Jak na streamované video? Petr Holub, ÚVT MU a Cesnet
sice horší kvalitu, leˇ c v nouzových pˇ rípadech se m˚ uže velmi hodit). mikrofon – Mikrofon zabudovaný v kameˇ re je pro vˇ etšinu aplikaci naprosto nevyhovující vzhledem k dosahované kvalitˇ e snímaného zvuku. Osvˇ edˇ cuje se použití bud’ samostatného zvukového signálu pˇ ripojeného ke zvukové kartˇ e (napˇ r. z kvalitních mikrofon˚ u pˇ res mixážní pult a pˇ ríp. i zesilovaˇ c) nebo alespoˇ n externí mikrofon pˇ ripojitelný ke kameˇ re (máli kamera tuto možnost). zvuková karta – Vˇ etšina souˇ casných zvukových karet je postaˇ cující, výhodnˇ ejší jsou opˇ et karty alespoˇ n stˇ rední kategorie (napˇ r. SoundBlaster Live apod.), které zajišt’ují velmi dobrý odstup signálu od šumu. poˇ cítaˇ c – Hlavním požadavkem na poˇ cítaˇ c je stabilita bˇ ehem snímání (o tomto tématu podrobnˇ eji v kapitole o použití formátu RealMedia) a na místˇ e je použití dostateˇ cnˇ e stabilního operaˇ cního systému (v pˇ rípadˇ e produkt˚ u firmy Microsoft se jedná o ˇ radu založenou na jádˇ re Windows NT – napˇ r. Windows 2000). Je zde však tˇ reba vzít v úvahu, že poˇ cítaˇ c bude obraz nejen zaznamenávat, ale zároveˇ n bude též provádˇ et jeho kódování do požadovaného streamovacího formátu, což je velmi nároˇ cná výpoˇ cetní úloha. Pro kompresi videa stˇ rední kvality staˇ cí procesor ekvivalentní Pentiu II na 400 MHz, pro vysoce kvalitní video pak požadavky mohou vzr˚ ust i na více procesorový stroj (viz diskuse v odstavci o Microsoft Streaming Media). sít’ové pˇ ripojení – Sít’ové pˇ ripojení je tˇ reba pouze v pˇ rípadˇ e, že ukládáme pˇ rímo video na server nebo zajišt’ujeme pomocí serveru pˇ rímý pˇ renos; v tom pˇ rípadˇ e by mˇ elo být pˇ rimˇ eˇ renˇ e rychlé (staˇ cí dostupná šíˇ rka pásma 500 kb/s – 1 Mb/s) a hlavnˇ e opˇ et dostateˇ cnˇ e spolehlivé.
1 Úvod V souˇ casné dobˇ e charakterizované prostˇ redím rychlých sítí se ˇ cím dál více prosazuje fenomén tzv. streamovaného videa a videokonˇ ferenˇ cních aplikací. Clánek se vˇ enuje úvodu do praktického použití streamovaného videa – aplikace, pˇ ri níž uživatel dává své video k dispozici jiným uživatel˚ um tak, že toto video se pˇ rehrává pˇ rímo ze serveru, na nˇ emž je uloženo, aniž by bylo nutné jej pˇ redtím ukládat na lokální poˇ cítaˇ c uživatele, jenž video sleduje. Sdružení CESNET z. s. p. o. v loˇ nském roce vybudovalo server pro takovýto druh aplikací pˇ ripojený velmi kvalitním pˇ ripojením o rychlosti 1 Gb/s na akademickou páteˇ rní sít’ CESNET2, který je vybaven dostateˇ cnou diskovou kapacitou, v pˇ rípadˇ e potˇ reby samozˇ rejmˇ e dále rozšiˇ ritelnou. Kdokoli ˇ z akademické obce v Ceské republice je oprávnˇ en tento server využívat za pˇ redpokladu, že obsah vystavovaného materiálu splní Podmínky pˇ rijatelného využití (Acceptable Use Policy, AUP), o nichž bude podrobnˇ ejší zmínka na konci tohoto ˇ clánku. Využití streamovacího serveru je možné ve dvou základních režimech: pro pˇ rímý pˇ renos a pro archivaci daného materiálu. Streamovací server je možné využit pro oba nejrozšíˇ renˇ ejší formáty streamovaného videa: Real Media a Microsoft Streaming Media.
