3.1. Tổng Quan về Công nghệ Streaming Media
3.1.1. Codecs – Nén dữ liệu
Đường truyền yêu cầu cho việc truyền Video toàn màn hình, không có bất cứ thao tác nén nào, có thể cao hơn 216 Mbps. Điều này yêu cầu đường truyền cao hơn đáng kể so với khả năng trong phần lớn trường hợp. Truyền dẫn Modem là không thể, thậm chí một mạng cục bộ 10Mbps Ethernet hoặc 100Mbps Fast-Ethernet cũng không thể đủ khả năng truyền dữ liệu Video cho hình ảnh chuyển động thời gian thực. Chỉ có một giải pháp là download toàn bộ file về và sau đó mới thực hiện việc trình bày lại chúng.
50
Loại thông số Đầy đủ Hạn chế
Tốc độ Khung hình 30 x 1/2 = 15 Độ phân giải Khung hình 640x480 x 1/4 = 320x240 Độ sâu màu 24-bit x 2/3 = 16-bit Tốc độ truyền dữ liệu 216Mbps 18Mbps
Bảng 3.1: Sự phụ thuộc của tốc độ khung hình, độ sâu màu, độ phân giải khung hình
Bảng 3.1 chỉ ra rằng dù sử dụng Độ phân giải 320x240 điểm ảnh - hiện ra trên 1/4 màn hình, với 15 khung hình trên giây và Độ sâu màu 16 bit, Video vẫn cần tới đường truyền 18Mbps. Một mạng 10BaseT, cung cấp đường truyền 10Mbps sẽ không thể truyền được Video này.
Để tối ưu hoá Video số cho việc truyền mạng, chúng thường được thu nhỏ, nén sau đó truyền theo luồng trên mạng. Việc thu nhỏ có thể tác động đến Tốc độ Khung hình, Độ sâu màu, Độ phân giải Khung hình. Vấn đề nẩy sinh do việc yêu cầu đường truyền cao để truyền tín hiệu Video là lý do vì sao các kỹ thuật nén, thường được biết với tên gọi Codecs, được phát triển và đang tiếp tục được phát triển. Tương tự như ADPCM trong nén tiếng nói, chỉ khác ở điểm tín hiệu truyền ra, Việc nén tín hiệu Video cũng là một chiến lược để giảm kích thước khung. Nó tìm kiếm sự khác nhau trong một chuỗi các khung hình và chỉ truyền sự khác nhau thay vì truyền toàn bộ thông tin của khung hình. Để thực hiện điều này, Khung hình chính (Key Frame) và Khung hình sai khác (Delta Frame) được sử dụng. Khung hình chính chứa toàn bộ thông tin Khung hình. Những Khung hình sai khác, được truyền giữa 2 Khung hình chính, chỉ chứa thông tin về sự thay đổi của khung hình kế tiếp. Các chuẩn Codec là H.261,H.263. và các chuẩn MPEG. Điều này sẽ được thảo luận sau.
Để lưu trữ một luồng dữ liệu cố định cho việc truyền video theo luồng, một đường truyền tốc độ cao là cần thiết bởi vì chất lượng của việc truyền video theo luồng chịu tác động lớn của khả năng và độ trễ của đường truyền. Chất lượng phụ thuộc vào khối lượng dữ liệu có thể truyền đi trong một thời gian xác định. Việc truyền dữ liệu theo luồng là quá trình cân bằng và thoả hiệp giữa các yêu cầu. Để đảm bảo Video cho nhiều dạng người dùng, đặc biệt là với truy nhập tốc độ thấp hơn, vài chất lượng phải giảm. Nếu quan tâm chính là chất lượng, luồng dữ liệu có thể chỉ được thâm nhập thông qua kết nối băng rộng như xDSL và vì vậy giới hạn số lượng nhỏ hơn người dùng.
51
3.1.2. Luồng Video làm việc nhƣ thế nào ?
Để nghiên cứu công nghệ luồng video và điều khiển nó thế nào, điều cần thiết là xem xét Tín hiệu Video được truyền thế nào trên mạng trước khi có công nghệ Luồng Video.
Hình 3.1:Truyền dữ liệu Video bằng phương pháp Download file Video
Cho đến gần đây, phương pháp “Download và Chơi” vẫn được sử dụng để truyền dữ liệu Video thông qua mạng Internet, như thể hiện tại hình 3.1. Toàn bộ file Video phải được download để có thể xem nó trên máy đầu cuối. Các file video không nén có thể rất lớn và việc truyền toàn bộ file có thể mất vài giờ, phụ thuộc vào tốc độ đường truyền của kiến trúc mạng. Vì vậy, việc truyền hình trực tiếp là không thể thực hiện. Điều này cũng gây ra sự giới hạn độ dài của Video bởi vì thời gian download toàn bộ Video cần phải được quan tâm đến. Một ưu điểm là chất lượng có thể cao thậm chí với một đường truyền dung lượng nhỏ nếu thời gian download là không quan trọng. Việc download có thể mất thời gian, tuy nhiên ngay khi việc download đã hoàn thành, đường truyền sẽ không ảnh hưởng đến việc hiển thị Video nữa. Nhược điểm lớn nhất là khả năng bảo vệ bản quyền, khi mà việc bảo vệ video đã được download đến khách hàng là rất khó khăn.
