Анализ методов передачи видеоинформации в компьютерных сетях

  необходимостью коррекции ошибок считывания. Это препятствие можно обойти,

  отказавшись от отдельных пакетов данных, что мало сказывается на качестве

  видеоизображения. Другой вариант – направить видеотрафик в обход центрального

  процессора. Передача стандартного видеосигнала не требует вычислений, и пропускная

  способность сервера может быть увеличена за счет непосредственной пересылки

  данных с диска на устройство ввода/вывода.

  Еще одна существенная задача при работе с видеоданными состоит в обеспечении

  требуемого объема и быстродействия внешних запоминающих устройств (ВЗУ). Как

  правило, в вычислительных системах применяются первичные (где хранятся часто

  используемые данные) и вторичные (служащие для резервного копирования и хранения

  редко используемых файлов) ВЗУ. Чтобы обеспечить максимальную пропускную

  способность локальных сетей, в качестве первичных ВЗУ применяются накопители с

  интерфейсом SCSI (Small Computer Systems Interface). Они рассчитаны на работу с 8-

  разрядной или 16-разрядной шиной SCSI (что теоретически обеспечивает вдвое

  большую скорость обмена). Имеется несколько типов таких накопителей: SCSI-1 и

  SCSI-2 имеют скорость обмена 5 Мбайт/с, Fast SCSI-2 – 10 Мбайт/с, Fast Wide SCSI-2 –

  20 Мбайт/с и, наконец, Fast-20 SCSI – 40 Мбайт/с. Накопители SCSI, способные

  хранить значительные (измеряемые гигабайтами) объемы информации, производятся в

  больших количествах. К одному контроллеру может быть подключено до семи 8-

  разрядных и до пятнадцати 16-разрядных накопителей (контроллер SCSI представляет

  собой мост между шиной SCSI и шиной сервера, такой как PCI, VME, EISA, ISA и др.).

  Еще одна возможная технология хранения данных основана на использовании

  матриц дисковых накопителей с избыточностью (RAID), в которых несколько дисков

  рассматриваются как единое целое. Применение накопителей типа RAID позволяет

  кардинальным образом улучшить показатели запоминающего устройства, увеличивает

  степень защищенности от ошибок и допускает наращивание емкости накопителя путем

  добавления новых дисководов. Передача видеоданных по локальной сети требует

  реализации технологии сжатия данных для сокращения объема передаваемой и

  хранимой информации. В частности, при работе с видеоданными обычно уменьшают

  разрешение (количество элементов изображения на экране) и частоту следования

  кадров.

  22

  При видеомонтаже наиболее популярен метод Motion JPEG, несмотря на то, что

  он не позволяет работать с аудиосигналом. Первоначально эта технология была

  разработана для сжатия неподвижных изображений, но, поскольку динамическое

  видеоизображение по сути представляет собой последовательность неподвижных

  изображений, следующих одно за другим с частотой 30 кадров/с, упомянутая

  технология может применяться для преобразования в цифровую форму отдельных

  кадров, последовательное воспроизведение которых имитирует полномасштабное

  видеоизображение.

  Стандарты MPEG-1 и MPEG-2 предполагают сжатие данных с использованием

  программных или аппаратных средств. В методе MPEG избыточность информации,

  содержащейся в кадрах, устраняется путем дифференциального кодирования в

  последовательности видеокадров. В результате каждый отдельный кадр не хранится в

  виде самостоятельного элемента данных, и для восстановления одного кадра

  необходимо иметь только информацию об отличиях предыдущих кадров. Поскольку

  при использовании метода MPEG эффективность сжатия значительно выше, чем при

  применении JPEG, требования к пропускной способности канала оказываются намного

  мягче. С другой стороны, сжатие методом MPEG обычно сопряжено с большей потерей

  информации, что влияет на качество изображения.

  Стандарт MPEG-1 используется при скорости передачи от 1 до 1,5 Мбит/с и

  позволяет получать степень сжатия до 200:1, но удовлетворительное качество

  изображения сохраняется при соотношении не более 100:1. Обеспечивается разрешение

  352×240 точек в стандарте NTSC при частоте 30 кадров в секунду, что сравнимо с

  качеством изображения VHS, получаемого с помощью бытовых видеосистем. Стандарт

  MPEG-1 находит применение в основном при передаче мультипликационных

  изображений и обычных видеоизображений. MPEG-2 поддерживает качество

  изображения на уровне вещательного стандарта и требует пропускной способности

  канала передачи данных 7–8 Мбит/с.

  Технология Wavelet, как и JPEG, предусматривает раздельное кодирование

  данных для разных кадров. При этом, в отличие от JPEG, видеокадр при кодировании

  не разбивается на отдельные блоки пикселов. В результате дефекты, обычно

  возникающие при использовании этого метода, отличаются от дефектов, которые

  иногда появляются при применении метода JPEG с большой степенью сжатия.

