Tài liệu Kỹ thuật truyền thông đa phương tiện và ứng dụng trong giảng dạy trực tuyến.

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN KHOA CÔNG NGHỆ THÔNG TIN VŨ VĂN HÙNG KỸ THUẬT TRUYỀN THÔNG ĐA PHƯƠNG TIỆN VÀ ỨNG DỤNG TRONG GIẢNG DẠY TRỰC TUYẾN LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC MÁY TÍNH THÁI NGUYÊN - 2010 Mẫu 3. Trang phụ bìa luận văn (title page) Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN KHOA CÔNG NGHỆ THÔNG TIN VŨ VĂN HÙNG KỸ THUẬT TRUYỀN THÔNG ĐA PHƯƠNG TIỆN VÀ ỨNG DỤNG TRONG GIẢNG DẠY TRỰC TUYẾN Chuyên ngành: Khoa học máy tính Mã số: 60.48.01 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC MÁY TÍNH Mẫu 4. Trang NGƯỜI bìa 1HƯỚNG tóm tắt luậnDẪN văn thạc KHOA sĩ (khổHỌC: 140 x 200 TS.mm) PHẠM VIỆT BÌNH THÁI NGUYÊN - 2010 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan luận văn này do tôi tự nghiên cứu, tìm hiểu và tổng hợp từ nhiều nguồn tài liệu khác nhau. Luận văn tốt nghiệp là kết quả của quá trình học tập, nghiên cứu và thực hiện hoàn toàn nghiêm túc, trung thực của bản thân. Tất cả các tài liệu tham khảo đều có xuất xứ rõ ràng và được trích dẫn hợp pháp. Tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm về nội dung và sự trung thực trong luận văn tốt nghiệp Thạc sĩ của mình. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn DANH MỤC HÌNH Tên hình Hình 1.1: Giao tiếp one-to-one qua cuộc gọi point-to-point Hình 1.2: Giao tiếp one-many qua cuộc gọi point-to-point Hình 1.3: Giao tiếp many-many qua cuộc gọi point-to-point Hình 1.4: Video conference có nhiều bên tham gia qua cuộc gọi đa điểm (multipoint call) Hình 1.5: Nhiều giáo viên cùng giảng một lớp học sử dụng video conference Hình 1.6: Một giáo viên cùng giảng nhiều lớp học sử dụng video conference Hình 1.7: Các nhân tố tạo nên chất lượng dịch vụ. Hình 2.1: Các thành phần trong hệ thống H323 Hình 2.2: H323 TE Hình 2.3: H.323/PSTNGateway Hình 2.4: Các chức năng của Gateway Hình 2.5: Chức năng của Gatekeeper Hình 2.6 Các vị trí của MC và MP trong hệ thống H.323 Hình 2.7 Sơ đồ cấu trúc phân lớp Hình 2.8 Gatekeeper tìm đường báo hiệu cuộc gọi Hình 2.9 Báo hiệu cuộc gọi trực tiếp giữa các Endpoint Hình 2.10 Thiết lập kênh điều khiển H.245 trực tiếp giữa các Endpoint Hình 2.11: Các loại socket Hình 2.12: Sự phụ thuộc giữa tỉ lệ mất gói tin với thời gian làm trễ việc chạy q. Hình 2.13: Chèn thêm thông tin bổ xung là các gói tin tốc độ bit thấp vào gói tin bình thường Hình 2.14: Cơ chế khôi phục gói tin bị mất theo kiểu xen kẽ. Hình 3.1 Sơ đồ thuật toán của mô hình client-server Hình 3.2 Mô hình mạng Peer to peer Hình 3.3 Sơ đồ chi hệ thống Hình 3.4 Biểu đồ usecase của tác nhân học Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên Trang 3 3 4 5 6 6 9 22 23 24 25 27 28 29 33 33 34 35 47 50 51 54 55 56 57 http://www.lrc-tnu.edu.vn viên Hình 3.5 Biểu đồ usecase của tác nhân người dạy Hình 3.6 Biểu đồ usecase cho tác nhân Server Hình 3.7 Biều đồ trình tự module voice service Hình 3.8 Biểu đồ trình tự module video service Hình 3.9 Biểu đồ trình tự module desktop service Hình 3.10 Biểu đồ trình tự chương trình chạy server Hình 3.11 Cài đặt Silverlight Hình 3.12 Cài đặt IIS Hình 3.13 Ứng dụng server Hình 3.14 Giao diện Module Voice Service Hình 3.15 Giao diện truyền dẫn của module Video Service Hình 3.16 Giao diện nhận hình ảnh của module Video Service Hình 3.17 Giao diện chương trình truyền hình ảnh của màn hình Hình 3.18 hình ảnh được trình chiếu từ màn hình của người truyền Hình 3.20 Chọn lớp, phòng tương ứng với mỗi người Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 57 58 59 60 61 62 63 64 64 65 66 67 67 68 69 http://www.lrc-tnu.edu.vn MỤC LỤC CHƢƠNG I: TỔNG QUAN TRUYỀN THÔNG ĐA PHƢƠNG TIỆN ................................ 3 1.1. Giới thiệu về truyền thông đa phƣơng tiện. ................................................................. 4 1.2. Phân loại ứng dụng truyền thông đa phƣơng tiện: ...................................................... 4 1.2.1. Truyền video và audio đã được lưu trữ trên server (streaming stored audio and video) .................................................................................................................................. 4 1.2.2. Truyền trực tiếp audio/video (Streaming live audio/video) ...................................... 5 1.2.3. Ứng dụng tương tác audio/video thời gian thực: ....................................................... 