Streaming media (1): úvod

Streaming media, kde „medium“ může být hudba, obecně zvuk, nebo obraz (video), nebo obojí, jsou na Internetu stále populárnější. Mohou se používat jak pro živé přenosy, tak pro uložené nahrávky, které si uživatel chce užít v okamžiku potřeby. Jakkoli jsou streaming media zajímavá pro uživatele, na síť kladou specifické nároky, a proto se na ně podíváme podrobněji v následujícím seriálu.

Audio a video soubory na Internetu mohou být buď přenášeny vcelku, aby se následně uložily a aby si je uživatel přehrál v pro něj vhodnou dobu, nebo mohou být přenášeny tzv. proudově (streaming media). Streaming mediaumožňují plynule zobrazovat či přehrávat audio, video nebo objemné multimediální aplikace z Internetu bez jejich předběžného či současného ukládání. Nabízejí nepřebernou kombinaci formátů, v nichž se může přenášená informace prezentovat: od textu, prezentací, obrázků, fotografií, animace (tj. pohyb textu, obrazu nebo tvarů po vymezené ploše obrazovky), přes zvukové a hlasové nahrávky, až po rádiové vysílání, televizní vysílání a přímý přenos ve zvuku a obraze (webcast).

Může se jednat o přenosy v reálném čase (živé vysílání), nebo o přenosy předem připravených materiálů, které jsou kdykoli uživatelům na síti k dispozici, na základě jejich vyžádání (on demand). Výhodou je možnost snadno obsloužit jedním obsahem velké množství uživatelů, ale jiným způsobem, než u tradičního vysílání: vyjma živých plánovaných přenosů totiž nemusí být uživatelé nijak synchronizováni a každý uživatel může být v jiné fázi prohlížení/poslouchání obsahu.

Úkoly multimediálních přenosů jsou následující:

• konverze analogových dat na data digitální ve zdrojovém uzlu a jejich následná komprese;
• přenos toku multimediálních dat (streaming media) s potřebnou kvalitou služby (QoS), umožňující cílovému uzlu korektní příjem těchto dat;
• příjem, dekomprese a interpretace datového toku do multimediálního výstupu v cílovém uzlu.

Komprese je nedílnou součástí multimediálních přenosů, protože soubory jsou velice objemné a ani širokopásmové přípojky nejsou většinou schopné je přenášet v „syrovém“ stavu. Kompresní algoritmus musí být odolný proti možným ztrátám některých paketů z datového proudu a nesmí být závislý na příjmu předchozího ani následného paketu. Součástí algoritmu by mělo být také určení povolené tolerance k možným ztrátám dat. Metody používající kompresní a dekompresní algoritmy se nazývají kodeky (codec, compressing – decompressing). Pozn.: kodek se také používá pro označení mechanizmu kódování/dekódování (coding – decoding).

Výše uvedené kroky se snadněji provádějí u přenosů na vyžádání, než živých přenosů, protože u multimediálních přenosů probíhajících v reálném čase musí v reálném čase proběhnout komprese, vlastní přenos a na straně klienta i dekomprese.

Kompresní formáty

Aby bylo možné využívat multimediální informace mezi výpočetními systémy s různými platformami operačních systémů, byla vyvinuta řada specifikací pro vytvoření, ukládání a přenos multimediálních dat. V souladu s použitými normami vzniká z multimediální informace datový soubor určitého formátu prostřednictvím k tomu určené uživatelské aplikace. Některé uživatelské aplikace rovněž dokáží provádět konverze mezi různými formáty, to znamená, že převádějí multimediální informace zakódované do datového souboru podle jedné specifikace do kódu podle jiné specifikace.
 
Pro vytvoření, ukládání a přenos multimediálních dat byla vyvinuta řada specifikací:

• JPEG (Joint Photographic Experts Group) zahrnuje několik typů komprese digitálních barevných a černobílých obrazů (soubory s příponou .jpg). JPEG používá kompresní techniku s prostorovou redundancí DCT (Discrete Cosine Transformation), proto se hodí pro statická zobrazení.
• MPEG (Moving Picture Experts Group) zahrnuje skupinu mezinárodních norem kompresních technik pro digitální video a digitální audio určené pro specifické účely. MPEG video soubory (mají příponu .mpg) jsou na straně klienta interpretovány přehrávači (MPEG player nebo MPEG viewer), které jsou i volně šiřitelné. Mezi MPEG jsou nejznámější následující normy (porovnání jejich vlastností uvádí tabulka níže):

• MPEG-1- používá se především pro kompresi audio/video záznamů (tj. animovaných obrázků spojených se zvukovým záznamem) na nosičích CD-ROM. Komprese dat je výpočetně náročnější než dekomprese; lze dosáhnout kompresního poměru okolo 1:50.
• MPEG-2– je nadstavba MPEG-1, která se uplatňuje zejména v přenosech pro kabelovou televizi (tj. digitálních TV přenosech) a jako podpora technologie DVD (Digital Versatile Disk). MPEG-2 podporuje kódování tzv. prokládaných snímků (interlaced images) s rychlostí přenosů nad 4 (6) Mbit/s, čímž vykazuje vyšší kvalitu obrazových záznamů a možnost interpretovat obrazový záznam s vyšším rozlišením a v rámcích větších rozměrů. MPEG-2 patří mezi dnes nejpoužívanější kompresní formáty
• MPEG-3 - měl se stát rozšířením MPEG-2 pro použití televizních přenosů s vysokým rozlišením (HDTV, High-Definition TeleVision). Během svého vývoje splynul s MPEG-2.
• MPEG-4– nejnovější formát pro digitální televizní přenosy, interaktivní grafické aplikace se syntetickým obsahem a v systému WWW a pro využití v multimediálních komunikačních systémech zejména mobilních typů. O variantě video kodeku MPEG-4.10 si budeme povídat v příštím díle seriálu.
• MPEG-7- normalizuje popisy různých typů informací o multimediálních datech. Tento popis je svázán s určitými multimediálními daty, což umožňuje efektivní  vyhledávání rozmanitých multimediálních zdrojů a materiálů na Internetu. MPEG-7 vytváří rozhraní popisu multimediálního obsahu, které mohou využívat pro svou činnost vyhledávací automaty a podobné programy.

Tabulka: Kodeky

Specifikace	datová rychlost	cílová aplikace
H.261	384 kbit/s-2 Mbit/s	videokonference
H.263	28,8 – 768 kbit/s	vylepšená videokonference
MPEG-1	400 kbit/s – 2 Mbit/s	video (max 2 audio kanály)
MPEG-2	1,5 – 6 Mbit/s	streaming video (max 8 audio kanálů)
MPEG-4	28,8 – 900 kbit/s	Internetové video televizní kvality (max 8 audio kanálů)

 

• doporučení ITU-T H.261je nejrozšířenější specifikace pro kompresi videa ve videokonferenčních aplikacích. Podporuje audiovizuální přenosy o rychlosti P x 64 kbit/s, kde P je celé číslo v rozmezí od 1 do 30. H.261 se obvykle používá současně s dalšími řídicími a snímkovacími protokoly podle doporučení H.221, H.230, H.242 a H.320 (tj. rodina specifikací ITU-T pro kódování audia a videa).
• doporučení ITU-T H.263vylepšuje doporučení H.261 pro kompresi videokonferenčního vysílání. Zaměřuje se na zlepšení kvality obrazu při přenosu přes modemy v rámci vytáčeného připojení k Internetu. H.263 umí pružně využívat šířku pásma a dovoluje dosáhnout plnohodnotného pohyblivého obrazu (30 obrázků za sekundu) již od šířky pásma 128 kbit/s.
• doporučení ITU-T G.711je specifikací pro kódování zvukové informace (včetně audio složky audiovisuálních přenosů) a je základem videokonferenčních aplikací. Kódování zvuku je založeno na technice PCM (Pulse Code Modulation), kde rychlost vzorkování je 8000 vzorků za sekundu. Vzorek nabývá jednu z definovaných 212 hodnot, které jsou ukládány do osmic bitů za použití logaritmického kódování. Je vhodný pro přenosy s vyšší rychlostí, neboť podporuje přenosy 48, 56 a 64 kbit/s.

Připomeňme, že komprese může být ztrátová či nikoli, což označuje, zda originální data lze získat kompletně dekompresí či nikoli. Např. formát obrázků GIF (Graphics Interchange File) běžný na webu poskytuje kompresi bezeztrátovou, kdy každý jednotlivý bit dat v originálním souboru se opět získá při dekompresi souboru. Naproti tomu JPEG používá ztrátovou kompresi, kdy se v rámci procesu komprese redukuje soubor o typicky redundantní informace, takže při dekompresi se nezíská kompletní původní soubor. To je výhodné při složitějších médiích, kombinujících video a zvuk, kde určitá ztráta informací není pro uživatele detekovatelná.
 
Příště se podíváme na nejmodernější video kodek MPEG-4.10 a na záležitosti, které mohou jeho žádoucí nasazení (a nahrazení stávajícího MPEG-2) v sítích poskytovatelů širokopásmového přístupu zpomalit.

6. 10. 2004

Autor: Ing. Rita Pužmanová, CSc., MBA