2 Jaké vybavení je potˇ reba? K samotnému záznamu materiálu je tˇ reba následujících pˇ et komponent: kamera – Vzhledem k tomu, že se jedná o prvotní zdroj elektrického signálu, je velmi d˚ uležité, aby kamera byla kvalitní; pro vˇ etšinu úˇ cel˚ u postaˇ cí analogová kamera stˇ rední cenové kategorie, která poskytuje výstup SVideo. grabovací karta – Grabovací karta zajišt’uje pˇ revod analogového videosignálu do digitální podoby. Karta by mˇ ela mít vstup jak pro signál S-Video, tak i pro signál kompozitní (který má
Máme-li video již uložené na nˇ ejaké pásce (Hi8, VHS, MiniDV), m˚ užeme použít bud’ videopˇ rehrávaˇ c pro kazety daného formátu, nebo lze využít i kamery, která umí kazety pˇ rehrávat. Pˇ rehrávaˇ cˇ ci kameru pˇ ripojujeme opˇ et pˇ res grabovací kartu, nebo v pˇ rípadˇ e digitálního formátu DV formátu m˚ užeme využít i digitálního pˇ ripojení pˇ res rozhraní IEEE 1934, tzv. FireWire. Pokud video máme již v nˇ ejakém souboru, m˚ užeme 1
jej použít jako vstup pro kódovací program – k tomuto režimu práce se vrátíme v samostatné kapitole níže.
zakoupilo pro uživatele plnou komerˇ cní verzi programu RealServer pro 100 soubˇ ežnˇ e sledujících uživatel˚ u.
V pˇ rípadˇ e špatného zašumˇ eného signálu z prvotního zdroje stojí programy obstarávající kompresi pˇ red vážným problémem, nebot’ nejsou s to rozlišit, která ˇ cást obrazu je šum a která jsou malé objekty. Pˇ ri kompresi zašumˇ eného obrazu pak dochází bud’ ke zvýšení potˇ rebné šíˇ rky pásma pro pˇ renos, nebo v pˇ rípadˇ e konstantní šíˇ rky pásma k celkovému snížení kvality obrazu.
Hlavním rozdílem mezi placenou verzí a verzí zdarma programu RealProducer spoˇ cívá v tom, že ve verzi zdarma lze pro daný záznam zvolit souˇ casnˇ e nejvýše dvˇ e hodnoty datového toku pro zkomprimovaný záznam. To m˚ uže redukovat maximální kvalitu, kterou je schopen klientský systém využít, nebot’ jeho výbˇ er je omezen pouze na dané dvˇ e hodnoty. Obdobnˇ e rozdíl u programu RealPlayer spoˇ cívá v možnosti detailnˇ ejšího nastavení vlastností obraz˚ u jako jas, kontrast, saturace apod.
Další informace o možném vybavení a doporuˇ cených postupech pro snímání za složitˇ ejších okolností lze nalézt v archívu technických zpráv sdružení CESNET na adrese http://www. cesnet.cz/doc/techzpravy, nebo lze kontaktovat nˇ ekoho z lidí zapojených do videokonferenˇ cních a streamovacích projekt˚ u sdružení CESNET, jejichž seznam vˇ cetnˇ e kontaktních adres je na http://www.cesnet.cz/projekt/.
3.1 Režimy práce se streamovacím serverem K dispozici jsou následující režimy ukládání a práce se streamovacím serverem: – Pˇ rímý pˇ renos bez on-line archivace na serveru – tento režim je bˇ ežný pro pˇ rímé pˇ renosy, z nichž nepotˇ rebujeme mít dostupné archívy. – Pˇ rímý pˇ renos s on-line archivací na serveru – tento režim je možno použít v pˇ rípadˇ e, že z pˇ renosu potˇ rebujeme mít zachován archív; je zde ale nebezpeˇ cí ztráty dat v pˇ rípadˇ e, že dojde k výpadku kódujícího stroje; pro pˇ rípad výpadku je dobré se pojistit záznamem na videokazetu pˇ ri snímání kamerou. – Pˇ rímý pˇ renos s lokální archivací u klienta – tento režim je obdobný výše zmínˇ enému s tím, že archivace probíhá na stranˇ e klienta; v pˇ rípadˇ e výpadku není problém se ztrátou dat, ale je zapotˇ rebí obvykle nezanedbatelné místo na pevném disku klienta (je tˇ reba poˇ cítat nejménˇ e s 1 GB na hodinu záznamu pˇ ri použití komprese do pro datové toky 350 kbps a 450 kbps, ale pˇ ri použití více rychlostí datových tok˚ u tato hodnota m˚ uže významnˇ e vzr˚ ust). – Lokální archivace u klienta – tento režim je vhodný jak pro pˇ repis z videozáznamu napˇ r. pro vypálení na CD nebo pro použití pro následující bod. – Dodateˇ cný upload na server – video je možno také dodateˇ cnˇ e nahrát na server, pokud existuje lokální záznam u klienta.