Việc bảo vệ bản quyền là tác động chính cho việc thúc đẩy việc phát triển Luồng Video. Một video hoàn chỉnh không thể được download về ổ cứng của khách hàng để xem nó. Một Video được tạo luồng có thể được chơi trong một trình duyệt Web chuẩn và phần mềm miễn phí. Công nghệ mới cho phép máy chủ có thể truyền một sự kiện trực tiếp cùng với âm thanh đồng bộ thông qua việc sử dụng các giao thức mới.
Hình ảnh dưới đây trình bày ý tưởng của Luồng Video.
File File
Dữ liệu File Video
Chơi Sau khi Download
52
Hình 3.2:Truyền Video theo phương pháp Luồng Video
Như hình 3.2 đã trình bày, ý tưởng chính của Luồng Video là tạo bộ đệm tại Máy chủ Video và đầu cuối để lưu trữ nội bộ các gói tin tuần tự thay cho việc download toàn bộ video. Luồng Video lưu trữ tạm thời 1-2 giây video đã được chia thành gói tại ví trí của khách hàng, người sử dụng có thể bắt đầu xem video gần như tức thời với một độ trễ nhỏ. Kỹ thuật này không sử dụng bất kỳ khoảng không ổ cứng nào và cũng cho phép việc truyền theo thời gian thực.
Hình 3.3:Bộ đệm ra được sử dụng để lưu trữ truyền đẳng thời
Việc quan trọng của việc truyền dữ liệu video theo luồng là định thời gian của các gói đơn lẻ. Nếu việc định thời là không chính xác, Video sẽ bị gẫy tại nơi nhận. Việc duy trì sự truyền nhận đẳng thời là khó khăn trong mọi trường chuyển mạch gói như Internet bởi vì các gói tin có thể đi theo các đường khác nhau và có các thời gian trễ khác nhau. Vì vậy, bộ đệm ra sẽ đặt các gói tin đến vào các gói tin đẳng thời, duy trì một thời gian trễ không đổi như hình 3.3. Các gói tin video sẽ được gán một “nhãn thời gian” và một “số tuần tự”. Real-Time Protocal (RTP), được phát triển trên mạng IP sẽ quản lý các thông tin này.
3.1.3. Các thiết bị của Hệ thống Luồng Video
Các bộ phận chính của một hệ thống Luồng Video là một Trạm Mã hoá, một Máy chủ Video, một hạ tầng mạng và một chương trình chơi Video. Trước hết Video phải được
File
Bộ đệm Gói Gói Bộ đệm
Gói dữ liệu Video
Máy chủ Video Chơi khi nhận được Bộ đệm ra Các gói dữ liệu đồng bộ
(Thời gian trễ biến đổi với giới hạn trên)
Máy trạm
Các gói dữ liệu đẳng thời
53
thu từ một nguồn tương tự, số hoá và lưu trên đĩa. Cách thức chung nhất là sử dụng một bảng mạch thu Tương tự/Số và phần mềm thu tương ứng. Các thiết bị thu mới hơn có thể thu từ nguồn số, vì vậy, biến đổi tương tự số là không cần thực hiện. Bảng mạch nếu có chức năng thu trực tiếp thì càng tốt. Bước thứ hai là biên tập và nếu muốn có thể ghi bản quyền lên file video bằng cách sử dụng trình biên tập không tuyến tính và các công cụ ghi bản quyền, chúng có thể tích hợp tín hiệu video với các phần tử Multimedia khác. Bước tiếp theo để tạo luồng tín hiệu video là mã hoá thành dạng file luồng video mong muốn, phù hợp với Nhà cung cấp dịch vụ luồng Video. Độ Phân giải Khung hình, Tốc độ Khung hình và tốc độ dữ liệu cho file luồng Video cần phải được lựa chọn. Việc chuyển luồng video, được quản lý thông qua máy chủ video, là bước tiếp theo của quá trình tạo luồng Video. Máy chủ Video phân phối Video đến một loạt các khách hàng. Phần cứng của máy chủ được tối ưu hoá cho tốc độ chuyển các luồng Video. Thêm nữa, Phần mềm cho phép tiến trình tạo luồng và điều khiển thông lượng cũng phải cài đặt. Tính sẵn sàng, khả năng mở rộng và độ tin cậy cao là những tiêu chuẩn quan trọng của máy chủ Video.
