 3.1.1 Giới thiệu bài toán 59 3.1.2 Phân tích 59 3.1.2.1 Mô hình Client/Server 59 3.1.2.2 Mô hình Peer to Peer 60 3.1.3. Thiết kế 61 3.1.3.1. Sơ đồ hệ thống. 61 3.1.3.2 Biểu đồ Usecase 62 3.1.4 Biểu đồ trình tự 64 3.1.4.1 Biểu đồ trình tự của chức năng truyền nhận âm thanh 64 3.1.4.1 Biểu đồ trình tự của chức năng truyền nhận hình ảnh 65 3.1.4.3 Biểu đồ trình tự của chức năng truyền nhận desktop 66 3.1.4.4 Biểu đồ trình tự của server 67 3.2. Kết quả của chƣơng trình 68 3.2.1. Cài đặt chương trình 68 3.2.1.1. Cài đặt Silverlight 68 3.2.1.2Cài đặt IIS 69 3.2.2 Kết quả chương trình 70 3.2.2.1. Khởi tạo Server 70 3.2.2.2. Voice Service 71 3.2.2.3. Video Service 72 3.2.2.4. Desktop Service 73 3.2.2.5 Text Chat 74 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn MỞ ĐẦU Ngày nay, truyền thông nói chung, và truyền thông đa phương tiện nói riêng đang rất được quan tâm, bởi tính thực tiễn và kinh tế. Nhờ có truyền thông đa phương tiện con người trao đổi thông tin từ xa thông qua văn bản, hình ảnh và âm thanh. Bên cạnh đó, mạng máy tính đã và đang phổ biến trong cơ quan, doanh nghiệp, nên ứng dụng mạng như chia sẻ dữ liệu, phần mềm trực tuyến ngày càng được ưa chuộng và trở thành yếu tố không thể thiếu trong xã hội thông tin hiện đại. Bởi vậy, việc nghiên cứu kỹ thuật truyền thông nói chung, truyền thông đa phương tiện nói riêng nhằm làm chủ và tạo nền tảng phát triển ứng dụng truyền thông mạng như dạy học trực tuyến đang trở thành chủ đề nghiên cứu của nhiều tổ chức nghiên cứu trong và ngoài nước. Luận văn gồm 3 chương: Chƣơng I: Tổng quan về truyền thông đa phƣơng tiện Chương này giới thiệu về truyền thông đa phương tiện, phân loại ứng dụng truyền thông đa phương tiện và những vấn đề ảnh hưởng đến chất lượng dịch vụ truyền thông đa phương tiện Chƣơng II: Kỹ thuật truyền thông đa phƣơng tiện Trong chương này nghiên cứu một số kỹ thuật trong truyền thông đa phương tiện như H323, kỹ thuật lập trình Socket, công nghệ Silverlight Chƣơng III: Xây dựng ứng dụng Chương này trình bày về ứng dụng một số kỹ thuật đã nghiên cứu để thiết kế chương trình và cài đặt và cấu hình hệ thống. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn CHƢƠNG I: TỔNG QUAN TRUYỀN THÔNG ĐA PHƢƠNG TIỆN 1.1. Giới thiệu về truyền thông đa phƣơng tiện. 1.1.1 Khái niệm Hệ mang tin phương tiện là hệ thống cung cấp tích hợp các chức năng lưu trữ, truyền dẫn và trình diễn các kiểu phương tiện mang tin rời rác (văn bản, đồ hoạ, ảnh…) và liên tục (audio, video) trên máy tính. Các kiểu media trong hệ thống đa phương tiện gồm: - Media độc lập với thời gian: thông tin không liên quan gì đến việc định thời luồng dữ liệu, ví dụ như văn bản, đồ hoạ, ảnh. - Media phụ thuộc thời gian: thông tin có quan hệ chặt chẽ với thời gian, phải được trình diễn tới người sử dụng vào những thời điểm xác định.ví dụ: animation, audio, video, game online. Hệ thống đa phương tiện cũng là hệ thống thời gian thực. 1.2. Phân loại ứng dụng truyền thông đa phƣơng tiện: Chúng ta có thể chia các ứng dụng mạng đa phương tiện thành 3 lớp lớn. 1.2.1. Truyền video và audio đã đƣợc lƣu trữ trên server (streaming stored audio and video) Trong lớp ứng dụng này, client yêu cầu các file audio, video đã được nén và được lưu trữ trên server. Các file audio có thể là: bài giảng, bài hát …. Các file video có thể là: phim, clips…. Tại một thời điểm nào đó, client yêu cầu file audio, video từ server. Trong hầu hết các ứng dụng loại này, sau một thời gian trễ vài giây, client sẽ chạy file audio, video trong khi tiếp tục nhận file từ server. Đặc tính vừa chạy file, trong khi tiếp tục nhận những phần sau của file gọi là streaming . Nhiều ứng dụng còn cung cấp tính năng tương tác người dùng (user interactivity). Ví dụ: pause, resume, jump, skip. Khoảng thời gian từ lúc người dùng đưa ra yêu cầu (play, skip, forward, jump) tới khi bắt đầu nghe thấy trên máy client nên nằm trong khoảng từ 1 – 10 giây để người dùng có thể chấp nhận được. Yêu cầu đối với độ trễ và thăng giáng độ trễ - jitter của ứng dụng loại này không chặt chẽ bằng ở trong ứng dụng thời gian thực như : điện thoại internet, video conference thời gian thực. Hiện nay có các chương trình hỗ trợ streaming stored audio/video như: RealPlayer, Netshow …. