Skip to main content

Article Category

Story

Article available in the folowing languages:

Najważniejsze wiadomości - Strumieniowanie wideo 2.0: innowacyjne podejście

W dzisiejszych czasach strumieniowanie wideo wykorzystywane jest wszędzie: w domach, w biurach oraz w coraz większym stopniu w smartfonach. Jednak usługa ta jest daleka od doskonałości. Niezależnie od tego, czy wykorzystywane jest jako rozrywka, teleobecność, czy też usługa rozmów wideo, strumieniowanie obrazów wymaga dużej przepustowości łącza, a także narażone jest na błędy transmisji. Finansowani przez UE naukowcy pragną zwiększyć płynność, jakość oraz łatwość użytkowania tej usługi na dowolnym urządzeniu.

Gospodarka cyfrowa

W ostatnich latach strumieniowanie materiałów wideo bardzo się upowszechniło, w dużej mierze za sprawą stron internetowych, na których umieszczane są tego typu materiały oraz dzięki oprogramowaniu służącemu do prowadzenia rozmów wideo. W chwili obecnej strumieniowane materiały wideo stanowią około połowę całkowitego ruchu w internecie; zakłada się, że w ciągu najbliższych kilku lat wartość ta przekroczy 80 procent. I chociaż większość materiału strumieniowanego będzie oglądana na ekranach komputerów i telewizorów, w domach i w biurach, znacznie więcej materiałów oglądane będzie na coraz bardziej urozmaiconych urządzeniach przenośnych: począwszy od dwucalowych ekranów najmniejszych smartfonów, przez dziewięciocalowe ekrany tabletów, aż po 21-calowe laptopy. Co ważne, większość danych strumieniowych transmitowana będzie w sposób bezprzewodowy - za pośrednictwem sieci WiFi, WiMax, a zwłaszcza sieci komórkowych 3G oraz 4G - dane te będą ponadto mieć różne formaty, stosować urozmaicone kodeki, charakteryzować się różną szybkością klatek na sekundę, jakością itd. Powyższa mieszanka heterogenicznych urządzeń, sposobów dostarczania treści, a także formatów materiałów multimedialnych stanowi największe wyzwanie dla inżynierów, którzy próbują sprostać rosnącemu zapotrzebowaniu na programy i usługi audiowizualne, stwarzanemu przez coraz bardziej mobilnych użytkowników. Powyższe wymagania są trudne do spełnienia, jednak jak wykazali naukowcy uczestniczący w finansowanym przez UE projekcie o nazwie "Optymalizowanie transmisji multimedialnych realizowanych za pośrednictwem bezprzewodowych łączy IP dzięki technologii X-warstwowej" ('Optimisation of Multimedia over wireless IP links via X-layer design' - Optimix) potencjalnym rozwiązaniem jest przeprojektowanie metod kodowania i transmitowania strumieniowych treści wideo. Naukowcy uczestniczący w projekcie Optimix opracowali innowacyjne rozwiązania, które pozwalają ulepszać strumieniową transmisję wideo typu punt-wielopunkt ('point-to-multipoint') w heterogenicznych systemach bezprzewodowych bazujących na protokole IP. Badania wykazały, że uzyskane w ten sposób zwiększenie jakości wideo jest znaczące, do tego stopnia, że w niektórych przypadkach użytkownicy nie byli w stanie rozróżnić strumieniowanego materiału wideo od oryginału. "Każdy użytkownik powinien czerpać korzyści z płynności działania aplikacji i usług multimedialnych. Integralność przesyłanych treści powinna mieć miejsce wszędzie i w każdej chwili", tłumaczy Roberta Fracchia, uczestniczka projektu Optimix oraz menadżer programów we francuskiej firmie Thales Communications and Security. "Konsumenci używający urządzeń podłączonych do sieci będą oczekiwali możliwości swobodnego przesyłania danych pomiędzy posiadanymi przez siebie urządzeniami oraz udostępniania tych danych znajomym. Użytkownicy będą ponadto wymagali możliwości sterowania przepływem danych oraz możliwości ponownego odtwarzania