Previous: 2.8 Коррекция ошибок    UP: 2 Преобразование, кодировка и передача информации Down: 2.9.1 Используемые стандарты     Next: 2.10 Элементы статистической теории каналов связи

2.9 Видеоконференции по каналам Интернет и ISDN

Семенов Ю.А. (ИТЭФ-МФТИ)
Yu. Semenov (ITEP-MIPT)

Расширение международных контактов и реализация проектов с "удаленными" отечественными партнерами делает актуальной проблему экономии командировочных расходов особенно в случае коротких поездок (1-7 дней). Одним из средств решения проблемы является использование видеоконференций. Видеоконференции по каналам Интернет могут быть привлекательны для дистанционного обучения и медицинской диагностики. В отличие от телевизионных программ обучение с использованием Интернет предполагает диалог между преподавателем и обучаемым, что делает процесс более эффективным (эта техника может успешно дополнить WWW-методику, широко используемую в университетах США и Европы). Медицинские приложения еще более многообещающи. Видеоконференции позволят проконсультироваться в клинике, отстоящей на тысячи километров, устроить консилиум с участием врачей из разных городов, оперативно передать томограмму или многоканальную кардиограмму пациента с целью ее интерпретации и т.д. В более отдаленной перспективе технология видеоконференций может быть применена для целей телевидения.

Рис. 2.9.1. Оборудование, необходимое для видеоконференций

Для проведения видеоконференции необходимо иметь цифровой канал с пропускной способностью не менее 56-128кбит/с. Если канал не позволяет, можно ограничиться аудио телеконференцией (см. раздел IP-phone). Схеме оборудования, необходимого для видеоконференции показано на рис. 2.9.1.

Помимо стандартного оборудования рабочей станции (как правило, под ОС UNIX) требуется интерфейс для подключения видеокамеры и микрофонов. Этот интерфейс обычно снабжается аппаратной схемой сжатия видео и аудио данных. Многие современные мультимедиа интерфейсы снабжены входами для видеокамеры. Из обязательного оборудования на рис. 2.9.1 не показаны наушники и звуковые колонки. Полезным дополнением может служить сканнер, который позволит с высоким разрешением передать изображения документов или чертежей, видеомагнитофон, а также видео проектор для отображений принятого изображения на экране или телевизор с большим экраном.

Видеоконференции обеспечивают не только "живое" общение партнеров, но также оперативное обсуждение и редактирование чертежей и документов. При этом разрешающая способность может превышать в 10-100 раз ту, которая доступна для факсов.

Реализовать видеоконференцию можно разными путями, из них два наиболее реальны:

При видеоконференциях используется технология codec (coder/decoder) для выделенных и телефонных коммутируемых линий (>56 Кбит/с, интерфейс V35), применим и режим коммутации пакетов (multicast backbone, >256 Кбит/с). Перечень стандартов, регламентирующих протоколы видеоконференций можно найти в следующем разделе (2.9.1). Но базовым протоколом для работы в локальных сетях, где не гарантируется нужный уровень qos), является H.323 (1996-98 гг.; вторая дата относится к принятию версии 2). Этот стандарт обеспечивает видеоконференции для соединений точка-точка и для многоточечных топологий в рамках стека протоколов TCP/IP, он регламентирует и принципы сжатия видео и аудио информации. Привлекательность стандарта заключается в том, что он применим к уже существующей инфраструктуре телекоммуникаций с широкими вариациями задержек отклика. Способствует этому возрастающая пропускная способность локальных (Fast Ethernet и Gigabit Ethernet) и региональных сетей (SDH, ATM, FDDI, Fibre Channel и т.д.). Способствуют этому как новейшие протоколы из семейства IP - RTP и RSVP, так и поддержка H.323 такими компаниями как Intel, Microsoft, Cisco и IBM. H.323 не привязан ни к одной операционной системе и не предполагает использования какого-либо специализированного оборудования. На рис. 2.9.2 показана структура системы H.323 и основных ее компонентов.

Рис. 2.9.2. Структура системы H.323 и основных ее компонентов

Cоставляющие коммуникационной системы

H.323 определяет четыре главных составляющих коммуникационной системы:

• Терминалы
• Шлюзы
• Блоки многоточечного управления
• Системы управления доступом (gatekeepers)

Терминалы служат для предоставления пользователям определенных услуг и обеспечивают двухсторонний обмен данными в реальном масштабе времени. Все терминалы H.323 должны также поддерживать стандарт H.245, который служит для выбора параметров канала. Структура терминала показана на рис. 2.9.3.

Рис. 2.9.3. Структура терминала H.323

Интерфейс RAS (registration/admission/status) служит для взаимодействия с блоком доступа (gatekeeper) и поддерживает протоколы RTP/RTCP. Опционными частями H.323 являются видео кодеки, протоколы для проведения информационных конференций (T.120) и возможности поддержания многоточечной связи (mcu). Внешний шлюз также является опционным элементом конференций H.323. Шлюз может выполнять функции интерфейса для согласования с требованиями других форматов, например, H.225 - H.221 или других коммуникационных процедур, например, H.245 - H.242. Типичным шлюзом можно считать соединитель H.323 с коммутируемой телефонной сетью (GSTN). Блок схема такого шлюза показана на рис. 2.9.4.