3 Real Media Produkty firmy Real Media jsou prakticky všechny dostupné pro vˇ etšinu bˇ ežných ope1 raˇ cních systém˚ u a to obvykle ve dvou verzích: verzi zdarma nesoucí oznaˇ cení Basic, které jsou k dispozici volnˇ e ke stažení na stránkách firmy autorské firmy Real Networks Inc., http://www.realnetworks.com/, a verzi komerˇ cní mající kromˇ e oznaˇ cení Plus také rozšíˇ rené nˇ ekteré funkce. Produkty navíc obsahují technologii SureStream, která dokáže – v pˇ rípadˇ e, že to záznam na serveru umožˇ nuje – výbˇ er nejvhodnˇ ejší velikosti datového toku pro dosažení maximální kvality v daných sít’ových podmínkách. Prostˇ redkem pro pˇ rehrávání záznam˚ u je bud’ Re2 alOne nebo starší RealPlayer, pro produkci videomateriálu slouží RealProducer. Pro doplnˇ ení videozáznamu o prezentace ve formátu PowerPoint lze použít RealPresenter. Sdružení CESNET 1 Pˇ rehled je k dispozici na stránkách firmy Real Networks Inc. Z nejbˇ ežnˇ ejších pokrývá MS Windows 9X/NT/2000, Linux, Solaris, HP-UX, OS/2, Apple MacOS atd., vyzkoušeny je máme také v linuxové emulaci na FreeBSD 2 RealOne zatím existuje pouze ve verzi pro platformu MS Windows
Pˇ ri záznamu lze využít jak pˇ rímého ukládání na streamovací server, tak i ukládání na lokální disk 2
– tyto volby lze mít zapnuty jak obˇ e souˇ casnˇ e, tak i každou zvlášt’.
encoderem a vysílacím serverem: zatímco pˇ ri použití RealServeru navazuje spojení klient, pˇ ri použití WSM navazuje spojení server, což m˚ uže ˇ cinit problémy v pˇ rípadˇ e, že mezi encoderem a ri kóserverem je umístˇ en firewall nebo NAT4 . Pˇ dování je možno si vybrat z mnoha pˇ redpˇ ripravených profil˚ u pro r˚ uzné pomˇ ery datového toku vs. dosažené kvality, stejnˇ e tak jako je možno si definovat profily vlastní.
V pˇ rípadˇ e pˇ rímého pˇ renosu ve formátu Real Media, pˇ ri nˇ emž vyžadujeme zároveˇ n také archivaci pˇ renášeného materiálu, je požadavek na stabilitu poˇ cítaˇ ce naprosto klíˇ cový, nebot’ v pˇ rípadˇ e byt’ i jediného výpadku poˇ cítaˇ ce bˇ ehem archivace ztratíme možnost archivace celého pˇ renosu – a pˇ rijdeme i o již zaarchivovanou“ ˇ cást pˇ red vý” padkem. Máme-li podezˇ rení na padavé“ chování ” poˇ cítaˇ ce, je vhodné vytvᡠret na kameˇ re souˇ casnˇ e také záznam na pásek, z nˇ ehož se lze materiál v pˇ rípadˇ e havárie zrekonstruovat.
5 Porovnání technologií Porovnáme-li formát RealMedia a Microsft Streaming Media verze 7, produkují oba formáty pˇ ribližnˇ e stejnˇ e kvalitní záznam pˇ ri zhruba stejných objemech produkovaných dat. Microsoft Streaming Media verze 8 pak pˇ rináší pˇ ri stejné kvalitˇ e zhruba tˇ retinovou úsporu pokud jde o velikost výsledného materiálu (nebo datového toku v pˇ rípadˇ e streamování), výraznˇ e však rostou požadavky zejména na výkon stroje, na nˇ emž bˇ eží 5 Encoder .
