Анализ методов передачи видеоинформации в компьютерных сетях

 АНАЛИЗ МЕТОДОВ ПЕРЕДАЧИ ВИДЕОИНФОРМАЦИИ  

  В КОМПЬЮТЕРНЫХ СЕТЯХ

  В.Н. Васильев, Ю.В. Гугель, И.П. Гуров

  

  Выполнен анализ проблемы передачи видеоинформации в телекоммуникационных сетях. Рассмотрены

  особенности методов управления параметрами передачи видеоинформации и кодирования

  видеоинформации с различной степенью сжатия и коррекцией ошибок. Проведен сравнительный анализ

  вариантов высокопроизводительных сетей, стандартов передачи и представления видеоинформации.

  Рассмотрены практические аспекты решения проблемы передачи видеоинформации

  Введение

  Передача видеоинформации становится все более актуальной для различных сфер

  жизнедеятельности – телевидения, научных исследований, медицины, современных

  технологий дистанционного обучения и др. В связи с активным развитием

  информационных технологий появились широкие технические возможности для

  реализации различных методов обработки и высококачественной передачи

  видеоинформации. Передача видеоинформации через сеть Интернет является

  важнейшей составляющей информационного потока для многих современных

  мультимедиа-приложений. При этом передача видеоинформации в реальном времени

  предъявляет повышенные требования к ширине полосы частот, задержкам передачи и

  допустимым потерям данных. В настоящее время сеть Интернет не всегда обеспечивает

  гарантированное качество обслуживания (Quality of Service – QoS). Кроме этого,

  неоднородность структуры сетей и характеристик систем передачи и приема

  видеоинформации затрудняет передачу в режиме распределенного доступа. Освоение

  наиболее подходящих стандартов сжатия, преобразования и представления

  видеоинформации, разработка протоколов и методов передачи составляют важную

  проблему в области развития информационных технологий. Для решения этой

  проблемы необходимо контролировать ситуации превышения пропускной способности

  каналов, осуществлять адаптивную подстройку характеристик сжатия и кодирования

  видеоинформации и обеспечивать динамическое управление уровнем допустимых

  ошибок передачи видеоинформации за счет предотвращения ожидаемых ошибок,

  дублирующей передачи данных, обеспечения малой заметности ошибок.

  Использование новых возможностей информационных технологий становится

  более эффективным при оптимизации структуры информационных сетей, отдельных

  узлов и их взаимодействия. В наиболее совершенных системах критические

  характеристики распределяются в известной мере согласованно в структурной части,

  характеристиках оборудования и программном обеспечении, что повышает качество и

  надежность работы и расширяет функциональные возможности системы в целом.

  В настоящей статье рассмотрены подходы к оптимизации условий передачи

  видеоинформации, предотвращения и коррекции ошибок передачи, а также выполнен

  анализ характеристик основных стандартов и протоколов, используемых при передаче

  видеоинформации в компьютерных сетях.

  Особенности передачи видеоинформации в компьютерных сетях

  Для обеспечения требуемого качества передачи видеоинформации в реальном

  времени требуется определенная ширина полосы или пропускная способность канала.

  Существуют два принципа потоковой передачи звука и изображения в Интернет –

  одноадресная передача данных (Unicast) и многоадресная передача (Multicast).

  В режиме одноадресной передачи данных (см. рис. 1, а) сервер-отправитель

  информации формирует для каждого клиента отдельный поток данных, а компьютер

  пользователя периодически отсылает на сервер подтверждение о доставке

  14

  информационных пакетов. При этом требуемые мощность сервера и полоса

  пропускания канала связи прямо пропорциональны количеству клиентов. Как видно из

  примера рис. 1, а, пять копий потока данных пересылаются через участок 1 и три копии

  – через участок 2. Одноадресная передача данных используется, в основном, в системах

  "видео по запросу" (video-on-demand). Она удобна для работы с видеоархивами

  единичных пользователей и для распространения вещания на абонентов,

  подключенных по низкоскоростным коммутируемым линиям связи.