danych na dowolnym urządzeniu, dzięki odporności formatów danych na przyszłe zmiany technologiczne, niezależnie od tego, jakie urządzenie zastosowano do rejestrowania, magazynowania i modyfikowania tych danych". "Współczesne podejście bazuje na tradycyjnych technikach separacji, jednak skupianie się na usługach realizowanych za pośrednictwem jednolitych sieci nie pozwoli sprostać pojawiającym się oczekiwaniom dotyczącym jakości usług dostarczanych użytkownikom, których charakteryzują zróżnicowane potrzeby i wymagania", zauważa dr Fracchia. Czerpanie maksymalnych korzyści z zasobów oferowanych przez sieci i urządzenia Od czasów pierwszej, strumieniowanej transmisji wideo, standardowe podejście do transmisji danych strumieniowych opiera się na niezależności pomiędzy kodowaniem, medium transmisyjnym oraz urządzeniem, na którym wyświetlana jest strumieniowana treść. Powyższe podejście spisuje się dobrze w przypadku jednolitych sieci typu punkt-punkt (na przykład połączeń pomiędzy serwerem a komputerem domowym), jednak nie sprawdza się ono w kontekście transmisji typu punkt-wielopunkt, w którym sieci, urządzenia oraz przesyłane dane są coraz bardziej heterogeniczne. Mówiąc w bardzo uproszczony sposób, strumieniowanie wideo w oparciu o podejście bazujące na rozdzielaniu polega na kodowaniu treści przez źródło, np. do formatu MPEG, w celu przesłania tej treści, a następnie na kodowaniu kanału, realizowanym przez urządzenia fizyczne, które korygują błędy wynikające z szumów lub z fluktuacji przepustowości łącza. Zazwyczaj kodowanie źródła oraz kodowanie kanału realizowane jest oddzielnie: można powiedzieć, że lewa ręka nie wie, co robi prawa. W efekcie jakość strumieniowanych obrazów wideo nie zawsze jest optymalnie dopasowana do urządzenia, na którym obrazy te są wyświetlane, gdyż źródło nie posiada informacji na temat urządzenia docelowego, ani na temat możliwości sieci. Niemożliwe jest także płynne przesyłanie strumienia wideo z jednego urządzenia do drugiego, np. z komputera do urządzenia przenośnego, gdy wychodzi się z domu. Aby powyższe scenariusze były wykonalne, lewa ręka musi wiedzieć, co robi prawa. Pierwszy krok na drodze do rozwiązania tego problemu zrealizowano poprzez udoskonalenie techniki zwanej wspólnym kodowaniem/dekodowaniem kanału źródłowego ('Joint Source Channel Coding/Decoding' - JSCC/D), przeprowadzone w ramach projektu Phoenix , będącego prekursorem projektu Optimix. Naukowcy uczestniczący w projekcie Phoenix stworzyli kompletny system wspólnego kodowania i dekodowania kanału źródłowego, który umożliwia dynamiczne dopasowywanie kodowania, w celu ulepszenia jakości przy tej samej przepustowości kanału, lub też zachowania tej samej jakości w przypadku mniejszej przepustowości kanału. Uczestnicy projektu Optimix wdrożyli to jednolite podejście sprawiając, że wszystkie kluczowe elementy łańcucha transmisyjnego - od kodowania wideo i modułów sieciowych, po warstwę MAC i warstwę fizyczną - komunikują się ze sobą za pośrednictwem wspólnych sterowników zlokalizowanych po stronie serwera, natomiast po stronie klienta znajdują się elementy nadzorujące urządzenia przenośne. Po stronie serwera strumieniowanie kontrolowane jest przez główny kontroler aplikacji ('Master Application Controller' - MAC), natomiast po stronie klienta transmisja danych kontrolowana jest przez kontroler stacji bazowej ('Base Station Controller'). Powyższe elementy połączone są z silnikiem wyzwalającym ('Triggering Engine'), który komunikuje się z serwerem, stacjami bazowymi oraz klientami. Dzięki wspólnemu optymalizowaniu poszczególnych warstw transmisyjnych elementy sterujące dopasowują