Vzdálené přednášky
HD Technologie
Přenosy obrazu
HD over IP
Distribuce v síti
Konkrétní zkušenosti
Shrnutí
High-definition video ve výuce Luděk Matyska, Eva Hladká, Petr Holub CESNET, z. s. p. o. Masarykova univerzita
EMTECH 2007 Praha, 2007–03–06
1/32
Vzdálené přednášky
HD Technologie
Přenosy obrazu
HD over IP
Distribuce v síti
Konkrétní zkušenosti
Shrnutí
Přehled přednášky Vzdálené přednášky HD Technologie Přenosy obrazu po síti Nekomprimované HD over IP Distribuce v síti Konkrétní zkušenosti Shrnutí 2/32
Vzdálené přednášky
HD Technologie
Přenosy obrazu
HD over IP
Distribuce v síti
Konkrétní zkušenosti
Shrnutí
Vzdálené přednášky • Motivace • Zkvalitnit nabídku výuky • Zvýšit efektivitu výuky • Bez zpětné vazby • Přednášející oddělený od studentů • Jednosměrný přenos, žádná interakce se studenty • Se zpětnou vazbou • Možnost interakce se studenty • Často více místností • Přednášející v jedné z nich fyzicky přítomen • Do ostatních se přenáší jeho obraz • Ze všech místností informace zpět k vyučujícímu
3/32
Vzdálené přednášky
HD Technologie
Přenosy obrazu
HD over IP
Distribuce v síti
Konkrétní zkušenosti
Shrnutí
Virtuální třídy
• Studenti na více místech • Studenti vidí přednášejícího a slidy • V jednom místě přímý kontakt s učitelem • Na ostatních místech virtuální učitel • Cíl: minimální rozdíly v možnostech a kvalitě interakce
4/32
Vzdálené přednášky
HD Technologie
Přenosy obrazu
HD over IP
Distribuce v síti
Konkrétní zkušenosti
Shrnutí
Technické vybavení poslucháren
• Dva projekční systémy: slidy a učitel • Kvalitní zvuk • Snímání: mikrofony • Digitalizace • Reprodukce • Videozáznam • Učitele • Studentů
5/32
Vzdálené přednášky
HD Technologie
Přenosy obrazu
HD over IP
Distribuce v síti
Konkrétní zkušenosti
Shrnutí
Přenos dat • Mezi blízkými posluchárnami i analogové řešení • Pro vzdálené posluchárny: Internet • Obousměrný přenos • Do místnosti s učitelem musí směřovat všechny proudy • Ostatní místnosti zpravidla vidí pouze učitele • Optimální: Každý vidí a slyší každého • Zvuk a video mají různé požadavky • Zvuk: garance kvality přenosu (nízká kapacita) • Obraz: přenosová kapacita (oko tolerantní)
Vysoká kvalita výhodou
6/32
Vzdálené přednášky
HD Technologie
Přenosy obrazu
HD over IP
Distribuce v síti
Konkrétní zkušenosti
Shrnutí
Velké vzdálenosti
• Časový posun • Přednáška mezi Koreou, středozápadem USA a ČR • USA: 19:00–20:30 (den D) • ČR: 1:00–2:30 (den D+1) • Korea: 7:00–8:30 (den D+1) • Latence dalším problémem • Rychlost šíření signálu je konečná a na tyto vzdálenosti nezanedbatelná
7/32
Vzdálené přednášky
HD Technologie
Přenosy obrazu
HD over IP
Distribuce v síti
Konkrétní zkušenosti
Shrnutí
Psychologické aspekty • Zkreslený zvuk • Důraz na kvalitu a bezporuchovost • 2D namísto 3D obrazu • Co nejvyšší rozlišení (realismus i ve 2D) • Zpoždění (,,skákání do řeči‘‘) • Trénink • Technologie • Rozpoznání dotazujícího • Přítomnost publika (posluchačů)
8/32
Vzdálené přednášky
HD Technologie
Přenosy obrazu
HD over IP
Distribuce v síti
Konkrétní zkušenosti
Shrnutí
,,Kvalitní‘‘ digitální video
• Základní parametry: • Rozlišení • Snímková frekvence • Progresivní × prokládané video • Hloubka barevného prostoru • Vzorkování barevného prostoru • Latence od sejmutí po zobrazení
9/32
Vzdálené přednášky
HD Technologie
Přenosy obrazu
HD over IP
Distribuce v síti
Konkrétní zkušenosti
Shrnutí
HDTV • Řada podporovaných formátů videa: 720p, 1080i, 1080p • Maximální 1920 × 1080 @ 60i • Podpora kvalitního audia (např. 16 bit @ 48kHz s 5.1
