kỹ thuật video treaming

Phát truyền hình HỌC VIỆN CƠNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG - - TIỂU LUẬN MÔN PHÁT THANH TRUYỀN HÌNH ĐỀ TÀI: KỸ THUẬT VIDEO TREAMING Phát truyền hình Phát truyền hình LỜI NÓI ĐẦU Trong ngày đầu phát triển ứng dụng đa phương tiện, khoảng cuối nửa thập niên 90, việc xem video mạng gần điều Ngày nay, với bùng nổ Internet, ứng dụng đa phương tiện có video streaming trở thành nhu cầu khơng thể thiếu nhiều cư dân mạng Tuy nhiên Để phát triển ứng dụng video streaming tốt gặp phải nhiều vấn đề Ứng dụng video streaming đòi hỏi nhiều băng thơng u cầu độ trễ Chính cần phải có phương pháp phân phát video đường truyền hợp lý IP multicast với khả tối ưu hóa đường truyền giải pháp cho vấn đề Tuy nhiên việc triển khai IP multicast lại tốn đòi hỏi tồn mạng phải có Router đắt tiền, chun dụng Điều hồn tồn khơng khả thi mạng diện rộng Internet Triển khai multicast tầng ứng dụng với việc khơng làm thay đổi hạ tầng mạng phía giải pháp thay hữu hiệu cho IP multicast Hiện , giới phát triển nhiều phương pháp truyền tin multicast tầng ứng dụng khác Trong truyền tin multicast dựa mạng ngang hang hứa hẹn có nhiều ưu điểm Đặc thù truyền tin multicast phải tạo moont multicast tối ưu, có liên kết chặt chẽ node với nhau, có khả phục hồi lỗi nhanh Mạng ngang hang có cấu trúc hồn tồn đáp ứng yêu cầu với việc node liên kết với thuật tốn cụ thể Nhóm sinh viên Phát truyền hình I TỔNG QUAN VỀ DỊCH VỤ LUỒNG VIDEO QUA MẠNG INTERNET Giới thiệu video streaming Video loại liệu đa phương tiện quan trọng phục vụ cho truyền thơng cho nhu cầu giải trí người nhiều thập niên Trong thời kỳ đầu video xử lý truyền dạng tín hiệu tương tự (analog) Với phát triển không ngừng mạch điện tử máy tính dẫn đến việc số hóa video mở cách mạng nén truyền thông video Sự phát triển phổ biến Internet năm 90 định hướng truyền thơng video qua mạng chuyển mạch gói best-effort (nỗ lực tối đa) Video qua mạng qua mạng Internet gặp phải nhiều yếu tố bất lợi băng thơng, độ trễ, biến động trễ hay gói tin, với số vấn đề làm để chia tài nguyên mạng luồng hay làm triển khai hiệu phương thức truyền thông - nhiều (truyền liệu từ nguồn đến nhiều đích lúc) Chính vậy, mục tiêu việc xây dựng ứng dụng video streaming phải thiết kết hệ thống phân phối video chất lượng cao đáng tin cậy qua mạng Internet Streaming video kỹ thuật sử dụng phổ biến ứng dụng mạng Rất nhiều địa ứng dụng rộng rãi thực tế như: phần mềm (media player, web browser, ) máy khách truy cập xem video từ máy chủ theo mơ hình server/client; ứng dụng hội họp trực tuyến, đào tạo từ xa; giám sát, điều khiển từ xa qua hình ảnh thời gian thực, v.v Trong có nhiều ứng dụng sử dụng hệ thống nhúng triển khai kỹ thuật Video streaming định nghĩa “dòng chảy” video, nghĩa liệu video truyền liên tục từ nguồn đến đích Ý tưởng video streaming chia video thành frame, sau liên tục truyền frame bên nhận thị phần video nhận mà khơng phải đợi tồn video truyền xong Quá trình tuân thủ chặt chẽ ràng buộc theo thời gian, nói khác tuân thủ chặt chẽ theo giao thức RTSP, RTP RTCP Ban đầu liệu video audio gốc nén lại thông qua nén liệu, lưu trữ thiết bị lưu trữ bên server