Xây dựng hệ thống DVTS truyền video chất lượng cao báo cáo nghiên cứu khoa học

-1- Lời nói đầu Sự xuất hiện và phát triển của internet tới ngày này đã làm thay đổi hoàn toàn thế giới bởi những đóng góp to lớn của nó. Với những ngày đầu nó chỉ phục vụ cho mục đích quốc phòng của Mỹ vào cuối năm 1960 có tên là ARPANET, qua những năm phát triển sau đó internet được lan rộng và phục vụ cho mục đích dân sự. Với khả năng kết nối mở, Internet đã trở thành một m ạng lớn nhất trên thế giới, mạng của các mạng, chúng giao tiếp với nhau qua giao thức. Bởi chính tiện ích internet mang lại, do đó nhiều doanh nghiệp muốn triển khai định hướng kinh doanh trên internet để cung cấp các sản phẩm, dịch vụ cần thiết cho người dùng. Bên cạnh đó một số trường đại học, viện nghiên cứu, cũng cho ra đời nhiều ứng dụng giúp ích cho con người thuận tiện trong việc trao đổi thông tin từ xa. Hội nghị truyền hình trực tiếp là một ứng dụng cụ thể cho thành tựu nghiên cứu của trường đại học Keio, Nhật Bản chạy trên môi trường mạng. khắc phục khó khăn về mặt địa lí cũng như tiết kiệm thời gian và chi phí. Với kỹ thuật mới, ứng dụng giúp trao đổi giữa hai đầu truyền hình đạt chất lượng cao. Tại các b ệnh viện, hội chẩn đoán bệnh từ xa nhận ý kiến, thảo luận từ những bác sĩ giỏi trên thế giới qua cầu truyền hình, đưa ra phương pháp tối ưu nhất cho việc điều trị. Hội nghị này tạo điều kiện cho nhiều đơn vị, tổ chức, bệnh viên trao đổi kinh nghiệm, thắt chặt mối liên kết toàn cầu cùng nghiên cứu đư a ra giải pháp trong y khoa . Ngoài ra phục vụ cho các chương trình học từ xa và nhiều ứng dụng hơn nữa. Do sự phát triển ngày càng mạnh mẽ của khoa học và công nghệ tạo ra nhiều ứng dụng trong thực tiễn, chính vì vậy mô hình này cần chú trọng, nghiên cứu và phát triển lan rộng hơn nữa trong tương lai. - 2 - Chương 1: Tổng quan về hệ thống DVTS 1.1. Hội nghi truyền hình(video conferencing) Để có cuộc hội nghị, hội thảo, diễn đàn từ xa thì một trong những điều kiện không thể thiếu đó là cần phải có sự hỗ trợ của các phương tiện, thiết bị và công nghệ. Sử dụng các thiết bị chuyên dụng dành cho Hội nghị truyền hình (Video Conferencing) là một trong những giải pháp hữu hiệu. Tuy nhiên, thiết bị dành cho hội ngh ị truyền hình có giá thành cao, không phải đơn vị nào cũng có thể tự mua sắm riêng một bộ, số điểm truy cập từ xa cũng bị hạn chế, việc cài đặt, sử dụng phần mềm điều khiển cần được đào tạo hướng dẫn một thời gian khá dài trước khi có thể sử dụng thành thạo các thiết bị chuyên dụng đó. Một giải pháp đơ n giản và hiệu quả hơn được sử dụng phổ biến hiện nay ở nhiều Mạng Nghiên cứu và Đào tạo Quốc gia (NREN) ở các nước khác như: Hàn Quốc, Nhật Bản, Thái Lan, Trung Quốc, Đài Loan, Indonesia, Malaysia, Philippine, Úc, Tây Ban Nha…đó chính là sử dụng phần mềm Hệ thống truyền hình ảnh kỹ thuật số (Digital Video Transport System – DVTS) : Hệ thống đơn giản Kinh phí thấp Dễ sử dụng ( không cần đào tạo nhân lực) 1.2. Digital Video Transport System 1.2.1 Khái niệm Digital Video Transport System viết tắt DVTS là một phần mềm ứng dụng chạy trên đường truyền mạng máy tính 30Mbps không nén video để gửi và nhận hình ảnh, âm thanh chất lượng cao với độ trễ thấp. DVTS có thể chạy trên hệ điều hành khác nhau và hệ thống phân phối hình ảnh chất lượng bằng việc kết nố i DVTS với máy tính cá nhân thông qua cổng giao tiếp IEEE1394. - 3 - Hình 1.1: Minh họa phần mềm DVTS Qua quá trình nghiên cứu triển khai và ứng dụng thực tiễn khi tham gia vào các diễn đàn do CanalAVIST , trường Đại học Kyushu Nhật Bản tổ chức, có thể thấy một số ưu điểm của việc sử dụng DVTS đó là: - Cài đặt phần mềm đơn giản, không mất nhiều thời gian, có thể tải phần mềm về Internet; - Giao diện đơ n giản, dễ thao tác và sử dụng; - Các đơn vị thành viên, cá nhân có thể tham gia diễn đàn, hội nghị, hội thảo từ xa, đào tạo từ xa . - Hình ảnh được gửi đi và nhận đến có chất lượng cao…. - Âm thanh phải sử dụng âm li điều chỉnh âm thanh mới chất lượng tốt… - Phần mền không tự lưu trữ, việc lưu trữ phụ thuộc máy quay video. - Không tích hợp truyền text(chat). Tổng quan DVTS DV Mode Application HDV Mode Application Support IEEE1394 output  Not support IEEE1394 output Please use HDVout tool instead!! - 4 - - Có một khung hình nhận video. 