kanály) 120 240
160 QCIF 19 kpix
352
720
1280
1920
CIF 84 kpix CCIR 601 (NTSC) 345 kpix
480 576
CCIR 601 (PAL) – 415 kpix
ATSC 720p 922 kpix
720 ATSC 1080p 2074 kpix 1080
10/32
Vzdálené přednášky
HD Technologie
Přenosy obrazu
HD over IP
Distribuce v síti
Konkrétní zkušenosti
Shrnutí
Přenos vysoce kvalitního obrazu
• Kvalitní obraz = velký datový proud • Můžeme redukovat kompresí • Přidává latenci • Můžeme přenášet bez komprese • Potenciálně enormní přenosové nároky • Dvou bodové versus více bodové přenosy • Teorie: Multicast • Praxe: Vlastní překryvová síť • Vysoké přenosové rychlosti vyžadují speciální řešení
11/32
Vzdálené přednášky
HD Technologie
Přenosy obrazu
HD over IP
Distribuce v síti
Konkrétní zkušenosti
Shrnutí
Nekomprimované vs. komprimované video uncompressed
compressed compressed 2 internet
bw
latency
uncompressed
bw
latency
compressed
bw
latency
compressed 2
12/32
Vzdálené přednášky
HD Technologie
Přenosy obrazu
HD over IP
Distribuce v síti
Konkrétní zkušenosti
Shrnutí
Nekomprimované vs. komprimované video komorní orchestr
komprimované video
záznam
nekomprimované video
záznam
0
ozvěna, lip-sync
symfonický orchestr
10
zpracování a komprese zpracování
20
30
40
50
60
70
80
90
[ms]
síť Brno – Chicago (StarLight) světlo
13/32
Vzdálené přednášky
HD Technologie
Přenosy obrazu
HD over IP
Distribuce v síti
Konkrétní zkušenosti
Shrnutí
Nekomprimované vs. komprimované video + minimalizace latence + zachování maximální kvality a nezávislosti snímků • důležité zejména pro další zpracování a rekompresi
+ menší problémy s artefakty (při výpadku) • většina kompresí používá makrobloky a DCT, což se
projevuje velmi charakteristickým způsobem
− plýtvání pásmem − náročnější na propustnost systémů, které video zpracovávají − náročné na více bodovou distribuci
14/32
Vzdálené přednášky
HD Technologie
Přenosy obrazu
HD over IP
Distribuce v síti
Konkrétní zkušenosti
Shrnutí
Nekomprimované HD over IP • Vychází ze standardu HD-SDI SMTPE 292M • Potřebná šířka pásma: 1,485 Gbps
∗ 1125} ∗ |{z} 30 ∗ |{z} 30 ∗ |2200{z total resolution
bit/point
fps
2/3 |{z}
= 1485000000 bps
4:2:2 sampling
• Rozlišení: efektivně 1920 × 1080, zahrnuje ale také
,,mazací řádky‘‘ a celkové rozlišení je 2200 × 1125. • Barevná hloubka: 10 bitů/bod/barevná vrstva =⇒ 30
bits/point • Standardní počítače obvykle nejsou schopny zobrazit
více než 24 bits/bod • Počet (půl)snímků za vteřinu: 24p; 25p; 29,97p; 30p; 50i;
59,94i; 60i • Vzorkování barevného prostoru YUV (YCrCb) 4:2:2 • Potřebujete 4:4:4? pak je tu double-link SDI. . . 15/32
Vzdálené přednášky
HD Technologie
Přenosy obrazu
HD over IP
Distribuce v síti
Konkrétní zkušenosti
Shrnutí
Nekomprimované HD over IP • Vychází ze standardu HD-SDI SMTPE 292M • Potřebná šířka pásma: 1,485 Gbps
∗ 1125} ∗ |{z} 30 ∗ |{z} 30 ∗ |2200{z total resolution
bit/point
fps
2/3 |{z}
= 1485000000 bps
4:2:2 sampling
• Rozlišení: efektivně 1920 × 1080, zahrnuje ale také
,,mazací řádky‘‘ a celkové rozlišení je 2200 × 1125. • Barevná hloubka: 10 bitů/bod/barevná vrstva =⇒ 30
bits/point • Standardní počítače obvykle nejsou schopny zobrazit
více než 24 bits/bod • Počet (půl)snímků za vteřinu: 24p; 25p; 29,97p; 30p; 50i;
59,94i; 60i • Vzorkování barevného prostoru YUV (YCrCb) 4:2:2 • Potřebujete 4:4:4? pak je tu double-link SDI. . . 16/32
Vzdálené přednášky
HD Technologie
Přenosy obrazu
HD over IP
Distribuce v síti
Konkrétní zkušenosti
Shrnutí