Данный шлюз устанавливает аналоговую связь с терминалами GSTN, с терминалами H.320 по каналам ISDN и с терминалами H.324 по сети GSTN. Терминалы взаимодействуют со шлюзом через протоколы H.245 и Q.931. Применяя соответствующую перекодировку, можно обеспечить работу шлюза H.323 с терминалами, поддерживающими протоколы V.70, H.322, H.310 и H.321. Многие функции шлюза не стандартизованы, к их числу, например, относится нумерация подключенных терминалов.

Шлюз IP/GSTN

Рис. 2.9.4. Схема шлюза IP/GSTN

Узел управления доступом (gatekeeper) является центральным блоком сети H.323. Через него проходят все запросы обслуживания, при этом он выполняет функцию виртуального переключателя. Узел управления доступом осуществляет преобразование имен терминалов и шлюзов в их IP и IPX-адреса в соответствии со спецификацией RAS. Например, если администратор сети установил верхний предел на число участников конференции, при достижении этого порога узел управления доступом может отказать в установлении соединения. Совокупность терминалов, шлюзов и блоков MTU, управляемая общим блоком доступа, называется зоной H.323. Узел управления доступом может опционно маршрутизовать запросы H.323. Разработчики иногда совмещают функции шлюза, MCU и узла управления доступом, возможно независимое совмещение функций MCU и узла управления доступом. К числу обязательных функций узла управления доступом относится.

• преобразование адресов (например, из стандарта E.164 в транспортный формат)
• осуществление контроля доступа к локальной сети с использованием сообщений Admission Request, Confirm и Reject (возможен режим разрешения доступа для всех запросов)
• управление полосой пропускания (поддержка сообщений Bandwidth Request, Confirm и Reject)
• Управление зоной. Реализация всех вышеперечисленных функций для MCU, шлюза и терминалов, зарегистрированных в зоне.

Определены некоторые опционные функции узла управления доступом:

• обработка запросов управления Q.931
• осуществление авторизации терминалов (Q.931), допускаются ограничения доступа на определенные периоды времени
• управление запросами (контроль занятости терминалов и использования полосы пропускания)

Для организации конференций с числом участников три и более используется блок многоточечного доступа (MCU). MCU включает в себя многоточечный контроллер (MC) и многоточечный процессор (MP). MC осуществляет согласование рабочих параметров терминалов для обеспечения совместимости при передаче видео и аудио информации в рамках протокола H.245. Многоточечный контроллер управляет также ресурсами каналов, при этом поддерживается как уникастный, так и мультикастный обмен. Все терминалы посылают аудио, видео и данные MCU в режиме соединения точка-точка. Управляющая канальная информация H.245 передается непосредственно в MC. MP может выполнять перекодировку в случае использования кодеков различного типа. Конференция может быть организована в централизованном (все обмены идут через MCU) и децентрализованном режиме, когда терминалы непосредственно взаимодействуют друг с другом. Терминалы используют протокол H.245, для того чтобы сообщить MC, сколько видео- и аудио- потоков они могут обработать одновременно. MP может осуществлять отбор видеосигналов и смешение аудио-каналов при децентрализованной многоточечной конференции. Допускается и смешенный режим, когда одновременно реализуется централизованная и децентрализованная схема обменов.

Новейшая версия H.323 (v2) за счет аутентификации и шифрования/дешифрования обеспечивает безопасность и конфиденциальность (перехват в промежуточных узлах становится невозможным). Более подробно возможности версии 2 изложены в документе http://www.databeam.com/h323/.

Звуковой сигнал передается в оцифрованной и сжатой форме. Алгоритмы компрессии, поддерживаемые H.323, соответствуют требованиям стандартов ITU. Терминалы H.323 должны быть способны работать со стандартом компрессии голоса G.711 (56 или 64 Кбит/c). Голосовой кодек должен следовать рекомендациям G.723, а видео кодек должен соответствовать стандарту H.261 (поддержка H.263 является опционной, этот стандарт обеспечивает более высокое качество изображения). В таблице 2.9.1 приведены форматы для видео-конференций ITU.

Таблица 2.9.1

Видеоконференции реализуемы на ЭВМ IBM/PC [1,2], Mackintosh, SUN, HP, DEC. Пакетная техника обеспечивает удовлетворительное качество изображения и звукового сопровождения при низкой загрузке канала и малой вероятности ошибок при передаче пакетов. Достижимое сжатие видеосигнала - 1000:1, звукового 8:1.