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 1.2.2. Truyền trực tiếp audio/video (Streaming live audio/video) Các ứng dụng loại này cũng tương tự như phát thanh và truyền hình quảng bá (broadcast) truyền thống chỉ có điều nó được thực hiện trên internet. Nó cho phép người dùng nhận được audio/video trực tiếp được phát ra từ bất kỳ nơi nào trên thế giới. Trong lớp ứng dụng mạng đa phương tiện loại này, audio/video được truyền trực tiếp, không được lưu trữ trên server như loại ứng dụng mạng đa phương tiện đã nói ở trên, client không thể tương tác người dùng như: pause, forward, rewind, … Tuy nhiên, nếu các file audio/video được lưu giữ cục bộ tại các client, một số ứng dụng có thể pause, rewind…. Truyền hình, phát thanh trực tiếp thường được phát broadcast tới nhiều client qua kĩ thuật multicast hoặc qua nhiều luồng unicast riêng. Hạn chế về thời gian trễ (độ trễ) của truyền hình, phát thanh trực tiếp là khắt khe hơn các ứng dụng truyền audio/video được lưu trữ; Độ trễ tới 10 giây là có thể chấp nhận được. 1.2.3. Ứng dụng tƣơng tác audio/video thời gian thực: Lớp ứng dụng này cho phép mọi người dùng audio, video để tương tác thời gian thực với người dùng khác. Một ví dụ về audio tương tác thời gian thực là điện thoại internet. Nó cung cấp dịch vụ điện thoại với giá rất rẻ so với dịch vụ điện thoại truyền thống nhưng bù vào đó là chất lượng không được tốt và ổn định như điện thoại truyền thống. Với tương tác video thời gian thực, còn gọi là video-conferenceing, mọi người có thể giao tiếp với nhau một cách rất trực quan. Trong các ứng dụng tương tác audio/video thời gian thực thì độ trễ nên nhỏ hơn vài trăm miligiây. Ví dụ với âm thanh: độ trễ nên nhỏ hơn 400 ms. 1.2.4. Ứng dụng video conference Như đã đề cập ở trên, video conference là ứng dụng mạng đa phương tiện thuộc lớp thứ ba: ứng dụng tương tác thời gian thực. Đây là lớp ứng dụng đòi hỏi chất lượng dịch vụ mạng (độ trễ, jitter, sự mất mát gói tin) cao nhất trong ba lớp ứng dụng ở trên để thoả mãn nhu cầu của người dùng. Video conference hiện nay được sử dụng rộng rãi trong rất nhiều lĩnh vực: trong cuộc họp của các công ty, các tổ chức; trong giáo dục: đào tạo từ xa; trong y tế: khám chữa bệnh, phẫu thuật từ xa Sau đây là một số ứng dụng tiêu biểu của video conference. [...]... lượng dịch vụ H323 nằm trong bộ các khuyến nghị H32x cung cấp các dịch vụ truyền dữ liệu đa phương tiện qua các loại mạng khác nhau Một trong các ứng dụng của H323 chính là dịch vụ điện thoại IP và hội nghị đa truyền thông Đến nay, H323 đã phát triển thông qua hai phiên bản Phiên bản thứ nhất được thông qua vào năm 1996 và phiên bản thứ hai được thông qua vào năm 1998 ứng dụng vào chuẩn này rất rộng... nhất định Kiến trúc mạng truyền thống vốn được thiết kế chính cho truyền dữ liệu không phù hợp lắm với các ứng dụng đa phương tiện Chúng ta sẽ tìm hiều các nỗ lực mở rộng internet để hỗ trợ cho ứng dụng đa phương tiện 1.4.3 Các ứng dụng đa phƣơng tiện mạng : Hai đặc tính của ứng dụng đa phương tiện mạng là: chấp nhận mất mát dữ liệu , yêu cầu độ trễ nhỏ (delay sensitive) Ngược lại với các dịch vụ như... một ứng dụng, có các mức chất lượng dịch vụ : QoS yêu cầu: là QoS tối thiểu mà ứng dụng yêu cầu, nếu dưới