1.2.2. Khả dụng của DVTS mang lại 1.2.2.1. Kết nối toàn cầu Thông qua đường truyền cáp quang băng thông rộng đã liên kết nhiều quốc gia và DVTS là cầu nối cho các chuyên gia cùng nhau chia sẽ thuộc nhiều phạm vi . Hình 1.2 : mô hình mạng nghiên cứu thế giới 1.2.2.2. Ứng dụng trên thế giới Phần mền DVTS ứng dụng rộng rãi: • Các trường Đại học bang Florida Sở Dance sử dụng DVTS " thực hiện hội nghị" • The New World Symphony sử dụng DVTS cho các chương trình học từ xa cho các nhạc sĩ và các lớp học thạc sĩ. • Trung tâm Excellence for Remote and Medically Under Served Areas sử dụng DVTS phục vụ cho giáo dục y tế. - 5 - • Nghiên cứu bệnh học tại Đại học Pennsylvania hệ thống y tế đang thử nghiệm với DVTS cho telemicroscopy. • DVTS cũng được sử dụng cho các sự kiện văn hóa khoa học, chẳng hạn như nở hoa arum Titan. 1.2.2.3. Ứng dụng mạng nghiên cứu và đào tạo VinaREN VinaREN là mạng Nghiên cứu và Đào tạo[7] Việt Nam hoạt động tháng 3-2008, mang lại nhiều lợi ích trong hoạt động nghiên cứu và đào tạo cho các đơn vị thành viên tham gia kết nối và sử dụng hệ thống DVTS. Một trong những lợi ích thiết thực và đem lại hiệu quả cao cho các thành viên đó chính là việc tổ chức tham gia vào các diễn đàn, hội nghị, hội thảo từ xa qua mạng VinaREN[2], mạng TEIN. Khi tổ chức tham gia các sự kiện, các kỹ sư công nghệ thông tin, các giáo sư, bác sĩ đến từ các trường đại học, bệnh viện trong n ước như: Đại học Bách Khoa Hà Nội, Đại học Thuỷ lợi, Đại học Y Hà Nội, Đại học Huế, Bệnh viện Trung ương Quân đội 108, Học viện Quân y, Bệnh viện Bạch Mai, Bệnh viện Nhi Trung ương, Bệnh viện Việt Đức,….đã có điều kiện được phổ biến thêm những kiến thức, kỹ thuật chuyên môn mới. Thông qua việc truyền nhận hình ảnh qua DVTS, các giáo s ư, bác sĩ của các bệnh viện đã có điều kiện tham gia các cuộc phẫu thuật nội soi được thực hiện trực tiếp tại các phòng mổ của các bệnh viện ở nước ngoài như: Prince of Wales Hospital, Hong Kong. Mạng VinaREN phối hợp với Bệnh viện 108 tổ chức tham gia sự kiện “International GI Endoscopy Live Demonstration” diễn ra tại Bangkok, Thailan. Tại sự kiện này, các bác sĩ của Việt Nam tiếp tục có dịp tham gia vào nh ững ca mổ được thực hiện trực tiếp tại các phòng mổ của các bệnh viện. Ngoài ra mạng VinaREN và một số đơn vị thành viên đã cùng phối hợp tổ chức thành công khi tham gia các diễn đàn, hội nghị, hội thảo từ xa với các tổ chức, các mạng nghiên cứu và đào tạo nước ngoài như: Về E-Learning: - 6 - - Diễn đàn CanalAVIST – ICT Forum, ngày 31/7 và 1/8/2008. Các nước tham gia: Việt Nam, Úc, Nhật Bản, Xingapo, Thái Lan. (http://www.canalavist.org/ict- forum). - Diễn đàn Asian School on Computer Science, ngày 16 và 17/11/2008. Các nước tham gia: Thái Lan, Việt Nam, Phillipin, Xingapo.( http://www.interlab.ait.ac.th/ascs/ ) Về Telemedicine: - Diễn đàn Medical, ngày 11 và 19/9/2008. Các nước tham gia:Việt Nam, Inđônêxia, Nhật Bản, Hàn Quốc, Malaixia, Thái Lan, Xingapo. (http://www.canalavist.org/med-forum ) - Hội thảo “23rd International WorkshoponTherapeutic Endoscopy” (với phần trình diễn “Live Demonstration of Endoscopy”, tổ chức ngày 9/12/2008. Các nước tham gia: Nhật Bản, Hồng Kông, Thái Lan, Đài Loan, Việt Nam. - Hội thảo chuyên đề “Tele-lecture of Laparoscopic Colo-Rectal Surgery” tại Hội nghi APAN lần thứ 27. (www.apan.net ). 