телебачення | Системи цифрового мовлення

1. Широковещательное цифрове відео DVB
2. Цифрове телебачення IPTV в мережах передачі даних по протоколу IP
3. Цифрове Інтернет мовлення Internet-TV
4. Моделі мовлення: централізоване потокове мовлення CDN, пірінгових телебачення P2P і гібридна модель...

2015-05-22

Автор: Володимир Ткаченко

джерело: Навчання в інтернет

Широковещательное цифрове відео DVB

Відомо, що для аналогового телебачення, використовуються стандарти PAL, SECAM, MESECAM, NTSC і т. Д. Що стосується цифрового ТБ, то в ньому застосовуються основні або базові стандарти цифрового мовлення, до яких відносяться: DVB, ATSC, ISDB. Цифрове телемовлення засноване на відкритих стандартах і розвивається під контролем консорціуму DVB. Найбільш поширеним є стандарт DVB (Digital Video Broadcasting - широковещательное цифрове відео) і його модифікації.

Найбільшого поширення набули системи:

• цифрового супутникового мовлення - DVB-S (DVB-S2 в другому поколінні);
• цифрового кабельного мовлення - DVB-C;
• цифрового ефірного мовлення - DVB-T (в Україні стандарт DVB-T2);

Крім того, поширене цифрове мобільне телебачення. Для мобільних пристроїв було створено кілька стандартів цифрового мовлення. Наприклад, в Європі обраний формат DVB-H (Digital Video Broadcasting - Handheld). Стандарт мобільного мовлення в форматі DVB-H, заснований на стандарті DVB-T, дозволяє передавати цифровий відеосигнал на мобільні пристрої (КПК, смартфони, портативні телевізори і т.д.).

Альтернативою цифровому мобільному мовлення DVB-H є стрімінговое мобільне ТБ (Інтернет мовлення) на базі мобільних мереж 2G / 3G або Wi-Fi. Для перегляду телеканалів на мобільних пристроях необхідно встановити спеціальну програму - відеоплеєр (Наприклад, SPB TV, Crystal TV, ITV, Telebreeze Player і ін.).

Необхідно відзначити, що в даний час розвивається цифрове телебачення IPTV (DVB-IPTV) і Інтернет телебачення Internet-TV. IPTV і Internet-TV - це різні технології цифрового телебачення. На малюнку 1 представлена ​​схема підключення різних видів цифрового мовлення до телевізійного приймача (smart-tv).

Мал. 1. Схема підключення різних видів цифрового мовлення до smart-tv.

Цифрове телебачення IPTV в мережах передачі даних по протоколу IP

IPTV (Internet Protocol Television: IPTV, DVB over IP, IP-телебачення або DVB-IPTV) - цифрове телебачення в мережах передачі даних по протоколу IP. IPTV не пов'язане з інфраструктурою глобальної мережі Internet. Компанії, які пропонують відеосервіси IPTV, як правило, дублюють кабельні та супутникові ТВ-канали. Важливо відзначити, що IPTV - це телебачення, яке веде мовлення не через інтернет, для Інтернет мовлення застосовується термін Internet-TV (Інтернет-телебачення).

В IPTV доставка відеоконтенту до клієнтських терміналів здійснюється за IP-мережі, керованої оператором зв'язку. Абоненти можуть переглядати телеканали безпосередньо на комп'ютері за допомогою запропонованих операторами зв'язку відеоплеєрів - VLC-player або IP-TV Player, або на телевізорі за допомогою спеціалізованого пристрою Set Top Box. IPTV надає два види відеосервісів: лінійне мовлення і VOD (Video on Demand - відео за запитом).

При лінійному мовленні транслюються програми розсилаються групам клієнтів відповідно до визначеного графіком. Для того щоб клієнт зміг перейти з однієї групи в іншу (зареєструватися в одній з цих груп) і дивитися обраний IPTV-канал використовується протокол IGMP (Internet Group Management Protocol). Мережевий протокол IGMP призначений для реєстрації клієнтів в групах на роутері (multicast routing), який підтримує multicast. У таблиці маршрутизації multicast routing зберігається інформація про належність клієнтів до певної групи. IGMP запобігає трансляцію трансляції IPTV і несанкціонований перегляд TV-каналів.