5 1.2.4. Ứng dụng video conference ...................................................................................... 5 1.2.4.1. Meetings (họp) ................................................................................................... 6 1.2.4.2. Classroom (giảng dạy) ........................................................................................ 9 1.2.4.3. Các cơ chế sử dụng trong video conference ..................................................... 11 1.2.5. Các thành phần chất lượng dịch vụ trong ứng dụng mạng đa phương tiện và video conference nói riêng .......................................................................................................... 11 1.2.5.1. Sự mất mát gói tin (packet loss) ....................................................................... 11 1.2.5.2. Độ trễ end-to-end (end-to-end delay) .............................................................. 12 1.2.5.3. Jitter - Sự thăng giáng độ trễ ........................................................................... 12 1.3. Nén dữ liệu audio/video ................................................................................................ 14 1.3.1. Một số kĩ thuật nén audio ........................................................................................ 14 1.3.2. Nén video................................................................................................................. 18 1.4. Những vấn đề ảnh hƣởng đến chất lƣợng dịch vụ (QoS) của Multimedia .............. 19 1.4.1. Khái niệm về đảm bảo chất lượng dịch vụ (QoS): ................................................. 19 1.4.2. Ứng dụng đa phương tiện qua mạng ....................................................................... 21 1.4.3. Các ứng dụng đa phương tiện mạng : ..................................................................... 21 1.4.4. Ví dụ về các ứng dụng đa phương tiện: .................................................................. 21 1.4.5. Rào cản đối với multimedia trên mạng Internet ..................................................... 22 1.4.5.1 Đặc điểm truyền dữ liệu trên Internet hiện nay ................................................ 22 1.4.5.2 Cách khắc phục: ................................................................................................ 23 CHƢƠNG II: KỸ THUẬT TRUYỀN THÔNG ĐA PHƢƠNG TIỆN .............................. 26 2.1. Kỹ thuật H323 ............................................................................................................... 26 2.1.1. Giới thiệu H323: ..................................................................................................... 26 2.1.2. Các thành phần cơ bản của kỹ thuật H.323: ........................................................... 26 2.1.2.1. Các ưu điểm của H.323: ............................................................................... 26 2.1.2.2. Kiến trúc hệ thống của H.323:...................................................................... 28 2.1.3 Sơ đồ cấu trúc phân lớp: .......................................................................................... 35 2.1.3.1.Video Codec: .................................................................................................... 35 2.1.3.2 Audio Codec: .................................................................................................... 36 2.1.3.3. Data Channel (Kênh dữ liệu): ......................................................................... 36 2.1.4 Điều khiển hệ thống ................................................................................................ 36 2.1.4.1. Chức năng điều khiển H.245: ......................................................................... 36 2.1.4.2. Chức năng báo hiệu RAS H.225.0: ................................................................. 37 2.1.4.3. Chức năng báo hiệu cuộc gọi H.225.0: ............................................................ 38 2.2. Kỹ thuật lập trình socket và công nghệ Silverlight .................................................... 41 2.2.1. Lập trình socket....................................................................................................... 41 2.2.2 Silverlight ................................................................................................................. 45 2.2.2.1 Định nghĩa Silverlight ....................................................................................... 