Например, система SPARC classic M позволяет передавать по сети Ethernet до 30 кадров в секунду при разрешении 768x576 точек (PAL). Рассмотренное оборудование может использоваться не только для "дальней" связи, но для коллективного редактирования документов и чертежей в пределах одного предприятия, используя локальную сеть. Это может найти применение при реализации систем САПР больших предприятий. Для компрессии применяются методы CellB, JFPEG, MPEG1, Capture (YUV, RGB-8).

Наиболее популярные программные продукты для телеконференций: vic, vat, nv, wb, sd, ivs. (см. http://www.anl.gov/linda/video.html.)

Такие программные средства как VAT (Visual Audio Tool, ftp.ee.lbl.gov), nevot (network voice terminal, gaia.cs.umass.edu:/pub/hgschulz/nevot), VIC (Video Conference), IVS (INTRA Videoconferencing System, avahi.inria.fr:/pub/videoconference), NV (Net Video, beta.xerox.com:/pub/net-research) или wb (whiteboard, ftp.ee.lbl.gov) базируются на утилитах X11, они позволяют пользователю осуществить связь ЭВМ-ЭВМ или сессии с большим числом участников по каналам Интернет. Поддерживаются следующие схемы кодирования и передачи данных: PCM (64 Кбит/с), DVI, GSM и LPC (8 Кбит/с). В wb имеется возможность импорта файлов Postscript (обычно используемых для прозрачек). При этом достигается разрешение 640*512, число цветов равно 256, число кадров 2-20, коэффициент сжатия информации ~20:1, а требуемая полоса пропускания канала >128 Кбит/с. Эти параметры не идеальны. Желательно вдвое большее разрешение, число цветов должно быть равно 16 миллионам, а частота кадров 25-50, но это требует существенно большей пропускной способности каналов (> 2 Мбит/с). Но прогресс в области быстродействия каналов связи столь стремителен....

Система mmcc (Multimedia Conference Control program, ftp.isi.edu:confctrl/mmcc.tar.Z) во многом аналогична описанным выше, она позволяет клиенту осуществить вызов нужного партнера. Весьма полезной утилитой является SD (Session Directory, ftp.ee.lbl.gov:sd.tar.Z), которая может запускать приложения, необходимые для проведения видео конференций.

Пакет CUSeeMe (gated.cornell.edu:/pub/video/Mac.CU-SeeMe0.60b1) предназначен для персонального общения через Интернет, он работает на IBM/PC и MAC, требует 4 Мбайт оперативной памяти. Один кадр передается за 6-7 сек при полосе 28,8 Кбит/с, разрешение 320*240 пикселей. Такое качество соответствует скорее видео телефону. На экране предусмотрена область прокрутки, где можно напечатать какой-либо текст. Этим список доступных программных продуктов не исчерпывается. Приведенные здесь краткие описания даны лишь в качестве примеров.

Подчеркну, что качество работы сети более критично для передачи звука, чем изображения, ведь потеря нескольких кадров подчас совсем незаметна. Потеря же пакетов при передаче звука более заметна, особенно при диалоге. Когда же используется сжатие, любые повреждения пакетов приводят к потере целых блоков данных.

Для экспериментов с передачей звука и изображения группой IETF (Internet Engineering Task Force) была сформирована структура мультикастинг-сети MBONE. MBONE (Multicast Backbone, до 300 Кбит/с) представляет собой виртуальную сеть, построенную из уникаст-туннелей, которые функционируют поверх Интернет. MBONE составляет около 3,5% от всего Интернет. Рабочие станции для доступа к MBONE должны поддерживать IP-мультикастинг (см. RFC-1112 "Host Extensions for IP Multicasting"). Следует иметь в виду, что не все маршрутизаторы поддерживают мультикастинг.

При работе с MBONE отправитель не должен знать, кто является получателем, а требуемая пропускная способность канала не зависит от того, обслуживается один клиент или 100.

Требования к каналу для передачи изображения

Требуемая полоса канала для видеоконференций определяется необходимой разрешающей способностью и частотой кадров. Таблица требований к каналу для передачи изображения представлена ниже.

В таблице приведены требования на пропускную способность канала при использовании различных степеней сжатия передаваемых видеоданных для частоты кадров 30/с и 24 бит на пиксель для отображения цвета.

Требования при передаче звука определяются необходимым качеством, так для получения полосы 6 Кгц нужно 64 Кбит/с, а для уровня, сопоставимого с CD, - 1,4 Мбит/с. Применение сжатия информации позволяет снизить эти требования в 4-8 раз. Общепринятыми стандартами для сжатия изображения при видеоконференциях являются JPEG, MPEG, H.261. Обычно они реализуются программно, но есть и аппаратные реализации.

Если сегодня базовым транспортным протоколом для мультимедиа является UDP, то в самое ближайшее время его потеснит RTR и дополнят RSVP и ST-II, что заметно повысит качество и надежность (см. также раздел IP-phone).

Набор стеков протоколов, которые могут использоваться для реализации видео конференций в рамках стандартов ITU (транспортный протокол H.320):