Sau đó, có u cầu từ client server lấy liệu tương ứng nén lại thiết bị lưu trữ, chuyển giao tới cho phận điều khiển chất lượng dịch vụ tầng ứng dụng Bộ phận tùy vào yêu cầu ứng dụng, tình trạng mạng để tạo dòng lưu lượng hợp lý, sau đẩy luồng liệu xuống cho tầng giao vận Các giao thức tầng giao vận có trách nhiệm gửi liệu thơng qua Internet tới client Khi gói tin lưu chuyển mạng, mát có độ trễ lớn mạng bị tắc nghẽn Các dịch vụ hỗ trợ truyền thơng đa phương tiện (ví du caching…) triển khai để hỗ trợ chất lượng video Khi gói tin đến client thành cơng, truyền lên tầng giao vận, tiếp phận điều khiển chất lượng dịch vụ tầng ứng dụng Sau chúng giải mã liệu gốc ban đầu, để sử dụng liệu cần phải sử dụng đến đồng hóa đa phương tiện để đồng video audio cách chuẩn xác Phát truyền hình Vậy tức hệ thống video streaming cần thiết phải có sáu thành phần tương ứng với sáu bước tao tác trên, ta cụ thể thành phần Kỹ thuật streaming video Các bước thực kỹ thuật streaming video Phần mềm máy khách (media player, web browser, ) cần kết nối xác định file video máy streaming server muốn xem - Yêu cầu streaming file video gửi tới streaming server để tìm file video - Chương trình thực streaming chạy máy streaming server chia file video thành frame gửi frame tới máy yêu cầu sử dụng giao thức ràng buộc thời gian (RTSP, RTP, RTCP) - Chương trình thực streaming chạy máy streaming server chia file video thành frame gửi frame tới máy yêu cầu sử dụng giao thức ràng buộc thời gian (RTSP, RTP, RTCP) Một số khái niệm sử dụng streaming video - Streaming video (luồng video) thực chất trình truyền frame file video tới người nhận - Demand streaming (stream theo yêu cầu) trình streaming file video có sẵn ( lưu ổ cứng ) tới người nhận - Live streaming (stream từ nguồn tạo video) trình streaming trực tiếp từ frame video tạo từ thiết bị thu nhậnvideo (như camera ) tới người nhận - H.264 , VP8 thuật tốn mã hóa cho luồng video - Bitstream khái niệm ám luồng video từ máy chủ streaming tới máy khách nhận frame video dựa vào giao thức MMS hayRTP - Codec: thuật ngữ ám chung cho thuật toán mã hóa đường truyền q trình streaming audio hay video - RTSP (Real Time Streaming Protocol) giao thức mạng điều khiển trình streaming video hay streaming audio - RTP (Real-time Transport Protocol ) giao thức chuẩn định dạng cho gói tin (packet) video hay audio truyền mạng - Phát truyền hình II CẤU TRÚC ỨNG DỤNG VIDEO TREAMING Cấu thành nên hệ thống video streaming gồm có yếu tố bản: Cơ chế nén video, Cơ chế điều khiển chất lượng dịch vụ tầng ứng dụng, Dịch vụ phân phối phương tiện, Máy chủ streaming, Cơ chế đồng liệu Giao thức dành cho video streaming Hình cho ta thấy mối liên hệ yếu tố với Hình 1: Cấu trúc ứng dụng streaming video Cơ chế nén video Dữ liệu video gốc cần phải nén trước truyền nhằm tiết kiệm băng thông Đồng thời, liệu nhận client phải thực thao tác giải nén để thu liệu gốc Có hai kiểu nén liệu phương pháp nén không mở rộng nén mở rộng Trong phương pháp nén không mở rộng, liệu thu sau nén chuỗi bit Chuỗi bit gửi tới bên nhận, sau q trình giải nén thực thi chuỗi bit kết thu liệu tương ứng với liệu gốc bên gửi Trong phương pháp