Nekomprimované HD over IP • Vychází ze standardu HD-SDI SMTPE 292M • Potřebná šířka pásma: 1,485 Gbps
∗ 1125} ∗ |{z} 30 ∗ |{z} 30 ∗ |2200{z total resolution
bit/point
fps
2/3 |{z}
= 1485000000 bps
4:2:2 sampling
• Rozlišení: efektivně 1920 × 1080, zahrnuje ale také
,,mazací řádky‘‘ a celkové rozlišení je 2200 × 1125. • Barevná hloubka: 10 bitů/bod/barevná vrstva =⇒ 30
bits/point • Standardní počítače obvykle nejsou schopny zobrazit
více než 24 bits/bod • Počet (půl)snímků za vteřinu: 24p; 25p; 29,97p; 30p; 50i;
59,94i; 60i • Vzorkování barevného prostoru YUV (YCrCb) 4:2:2 • Potřebujete 4:4:4? pak je tu double-link SDI. . . 17/32
Vzdálené přednášky
HD Technologie
Přenosy obrazu
HD over IP
Distribuce v síti
Konkrétní zkušenosti
Shrnutí
Nekomprimované HD over IP • Vychází ze standardu HD-SDI SMTPE 292M • Potřebná šířka pásma: 1,485 Gbps
∗ 1125} ∗ |{z} 30 ∗ |{z} 30 ∗ |2200{z total resolution
bit/point
fps
2/3 |{z}
= 1485000000 bps
4:2:2 sampling
• Rozlišení: efektivně 1920 × 1080, zahrnuje ale také
,,mazací řádky‘‘ a celkové rozlišení je 2200 × 1125. • Barevná hloubka: 10 bitů/bod/barevná vrstva =⇒ 30
bits/point • Standardní počítače obvykle nejsou schopny zobrazit
více než 24 bits/bod • Počet (půl)snímků za vteřinu: 24p; 25p; 29,97p; 30p; 50i;
59,94i; 60i • Vzorkování barevného prostoru YUV (YCrCb) 4:2:2 • Potřebujete 4:4:4? pak je tu double-link SDI. . . 18/32
Vzdálené přednášky
HD Technologie
Přenosy obrazu
HD over IP
Distribuce v síti
Konkrétní zkušenosti
Shrnutí
Nekomprimované HD over IP • Vychází ze standardu HD-SDI SMTPE 292M • Potřebná šířka pásma: 1,485 Gbps
∗ 1125} ∗ |{z} 30 ∗ |{z} 30 ∗ |2200{z total resolution
bit/point
fps
2/3 |{z}
= 1485000000 bps
4:2:2 sampling
• Rozlišení: efektivně 1920 × 1080, zahrnuje ale také
,,mazací řádky‘‘ a celkové rozlišení je 2200 × 1125. • Barevná hloubka: 10 bitů/bod/barevná vrstva =⇒ 30
bits/point • Standardní počítače obvykle nejsou schopny zobrazit
více než 24 bits/bod • Počet (půl)snímků za vteřinu: 24p; 25p; 29,97p; 30p; 50i;
59,94i; 60i • Vzorkování barevného prostoru YUV (YCrCb) 4:2:2 • Potřebujete 4:4:4? pak je tu double-link SDI. . . 19/32
Vzdálené přednášky
HD Technologie
Přenosy obrazu
HD over IP
Distribuce v síti
Konkrétní zkušenosti
Shrnutí
Implementace – UltraGrid • Implementace pro Linux • Spolupráce se skupinou C. Perkinse • Doplnili jsme podporu pro ,,plné HD‘‘ 1080i • Podpora pro SW zobrazování včetně převzorkování barevného prostoru a odstranění prokládání (optimalizováno v assembleru pro platformu AMD64) • Řada dalších vylepšení a rozšíření • Použití s grabovacími kartami DVS Centaurus • Problémy s latencemi, protože karta (zatím) nepodporuje DMA a vyžaduje bufferování alespoň 4 půlsnímků pro spolehlivou funkcionalitu • Poměrně drahé • Existují i jiné grabovací karty, ale bez podpory v Linuxu 20/32
Vzdálené přednášky
HD Technologie
Přenosy obrazu
HD over IP
Distribuce v síti
Konkrétní zkušenosti
Shrnutí
Distribuce v síti
• Přenos bod-bod • Přirozený pro dnešní typy sítí • Přenos bod-více bodů • Principiálně komplikovaný • Vyžaduje distribuční službu na síťové nebo na aplikační úrovni • IP multicast • Nativní • Reflektory paketů
21/32
Vzdálené přednášky
HD Technologie
Přenosy obrazu
HD over IP
Distribuce v síti
Konkrétní zkušenosti
Shrnutí
Reflektory • Tvoří překryvovou síť • Uživatelem řízená distribuce • Méně efektivní než nativní multicast • Sítě reflektorů: Pro zpracování většího objemu dat nebo více proudů • Možnost zpracování dat na reflektorech • Reflektor je speciálním případem aktivního prvku • Zabezpečení dat • Důvěryhodný reflektor • Průchod přes firewally a NATy • Alespoň jeden reflektor musí být ,,vně‘‘ 22/32