  

  

  

   а)

  

  

  

   б)

  Рис. 1. Схемы одноадресной ( а) и многоадресной ( б) передачи данных

  В режиме многоадресной передачи данных (рис. 1, б) сервер формирует один

  поток данных, к которому могут подключаться по сети различные группы клиентов.

  Здесь мощность сервера и полоса пропускания канала не зависят от количества

  получателей информации. Многоадресная передача удобна, например, для Интернет-

  телевидения и видеоконференций, поскольку каждый пользователь имеет возможность

  подключения к источнику информации. Однако это преимущество достигается ценой

  отсутствия подтверждения о доставке информации и ручной настройки каждого

  маршрутизатора или коммутатора на всем сетевом пути от сервера-отправителя до

  группы получателей информации. Технология многоадресной передачи данных

  применяется для новостийных и обучающих программ в корпоративных сетях. Для

  российского сегмента Интернет, где ощущается дефицит высокоскоростных

  соединений сетевых узлов, сдерживающий широкое использование вещательных

  технологий, применение многоадресной передачи данных особенно актуально.

  Обычные маршрутизаторы не обеспечивают контроля переполнения или

  превышения пропускной способности канала связи и, следовательно, гарантированного

  качества передачи. Другая проблема состоит в том, что при передаче непрерывной

  видеоинформации каждый информационный пакет должен вовремя достигать

  получателя, быть декодирован и отображен без пауз. Задержки передачи пакетов

  нарушают непрерывность отображения, что неприятно для визуального восприятия, а в

  ряде случаев является неприемлемым. В настоящее время сеть Интернет не

  

  15

  обеспечивает гарантированной доставки информационных пакетов в реальном времени

  и без потерь. Потери пакетов считаются в среднем допустимыми, если их

  относительный уровень составляет не более долей процента. В ситуациях превышения

  пропускной способности потери информации могут быть гораздо большими, и

  качество передачи резко снижается. Неоднородность структуры сети и характеристик

  отдельных систем передачи и приема приводят к изменчивости значений задержек и

  потерь, которые в результате не могут быть скомпенсированы. Этот недостаток

  особенно характерен для многоадресной передачи видеоинформации.

  При решении указанных проблем могут быть использованы два основных

  подхода. Первый из них состоит в обеспечении требуемого QoS за счет поддержки всех

  необходимых параметров сети при глобальном усовершенствовании сетевого

  оборудования. Второй подход основан на использовании на стороне приема

  видеоинформации таких систем, которые обеспечивали бы приемлемое качество при

  малой зависимости от характеристик сети. Этот подход рассматривается как более

  предпочтительный, поскольку не требует кардинального изменения параметров сети.

  Повышение качества передачи видеоинформации в компьютерных сетях может

  быть достигнуто в двух направлениях: либо за счет совершенствования методов

  управления, обработки и передачи безотносительно к характеру видеоинформации,

  либо на основе использования методов сжатия, учитывающих семантику изображений

  на различных уровнях компрессии.

  Управление параметрами передачи видеоинформации

  Управление параметрами сети осуществляется тремя основными способами:

  варьированием скорости передачи, адаптивным кодированием видеоинформации,

  характеристики которого определяются скоростью передачи, и локальным ускорением

  передачи на коротких интервалах за счет повышения степени сжатия. Первый способ

  реализуется на уровне передачи информации, второй основывается на специальных

  методах сжатия видеоинформации, третий включает в себя управление передачей и

  сжатием видеоинформации.

  В качестве примера на рис. 2 представлена структурная схема управления,

  включающая перечисленные процедуры.

  Система со структурой рис. 2 ориентирована на передачу видеоинформации в

  реальном времени, однако она может быть использована для стационарного потока

  видеоданных в случае отключения блоков адаптивного кодирования в зависимости от

  скорости передачи. В схеме реализуется управление скоростью передачи на стороне

  источника информации (отправителя). В динамическом режиме передачи после

  адаптивного сжатия поток видеоданных обрабатывается в блоке локального ускорения

  передачи и далее преобразуется на уровнях RTP/UDP/IP перед поступлением в сеть.

