Принципы организации звукового и телевизионного вещания в сети Интернет

В последнее время наблюдается значительный интерес вещателей и производителей аудиовизуальной продукции к технологии передачи потокового, т.е. непрерывного, аудио и видео через Интернет. Интернет-вещание - новый альтернативный способ распространения телевизионных и звуковых сигналов получает сегодня все более широкое распространение. В значительной мере можно сказать, что ряд экономически развитых стран переживают настоящий бум Web-вещания. Во многом это объясняется высоким качеством линий связи, развитой инфраструктурой и хорошим уровнем подготовки пользователей. Попытки организовать Web-вещание делаются и в России.

Глобальная сеть обмена информацией Интернет зародилась как информационная система, работающая на низких скоростях и оперирующая весьма малыми объемами текстовой информации. Затем, по мере революционного изобретения гипертекста, появления WWW-технологий, мультимедиа, совершенствования персональных компьютеров и использования более высоких скоростей передачи, резко возросли объемы обрабатываемой информации. По сети Интернет пользователям начали доставляться файлы графики, видео, звука, т.е. из системы информационной она превратилась в информационно-транспортную. А в настоящее время, благодаря развитию потоковых технологий вещания и использованию еще более широкополосных каналов передачи данных, сеть Интернет постепенно становится информационно-транспортно-вещательной. Фактически, сеть Интернет превратилась в наиболее распространенное и эффективное средство массовой информации.

В чем же причина столь высокой популярности новой технологии? В современных условиях, когда найти скоростной канал связи в Интернете становится все проще, Web-вещание обеспечивает необходимую гибкость и мобильность, позволяя использовать практически, любой доступный способ для подключения к сети. Кроме того, тесная интеграция аудио, видео и компьютерных технологий, характерная для Web -вещания, открывает широчайшие возможности по организации «аудио и видео-по-запросу» и других интернетовских сервисов [52]. Интерактивность в сети Интернет фактически на порядок выше, чем в любой функционирующей вещательной телевизионной системе.

Появление новых коммуникативных функций Интернет-вещания рассмотрим на примере системы потокового автоматизированного звукового вещания. Радиостанция в процессе подготовки к Web-вещанию кроме традиционной звуковой программы накапливает огромный поток дополнительных данных, непосредственно относящихся к ее содержанию. Это может быть информация, содержащаяся в электронной этикетке к фонограмме, на которой указаны название музыкальной композиции, фотографии авторов и исполнителей, дата создания и первого исполнения, название музыкального альбома, расписание в эфире, текст, записываемый ведущим в студии и т.п. Вся эта информация используется для Web-вещания. В этом случае пользователи в процессе прослушивания программ звукового вещания имеют возможность одновременного ознакомления по выбору со всем объемом дополнительно накопленных данных.

В основе всех технологий Интернет-вещания в прямом эфире лежит следующий принцип: станция оцифровки (в случае применения аналогового вещательного телевизионного и звукового оборудования), либо кодирующее устройство осуществляют захват, т.е. ввод видео и звуковых сигналов и затем кодируют эти сигналы в медиапоток с заранее заданными параметрами. Разработанная технология и имеющиеся инструментальные средства обеспечивают всестороннюю «чистку» звуковых и видеоданных в процессе их подготовки и оцифровки. Используемые инструментальные средства позволяют осуществлять шумоподавление, удаление артефактов, преобразование чересстрочной телевизионной развертки в прогрессивную и коррекцию цвета. Далее сформированные цифровые потоки передаются на серверы, ретранслирующие их пользователям Интернета. В свою очередь аппаратуру для кодирования звука и видео в потоковые форматы можно условно разделить на две группы. Первая группа, которую следует назвать программными кодерами, захватывает, например, видео с помощью Web-камеры, подключаемой к передающей части сетевого комплекса на основе Fire Wire интерфейса. Дальнейшая «упаковка» видеоданных выполняется программным путем, а затем сформированный поток отправляется на сервер. В данном случае фактически требуются только компьютер, цифровая видеокамера и плата интерфейса для нее, а все остальные функции выполняет программное обеспечение. Второй подход предполагает наличие специальных компьютерных устройств, использующих программно-аппаратное кодирование видео или звука. Как правило, подобные системы имеют, по сравнению с первой группой, расширенные возможности. Однако стоимость аппаратных устройств для кодирования видео и звука несравненно выше, чем у чисто программных решений.

Важной особенностью аппаратных кодеров является возможность формирования нескольких информационных потоков видеоданных с различным соотношением сторон и качеством (в первую очередь, четкостью) воспроизводимых изображений. Таким образом, можно сразу подготовить потоковый контент, рассчитанный как на высокоскоростные, так и на каналы связи с малой пропускной способностью. При этом допускается одновременная работа в нескольких форматах передачи, например: Microsoft Windows Media, Real Networks, Real Video или Apple’s Quick Time. Одновременно с процессом вещания можно выполнить и функции архивирования данных, как на внутренний дисковый накопитель, так и внешний цифровой видеомагнитофон.