Ethernet chuyển mạch và ATM là các kết nối LAN chuẩn cho việc tạo luồng video, trong khi việc tạo luồng trên Internet thông qua kết nối Modem dial-up, ISDN, hoặc DS-1 (Mạng chuyển mạch gói dựa trên IP).
Bước cuối cùng trong quá trình truyền là chơi Video tại đầu cuối. Một chương trình chơi Video cho phép tạo bộ đệm và tạo luồng Video (các chức năng thường dùng là: Play, Stop, Next, Pause, …) cần phải được cài đặt. Chương trình này có thể là chương trình độc lập, có thể dựa trên trình duyệt hoặc là các chức năng đính kèm ActiveX. ActiveX, được thiết kế để mang âm thanh, hình ảnh và tích hợp với Web,cho phép tương tác của các phần tử phần mềm được tạo ra từ các ngôn ngữ khác nhau thông qua mạng (Ngoài ra cũng có những chương trình cho phép chơi trực tiếp qua các luồng trên mạng). Quá trình giải mã sử dụng hoặc phần mềm hoặc bảng mạch giải mã phần cứng.
3.1.4. Các Thông số mạng cần quan tâm
Các Thông số mạng quan trọng nhất cho việc tạo luồng Video là đường truyền tốc độ cao, Chất lượng dịch vụ (QoS) và khả năng Multicast. Tốc độ đường truyền phụ thuộc vào tốc độ bit yêu cầu cho luồng Video. HBR, High-Bit-Rate Video, yêu cầu tốc độ truyền 1.5Mbps (MPEG 1) và cao hơn. Một đường truyền mạng tốc độ cao là cần thiết, ví dụ sử dụng kết nối 10 Mbps Ethernet. LBR, Low-Bit-Rate Video, cùng với tốc độ truyền 64Kbps hoặc nhỏ hơn (kênh ISDN đơn) có thể chạy trên Internet công cộng. Khái niệm chất lượng dịch vụ (QoS) được định nghĩa bằng khả năng duy trì cùng với độ trễ nhỏ. Khả năng unicast, multicast và broadcast là tiêu chuẩn quan trọng khác của tạo luồng video.
54
Hình 3.4:Máy chủ gửi các luồng video riêng biệt đến mỗi điểm
Trong chế độ unicast, còn được gọi là Video theo yêu cầu, mọi người sử dụng có thể yêu cầu Video tại bất cứ thời gian nào, như trên hình 3.4. Phụ thuộc vào số lượng người sử dụng, nó yêu cầu đường truyền rộng. Video có thể chấm dứt, dừng, lặp lại và bắt đầu tại mọi thời điểm.
Hình 3.5:Multicast
Trong chế độ Multicast, còn gọi là “Gần với theo yêu cầu” (NvoD), nhiều khách hàng có thể xem cùng một luồng Video tại cùng một thời điểm như hình 3.5. Luồng sẽ được gửi từ máy chủ đến nhiều người trong cùng một thời gian. Họ cần phải xem một cách đồng thời và không thể điều khiển luồng. Một Luồng đơn sẽ được gửi thông qua mạng và nhiều người sử dụng có thể nhận nó. Một Luồng đơn sẽ được gửi thông qua mạng đến một Router, nó sẽ nhân bản các luồng và ra đến các router cho phép multicast. Mỗi một Router này lặp lại cùng một thủ tục, có ưu điểm là mỗi một phân đoạn mạng chỉ giao dịch với một luồng. Thủ tục này tồn tại đến khi đến mức subnet mà ở đó mỗi
55
một máy tính nhận được một luồng và phụ thuộc vào lối vào của người sử dụng hoặc là nhận gói hoặc xoá chúng.
Multicast có vẻ là cách tốt nhất để truyền Video đã tạo luồng khi nó yêu cầu đường truyền nhỏ hơn là unicast. Tồn tại chính là phần lớn các nhà cung cấp dịch vụ không hỗ trợ multicast. Truyền thông là một trường hợp của multicast, ở đó một luồng video đơn được truyền đến tất cả các trạm đang kết nối tại cùng một thời điểm. Điều này có thể được sử dụng cho ví dụ về thuyền thông trực tiếp.