nén mở rộng, liệu gốc chia thành luồng con, có luồng gọi luồng bản, thực trình giải nén khơng phụ thuộc vào luồng khác, cung cấp chất lượng video dạng thô Các luồng khác gọi luồng mở rộng, việc giải nén chúng phải phụ thuộc vào luồng bản, chúng cung cấp chất lượng video tốt Luồng toàn phần (kết hợp tất luồng) cung cấp chất lượng video tốt Ví dụ H.264/SVC… Cơ chế điều khiển chất lượng dịch vụ tầng ứng dụng Phát truyền hình Để đối phó với biến thiên tài nguyên mạng để cung cấp chất lượng hình ảnh thay đổi theo người dùng, nhiều kỹ thuật điều kiển chất lượng dịch vụ tầng ứng dụng đưa Kỹ thuật bao gồm điều khiển tắc nghẽn điều khiển lỗi Điều khiển tắc nghẽn triển khai để ngăn ngừa việc gói tin giảm độ trễ Cơ chế dựa điều khiển tốc độ truyền (rate control) định hình tỉ lệ (rate shaping) Điều khiển tốc độ truyền kỹ thuật để giảm thiểu cách nhỏ tắc nghẽn, cách điều chỉnh tốc độ truyền video dựa vào tình trạng thời mạng Có ba loại điều khiển tốc độ truyền là: vào bên gửi, vào bên nhận, kết hợp bên gửi nhận Mục tiêu định hình tỷ lệ cân đối tỷ lệ tốc độ truyền luồng liệu trước nén tốc độ thời mạng Bởi tốc độ video lưu máy chủ khơng phù hợp với băng thơng thời mạng Bộ định hình tỷ lệ sử dụng trường hợp phương pháp điều khiển tắc nghẽn phương pháp vào bên gửi Điều khiển lỗi cải thiện chất lượng hình ảnh có gói tin bị Nó bao gồm bốn chế chính: FEC (Forward Error Correction), Truyền lại (Retransmission), Mã hóa đàn hồi ( Error- Resilient Encoding) Che dấu lỗi (Error Concealment) Dịch vụ phân phối phương tiện Được xây dựng Internet (giao thức IP), dịch vụ phân phối video đường truyền cho phép đạt QoS (Chất lượng dịch vụ) hiệu cho việc phân phối video qua mạng Internet Nó bao gồm chế lọc liệu tầng mạng, multicast tầng ứng dụng nhân nội dung Lọc liệu tầng mạng: Như kĩ thuật điều khiển tắc nghẽn, lọc liệu tầng mạng cố gắng đạt chất lượng truyền thông tối đa điều kiện mạng tắc nghẽn Bộ lọc máy chủ truyền thơng điều chỉnh tỷ lệ truyền video streaming theo tình trạng mạng Tuy nhiên, máy chủ bận nên không điều khiển được, nhà cung cấp dịch vụ cung cấp lọc mức mạng Multicast tầng ứng dụng: Các thiết kế trước cho video streaming Internet thích hợp với cách truyền thơng unicast ( điểm- điểm) email, trao đổi file trình duyệt Web, khó hỗ trợ hiệu với việc truyền nội dung lớn Chính mà chế truyền multicast dần thay với ưu điểm vượt trội Nó giảm tải cho máy chủ node mạng đóng vai trò nhận liệu đồng thời nguồn để tiếp tục truyền liệu sang node khác Nhân nội dung: Một kĩ thuật quan trọng cho nâng cao độ mở rộng hệ thống truyền thông việc nhân nội dung Nhân nội dung có hai loại: lưu trữ phản chiếu Cả hai loại tìm nội dung máy khác gần có ưu điểm:  Giảm sử dụng băng thơng kết nối mạng  Giảm tải máy chủ truyền thông  Giảm độ trễ máy khách Phát truyền hình  Tăng độ sẵn có Máy chủ streaming Máy chủ streaming đóng vai trò quan trọng việc cung cấp dịch vụ streaming Máy chủ streaming yêu cầu phải xử lý liệu video với buộc thời gian, đồng thời hỗ trợ hoạt động điều khiển VCR Một server streaming gồm hệ thống con: Bộ truyền tin (Communicator), Hệ điều hành, Hệ thống lưu trữ Bộ truyền tin: Nó tham gia vào tầng