1.3 Xây dựng mục tiêu Thực hiện hội nghị truyền hình(video conferencing) thì một trong những điều kiện không thể thiếu đó là cần phải có sự hỗ trợ của các phương tiện, thiết bị và công nghệ. Sử dụng những thiết bị chuyên dụng này là một trong những giải pháp tốt. Xong bên cạnh đó không phải đơn vị nào cũng trang bị cho riêng một bộ. Từ những khó khăn trang thiết bị nêu trên, đã đưa ra giải pháp xây dựng ra hệ thống Digital Video Transport System(DVTS) có thể truyền hình ảnh, âm thanh chất lượng cao với các mục tiêu chính như sau: - Chạy trên mạng internet: - kết nối từ camera: IEEE 1394, USB 2.0 camera. - kết nối sound on board. - Truyền text(chat). - Lưu trữ video. - Xem lại video. - 7 - Để thực hiện những mục tiêu đề ra ta cần tới một ứng dụng máy chủ RED5 đây là một máy chủ mã nguồn mở viết bẳng ngôn ngữ java đóng vai trò làm trung gian thực hiện công việc trung chuyển hình ảnh, âm thanh. Trên máy chủ Red5 này ta tạo ra gói AppServer phản hồi các kết nối từ client, lưu trữ video và sreaming video. Ngoài ra tạo một ứng dụng Client có tên LHDVTS viết bằng ngôn ngữ Mxml + ActionScript thực hiện công việc chính truyền, hiển thị hình ảnh, âm thanh nhận từ server, chat và xem lại video. Nghiên cứu các chuẩn nén :  Chuẩn nén âm thanh High Efficiency AAC(HE-AAC) Hình 1.3: mô hình tích hợp chuẩn nén HE-AAC  Chuẩn nén hình ảnh Moving Picture Experts Group/H264(MPEG- 4/H264) Hình 1.4: mô hình chia nhỏ hình ảnh cosine trong MPEG-4/H264 - 8 -  Giao thức truyền thời gian thực RTMP(Real Time Messaging protocol) - RTMP chạy trên TCP với port 1935. - RTMP chạy đường hầm trên kết nối HTTP port 80. - RTMPS là RTMPT kết nối bảo mật sử dụng cho HTTPS. RTMP ở chế độ tiêu chuẩn RTMP ở chế độ đường hầm Hình 1.5: gói tin rtmp được cắt nhỏ trong các dạng đường truyền. - 9 - Chương 2 Mô hình hệ thống và máy chủ Red5 2.1. Mô hình hệ thống 2.1.1. Mô hình Peer to Peer Hình 2. 1: Mô hình Peer to Peer trong DVTS Mô hình Peer to Peer được sử dụng bởi một số phần mềm cung cấp dịch vụ video như Skype, DVTS, … Có nhiều giải pháp cho mô hình Peer to Peer, trong đó DTVS là một hệ thống cho phép chuyển phát hình ảnh, âm thanh giữa các nơi sử dụng mô hình này bằng địa chỉ IP Multicast (như trong hình). Ưu điểm chủ yếu của mô hình này là khả năng tận dụng các máy đầu cuối. Tuy nhiên nhược điểm của nó là không thể quản lý được người dùng nếu ở mô hình Peer to Peer truyền thống. Do đó việc áp dụng rộng rãi mô hình này gặp nhiều khó khăn cho những tổ chức nhỏ. - 10 - 2.1.2. Mô hình Client – Server Hình 2.2: Mô hình Client – Server Mô hình Client – Server là một mô hình thông dụng được sử dụng bởi các nhà cung cấp dịch vụ video nổi tiếng như Yahoo, Youtube,… • Mô hình này có nhiều ưu điểm: - Khả năng đáp ứng nhanh: người dùng có thể kết nối đến server dễ nhành để nhận được sự cung cấp dịch vụ. - Dễ dàng cho việc thi công và cung cấp dịch vụ: nhà cung cấp dịch vụ chỉ cần thiết kế server quản lý và cung cấp dịch vụ của mình. Sau đó để đưa tới tay người sử dụng thì chỉ cần sử dụng thêm tên miền hoặc địa chỉ IP là có thể sẫn sàng đáp ứng dịch vụ cho người dùng. - Dễ dàng quản lý truy cập của người dùng. • Nhược điểm chủ yếu của mô hình này là : - Dễ dàng bị quá tải do số người truy cập tăng. Tuy nhiên có thể giả i quyết vấn đề này bằng cách tuỳ thuộc vào khả năng của máy làm server, người quản trị hoặc người thiết kế dịch vụ cần giới hạn khả năng đáp . trên, đã đưa ra giải pháp xây dựng ra hệ thống Digital Video Transport System (DVTS) có thể truyền hình ảnh, âm thanh chất lượng cao với các mục tiêu chính. dụng DVTS phục vụ cho giáo dục y tế. - 5 - • Nghiên cứu bệnh học tại Đại học Pennsylvania hệ thống y tế đang thử nghiệm với DVTS cho telemicroscopy. • DVTS