giá trị này thì ứng dụng là không chấp nhận được QoS mong muốn là QoS cực đại mà ứng dụng yêu cầu Phải cân đối giữa chi phí QoS và giá thành Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 1.4.2 Ứng dụng đa phƣơng tiện qua mạng Ngày nay các ứng dụng đa phương tiện. .. bị hoạt động độc lập cũng như ứng dụng truyền thông nhúng trong môi trường máy tính cá nhân, có thể áp dụng cho đàm thoại điểm điểm cũng như cho truyền thông hội nghị H323 còn bao gồm cả chức năng điều khiển cuộc gọi, quản lí thông tin đa phương tiện và quản lí băng thông và đồng thời còn cung cấp giao diện giữa mạng LAN và các mạng khác 2.1.2 Các thành phần cơ bản của kỹ thuật H.323: 2.1.2.1 Các ƣu... nén và truyền audio/video Hiện tại có 3 chuẩn đã được công bố liên quan tới nén video là : MPEG1, MPEG2, MPEG4 Chuẩn mới nhất là MPEG4 đang ở phiên bản 2 và đang được tiếp tục phát triển Có 2 chuẩn khác là MPEG7 (mô tả nội dung đa phương tiện, metadata) và MPEG21 (mô tả framework cho đa phương tiện) không đóng vai trò quan trọng trong ứng dụng video conference Bảng sau đây tổng kết các định dạng và. .. vẹn của dữ liệu mới là quan trọng 1.4.4 Ví dụ về các ứng dụng đa phƣơng tiện: Chúng ta tìm hiều về 3 lớp lớn của các ứng dụng đa phương tiện: • Truyền video và audio đã được lưu trữ (streaming stored audio and video): Trong lớp ứng dụng này, các client yêu cầu các file audio, video đã được nén và được lưu trữ trên server Các file audio có thể là: bài giảng, bài hát … Các file video có thể là: các đoạn... trình điều khiển đa điểm chuyên dụng nào, nhưng việc sử dụng MCU (Multipoint Control Unit – trình điều khiển đa điểm) sẽ cung cấp một kiến trúc mạnh và linh hoạt hơn cho hội nghị kiểu nhiều kết nối • Quản lý đƣợc băng thông: Việc truyền các dữ liệu truyền thông đa phương tiện đòi hỏi băng thông rất lớn và có thể làm nghẽn mạch Để giải quyết vấn đề này, H.323 đưa ra trình quản lý băng thông Nhân viên... một số ứng dụng phổ biến như: điện thoại IP, Internet radio, video conferencing, truyền hình theo yêu cầu… Yêu cầu về chất lượng dịch vụ của chúng khác so với các ứng dụng hướng dữ liệu truyền thống như: web text/image, email, ftp, dns … Các ứng dụng đa phương tiện yêu cầu độ trễ nhỏ và có thể chịu mất mát dữ liệu ở một mức độ nhất định Kiến trúc mạng truyền thống vốn được thiết kế chính cho truyền. .. http://www.lrc-tnu.edu.vn CHƢƠNG II: KỸ THUẬT TRUYỀN THÔNG ĐA PHƢƠNG TIỆN 2.1 Kỹ thuật H323 2.1.1 Giới thiệu H323: H323 là một chuẩn quốc tế về hội thoại trên mạng được đưa ra bởi hiệp hội viễn thông quốc tế ITU (International Telecommunication Union) Chuẩn H323 của ITU xác định các thành phần, các giao thức, các thủ tục cho phép cung cấp dịch vụ truyền dữ liệu đa phương tiện (multimedia) audio, video,... thể lấy dữ liệu trước trong khi đang chạy khi bộ nhớ và băng thông phía client là sẵn sàng Có thể gửi thông tin dư thừa theo các thuật toán sửa lỗi để giảm bớt việc mất gói tin… 1.4.5.2 Cách khắc phục: Ngày nay, việc cải tiến internet để hỗ trợ tốt hơn việc truyền thông đa phương tiện là một vấn đề rất lớn Một số nhà nghiên cứu cho rằng: không cần thay đổi dịch vụ cố gắng tối đa và các giao thức bên . thông đa phƣơng tiện Chương này giới thiệu về truyền thông đa phương tiện, phân loại ứng dụng truyền thông đa phương tiện và những vấn đề ảnh hưởng đến chất lượng dịch vụ truyền thông đa phương. truyền thông đa phương tiện Chƣơng II: Kỹ thuật truyền thông đa phƣơng tiện Trong chương này nghiên cứu một số kỹ thuật trong truyền thông đa phương tiện như H323, kỹ thuật lập trình Socket,. CHƢƠNG I: TỔNG QUAN TRUYỀN THÔNG ĐA PHƢƠNG TIỆN 3 1.1. Giới thiệu về truyền thông đa phƣơng tiện. 4 1.2. Phân loại ứng dụng truyền thông đa phƣơng tiện: 4 1.2.1. Truyền video và audio đã được