Chương 1. Tổng quan về truyền thông đa phương tiện

Vũ Văn Cảnh CHƯƠNG1.TỔNG QUAN VỀ TRUYỀN THÔNG ĐA PHƯƠNG TIỆN Truyền thông đa phương tiện Dữ liệu đa phương tiện Truyền dữ liệu đa phương tiện Các phương pháp tryuền dữ liệu đa phương tiện Mô hình download Mô hình Streaming So sánh các phương pháp truyền dữ liệu đa phương tiện Các thách thức khi xây dựng một hệ thống truyền thông đa phương tiện NỘI DUNG Là công nghệ truyền thông giúp người dùng trao đổi, chia sẻ thông tin đa phương tiện trên mạng truyền thông, thông tin gồm: Dữ liệu Audio, Video thời gian thực, hình ảnh văn bản và các dạng dữ liệu khác. Các ứng dụng sử dụng truyền thông đa phương tiện trên gồm: Hội thảo từ xa (video conferencing), nói chuyện qua internet (voice over IP), truyền hình internet, truyền hình theo yêu cầu (video on demand) … TRUYỀN THÔNG ĐA PHƯƠNG TIỆN 1. Các thành phần của hệ thống truyền thông đa phương tiện TRUYỀN THÔNG ĐA PHƯƠNG TIỆN 1. Các thành phần của hệ thống truyền thông đa phương tiện Hình trên thể hiện mô hình client/server để truyền dữ liệu đa phương tiện hai đầu. Ở phía nguồn, dữ liệu đa phương tiện được nén và lưu trữ. Qua hệ thống điều khiển từ phía server, các dữ liệu này sẽ được gửi đi qua mạng tùy theo yêu cầu của người dùng. Giao thức ở tầng application/transport sẽ được dùng để truyền dữ liệu tới máy khách, dữ liệu này sẽ được lưu trong bộ đệm hoặc thiết bị lưu trữ, từ đó được giải mã và được hiển thị cho người dùng. TRUYỀN THÔNG ĐA PHƯƠNG TIỆN 1. Các thành phần của hệ thống truyền thông đa phương tiện Đặc trưng duy nhất của mô hình hệ thống này là: Các thành phần của hệ thống sẽ thực hiện công việc một cách tuần tự theo các bước trong quá trình truyền dữ liệu. Do đó, nếu 1 thành phần hoạt động không tốt sẽ ảnh hưởng tới toàn bộ hệ thống. Tóm lại, các thành phần của hệ thống truyền thông đa phương tiện bao gồm: Dữ liệu đa phương tiện Hệ thống lưu trữ Bộ đệm Mạng truyền thông Thiết bị xử lý, hiển thị TRUYỀN THÔNG ĐA PHƯƠNG TIỆN Dữ liệu đa phương tiện cần được hiểu là nhiều loại dữ liệu sẽ được thu thập, gửi đi và hiển thị một cách đồng thời. Có rất nhiều loại dữ liệu: đơn giản nhất là dữ liệu văn bản thô, văn bản đã định dạng, và các dạng dữ liệu khác như ảnh đồ họa, âm thanh, video… Ta có thể phân loại các loại dữ liệu trên ra thành 2 loại, theo ngữ cảnh của việc truyền dữ liệu đa phương tiện. - Loại thứ nhất: dữ liệu rời rạc (discrete media) gồm các loại dữ liệu mà khi hiển thị không bị bó buộc chặt chẽ về thời gian. Ví dụ ta có thể nhận 1 bức ảnh từ web server để hiển thị trong web browser. Tùy theo thông lượng mạng mà thời gian nhận bức ảnh có thể nhanh hay chậm trước khi nó được giải mã và hiển thị. DỮ LIỆU ĐA PHƯƠNG TIỆN - Loại thứ 2: Dữ liệu liên tục. Dữ liệu này có một yêu cầu chặt chẽ về thời gian hiển thị và các thông tin này được nhúng bên trong dữ liệu. Ta có thể thấy ngay ví dụ đó là dữ liệu video, audio. Dữ liệu video thường được mã hóa theo các frame được hiển thị tuần tự với một tần số nào đó, ví dụ 25 hình/giây (frame per second fps). Do đó để hiển thị các đối tượng video một cách đúng đắn, thì không chỉ cần nhận dữ liệu video một cách chính xác mà còn cần phải giải mã và hiển thị chúng theo đúng trình tự và thời điểm. Nếu không làm được điều đó thì video hiển thị sẽ bị hỏng, chất lượng thấp. Do đó lưu lượng mạng dành cho dữ liệu đa phương tiện có thể coi là lưu lượng cố định do sự cần thiết duy trì bộ định thời chặt chẽ. DỮ LIỆU ĐA PHƯƠNG TIỆN Từ đó ta thấy, thách thức trong truyền thông đa phương tiện nói chung và đặc biệt là truyền thông dữ liệu đa phương tiện liên tục, đó là phải đảm bảo tính vẹn toàn của cả dữ liệu và thời gian hiển thị (presentation timing). Hơn nữa, dữ liệu đa phương tiện thông thường là sự kết hợp của nhiều dòng dữ liệu khác nhau và được đồng bộ với nhau. Do đó, độ phức tạp sẽ được nhân lên nhiều lần và phải đồng bộ giữa các dòng dữ liệu với nhau DỮ LIỆU ĐA PHƯƠNG TIỆN Với 2 loại dữ liệu đa phương tiện đã bàn ở trên, ta chỉ tập trung vào truyền dữ liệu liên tục trong phần còn lại của môn học. Chúng ta có thể phân lớp việc truyền dữ liệu đa phương tiện liên tục thành 2 loại: truyền thời gian thực và truyền bán thời gian thực (soft-real-time delivery) Truyền thời gian thực: dữ liệu phải truyền từ nguồn và hiển thị tại đích với một độ trễ cho trước. Truyền thời gian thực thường được sử dụng để người dùng tương tác với nhau như: Internet Phone, đàm thoại video từ xa. TRUYỀN DỮ LIỆU ĐA PHƯƠNG TIỆN TRUYỀN DỮ LIỆU ĐA PHƯƠNG TIỆN Truyền dữ liệu liên tục thời gian thực trong hội đàm video Truyền bán thời gian thực: Không cho trước thời gian trễ, thay vào đó, hệ thống phải truyền sao cho đảm bảo tính toàn vẹn của dữ liệu và toàn vẹn thời gian hiển thị, đồng thời giảm thời gian trễ ở mức tối đa. Ví dụ của việc truyền dữ liệu bán thời gian thực là dịch vụ video theo yêu cầu (Video on demand). Hệ thống này có thể có độ trễ ban đầu lớn để đổi lấy chất lượng video mịn trong quá trình play TRUYỀN DỮ LIỆU ĐA PHƯƠNG TIỆN TRUYỀN DỮ LIỆU ĐA PHƯƠNG TIỆN Truyền dữ liệu liên tục bán thời gian thực trong hệ thống VOD Việc truyền dữ liệu trên mạng máy tính không đã được thực hiện từ lâu, và có rất nhiều phương pháp khác nhau để áp dụng. Trong đó phương pháp download là phương pháp phổ biến nhất để truyền dữ liệu đa phươn tiện từ server tới client CÁC PHƯƠNG PHÁP TRUYỀN DỮ LIỆU ĐA PHƯƠNG TIỆN 1. Mô hình download Mô hình download được mô tả trong hình sau: Client gửi 1 yêu cầu tới server để chỉ ra đối tượng dữ liệu cần download; server sẽ lấy đối tượng dữ liệu đó (có