  Недостатком технологии Wavelet является заметное снижение качества изображения по

  краям объектов.

  Технологии Intel Indeo и TrueMotion S реализуют программные методы

  кодирования и декодирования данных, позволяющие воспроизводить полноэкранное

  видеоизображение с частотой 30 кадров/с на стандартных ПК. Сжатие методом Indeo

  требует относительно небольших по сравнению с другими методами затрат. Качество

  изображения получается не очень высоким, но, если это не существенно, экономия

  средств обычно оправдывает эту потерю. Метод TrueMotion S обеспечивает более

  высокое качество изображений.

  Метод Apple Video прекрасно подходит для компьютерной мультипликации, а

  для обычных видеоизображений – не очень. Radius Cinepak (совместная разработка

  Apple и SuperMac Technology) представляет собой программный кодек, используемый в

  основном в мультимедиа-продуктах на CD-ROM. Он очень медленно работает при

  сжатии данных, но обеспечивает значительную степень сжатия, высокую скорость

  воспроизведения и прекрасное качество изображения.

  Декодирование и воспроизведение видеоданных осуществляется программными

  или аппаратными средствами. Программные методы все еще значительно медленнее,

  чем аппаратные, позволяющие декодировать видеосигнал в реальном времени, но

  

  23

  использование методов TrueMotion S и MPEG-1 можно считать шагом в правильном

  направлении.

  Для повышения производительности локальных сетей при передаче видеоданных

  обычно применяют управление потоками данных на основе двух протоколов. Первый –

  MTP (Media Transport Protocol) фирмы Starlight Networks – обеспечивает необходимую для

  передачи видеоданных пропускную способность сети с помощью программирования

  путем присвоения видеоданным высокого приоритета. Второй подход разработан

  фирмой Novell для мультимедиа-систем и предусматривает отбрасывание отдельных

  кадров при перегрузке сети.

  Не менее существенным препятствием при передаче мультимедиа-данных в

  локальных сетях без приоритета узлов или с архитектурой клиент/сервер является сама

  сеть. В настоящее время не решен окончательно вопрос, какой тип линий связи

  наилучшим образом подходит для передачи видеоинформации. Принято считать, что

  наиболее перспективными высокоскоростными сетями являются сети ATM

  (Asynchronous Transfer Mode). ATM с его масштабируемой пропускной способностью и

  гарантией качества услуг представляет собой идеальную инфраструктуру для

  поддержки мультимедийных приложений с жесткими требованиями к пропускной

  способности и задержке. Однако сегодня многие компании не испытывают

  потребности или не располагают достаточными средствами для развертывания ATM

  либо другой высокоскоростной технологии для магистрали. Сети ATM обеспечивают

  скорость передачи данных до 622 Мбит/с. Сеть ATM – самое дорогостоящее, но и

  самое эффективное решение проблемы передачи мультимедиа-данных по сети.

  Для увеличения пропускной способности локальных и глобальных сетей

  разработан ряд технологий передачи информации. Технология коммутируемой

  Ethernet, вытесняющая традиционную технологию Ethernet с разделяемым доступом, на

  сегодняшний день реализуется в двух вариантах – 10 Мбит/с и 100 Мбит/с. В последнее

  время значительное внимание привлекла к себе еще одна разновидность Ethernet –

  Gigabit (1 Гбит/с).

  Технология Fast Ethernet является эволюционным развитием классической

  технологии Ethernet. Ее основными достоинствами являются: увеличение пропускной

  способности сегментов сети до 100 Мб/c, сохранение метода случайного доступа

  Ethernet, сохранение звездообразной топологии сетей и поддержка традиционных сред

  передачи данных с использованием витой пары и оптоволоконного кабеля.

  Указанные свойства позволяют осуществлять постепенный переход от сетей

  10Base-T – наиболее популярного на сегодняшний день варианта Ethernet – к

  скоростным сетям, сохраняющим значительную преемственность с хорошо освоенной

  технологией. При этом Fast Ethernet не требует коренного переобучения персонала и

  замены оборудования во всех узлах сети.

  Технология Gigabit Ethernet является перспективной с точки зрения простоты и

  экономичности для высокоскоростной передачи информации при сохранении

  достоинств Ethernet, но не освобождает от недостатков последней. Это препятствует

  использованию Gigabit Ethernet для передачи потоков данных в реальном времени в

  силу непредсказуемости задержек и отсутствия поддержки требуемых классов

  обслуживания.

  Соединение коммутаторов Fast Ethernet по Gigabit Ethernet позволяет резко

  повысить пропускную способность магистрали локальной сети и в результате

  поддерживать большее число как коммутируемых, так и разделяемых сегментов Fast

  Ethernet. Установка сетевой платы Gigabit Ethernet на сервер дает возможность

  повысить характеристики канала с сервером и тем самым увеличить

  производительность пользователей мощных рабочих станций, в том числе при передаче

  и обработке видеоинформации.

