Исследование технологий потокового вещания в сетях передачи данных и методов его оптимизации - Диссертация

В Республике Узбекистан в соответствие с Законом «Об информатизации» [1], Указом Президента Республики Узбекистан «О дальнейшем развитии компьютеризации и внедрении информационно-коммуникационных технологий» [2] и другими нормативными актами предпринимаются активные меры по внедрению информационно-коммуникационных технологий в различные сферы деятельности. Настоящая диссертационная работа посвящена исследованию современных технологий и принципов потокового мультимедийного вещания в рамках сети передачи данных, разработке и созданию аппаратно-программного комплекса потокового мультимедийного вещания спутниковых каналов, а также оптимизации работы системы мультимедийного вещания путем модификации программного кода и параметров системы. В связи с бурным развитием информационно-коммуникационных технологий и активным распространением высокоскоростных IP сетей появились технические возможности для обработки и передачи мультимедийной информации, в частности видео высокого разрешения, по сетям передачи данных. Данная работа посвящена исследованию технологий и принципов мультимедийного вещания, анализу и методике выбора программного обеспечения для передачи мультимедийного контента, а также методике создания оптимальной системы мультимедийного вещания спутниковых телевизионных каналов. Основной проблемой в исследовании является задача разработки совокупности методик для построения оптимальной системы мультимедийного потокового вещания, нацеленной на работу в сети передачи данных со средней пропускной способностью канала.В данной главе, в результате обзора информационных источнков, проведен анализ принципов мультимедийного вещания в рамках сети передачи данных, анализ современных технологий доставки информации от сервера да клиента, приведена классификация и анализ форматов мультимедийного контента и анализ программного обеспечения для мультимедийного вещания. Услуги сетей передачи данных можно разделить на четыре категории: доступ к Интернет ресурсам, доступ к внутренним ресурсам, IP-телефония, и IP-телевидение/радио. К источникам мультимедийного контента можно отнести: файлы мультимедиа, цифровое эфирное телевидение, аналоговое эфирное телевидение, эфирное радио (FM/AM), цифровое кабельное телевидение, аналоговое кабельное телевидение, открытое спутниковое цифровое телевидение и радио, зашифрованное спутниковое цифровое телевидение и радио, локальные источники мультимедиа. Управление параметрами сети осуществляется тремя основными способами: варьированием скорости передачи, адаптивным кодированием видеоинформации, характеристики которого определяются скоростью передачи, и локальным ускорением передачи на коротких интервалах за счет повышения степени сжатия.В данном разделе будут рассмотрены принципы мультимедийного вещания, в сетях передачи данных представляющего собой передачу от некоторого центрального узла (иначе сервера вещания) информационного потока, включающего в себя аудио и визуальные данные, а также некоторый объем служебной информации для возможности получения передаваемой информации и ее воспроизведение клиентом (клиентским программным обеспечением). Постоянное усовершенствование технологий сетей передачи данных с одновременным удешевлением оборудования привело к стремительному росту числа высокоскоростных сетей передачи данных и все большему числу пользователей услуг, предоставляемых этими сетями. 1 услуги сетей передачи данных можно разделить на четыре категории: доступ к Интернет ресурсам, доступ к внутренним ресурсам, IP-телефония и IP-телевидение/радио. Условно ее можно разделить на телефонию только в рамках сетей передачи данных (IP-IP), а также телефонию, связывающую сеть передачи данных с обычной телефонной сетью (IP-phone) (H323, H225, H245, Q931) [10]. Обе услуги могут быть реализованы как в виде потокового вещания - практически полный аналог существующего телевидения и радио с отличием только в среде и форме передачи сигнала от источника к потребителю, так и в виде телевидения и радио по запросу, когда абоненты запрашивают и просматривают только необходимые им в определенный момент времени фильмы, информационные и развлекательные передачи.Под технологией доставки информации от сервера до клиента следует понимать многообразие протоколов передачи данных, с помощью которых осуществляется общение сервера вещания и клиента в рамках сети передачи данных. Существует две основные схемы доставки цифровых потоков по IP сетям, обладающих своими достоинствами и недостатками: технология точка-точка (unicast), технология точка-многоточка (multicast) [20] (рис. В этом случае будет несколько увеличен информационный поток, но зато гарантируется качество принимаемого мультимедийного контента в условиях ненадежного канала передачи данных. Под ненадежностью канала в данном случае должно пониматься кратковременный отказ передачи (различного рода коллизии в сети), сбои в передаче (неправильный порядок IP пакетов принятых клиентским ПО из за различного времени доставки) и прочее. Однако же использование multicast т