Vzdálené přednášky
HD Technologie
Přenosy obrazu
HD over IP
Distribuce v síti
Konkrétní zkušenosti
Shrnutí
HPC Class @ LSU • Motivace: • Kvalitní vyučující: prof. Thomas Sterling • Dostupný pouze na LSU (USA) • Optická síť • Demonstrace možností přenosu velkých objemů dat v reálném čase
• Využití HD videa pro zpřístupnění přednášek i v dalších
kampusech • USA: LSU, LA Tech, UArk, MCNC • ČR: FI MU
• Zpětná vazba • Pouze k přednášejícímu 23/32
Vzdálené přednášky
HD Technologie
Přenosy obrazu
HD over IP
Distribuce v síti
Konkrétní zkušenosti
Shrnutí
Cesta dat • Uvádíme jen cestu LSU<->Brno • LSU->National Lambda Rail • National Lambda Rail->Chicago (StarLight) • Chicago (StarLight)->Praha • Praha->Brno
a zpět • Všude optické trasy • Reflektory na LSU • StarLight v tomto případě pouze průchozí místo
24/32
Vzdálené přednášky
HD Technologie
Přenosy obrazu
HD over IP
Distribuce v síti
Konkrétní zkušenosti
Shrnutí
Organizace přednášky • CSC7600: Introduction to High-Performance Computing
(na FI PA177) • Dvakrát týdně 75 minut • USA: 15:30–17:00 • ČR: 22:30–24:00
• Posun začátku semestru • USA: 16. ledna • ČR: 19. února • Rozsáhlá cvičení • Vždy upravena na lokální podmínky • Vyžaduje netriviální technické vybavení • Např. cluster s Myrinetem 25/32
Vzdálené přednášky
HD Technologie
Přenosy obrazu
HD over IP
Distribuce v síti
Konkrétní zkušenosti
Shrnutí
Řešení problémů
• Posun semestru • Záznam nekomprimovaného videa • Datový tok 200 MB/s • Jedna přednáška necelý 1 TB dat • Přehrávání ze záznamu • Zájem o zrychlený postup (až 2*2 přednášky týdně)
• Časový posun • Přehrávání ze záznamu • Zájem o reálný čas
26/32
Vzdálené přednášky
HD Technologie
Přenosy obrazu
HD over IP
Distribuce v síti
Konkrétní zkušenosti
Shrnutí
Lokální vybavení na MU
• HD kamera • HD projekce • Full HD širokoúhlé LCD (např. DELL 2405FPW) • HD-ready širokoúhlé LCD (převzato ze systému LifeSize, pouze aproximace) • Full HD projektor • Dual CPU AMD server pro zpracování HD video proudu • Zvuk • Stereoreproduktory
27/32
Vzdálené přednášky
HD Technologie
Přenosy obrazu
HD over IP
Distribuce v síti
Konkrétní zkušenosti
Shrnutí
Zvuk
• Podceňovaná komponenta • Vlastní přenos nečiní zásadní problémy • Ty jsou zejména při vlastním snímání • Výměna mikrofonů na LSU • Nutná kvalitní zvuková karta • Přetížení echo-cancellačního prvku dalšími funkcemi
28/32
Vzdálené přednášky
HD Technologie
Přenosy obrazu
HD over IP
Distribuce v síti
Konkrétní zkušenosti
Shrnutí
HPC Class @ LSU
29/32
Vzdálené přednášky
HD Technologie
Přenosy obrazu
HD over IP
Distribuce v síti
Konkrétní zkušenosti
Shrnutí
HPC Class @ LSU
30/32
Vzdálené přednášky
HD Technologie
Přenosy obrazu
HD over IP
Distribuce v síti
Konkrétní zkušenosti
Shrnutí
Shrnutí • Dostupné technologické zázemí • HD video pro kvalitní obraz • Dostatečná kapacita pro přenos nekomprimovaného videa • Dostatečný výpočetní výkon pro zpracování nekomprimovaného videa • Kvalitní projekční systémy • Audiosystémy • Ekonomická a kvalitativní motivace • Zprostředkování jinak nedostupného přednášejícího • Nové technologie přitahují studenty • Možnost bezprostředního spojení výzkumu s výukou • Časové posuny zůstávají reálným problémem 31/32
Vzdálené přednášky
HD Technologie
Přenosy obrazu
HD over IP
Distribuce v síti
Konkrétní zkušenosti
Shrnutí
Děkujeme za pozornost! Dotazy?
32/32