thể từ hệ thống file nội bộ) và truyền nó tới client qua mạng dùng một số giao thức pplication/transport. Có thể lấy ví dụ trong WWW CÁC PHƯƠNG PHÁP TRUYỀN DỮ LIỆU ĐA PHƯƠNG TIỆN 1. Mô hình download CÁC PHƯƠNG PHÁP TRUYỀN DỮ LIỆU ĐA PHƯƠNG TIỆN Tương tác giữa client và server trong mô hình download Mô hình download Đặc điểm của phương pháp: Trước tiên đối tượng dữ liệu phải được nhận về toàn bộ và lưu trong bộ đệm hoặc file trước khi được giải mã và hiển thị. Khi đối tượng dữ liệu đã được client nhận đầy đủ thì việc giải mã và trình diễn dữ liệu đó sẽ được thực hiện như trên hệ thống file nội bộ của client. Mô hình này hoạt động tốt trong một số ứng dụng nhưng lại không phù hợp với dữ liệu liên tục. Tuy nhiên, với đối tượng dữ liệu liên tục thì độ trễ có thể sẽ rất lớn, đến mức không chấp nhận được. Ví dụ, một dữ liệu video thời lượng 2 giờ được nén MPEG2 với tần só bit trung bình 6Mbps sẽ có kích thước khoảng 5.4GB. Và truyền đi trong mạng với tốc độ 8Mbps thì người dùng sẽ phải chờ khoảng 1.5 giờ trước khi có thể xem video. CÁC PHƯƠNG PHÁP TRUYỀN DỮ LIỆU ĐA PHƯƠNG TIỆN 1. Mô hình download CÁC PHƯƠNG PHÁP TRUYỀN DỮ LIỆU ĐA PHƯƠNG TIỆN Thơi gian trễ trong mô hình Download Mô hình download Nhược điểm cơ bản của mô hình download (được thể hiện trên hình trên) là nó yêu cầu phải download toàn bộ đối tượng video về thì mới bắt đầu xem được. Trong khi đối với nhiều loại dữ liệu rời rạc thì yêu cầu này là cần thiết, thì dữ liệu liên tục như video có đặc trưng là một phần dữ liệu của nó có thể được giải mã(decoded) và hiển thị (play back). Dữ liệu video được cấu thành từ các frame, và ta có thể xem khi toàn bộ dữ liệu của 1 frame được client nhận về. CÁC PHƯƠNG PHÁP TRUYỀN DỮ LIỆU ĐA PHƯƠNG TIỆN 1. Mô hình download CÁC PHƯƠNG PHÁP TRUYỀN DỮ LIỆU ĐA PHƯƠNG TIỆN Thời gian trễ để download 5.4 GB video CÁC PHƯƠNG PHÁP TRUYỀN DỮ LIỆU ĐA PHƯƠNG TIỆN 2. Mô hình Streaming Trong mô hình streaming, dữ liệu liên tục sẽ được phát lại trong khi quá trình nhận dữ liệu về vẫn tiếp diễn (minh họa trong hình sau). Sau khi gửi yêu cầu tới server để bắt đầu quá trình streaming client sẽ đợi gói dữ liệu đầu tiên tới và bắt đầu phát lại (play), trong khi nhận gói dữ liệu thứ 2, và cứ như thế. Do đó, quá trình phát lại và quá trình nhận dữ liệu được thực hiện theo dòng gần song song (pipeline). 2. Mô hình Streaming CÁC PHƯƠNG PHÁP TRUYỀN DỮ LIỆU ĐA PHƯƠNG TIỆN Play từng phần dữ liệu trong mô hình streaming 2. Mô hình Streaming CÁC PHƯƠNG PHÁP TRUYỀN DỮ LIỆU ĐA PHƯƠNG TIỆN Play từng phần dữ liệu trong mô hình streaming 2. Mô hình Streaming CÁC PHƯƠNG PHÁP TRUYỀN DỮ LIỆU ĐA PHƯƠNG TIỆN Play từng phần dữ liệu trong mô hình streaming CÁC PHƯƠNG PHÁP TRUYỀN DỮ LIỆU ĐA PHƯƠNG TIỆN 2. Mô hình Streaming So sánh với mô hình download