Примером программно-аппаратных систем является семейство оборудования IP/TV 3400 компании Cisco Systems [53]. Данные устройства представляют собой комплексы, осуществляющие обработку, промежуточное хранение и трансляцию видео- и аудиосигналов на неограниченное число ПК по сети Интернет. Для системного управления оборудованием IPЯV 3400 используется программно-аппаратный модуль 1РЯУ Content Manager. С его помощью администратор задает параметры видео- и аудиопотоков, составляет расписание трансляций и выполняет другие управленческие функции с помощью обычного Web-браузера с любого удаленного компьютера. IP/TV Broadcast Server является ядром данного семейства оборудования. Именно он осуществляет аппаратное кодирование аудио- и видеосигнале, промежуточное хранение полученных данных и их передачу по сети. IP/TV Broadcast Server поддерживает три режима передачи видео и аудиоинформации: прямую трансляцию, запланированную и по требованию. Ширина занимаемой полосы пропускания во время видеотрансляции в локальных и глобальных сетях зависит от используемого кодека. Поэтому пользователям предлагается достаточно большой набор видеокодеков, например, MPEG-1, MPEG-2, MPEG-4, Apple Quick Time, что позволяет в достаточно широких пределах варьировать соотношением качества принимаемого сигнала и необходимой пропускной способностью.

Существуют два принципа потоковой передачи аудио и видео в сети Интернет - Unicast (одноадресная передача данных) и Multicast (многоадресная передача данных) [54].

В режиме Unicast вещательный сервер генерирует для каждого клиента отдельный поток аудио- и видеоданных, а ПК пользователя периодически отсылает на сервер подтверждение о доставке пакетов данных. Таким образом, требуемые мощность сервера и полоса пропускания канала связи прямо пропорциональны количеству клиентов в сети. Посредством способа передачи данных Unicast (передача от точки к точке) сервер практически может обслужить только очень ограниченное число пользователей. Одноадресная передача данных используется, в основном, в системах «видео по запросу» (Video on Demand). Она удобна для работы отдельных Пользователей с видео-и аудиоархивами и для распространения вещания на абонентов, подключенных по низкоскоростным коммутируемым линиям связи.

В режиме Multicast (передача от одной точки на многие точки) сервер генерирует один поток данных, к которому могут подключаться по сети различные группы (локальные сети) клиентов. В данном случае мощность сервера и занимаемая полоса пропускания канала не зависят от количества клиентов. Для реализации режима IP-Multicast имеет значение тот факт, что мультиплексирование потока данных производится не на сервере у источника данных, а матричными коммутаторами (Router) в точках разветвления IP-сетей. Необходимые ресурсы сервера и магистральной сети при этом могут быть значительно меньше. При передаче по способу IP-Multicast для сервера безразлично, принимают ли данные один или миллион приемных устройств, сервер однократно передает пакеты данных по Multicast-адресу, а сеть распределяет и мультиплексирует их. К сожалению, при этом теряется важное достоинство Интернета - возможность для пользователя выбирать интерактив ное содержание из практически неограниченного объема данных. Подобно классическому вещанию при реализации режима Multicast клиентами принимается только узко ограниченное число звуковых или видеопрограмм и нельзя получить требуемую информацию индивидуально в желаемое время. На практике технология многоадресной передачи данных широко применяется для новостийного вещания, в дистанционном образовании, в корпоративных сетях, в структурах государственного управления. Передача мультимедийного потока данных способом IP-Multicast из одной точки на многие точки создает систему связи, схожую со схемой традиционного телевизионного вещания. Преимущество по сравнению с последним при передаче через сеть Интернет состоит в значительном увеличении радиуса вещания. Для российского сегмента Интернета, где ощущается дефицит высокоскоростных соединений сетевых узлов, сдерживающий широкое использование вещательных технологий, применение режима Multicast особенно актуально.

В последнее время практическое применение получил новый способ передачи потоков мультимедийных данных в IP-сетях типа Multicast [55]. Данная технология основана на разбиении каждой вещательной программы на ограниченные по времени части, которые пространственно распределяются в сети различными серверами. В приемном устройстве отдельные части составляются в полную программу. Каждая вещательная программа при этом передается с нескольких разделенных в пространстве передатчиков (серверов), которые приемное устройство воспринимает как один «виртуальный» передатчик. Посредством разделения вещательной программы на временные отрезки достоинство Unicast-передачи (ее индивидуальность) сочетается с эффективностью использования полосы частот в способе Multicast. При этом индивидуальное содержание программ может передаваться значительно большему числу приемных устройств в отсутствие широкой полосы частот.