ứng dụng giao thức giao vận thực máy chủ Thơng qua truyền, máy khách giao tiếp với máy chủ nhận nội dung đa phương tiện cách liên tục đồng Hệ điều hành: Khác với hệ điều hành thông thường, hệ điều hành cho máy chủ luồng cần phải có thời gian thực an toàn cho ứng dụng luồng Hệ thống lưu trữ: Phải hỗ trợ lưu trữ truyền thông liên tục truy cập Cơ chế đồng liệu Với chế đồng bộ, ứng dụng bên nhận hiển thị video gần giống khởi tạo bên gửi Một ví dụ chế đồng cử động mơi người nói phải phù hợp với tiếng nói họ phát Giao thức dành cho video streaming Giao thức thiết kế chuẩn hóa cho truyền thông máy khách máy chủ streaming Giao thức chia làm loại: Giao thức lớp mạng, Giao thức lớp truyền tải Giao thức lớp điều khiển phiên Phát truyền hình III MỘT SỐ GIAO THỨC TRONG VIDEO STREAMING Giao thức RTSP RTSP (Real Time Streaming Protocol) giao thức điều khiển mạng thiết kế để sử dụng giao tiếp máy client máy streaming server Giao thức sử dụng để thiết lập điều khiển phiên giao dịch máy tính (end points) Về hình thức giao thức RTSP có nét tương đồng với giao thức HTTP, RTSP định nghĩa tín hiệu điều khiển tuần tự, phục vụ cho việc điều khiển trình playback Trong giao thức HTTP giao thức khơng có trạng thái RTSP giao thức có xác định trạng thái Một định danh sử dụng cần thiết để theo dõi phiên giao dịch trình streaming video gọi số hiệu session Cũng giống HTTP, RTSP sử dụng TCP giao thức để trì kết nối đầu cuối tới đầu cuối thông điệp điểu khiển RTSP gửi máy client tới máy server Nó thực điều khiển lại đáp trả từ máy server tới máy client Cổng mặc định sử dụng giao thức 554 Để thực kỹ thuật streaming video theo giao thức RTSP thiết máy client phải gửi lên máy server ( streaming server) request sau phải theo trình tự định Đầu tiên, máy client sẻ gửi yêu cầu OPTIONS kèm với đường link trỏ tới file video cần xem tới máy server, để máy server chấp nhận đường link Hình 2: OPTIONS Request Nếu máy server trả mã chấp nhận đường link máy client tiếp tục gửi yêu cầu DESCRIBE tới máy server để máy server phân tích đường link Một yêu cầu DESCRIBE bao gồm đường link RTSP có dạng (rtsp:// ) kiểu liệu đáp trả từ phía server Cổng mặc định sử dụng cho giao thức RTSP 554 cổng sử dụng cho giao thức tầng giao vận UDP TCP Thông điệp đáp lại từ máy server cho yêu cầu DESCRIBE máy client bao gồm tin miêu tả chi tiết phiên giao dịch( Session Description Protocol – SDP) Ngồi thơng điệp trả từ máy server liệt kê đường link thích hợp tới file video cần chơi mà file video có trộn lẫn phụ đề âm Và điều quan trọng tin miêu tả phiên giao dịch streamid luồng video streamid luồng âm mà đoạn video có lồng âm vào frame Phát truyền hình Hình 3: DESCRIBE Request Sau máy client nhận thông điệp đáp trả từ máy server sau yêu cầu DESCRIPTION máy client tiếp tục gửi tiếp yêu cầu SETUP tới máy server Một yêu cầu SETUP cách mà dòng liệu ( single media stream ) bắt buộc phải truyền Và yêu cầu SETUP bắt buộc phải hoàn thành trước yêu cầu PLAY gửi từ máy client Yêu cầu SETUP bao gồm đường link tới file video cần streaming thông tin đặc tả cho phần giao vận Đặc tả bao gồm cổng có cổng cục máy client dành cho việc nhận cac gói tin RTP (audio