thì cần phải đáp ứng thêm 2 yêu cầu sau để mô hình streaming có thể hoạt động. Thứ nhất, dữ liệu đa phương tiện phải có thể chia nhỏ thành các đoạn độc lập, các đoạn này có thể được giải mã và phát lại. Hầu hết các dữ liệu liên tục như audio, video đều có tính chất này. Thứ hai, để bảo toàn bộ định thời trong khi hiển thị hay trình diễn(presenting), ta cần đảm bảo các đoạn dữ liệu sẽ được nhận về trước thời điểm dự kiến sẽ hiển thị nó. Đây chính là yêu cầu về tính liên tục, một trong các tham số chủ đạo trong thiết kế và đánh giá hệ thống đa phương tiện liên tục. CÁC PHƯƠNG PHÁP TRUYỀN DỮ LIỆU ĐA PHƯƠNG TIỆN 3. So sánh các phương pháp truyền dữ liệu đa phương tiện Phương pháp tải xuống (download) Phương pháp tải theo dòng (streaming) CÁC PHƯƠNG PHÁP TRUYỀN DỮ LIỆU ĐA PHƯƠNG TIỆN 3. So sánh các phương pháp truyền dữ liệu đa phương tiện Với sự phát triển nhanh của công nghệ mạng thì người ta có thể đặt ra câu hỏi rằng liệu trong tươnng lai mạng máy trính sẽ có thể có thông lượng rất lớn khiến cho thời gian truyền sẽ không đáng kể ngay cả khi dùng mô hình download hay không? Đây vẫn là 1 câu hỏi hỏi hợp lý, nhưng mô hình streaming một mặt có thể giúp cho việc playback được tiến hành sớm hơn, mặt khác nó còn mang đến sự cải tiến khác: truyền đồng thời nhiều dòng. CÁC PHƯƠNG PHÁP TRUYỀN DỮ LIỆU ĐA PHƯƠNG TIỆN 3. So sánh các phương pháp truyền dữ liệu đa phương tiện Các media server thường đồng thời phục vụ nhiều clients. Khi nhiều client yêu cầu dịch vụ cùng lúc, sẽ có 2 lựa chọn cho media server khi dùng mô hình download: Một là phục vụ các clients một cách tuần tự hoặc phục vụ đồng thời. Nếu phục vụ tuần tự thì các client thứ 2 trở đi trong hàng đợi sẽ phải chờ rất lâu mặc dù thông lượng mạng có thể rất lớn. Nếu phục vụ đồng thời thì thông lượng mạng dành cho từng client sẽ giảm do đó sẽ kéo dài thời gian download. CÁC PHƯƠNG PHÁP TRUYỀN DỮ LIỆU ĐA PHƯƠNG TIỆN 3. So sánh các phương pháp truyền dữ liệu đa phương tiện Mô hình streaming sẽ không mắc phải vấn đề này, quá trình playback sẽ được thực hiện ngay khi một đoạn dữ liệu đa phương tiện có thể giải mã (decodable) được nhận về (Hình sau). Hơn nữa, dữ liệu truyền qua mạng chỉ cần với tốc độ dữ liệu của quá trình playback (play-rate), nên thời gian chờ để bắt đầu play độc lập với số lượng client yêu cầu đồng thời miễn sao media server và mạng không bị quá tải. CÁC PHƯƠNG PHÁP TRUYỀN DỮ LIỆU ĐA PHƯƠNG TIỆN 3. So sánh các phương pháp truyền dữ liệu đa phương tiện Multistream pipelining trong mô hình streaming CÁC THÁCH THỨC KHI XÂY DỰNG MỘT HỆ THỐNG TRUYỀN THÔNG ĐA PHƯƠNG TIỆN Tính liên tục Các tham số biết và chưa biết Tương tác thời gian thực Hiệu quả Có thể mở rộng Tính tin cậy CÁC THÁCH THỨC KHI XÂY DỰNG MỘT HỆ THỐNG TRUYỀN THÔNG ĐA PHƯƠNG TIỆN