У сервісі VOD застосовується зовсім інший підхід. В цьому випадку відео зі сховища пересилається клієнту на його вимогу, тобто кожен клієнт отримує персональний відеопотік, який він викликає з пульта управління. Запити на отримання необхідного відео направляються абонентами з використанням протоколу RTSP (Real -Time Streaming Protocol). Протокол RTSP використовується для доставки вмісту у вигляді одноадресна потоку (для одноадресної передачі відео, тобто на вимогу). Одноадресна передача даних (unicast) використовується, в основному, в системах "відео за запитом" (video on demand).

В IPTV застосовуються транспортні протоколи UDP, RTP, RTCP. Протокол RTP працює поверх UDP (RTP / UDP) і доповнює заголовок пакета UDP полем тимчасової мітки і порядковим номером пакета. RTP працює спільно з протоколом RTCP. RTP-протокол відповідає за передачу даних, а RTCP - за керування потокової передачею.

На рівні IP для визначення місця доставки пакета використовується адреса, на рівні UDP - номер порту. Саме ця властивість дозволяє зробити послугу цифрового ТВ "DVB over IP" адресною, контрольованою і керованою на рівні порту з прив'язкою до MAC адресу пристрою абонента.

Цифрове Інтернет мовлення Internet-TV

Internet-TV (Інтернет-ТВ, Онлайн-ТВ або Web-телебачення) - це інша, на відміну від IPTV і DVB, модель поширення відео. Internet-TV - це Інтернет мовлення, засноване на сучасному принципі об'єднання двох технологій: Інтернету і телебачення. Інтернет-телебачення - це цифрове відео, яке формується на серверах публікацій CDN і доставляється глядачам через мережу Інтернет.

Відтворення відео в режимі онлайн Ви в двох формах:

• відтворення відео файлу за запитом глядача або телебачення в запису (iVoD - відео за запитом);
• трансляція відео потоку в реальному часі (Live broadcast - прямий репортаж, пряма передача або "жива" мовлення).

Internet Video on Demand (iVoD) - це надання готових мультимедіа файлів, що зберігаються на серверах публікацій, для перегляду за запитами глядачів є однією з перспективних форм телебачення. У iVoD використовується принцип потокової передачі - Unicast (одноадресная передача даних). Першим Інтернет-відео за запитом iVoD на основі технології Flash є сервіс YouTube.

Web-мовлення або онлайн-трансляція (відеовещанія в прямому ефірі) - це доставка відео та звук з веб-камер через Інтернет на сервер публікацій (сервер відео трансляцій) з подальшою трансляцією відео- та аудіоконтенту на відео плеєри глядачів. В цьому випадку для роздачі мультимедійного контенту використовується Multicast трафік (многоадресная передача даних, тобто широкомовна передача).

Відео плеєри можуть бути інтегровані в браузери (у вигляді плагіна) або працювати як самостійна прикладна програма (настільна програма). Онлайн телебачення - це перегляд телевізійних каналів на серверах публікацій (веб-порталах прямих трансляцій) в реальному часі за допомогою відео плеєрів.

Існує три способи потокової передачі звуку і зображення або доставки мультимедійного контенту глядачам через Інтернет:

• послідовний (progressive streaming) з HTTP-сервера, кешуються на дисковому носії;
• в реальному часі (real-time streaming) з потокового сервера (streaming server), що не кешуються на дисковому носії;
• гібридний метод.

При прогресивної завантаженні відеофайлів вони поступово завантажується на вінчестер (в кеш) ПК глядача і в міру закачування їх можна переглядати з жорсткого диска (в кеші). При такому способі передачі потокового відео якість зображення набагато краще, ніж при перегляді з сервера, оскільки відео відтворюється з жорсткого диска ПК глядача. Слід зазначити, що переглядати можна тільки ті частини відео, які вже завантажені на ПК глядача.

Послідовна передача відео через Інтернет, в основному, застосовується для трансляцій медіофайлов невеликих розмірів, а для реалізації такого способу передачі потокового відео застосовуються звичайні HTTP-сервери. Прогресивна завантаження - це звичайна завантаження файлу з HTTP-сервера за допомогою прикладного протоколу HTTP.

Для передачі потокового відео в реальному часі і завантаження відеофайлів великих розмірів застосовуються так звані потокові сервери (streaming servers), наприклад, Adobe FMIS streaming, WOWZA streaming, Red5 streaming, Icecast streaming і т.д. В цьому випадку відеофайли, які зберігаються на потокових серверах, в процесі трансляції відео не завантажуються повністю на жорсткий диск пристрою глядача, тобто відеозапис можна переглядати, чи не закачуючи весь відеофайл на вінчестер ПК глядача.