1. Tạo luồng video thông qua Intranet.
Chức năng làm trơn của video đã tạo luồng trong mạng LAN phụ thuộc vào kiến trúc mạng. Một vài môi trường LAN cần một vài thay đổi nếu muốn tạo luồng video. Các mạng Ethernet chia sẻ không có chuyển mạch có thể có vấn đề khi truyền video đã tạo luồng. Nó không thể duy trì tính có thể thâm nhập. Ethernet bỏ qua sự xung đột bằng cách sử dụng CSMA/CD. Nếu xung đột xẩy ra, mỗi một điểm sẽ quay trở lại đến một thời điểm khác để bỏ qua xung đột và sau đó truyền lại. Điều này làm việc hoàn hảo cho việc truyền dữ liệu, nhưng với việc truyền video liên tục, luồng sẽ bị ngắt hoặc bị dừng qua nhiều khung hình. Fast-Ethernet làm việc giống như Ethernet, nhưng cùng với đường truyền lớn hơn. Nhờ đường truyền tốc độ cao hơn, sự tắc ngẽn giảm xuống. Vì thế việc cung cấp luồng video tốt hơn Ethernet.
Ethernet chuyển mạch không sử dụng CSMA/CD, chuyển mạch quản lý thông lượng, và vì thế có thể sử dụng để truyền Video đã được tạo luồng, xem hình 3.6. Chuyển mạch có liên kết tốc độ cao đến máy chủ video giữa 10Mbps và 100Mbps đến các cổng riêng biệt, và nếu muốn là đường liên kết tốc độ cao đến đường trục. Các gói tin video chỉ truyền đến các điểm lựa chọn trong số các cổng ra đã được đánh định chỉ.
Hình 3.6: Ethernet chuyển mạch cho truyền trên mạng LAN tín hiệu Video luồng
ATM được thiết kế cho việc truyền dữ liệu hình ảnh, âm thanh và tiếng nói và vì vậy nó phù hợp cho việc truyền tín hiệu video đã định luồng.
Máy chủ Video
ETHENET CHUYỂN MẠCH
Trạm Video 10Mbps dùng riêng
56
2. Luồng Video qua Internet
Các Giao thức và chuẩn khác nhau được phát triển đặc biệt cho việc truyền dữ liệu qua Internet. Đây là điều cần thiết để vượt qua sự không tin cậy của việc định thời và truyền dữ liệu qua Internet để tạo luồng các nội dung Video.
Hình 3.7:Tín hiệu Video được định luồng thông qua Internet
Hình 3.7 trình bày làm thế nào để tín hiệu Video đã định luồng có thể thâm nhập trên Internet. Kết nối của khách hàng đến đường trục Internet (mạng lõi - Core Network) có thể được thâm nhập qua một loạt các kết nối, bao gồm Modem, ISDN, ADSL và Modem cable. Mạng lõi sau đó có thể kết nối đến máy chủ Video, sử dụng các giao thức đặc biệt dành cho việc truyền tín hiệu Video như UDP Universal Datagram Protocol.
57
Thâm nhập đến mạng truyền thông công cộng, như hình 3.8, có thể được thiết lập thông qua PSTN (Public Switched Telephone Network), hoặc sử dụng ISDN hoặc xDSL, modem cable để kết nối đến set-top-box, và thiết bị nhận chảo vệ tinh. Thâm nhập Video thông qua mạng tuyền thông công cộng có thể được sử dụng cho giải trí, giáo dục, mua sắm, và thông tin.
3.2. Bộ Mã hoá/Giải mã và các chuẩn định luồng Media
Sức mạnh thực tế của định luồng video nằm ở việc nén các file media. Trên thực tế tốc độ kết nối Internet thấp hơn rất nhiều so với tốc độ chơi một file Vide chuẩn, do đó một điều cần thiết đối với các nhà cung cấp dịch vụ định luồng media là khả năng nén những file video và audio đủ nhỏ để có thể tạo luồng đến người sử dụng mà không có thời gian trễ đồng thời duy trì một chất lượng nào đó của Video và Audio. Đây là mục địch mà các bộ Mã hoá/Giải mã hướng đến. Bộ Mã hóa/Giải mã nén file theo một thuật toán định trước. Các bộ Mã hoá/Giải mã né file đến kích thước khác nhau và với các chất lượng tổng thể khác nhau. Phần này sẽ quan tâm đến một vài chuẩn nén và bộ Mã hoá/Giải mã cho định luồng media. Nó tập chung vào chuẩn MPEG-4, trái tim của việc định luồng media. Phần còn lại sẽ thảo luận việc tương tác với các chuẩn mã hoá phổ dụng khác đang được các hãng hàng đầu sử dụng.
3.2.1. H.263
Tập hợp các chuẩn H.263 được phát triển chủ yếu cho hội thảo truyền hình (Video- Conferencing) và điện thoại truyền hình (Video-Telephony). Chuẩn H.263 cung cấp tốc độ truyền rất chậm - từ 20 đến 30 Kbps. Chuẩn phác thảo phương thức các file video nên được mã hoá và giải mã thế nào. Phần này sẽ làm rõ quá trình mã hoá và giải mã được triển khai bởi H.263. Chuẩn này vẫn được sử dụng nhiều trong các ứng