Содержание

Введение

1. Исследование принципов мультимедийного вещания в сетях передачи данных

1.1 Анализ принципов мультимедийного вещания в сетях передачи данных

1.2 Классификация технологий доставки информации от сервера до клиента

1.3 Классификация и анализ форматов представления мультимедийного контента

1.4 Анализ противоречий в реализации вещания мультимедийного контента

1.5 Анализ прикладного ПО для организации мультимедийного вещания

1.6 Формулирование требований на разработку и выбор прикладного программного обеспечения комплекса мультимедийного вещания

Выводы по главе I

2. Исследование способов представления мультимедийного контента в цифровом виде

2.1 Дискретное косинусное преобразование

2.2 Исследование способов представления видеоданных

2.3 Исследование способов представления аудиоданных

Выводы по главе II

3. Реализация аппаратно-программного комплекса потокового мультимедийного вещания

3.1 Разработка методики выбора программного обеспечения

3.2 Разработка методики анализа работы и исходного кода программного обеспечения для транскодирования потоков

3.3 Разработка методов и приемов оптимизации работы и обеспечения стабильности системы

3.4 Разработка дополнительного программного обеспечения для обеспечения удобства пользования системой потокового вещания

3.5 Описание структуры разработанной системы

3.6 Анализ полученных результатов

Выводы по главе III

Заключение

Библиографический список

Приложения

мультимедийный сеть программный обеспечение

В Республике Узбекистан в соответствие с Законом «Об информатизации» [1], Указом Президента Республики Узбекистан «О дальнейшем развитии компьютеризации и внедрении информационно-коммуникационных технологий» [2] и другими нормативными актами предпринимаются активные меры по внедрению информационно-коммуникационных технологий в различные сферы деятельности. Государственная политика в области информатизации направлена на создание национальной информационно-коммуникационной инфраструктуры, отвечающей мировым стандартам и учитывающей современные мировые тенденции развития вычислительной области. В соответствии с государственными программами намечен поэтапный переход на цифровое телевидение до 2016 года [3,4].

Настоящая диссертационная работа посвящена исследованию современных технологий и принципов потокового мультимедийного вещания в рамках сети передачи данных, разработке и созданию аппаратно-программного комплекса потокового мультимедийного вещания спутниковых каналов, а также оптимизации работы системы мультимедийного вещания путем модификации программного кода и параметров системы.

Актуальность исследования.

Передача мультимедийной информации является актуальной для различных сфер человеческой деятельности - телевидения, научных исследований, современных технологий дистанционного обучения, развлекательных услуг и др. В связи с бурным развитием информационно-коммуникационных технологий и активным распространением высокоскоростных IP сетей появились технические возможности для обработки и передачи мультимедийной информации, в частности видео высокого разрешения, по сетям передачи данных. При этом потоковая передача мультимедийной информации в режиме реального времени предъявляет повышенные требования к производительности сети, пропускной способности канала передачи данных, задержкам и допустимым потерям данных. Исследование и применение наиболее приемлемых стандартов сжатия, преобразования и представления видеоинформации, разработка протоколов и методов передачи составляют важную проблему в области развития информационных технологий.

Следующим шагом в развитии высокоскоростных сетей передачи данных может стать организация потокового вещания каналов спутникового телевидения по сети интернет. Данная идея уже не раз реализовывалась в других странах. Решения мультимедийного вещания поставляют компании Cisco, Alcatel, Minerva и другие [27, 28, 29]. Однако решения эти весьма дорогостоящие и ресурсоемкие. Закупку и эксплуатацию больших систем мультимедийного вещания могут позволить себе только очень крупные операторы связи. Мелким и средним операторам приходится либо вообще отказаться от предоставления подобных услуг, либо использовать свои сети в качестве транзитных с предоставлением услуг своим клиентам через более крупного оператора. Рыночная ниша же недорогих систем мультимедийного вещания почти не заполнена. Есть потребность в создании методологии разработки программно-аппартаных комплексов мультимедийного вещания в рамках финансовых ограничений.