Потокові сервери або сервери потокового мультимедіа (Streaming Media Servers) - це серверні додатки для організації потокового аудіо і відеовещанія, які здійснюють роздачу мультимедійних потоків в різних форматах, а в якості мовних протоколів застосовують різні прикладні та транспортні протоколи.

До прикладних протоколів традиційного потокового мовлення відносяться: RTSP (Real-Time Streaming Protocol) компанії RealNetworks, RTMP (Real Time Messaging Protocol) компанії Adobe Systems, модифікована версія HTTP або Windows Media HTTP Streaming Protocol (MS-WMSP). Протокол RTSP застосовують для створення і управління сеансами передачі мультимедійного контенту між сервером і клієнтом. RTSP використовується спільно з протоколами реального часу RTP / RTCP, а в якості транспортного протоколу використовується UDP.

RTP працює поверх UDP (RTP / UDP) і заголовок пакета UDP доповнюється полем тимчасової мітки і порядковим номером пакета. Протоколи RTP і RTCP працюють спільно. RTP відповідає за передачу даних, RTCP - за керування потокової передачею. Прикладний протокол RTMP застосовується спільно з транспортним протоколом TCP. Прикладний протокол MS-WMSP застосовується спільно з транспортним протоколом TCP.

Гібридний метод доставки мультимедійного контенту - це Adaptive HTTP Streaming (Адаптивне потокове мовлення поверх протоколу HTTP) , Засноване на протоколі передачі даних HTTP (прогресивної HTTP завантаженні). Суть адаптивного мовлення полягає в тому, що відеопотік на сервері ділиться на безліч невеликих частин і кодується (упаковується в певний контейнер), потім формується задану кількість варіантів кожної частини, що відрізняються значеннями bitrate і дозволом відео. Закодовані частини (cегментірованние медіапотоків) розміщуються на HTTP-сервері. За вибір частин (сегментів) з сервера в потрібному якості (бітрейт і контейнер) відповідає клієнтська частина (плеєр).

Кожен клієнт (плеєр) запрошувати (вибирає) ті частини на HTTP-сервері, які можна транслювати з оптимальною якістю для існуючих в даний момент каналів зв'язку, і завантажує їх, використовуючи звичайну прогресивну завантаження по HTTP. Адаптивність полягає в тому, що під час перегляду відео плеєр глядача здійснює перехід (адаптується) між готовими потоками з різними бітрейтами і форматами контейнерів.

До прикладних протоколах адаптивного потокового мовлення поверх HTTP відносяться: протокол HTTP Dynamic Streaming (HDS) для Adobe Flash, HTTP Live Streaming (HLS) для Apple (в основному для iOS пристроїв), Microsoft Smooth Streaming for Silverlight, MPEG-DASH (MPEG Dynamic Adaptive Streaming over HTTP). Протокол MPEG-DASH можна застосовувати на будь-якій платформі доставки контенту і на будь-якому пристрої.

Слід зазначити, що поряд з такими традиційними технологіями як Flash або HTTP Streaming, використовуваними для створення серверів потокового мультимедіа, вже починає застосовуватися нова технологія - це WebRTC для організації потокових серверів, так компанія Flashphoner випустила серверний додаток для організації онлайн трансляцій в реальному часі і вебінарів "WebRTC Media & Broadcasting Server".

Джерелом аудіо- і відео потоку для WebRTC Media & Broadcasting Server може бути веб-браузер з підтримкою WebRTC і веб-камерою, IP-камера, що має підтримку RTSP протоколу або медіа-сервери з підтримкою RTSP, видеокодеков H.264, VP8 і аудіокодеків G.711, Speex, Opus. Відеосервер перетворює вхідний мультимедійний контент і транслює його клієнтським термінальним пристроям по WebRTC. Роль клієнтських термінальних пристроїв виконують браузери, які підтримують HTML5 і WebRTC без установки плагінів і розширень.

Моделі мовлення: централізоване потокове мовлення CDN, пірінгових телебачення P2P і гібридна модель мовлення P2P CDN

В Інтернеті існують дві моделі мовлення: клієнт-серверна модель на основі CDN (Content Delivery Network - мережа доставки контенту) і пірінгова модель телебачення або торрент-телебачення. Мережа CDN являє собою сукупність кешуючих серверів, в якій сервери розташовуються якомога ближче до кінцевих користувачів з метою запобігання опорної мережі від перевантаження. Популярні в даний час відеохостінги засновані або на класичній клієнт-серверної моделі CDN, або на її модифікації, які використовують централізовану систему зберігання і доставку контента (Рис.2).