video) cổng lại dùng để nhận gói tin RTCP ( meta information ) Máy server đáp trả lại xác nhận tham số lựa chọn, điền vào phần thiếu ví dụ máy server chọn lại cổng Mỗi luồng liệu cấu hình cụ thể sau yêu cầu SETUP hoàn tất trước máy client gửi yêu cầu PLAY 10 Phát truyền hình Hình 4: SETUP Request Sau hồn tất yêu cầu SETUP, cấu hình luồng liệu để chuẩn bị streaming, máy client gửi yêu cầu PLAY để thực truyền frame liệu thật từ máy server tới máy client , frame liệu lưu đệm máy client, frame giải mã ( decode ), hiển thị trình chơi file video âm ( VLC) Yêu cầu PLAY bao gồm đường dẫn trỏ tới file video cần phát giống yêu cầu trước Đường link đường tổng hợp ( để phát luồng liệu) môt đường link đơn lẻ ( phát luồng liệu ) Trong yêu cầu PLAY, máy client dải ( range) rõ cách cụ thể số hiệu frame bắt đầu gửi số hiệu frame kết thúc, Nếu không rõ tham số này, tồn frame gửi tới máy client Và luồng liệu có bị tạm dừng ( pause) luồng liệu phục hồi frame mà tạm dừng truyền Hình 5: Play Request Trong q trình streaming video, người dùng muốn tạm dừng trình streaming gửi yêu cầu PAUSE tới máy server, yêu cầu làm tạm dừng hay nhiều luồng liệu truyền frame máy client Máy server tạm dừng gửi frame liệu tới máy client Hình 6: Pause request 11 Phát truyền hình Trong trình streaming video, người dùng muốn dừng hẳn trình streaming gửi yêu cầu TEARDOWN để dừng truyền kết thúc phiên giao dịch giao thức RTSP Máy server đáp trả lại thông điệp xác nhận cho yêu cầu TEARDOWN dừng gửi frame tới máy client Hình 7: TEARDOWN Request Giao thức RTP RTP (Real-time Transport Protocol) định dạng gói tin RTP dùng để truyền luồng liệu video hay audio dựa địa IP RTP sử dụng phiên giao dịch hệ thống giải trí giao tiếp mà có triển khai kỹ thuật streaming video telephony, ứng dụng hội họp từ xa, hệ thống giám sát hình ảnh dựa IP RTP sử dụng kết hợp với giao thức RTCP ( RTP Control Protocol ) Trong đó, RTP sử dụng để đóng gói frame liệu ( audio video) để truyền luồng liệu RTCP sử dụng để giám sát chất lượng dịch vụ (QoS) để thống kê theo tiêu chí trình truyền tải Thường giao thức RTP sử dụng cổng có số hiệu chẵn giao thức RTCP sử dụng cổng có số hiệu lẻ RTP thiết kế cho trình streaming theo thời gian thực từ theo kiểu điểm tới điểm Giao thức cung cấp tiện ích để dò gói tin RTP hạn Trên thực tế, gói tin RTP sử dụng địa IP mạng để định danh máy tính gửi nhận RTP hỗ trợ truyền liệu tới nhiều điểm đích thơng qua địa IP multicast RTP phát triển tổ chức Audio / Video Transport tổ chức tiêu chuẩn IETF RTP sử dụng kết hợp với giao thức khác H.323 giao thức RTSP Chuẩn RTP định nghĩa cặp giao thức làm việc với RTP RTCP RTP sử dụng để truyền tải liệu đa phương tiện giao thức RTCP sử dụng để gửi thông tin điều khiển với tham số QoS Các giao thức thành phần: Đặc tả RTP gồm giao thức RTP RTCP 12 Phát truyền hình Giao thức truyền, RTP, quy định cách thức truyền liệu theo thời gian thực Thông tin cung cấp giao thức bao gồm thời gian đồng (timestamps), số thứ tự gói tin (phục vụ cho việc tìm gói tin bi lạc ) chi phí cho việc mã hóa định dạng liệu Giao thức điều khiển, RTCP sử dụng cho việc kiểm tra chất lượng (QoS) luồng liệu thực đồng