Приемниками потокового аудио и видео в сети Интернет могут быть обычные ПК, соответственно имеющие сетевую плату и дополнительно снабженные звуковой и видеокартами приема программ цифрового и видеовещания (DVB), гибридные, устройства, соединяющие ПК и телевизоры и обычные абонентские телевизоры, дополненные специальной приставкой.

Попытки интегрировать в одном устройстве телевизор и ПК предпринимаются рядом зарубежных фирм. Например, австралийская фирма АЕА (Advanced Energy Australia) начала выпуск универсальных приемных установок, именуемых Cybernet PC TV, представляющих собой качественный рывок в направлении объединения телевизора и ПК. Данное устройство сочетает в себе ПК, телевизор высокой четкости, проигрыватель DVD и обычных компакт-дисков и коммуникационный центр для приема-передачи факсов и высокоскоростного подключения к сети Интернет [56].

Cybernet PC TV имеет процессор с тактовой частотой 253 МГц, 64 Мбайта оперативной памяти и жесткий диск емкостью 4,3 Гбайт. Встроенная плата с декодером MPEG/Dolby позволяет проигрывать компакт-диски практически любых форматов из имеющихся на сегодняшний день.

Абонентские приставки (Set-Top-Box - STB), обеспечивающие непосредственное подключение бытовых телевизоров к сети Интернет без помощи ПК, осуществляют согласование параметров отображения Интернет-страниц с параметрами стандартного телевизионного разложения. Одновременно приставки типа STB следует рассматривать как базовые устройства приема программ спутникового и наземного цифрового телевизионного вещания. Относительно низкая стоимость приставок STB может сделать рассмотренный вариант доступа в Интернет особенно привлекательным для самого широкого круга пользователей.

Одной из важнейших проблем, требующих решения при организации потокового вещания в сети Интернет, является предоставление каналов связи с необходимой пропускной способностью пользователям. В принципе информация из сети Интернет может передаваться по существующей телефонной сети общего пользования (ТСОП) со скоростью 28,8 кбит/с по обычным каналам и до 56 кбит/с по специально выделенным каналам. Однако ситуация осложняется тем, что потоковое видео очень информативно. Например, видеосюжет длительностью в одну минуту, преобразованный в соответствии со стандартом кодирования с информационным сжатием MPEG-2, может быть представлен в виде файла объемом 60 МБ. В случае обеспечения визуального качества, принятого, например, в наземном цифровом телевизионном вещании, прием одноминутного видеосюжета из Интернета по ТСОП потребует от 2,4 до 4,6 ч. Следовательно, видеофайлы не могут практически передаваться абонентам по узкополосным каналам связи. Крайне необходимо использование более высокоскоростных каналов. При этом следует учитывать, что абонентские каналы связи в сети Интернет при реализации потокового вещания являются резко асимметричными; запрос от абонента требует скорости 50...150 бит/с, а для получения потокового видео из Интернета необходима скорость, по крайней мере, в пределах нескольких Мбит/с (иногда до 20 Мбит/с).

К настоящему времени известно несколько наиболее привлекательных вариантов высокоскоростного подключения абонентов к сети Интернет. Во-первых, это распределительные сети систем кабельного телевидения, обеспечивающие скорость цифрового потока до 10 Мбит/с. Во-вторых, это использование малых наземных станций типа VSAT для приема сигналов со связных спутников, а также коллективных и индивидуальных установок систем спутникового непосредственного телевизионного вещания, создающих возможность принимать сигналы из сети Интернет со скоростью до 4 Мбит/с. Наконец, это наземные сети многоканального телевизионного вещания MMDS. Обобщенная структурная схема высоко-скоростного доступа в Интернет по системе MMDS приведена на рис. 9.29. Ее особенность состоит в том, что скорость передачи информации по радиоканалу к индивидуальному абоненту достигает 0,4 Мбит/с, а к коллективному (корпоративному) пользователю - 10 Мбит/с. Подобный высокоскоростной доступ стал возможным благодаря организации широкополосного канала от провайдера Интернета к пользователям через цифровой передатчик MMDS. Передача индивидуальных запросов от абонентов в таких системах производится с помощью ТСОП.

Перспективы развития Интернет-вещания определяются новыми технологическими достижениями. Например, широкое использование технологий спутникового непосредственного телевизионного вещания, распространение систем передачи данных на базе сетей кабельного и сотового телевидения фактически решают проблему «последней мили» для отдельных пользователей сети Интернет.

Рис. 9.29. Обобщенная структурная схема высокоскоростного доступа в Интернет по системе MMDS

Новые высокопроизводительные информационные серверы, сетевые маршрутизаторы и коммутаторы позволяют поддерживать множество потоков аудио- и видеоинформации. Разработка недорогих сетевых терминалов (гибрид телевизора и ПК), а также абонентских приставок типа STB заново откроет сеть Интернет для многих миллионов новых пользователей.