Как уже было сказано, одно из основных направлений государственной программы в Узбекистане на данный момент - поэтапный переход к цифровому вещанию. Президент Республики Узбекистан Ислам Абдуганиевич Каримов в своих докладах не раз отмечал, что переход на цифровое, мобильное и интернет-телевидение имеет большое значение в дальнейшем развитии и модернизации страны, повышении благосостояния народа [5,6,7,8].

Данная работа посвящена исследованию технологий и принципов мультимедийного вещания, анализу и методике выбора программного обеспечения для передачи мультимедийного контента, а также методике создания оптимальной системы мультимедийного вещания спутниковых телевизионных каналов.

Объектом исследования являются технологии потокового мультимедийного вещания.

Предметом исследования являются форматы кодирования, сжатия и представления мультимедийной информации, методы построения и оптимизации систем потокового мультимедийного вещания.

Целью работы является исследование принципов мультимедийного вещания в сетях передачи данных и разработка методологии создания и оптимизации программно-аппаратного комплекса потокового мультимедийного вещания.

Кроме того целью работы является изучение математического аппарата, используемого для представления мультимедийных данных в оптимальном с точки зрения аппаратных затрат цифровом виде на основе анализа процессов кодирования и декодирования.

В ходе работы решаются следующие задачи: · Обзор существующих технологий и принципов мультимедийного вещания в сетях передачи данных.

· Исследование математического обеспечения представления мультимедийного контента в цифровом виде.

· Сравнительный анализ существующего программного обеспечения для систем потокового мультимедийного вещания.

· Разработка методологии выбора программного обеспечения для системы потокового мультимедийного вещания и повышения его стабильности и эффективности.

· Создание дополнительного программного обеспечения для системы мультимедийного вещания.

Основная проблема и гипотеза исследования. Основной проблемой в исследовании является задача разработки совокупности методик для построения оптимальной системы мультимедийного потокового вещания, нацеленной на работу в сети передачи данных со средней пропускной способностью канала. Гипотеза для решения данной проблемы заключается в том, что для построения такой системы необходим комплексный подход в выборе программных средств, анализе их структуры, быстродействия и стабильности, модификации программного кода и разработке дополнительного программного обеспечения.

Методы исследования. В работе используются методы математического и структурного анализа, оптимизации программного кода, задействован математический аппарат цифровой обработки сигналов, а также методология формализованного проектирования программного обеспечения RUP.

Научно-теоретическая и практическая значимость исследования. Разработанная система методик позволяет оптимальным образом построить и настроить систему потокового вещания в сети передачи данных. Разработанное программное обеспечение может быть использовано в аналогичных системах для мониторинга и администрирования, а также для обеспечения стабильности.

Научная новизна данной работы заключается в том, что в ходе исследований и разработки программного обеспечения были разработаны новые методы анализа и оптимизации работы системы путем внесения изменения в существующие программные продукты на основе открытого кода.

Структура работы. Данная диссертационная работа состоит из введения, трех глав, заключения, четырех приложений и библиографического списка из 42 наименований. Работа изложена на 100 страницах, включая 19 таблиц и 36 рисунков.

Во введении рассмотрена актуальность данной работы, определена цель, поставлены задачи, описана структура работы.

В первой главе проведен анализ современных технологий доставки информации от сервера да клиента, приведена классификация и анализ форматов мультимедийного контента, анализ программного обеспечения для мультимедийного вещания, методика анализа противоречий, определены требования к разрабатываемой системе.

Во второй главе проведено исследование математического обеспечения представления мультимедийного контента в цифровом виде. Подробно изучены процессы кодирования и декодирования видео- и аудиоинформации.

В третьей главе разработана методика построения комплекса мультимедийного потокового вещания спутниковых телевизионных каналов в сеть передачи данных. Разработаны методы и приемы оптимизации работы и обеспечения стабильности системы. Описана программная реализация разработанных методов и приемов оптимизации работы системы, программная реализация дополнительного программного обеспечения, структура аппаратно-программного комплекса мультимедийного вещания. Произведен анализ полученных результатов. Подведены итоги исследований.

В заключении приведен краткий отчет о проделанной работе.

Апробация работы. Часть полученных в работе научных и практических результатов докладывалась и обсуждалась на конференции «Информационные технологии и проблемы телекоммуникаций» проходившей 14-15 марта 2013 года в г.Ташкент, а также на технической конференции Microsoft Tech-ed, проходившей 9-10 ноября 2011 года в г. Москва.