luồng liệu So với RTP, băng thơng RTCP nhỏ hơn, vào cỡ 5% Một giao thức cho phép miêu tả liệu đa phương tiện không bắt buộc phải kèm theo giao thức miêu tả phiên ( Session Description Protocol – SDP) Phiên ( Session ): Một phiên RTP thiết lập cho luồng liệu Một phiên bao gồm địa IP với cặp cổng giao thức RTP RTCP Ví dụ, luồng video audio có phiên RTP khác nhau, bên nhận nhận cách riêng biệt liệu video audio thông qua cổng khác cho giao thức RTP RTCP Thường số hiệu cổng RTP số chẵn khoảng 1024 tới 65535 cổng RTCP số lẻ Hình vẽ hình ảnh header gói tin RTP Kích thước nhỏ header gói tin RTP 12 bytes Sau phần header chính, phần header mở rộng khơng cần thiết phải có phần header Chi tiết trường header sau: - - Version ( bits): Cho biết phiên giao thức Phiên phiên P (Padding) (1 bit) : Cho biết số byte mở rộng cần thêm vào cuối gói tin RTP Ví dụ trường hợp ta muốn sử dụng thuật tốn mã hóa, ta thêm vào số byte vào phần kết thúc gói tin để tiến hành mã hóa frame đường truyền X ( Extension) ( 1bit): Cho biết có thêm phần header mở rộng vào sau phần header hay không CC (CSRC Count) ( bit) : Chứa số định danh CSRC cho biết kích thước cố định header 13 Phát truyền hình - - M ( Marker) ( bit) : Cho biết mức ứng dụng định nghĩa profile Nếu thiết lập, có nghĩa liệu tính tốn chi phí cách thích hợp PT (Payload Type) ( bit) : Cho biết định dạng file video Đây đặc tả định nghĩa profile RTP Sequence Number (16 bits) : số hiệu frame Và tăng lên đơn vị cho gói tin RTP trước gửi sử dụng bên nhận để dò gói bị lạc phục hồi lại gói có số thứ tự Timestamp ( 32 bits): Được sử dụng thông báo cho bên nhận biết để phát lại frame khoảng thời gian thích hợp SSRC ( 32 bits): Định danh cho nguồn streaming Mỗi nguồn cho phép streaming video định danh phiên RTP 14 Phát truyền hình KẾT LUẬN Video streaming dịch vụ sử dụng phổ biến ứng dụng mạng Bài tiểu luận đưa nhìn khái quát luồng video qua mạng Internet, cấu trúc ứng dụng video streaming chồng giao thức cho luồng Video qua mạng qua mạng Internet gặp phải nhiều yếu tố bất lợi băng thông, độ trễ, biến động trễ hay gói tin, Vấn đề đặt làm để cung cấp dịch vụ luồng video quy mô lớn mà đảm bảo QoS mạng Internet 15 Phát truyền hình TÀI LIỆU THAM KHẢO Sabu M Thampi, “A Review on P2P Video Streaming”, Indian Institute of Information technology and management – Kerala, India Le CHANG, “A Survey on Modeling Peer to Peer Video Streaming Systems”, Victoria, BC, Canada C S Lin and M J Yan, “Service availability for P2P on-demand streaming with dynamic buffering ” in ICPADS’11, (2011) 16 ... dụng hệ thống nhúng triển khai kỹ thuật Video streaming định nghĩa “dòng chảy” video, nghĩa liệu video truyền liên tục từ nguồn đến đích Ý tưởng video streaming chia video thành frame, sau liên... bước thực kỹ thuật streaming video Phần mềm máy khách (media player, web browser, ) cần kết nối xác định file video máy streaming server muốn xem - Yêu cầu streaming file video gửi tới streaming... đồng video audio cách chuẩn xác Phát truyền hình Vậy tức hệ thống video streaming cần thiết phải có sáu thành phần tương ứng với sáu bước tao tác trên, ta cụ thể thành phần Kỹ thuật streaming video