parametry strumienia multimediów, gwarantując możliwie największą wydajność urozmaiconych odbiorników dzięki optymalnemu wykorzystaniu dostępnych zasobów sieciowych oraz urządzeń. "Przewidywane, zwiększone możliwości komunikacyjne przyszłych urządzeń przenośnych idą w parze z różnicami w specyfikacjach i parametrach dotyczących zdolności tych urządzeń do wyświetlania treści multimedialnych (np. wydajności przetwarzania multimediów, rozmiarem ekranu czy też możliwościami audio). Powyższe parametry będą definiowały jakość wyświetlania multimediów, osiągalną dla danego urządzenia", mówi dr Fracchia. Podczas testów przeprowadzonych w oparciu o treści zakodowane zgodnie ze standardem MPEG-4 zaobserwowano znaczące zwiększenie jakości w wyniku wdrożenia systemu Optimix. Naukowcy w szczególności badali "maksymalny stosunek sygnału do szumu" ('peak signal-to-noise ratio' - PSNR), czyli stosunek maksymalnej możliwej mocy sygnału do mocy szumów zakłóceniowych, wpływających na wierność odwzorowania przesyłanych treści, mierzony w decybelach (dB). Samo zastosowanie głównego kontrolera aplikacji pozwoliło osiągnąć PSNR o wartości przekraczającej 25 dB dla 90 procent ramek, natomiast zastosowanie pełnego systemu optymalizacji pozwoliło przekroczyć 30 dB dla 90 procent ramek - jest to znacznie lepszy wynik, niż w przypadku stosowania tradycyjnych technik strumieniowania. Widzowie testujący system na Uniwersytecie Kingston w Londynie oraz na Uniwersytecie w Budapeszcie, których poproszono o oglądnięcie zarówno oryginalnego materiału wideo, jak i jego strumieniowanej wersji, często nie byli w stanie dostrzec różnic. "Okazało się, że w przypadku wszystkich badanych sekwencji wideo korzyści płynące ze stosowania systemu Optimix są oczywiste", mówi dr Fracchia. W oparciu o przeprowadzone przez siebie prace, naukowcy uczestniczący w projekcie Optimix wnoszą wkład na rzecz szeregu audiowizualnych organizacji standaryzacyjnych, w tym 'Joint Collaborative Team on Video Coding' (JCT-VC), będącej częścią ISO/IEC MPEG oraz ITU-T VCEG, a także 'Internet Engineering Task Force' (IETF). Naukowcy uruchomili ponadto projekt stanowiący kontynuację projektu Optimix Concerto , którego celem jest optymalizowanie bezprzewodowego strumieniowania wideo, wykorzystywanego w kontekście opieki zdrowotnej, w którym niezawodność, jakość obrazu oraz opóźnienie stanowią kluczowe elementy, decydujące o sprawnym przeprowadzaniu diagnozy medycznej. Projekt Optimix uzyskał wsparcie finansowe w wysokości 3,71 milionów euro w ramach podprogramu "Media Sieciowe" ('Networked Media'), będącego częścią Siódmego Programu Ramowego (7PR) Komisji Europejskiej. Użyteczne odnośniki: - strona internetowa projektu "Optymalizowanie transmisji multimedialnych realizowanych za pośrednictwem bezprzewodowych łączy IP dzięki technologii X-warstwowej" - Optimix - informacje na temat projektu Optimix w bazie danych CORDIS - strona internetowa projektu "Wspólne optymalizowanie transmisji multimedialnych w bezprzewodowych sieciach IP" - Phoenix - informacje na temat projektu Phoenix w bazie danych CORDIS - informacje na temat projektu Concerto w bazie danych CORDIS Odnośne publikacje: - "Zwiększenie przepustowości o 50%; Informacje na temat projektu Phoenix wśród wyników projektów z dziedziny TIK" - 'Bandwidth gets 50% boost, Phoenix project on ICT Results' - "Projekt OMEGA liderem wyścigu o transmisję danych" - 'OMEGA at the top of the data transfer game' - "Komunikacja na fali wznoszącej" - 'Rocketing communications' - "Projekt MUSE pomaga ulepszyć europejską technologię transmisji szerokopasmowej" - 'MUSE advances broadband technology in Europe'