  24

  В системах, где требуется передавать видеоизображения в реальном времени с

  качеством, соответствующим вещательному стандарту, наилучшим решением был бы

  канал связи с высокой пропускной способностью. Поскольку реальная скорость

  трафика не может превосходить пропускную способность используемого участка сети,

  сбои в передаче видеоизображения с качеством на уровне телевизионного возникают

  даже в выделенных линиях ATM. В то же время узкополосный сигнал, получаемый при

  сжатии видеоданных методом MPEG-1, может передаваться с очень малой задержкой

  по сети Ethernet. Таким образом, выбор оптимальных решений должен осуществляться

  на основе использования различных технологий и методов, рассмотренных в статье.

  Заключение

  Методы передачи видеоинформации основываются на положениях теории

  информации, теории связи и теории обработки изображений, которые активно

  разрабатывались в течение нескольких последних десятилетий. Успехи современных

  высоких технологий позволили реализовать и оптимизировать различные методы и

  алгоритмы

  преобразования

  и

  обработки

  изображений

  применительно

  к

  телекоммуникационным сетям.

  Технологии Интернет обеспечивают широкую доступность мультимедиа-

  информации, однако при этом требуется решать ряд проблем, обусловленных

  особенностями передачи видеоинформации в реальном времени. Использование новых

  возможностей информационных технологий становится более эффективным при

  оптимизации структуры информационных сетей, отдельных узлов и их

  взаимодействия, широкого использования методов управления параметрами сети и

  режимов адаптации, рассмотренных в настоящей работе. В наиболее совершенных

  системах критические характеристики распределяются согласованно в структурной

  части, характеристиках оборудования и программном обеспечении, что повышает

  качество и надежность работы и расширяет функциональные возможности систем

  передачи видеоинформации.

  Литература

  1. Shulzrinne H., Casner S., Frederick R. and Jacobson V. RTP: a transport protocol for real-

  time applications //RFC 1889. Internet Engineering Task Force. 1996.

  2. Wu D., Hou Y.T., Zhu W., et al. On end-to-end architecture for transporting MPEG-4

  video over the Internet //IEEE Trans. Circ. Syst. Video Technol. 2000. V.10. P.923-941.

  3. Jacobson V. Congestion avoidance and control //Proc. ACM SIGCOMM’88. 1988.

  P. 314–329.

  4. Tirletti T., Huitema C. Videoconferencing on the Internet // IEEE/ACM Trans. Netw.

  1996. V.4. P. 340–351.

  5. Bolot J.-C., Tirletti T. and Wakeman I. Scalable feedback control for multicast video

  distribution in the Internet // Proc. ACM SIGCOMM’94. 1994. P.58–67.

  6. Wu D., Hou Y.T. and Zhang Y.-Q. Transporting real-time video over the Internet:

  challenges and approaches // IEEE Proc. 2000. V.88. P.1855–1875.

  7. Floyd S., Fall K. Promoting the use of end-to-end congestion control in the Internet //

  IEEE/ACM proc. Netw. 1999. V.7. P.458–472.

  8. Martins F.C., Ding W. and Feig E. Joint control of spatial quantization and temporal

  sampling for very low bit-rate video //Proc. IEEE Int. Conf. ICASSP’96. 1996. V.4.

  P.1062-1072.

  9. Weigand T., Lightstone M. and Mukherjee D., et al. Rate-distortion optimized mode selection for

  very low bit-rate video coding and the emerging H.263 standard //IEEE Trans. Circ. Syst. Video

  Technol. 1996. V.6. P.182-190.

  

  25

  10. Ding W. Joint encoder and channel rate control of VBR video over ATM networks // IEEE Trans.

  Circ. Syst. Video Technol. 1997. V.7. P.266-278.

  11. Hsu C.Y., Ortega A. and Reibman A.R. Joint selection of source and channel rate for VBR

  transmission under ATM policing constraints //IEEE J. Select. Areas Commun. 1997. V.15. P.

  1016-1028.

  12. Vetro A., Sun H. and Wang Y. MPEG-4 rate control for multiple video objects //IEEE Trans. Circ.

  Syst. Video Technol. 1999. V.9. P.186-199.

  13. Chiang T., Zhang Y.-Q. A new rate control scheme using quadratic rate distortion model //IEEE

  Trans. Circ. Syst. Video Technol. 1997. V.7. 246-250.

  14. Lee J. and Dickenson B.W. Rate-distortion optimized frame type selection for MPEG encoding //

  IEEE Trans. Circ. Syst. Video Technol. 1997. V.7. P.501-510.

  15. Sun H., Kwok W., Chien M. and Ju C.H.J. MPEG coding performance improvement by jointly