4 Microsoft Streaming Media (MS NetShow) Firma Microsoft dodává spolu se svými operaˇ cními systémy Windows také Micosoft Media Player – software na pˇ rehrávání videa ve formátu Microsoft Streaming Media (WSM). Nástroje pro tvorbu materiálu v tomto formátu jsou zdarma k dispozici ke stažení na stránkách http://www. microsoft.com/windows/windowsmedia. Vˇ etšinˇ e uživatel˚ u by mˇ el k tvorbˇ e staˇ cit Microsoft cilejší uživatelé si pak Media Encoder3 , pokroˇ ještˇ e mohou stáhnout Microsoft Streming Media Resource Kit. Pro vývojᡠre je urˇ cen Microsoft Streaming Media SDK (Software Development Kit), v nˇ emž jsou obsaženy knihovny a dokumentace pro vývoj aplikací nad tímto formátem. K dispozici je také encoder pro WSM verze 8, který je urˇ cen pro ovládání z pˇ ríkazové ˇ rádky. Vysílací server je k dispozici v operaˇ cním systému Windows 2000 Server.
Obˇ e technologie se pˇ ri streamování snaží pˇ rizp˚ usobit sít’ovým podmínkám tím, že použijí datový tok odpovídající dostupné šíˇ rce pásma na síti. V pˇ rípadˇ e jejích zmˇ en se technologie umí pˇ rizp˚ usobit smˇ erem dol˚ u“ (t.j. použijí stream s niž” ším datovým tokem), nicménˇ e pˇ rizp˚ usobení smˇ erem nahoru“ obvykle funguje pouze s techno” logií RealMedia. Navíc WSM umí využívat r˚ uzné šíˇ rky pásma pouze pro video, nikoli pro audio. Obˇ e technologie se také snaží omezit vliv jitteru (rozptylu zpoždˇ ení dat putujících sítí) na kvalitu vysílání tím, že na klientské stranˇ e dochází pˇ ri pˇ rehrávání k bufferování dat.
S encoderem je možné pracovat ve dvou režimech, které je možno souˇ casnˇ e kombinovat: online streaming materiálu do sítˇ e a ukládání na disk. Streamování do sítˇ e je možno provádˇ et bud’ tak, že vysílacím serverem se stane pˇ rímo encoder, nebo lze na vysílání použít jiný server, který se pˇ ripojí na sít’ové vysílání encoderu obdobnˇ e jako bˇ ežný klient. Hlavním rozdílem pˇ ri streamování do sítˇ e pˇ res server mezi technologiemi WSM a RealMedia je zp˚ usob navazování spojení mezi
6 Kódování pˇ res soubor Máme-li video již zaznamenané v poˇ cítaˇ ci, m˚ užeme je využít jako zdroj pro encoder v pˇ rípadˇ e, že kódovací program umí pracovat se soubory 4 NAT znamená Network Address Translation; jedná se o technologii, pomocí níž lze maskovat napˇ r. celou podnikovou sít’ za jedinou IP adresu. Pˇ rípadné dotazy ohlednˇ e firewall˚ u a NATu konzultujte se správci svých sítí. 5 Dle doporuˇ cení firmy Microsoft je pro on-line streamování ve formátu verze 8 pro datové toky od 500 kbps výše je vhodný poˇ cítaˇ c se 256 MB pamˇ eti osazený bud’ procesorem Pentium 4 taktovaném na frekvenci nejménˇ e 1,5 GHz, nebo lépe dvouprocesorová sestava s procesory Pentium III na frekvenci nejménˇ e 700 MHz.
3 Aktuální verzí tohoto programu je verze 7.1, která oproti verzi 7.0 pˇ ridává podporu pro formát WSM verze 8 (aˇ ckoli tomu ˇ císlo verze nenapovídá).
3
daného formátu. V opaˇ cném pˇ rípadˇ e je tˇ reba video pˇ rekódovat do vhodného formátu (napˇ r. po6 mocí programu VirtualDub ).
nesmí porušit autorská práva (vystavovatel musí být bud’ vlastníkem autorských práv na toto video nebo musí mít od vlastníka autorských práv povolení k vystavení materiálu) a dále že materiál nesmí odporovat bˇ ežným zákonným a morálním standard˚ um.
Zde je seznam použitelných vstupních formát˚ u pro encodery:
MS Media Enc. RealProducer
video AVI MPEG, AVI, QT, MOV
audio WAV, MP3 WAV, AU
Pˇ resné znˇ ení AUP tohoto serveru najdete na adrese http://www.cesnet.cz/.