Мал. 2. Клієнт-серверна модель на основі CDN.

Основним недоліком централізованого потокового мовлення є необхідність створення потужних відеосервер і каналів передачі відео з високою пропускною здатністю, які повинні підтримувати роботу потокового відео для мільйонів користувачів в реальному часі. Чим більше глядачів одночасно вибирають певний канал, тим більше навантаження на сервер і канали передачі відео, в результаті виникають проблеми зі швидкістю і якістю передачі відеопотоку (зависанням кадрів).

На відміну від клієнт-серверної моделі мовлення CDN у пиринговой моделі телебачення якість і швидкість передачі відеопотоку поліпшується зі збільшенням кількості глядачів, т. Е., Чим більше глядачів, тим вище якість телебачення. З цієї причини в даний час затребуване децентралізоване Internet-TV або пірінгових телебачення, яке засноване на тих же принципах, що і робота торрентів.

Використання торрент-технологій дозволяє плеєру глядача завантажувати фрагменти відео не з централізованого CDN сервера, а вибирати необхідні фрагменти з кешу (де вони тимчасово зберігаються) комп'ютерів клієнтів, які дивляться це відео. Торрент-технології значно розвантажують сервери для розміщення відеофайлів. Але найбільш перспективними моделями мовлення є гібридні на основі клієнт-серверної моделі CDN і пиринговой моделі телебачення P2P.

Гібридна модель забезпечує можливість одночасної передачі відеофрагментів клієнту як з централізованого сервера (по протоколу HTTP), так з і комп'ютерів клієнтів через P2P мережа (з мережних протоколах BitTorrent). У такій гібридної моделі HTTP сервери служать тільки як сервери підтримки, а весь основний трафік децентралізовано розподіляється між споживачами через P2P мережа.

Гібридна модель мовлення P2P CDN реалізована, наприклад, на основі технологій Ace Stream . ACE Stream HD - це кроссплатформне програмний додаток. У пакет програмного забезпечення Ace Stream Media включені серверні і клієнтські програми (як настільна програма, так і плагіни для браузерів): ACE Stream HD, плагін для веб-браузерів Ace Stream P2P Multimedia Plug-in, мультимедійний плеєр ACE Player HD і TS Magic Player - додаткове розширення для браузерів Mozilla Firefox, Google Chrome і Opera. Платформа забезпечує відтворення відео в режимах: iVoD і Live Stream.

Мал. 3. Модель ACE Stream p2p.

До іншого типу гібридної моделі відносяться: PeerCDN, FlockPlay, Viblast, Peer5, Swarmify, StreamRoot, в яких використовуються технології WebRTC. У цих моделях застосовується клієнт-серверна модель на основі CDN і пірінгова модель телебачення на основі технології WebRTC. Для організації розподіленої CDN в цих проектах браузери (бенкети) працюють як сервери (PeerServer) для інших браузерів через пірінгові P2P-канали з використанням технології WebRTC.

Необхідно відзначити, що WebRTC є частиною проекту HTML5. WebRTC забезпечує доступ браузера до веб-камері і мікрофону користувача засобами HTML5 і JavaScript без додаткових плагінів і розширень.

Слід зазначити, що в гібридної моделі із застосуванням WebRTC метадані відео файлів і інформацію про бенкетах, які переглядають дане відео, бенкети отримують від Tracker, встановленого на CDN сервері. Перерозподіл потоків відеотрафіка P2P / CDN в гібридної мережі Viblast на основі технології WebRTC показано на малюнку 4.

Мал. 4. Viblast.

У Китаї широко застосовується P2P потокове інтернет-телебачення: PPLive, PPStream, TVUPlayer, Coolstreaming, PPMate і інші моделі.

В даний час ведуться роботи по створенню гібридної моделі мовлення на основі WebTorrent. WebTorrent це перший клієнт BitTorrent, який працює в браузері, використовуючи тільки HTML5 і WebRTC без установки плагінів і розширень. WebTorrent є торрент-клієнтом для Node.js (середовища виконання серверного JavaScript коду) і браузера, що підтримує WebRTC.

Необхідно відзначити, що за підтримки Євросоюзу активно велися роботи по створенню пирингового мовлення проекту P2P-Next на основі BitTorrent. Консорціумом P2P-Next був розроблений відеоплеєр SwarmPlayer (SwarmPlayer 2.0) або програма-клієнт для пирингового мовлення P2P-Next. Але в даний час доля цього проекту невідома і, крім того, сайт http://www.p2p-next.org/ про діяльність консорціуму заблокований.