  Транспортный протокол RTP (Real-Time Transport Protocol) обеспечивает

  передачу данных между конечными узлами сети, работает поверх протокола IP и

  является альтернативой широко используемому протоколу TCP [1]. Хотя протокол TCP

  и гарантирует доставку пакетов данных в нужной последовательности, трафик при

  этом очень неравномерен (пакеты испытывают всевозможные задержки). Обладая

  способностью распознавать содержимое пакетов (например, различать видеоданные,

  соответствующие спецификациям MPEG и H.261), а также средствами обнаружения

  потери данных, протокол RTP снижает задержки до уровня, необходимого для

  успешной передачи потоков интегрированных аудио-, видео- и цифровых данных.

  Протокол RTP обеспечивает идентифицикацию типа и номера пакета, устанавливает в

  него метку синхронизации. На основе этой информации приемный терминал

  синхронизирует данные и осуществляет их последовательное и непрерывное

  16

  воспроизведение. Корректное функционирование RTP возможно при наличии в

  абонентских терминалах механизмов буферизации принимаемой информации.

  

  

  Рис. 2. Иерархия системы передачи видеоинформации в реальном времени

  Протокол UDP (User Datagram Protocol) используется в сетях с

  негарантированной полосой пропускания с целью минимизации задержек и

  максимального использования имеющейся полосы пропускания для передачи

  видеопотоков [2]. Этот протокол реализует упоминавшийся выше механизм

  многоадресной рассылки (IP Multicast) для негарантированной доставки аудио- и

  видеоинформации определенному числу пользователей. Поверх IP Multicast работает

  RTP, который создает необходимые условия для нормального воспроизведения

  полученных потоков данных на абонентских терминалах. Однако протокол UDP не

  обеспечивает контроля превышения пропускной способности канала, поэтому такой

  контроль должен быть обеспечен на более высоких уровнях в схеме рис. 2.

  На стороне получателя информационные пакеты преобразуются на уровнях

  IP/UDP/RTP перед их декодированием. В схеме рис. 2 предусмотрен динамический

  мониторинг показателя QoS, основывающийся на свойствах полученных пакетов, а

  именно на контроле потерь и задержек при их получении. Используя эту информацию,

  блок управления обратной связью обеспечивает оценку требуемой ширины полосы для

  выбора подходящего режима адаптивного кодирования и локального ускорения

  скорости передачи за счет локального повышения степени сжатия.

  Управление скоростью передачи видеоинформации

  Для успешной передачи видеоинформации можно использовать два подхода, а

  именно, учитывать (подстраивать) характеристики сети передачи либо обеспечивать

  управление степенью сжатия видеоинформации.

  Методы управления, предназначенные для предотвращения превышения

  пропускной способности сети при передаче видеоинформации, можно подразделить на

  два основных вида: управление временным окном [3] и непосредственное управление

  скоростью передачи [4]. В первом случае (которому соответствует, например, протокол

  

  17

  TCP) имеющаяся ширина полосы проверяется за счет медленного увеличения

  продолжительности временного интервала, который соответствует ситуации

  превышения пропускной способности сети, чтобы определить, каковы при этом потери

  данных. При обнаружении потери пакетов данных длительность временного окна резко

  уменьшается, что предотвращает сбои передачи. Недостатком метода являются

  возможные задержки в передаче информации, поскольку его осуществление связано с

  повторной передачей информационных пакетов.

  При непосредственном управлении скоростью передачи используются сведения

  об имеющейся ширине полосы, в соответствии с которой и устанавливается скорость

  передачи. Если оценка ширины полосы достаточно точна, то можно эффективно

  предотвращать сбои в передаче данных, поэтому такой метод предпочтителен при

  передаче видеоинформации в реальном времени.

  Существующие методы управления скоростью передачи в реальном времени

  подразделяются на методы управления характеристиками источника информации,

  управления

  на

  принимающей

  стороне

  и

  комбинированного

  управления.

  Соответственно этому производится согласование исходного потока видеоинформации

  с имеющейся шириной полосы, регулируется скорость приема видеоинформации за

  счет добавления (отключения) каналов связи, либо используется комбинирование