8 Jak se dostanu k záznam˚ um na serveru?
Chceme-li dosáhnout maximální kvalitu videa, je nejlépe mít video uloženo ve formátu nekomprimovaného AVI, protože komprimováním (a to obzvláštˇ e opakovaným) obvykle ztrácíme kvalitu p˚ uvodního videa a máme tak horší vstupní materiál pro kódování do požadovaného streamovacího formátu. Na druhou stranu práce s nekomprimovaným AVI klade vysoké nároky na použitý poˇ cítaˇ c, nebot’ hodina videa zabírá 40 – 60 GB a pro práci v reálném ˇ case musí být zaˇ rízení, na nˇ emž jsou data uložena, schopno pracovat s trvalým datovým tokem 27 MB/s7 .
V pˇ rípadˇ e pˇ rímých pˇ renos˚ u je nejbˇ ežnˇ ejší zp˚ usob ten, že na stránkách dané akce je vystaveno i URL, na nˇ emž je možné pˇ rímý pˇ renos sledovat. U nˇ ekterých akcí je toto URL taktéž avizováno na stránkách sdružení CESNET. Seznam záznam˚ u na serveru archivovaných naleznete na adrese http://www.cesnet.cz/ archiv/video/.
9 Závˇ er Doufám, že tento ˇ clánek pˇ rispˇ eje nejen k zlepšení povˇ edomí uživatel˚ u o streamovacích technologiích, ale i ke zvýšení využití tˇ echto nástroj˚ u pro lepší spolupráci a vzdˇ elávání v akademické ˇ obci CR. Na serveru sdružení CESNET lze najít archiv videomateriálu uloženého na vybudovaném streamovacím serveru, z nˇ ehož mohou zájemci ˇ cerpat inspiraci a pouˇ cení. V pˇ rípadˇ e zájmu o spolupráci je možno se obrátit bud’ na adresu autora ˇ clánku nebo na adresu vedoucího projektu streamování v rámci sdružení CESNET, pana Bc. Michala Krska (michal.krsek@cesnet. cz).
V pˇ rípadˇ e, že pracujeme se signálem z kamery formátu DV, je nejvýhodnˇ ejší video uschovat pˇ res rozhraní IEEE 1934 (FireWire) v DV formátu, protože aˇ c se jedná o formát komprimovaný, nedochází pˇ ri záznamu dat z kamery k opakované kompresi a video je tak v maximální kvalitˇ e, kterou kamera poskytuje. Video zkomprimované kompresí DV je totiž natolik kvalitní, že jeho plné využití je podmínˇ eno použitím velmi drahých profesionálních kamer a bˇ ežné kamery produkují samy o sobˇ e obraz výraznˇ e nižší kvality, než je limit DV komprese. Výhodou této komprese je, že nevyžaduje tak vysoký datový tok jako video nekomprimované a je s ním možno pracovat napˇ r. i na souˇ casných výkonných noteboocích.
10 Zajímavé odkazy Microsoft: – http://www.microsoft.com/windows/ windowsmedia – http://msdn.microsoft.com/library/ default.asp?url=/library/en-us/ dnwmt/html/encode71.asp – http://msdn.microsoft.com/library/ default.asp?url=/library/en-us/ dnwmt/html/buildingwm.asp – http://msdn.microsoft.com/library/ default.asp?url=/library/en-us/ dnwmt/html/tvlive\_encoder.asp
7 Splˇ nuji AUP? Podstata Podmínek pˇ rijatelného využití (AUP) spoˇ cívá v tom, že se vystavením daného videa 6 Program je zdarma dostupný na stránkách http:// www.virtualdub.org/. 7 Pro tento požadovaný datový tok je již vhodné použití diskových polí, typicky v režimu RAID 0. Vhodné jsou jak pole na rozhraní SCSI Ultra160, tak i nˇ ekteré nové kvalitní pole IDE, jejichž výhodou je výraznˇ e nižší poˇ rizovací cena.
4
RealNetworks: – http://www.real.com/realone/index. html – http://www.realnetworks.com/products/ producer/basic.html – http://www.realnetworks.com/products/ presenter/basic.html CESNET: – http://www.cesnet.cz/archiv/video – http://www.cesnet.cz/doc/techzpravy – http://www.cesnet.cz/projekt/ ostatní: – http://www.virtualdub.org/ – http://www.jmcgowan.com/avicodecs. html
5