45 2.2.2.2 Đặc tính của Silverlight .................................................................................... 45 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 2.2.2.3 Kiến trúc tổng thể và các mô hình lập trình của Silverlight ............................. 46 2.2.2.4 Khả năng hỗ trợ trình duyệt, hệ điều hành và các công nghệ liên quan ........... 49 2.3. Kỹ thuật làm tăng chất lƣợng dịch vụ cho ứng dụng đa phƣơng tiện ..................... 50 2.3.1. Những nhược điểm của mạng IP với dịch vụ cố gắng tối đa (best effort) ...... 50 2.3.2. Sử dụng giao thức UDP ở tầng giao vận ............................................................... 50 2.3.3. Cơ chế loại bỏ jitter ở phía nhận ............................................................................. 51 2.3.3.1. Làm trễ việc chơi với thời gian cố định (fixed playout delay) ......................... 52 2.3.3.2. Làm trễ thời gian thích nghi (adaptive playout delay) ............................ 53 2.3.4. Khôi phục các gói tin bị mất tại phía nhận ............................................................. 55 2.3.4.1. FEC ....................................................................................................................... 55 2.3.4.2. Cơ chế xen kẽ (interleaving) ............................................................................ 56 2.3.4.3. Cơ chế khôi phục gói tin bị mất chỉ dựa trên phía nhận (receiver- based) ...... 57 CHƢƠNG III: XÂY DỰNG ỨNG DỤNG............................................................................. 59 3.1. Phân tích thiết kế chƣơng trình ................................................................................... 59 3.1.1 Giới thiệu bài toán.................................................................................................... 59 3.1.2 Phân tích................................................................................................................... 59 3.1.2.1 Mô hình Client/Server....................................................................................... 59 3.1.2.2 Mô hình Peer to Peer ....................................................................................... 60 3.1.3. Thiết kế ................................................................................................................... 61 3.1.3.1. Sơ đồ hệ thống. ................................................................................................ 61 3.1.3.2 Biểu đồ Usecase ................................................................................................ 62 3.1.4 Biểu đồ trình tự ........................................................................................................ 64 3.1.4.1 Biểu đồ trình tự của chức năng truyền nhận âm thanh ..................................... 64 3.1.4.1 Biểu đồ trình tự của chức năng truyền nhận hình ảnh ...................................... 65 3.1.4.3 Biểu đồ trình tự của chức năng truyền nhận desktop ........................................ 66 3.1.4.4 Biểu đồ trình tự của server ................................................................................ 67 3.2. Kết quả của chƣơng trình ............................................................................................ 68 3.2.1. Cài đặt chương trình ............................................................................................... 68 3.2.1.1. Cài đặt Silverlight ............................................................................................ 68 3.2.1.2Cài đặt IIS .......................................................................................................... 69 3.2.2 Kết quả chương trình ............................................................................................... 70 3.2.2.1. Khởi tạo Server ................................................................................................ 70 3.2.2.2. Voice Service ................................................................................................... 71 3.2.2.3. Video Service ................................................................................................... 72 3.2.2.4. Desktop Service ............................................................................................... 73 3.2.2.5 Text Chat........................................................................................................... 74 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn MỞ ĐẦU Ngày nay, truyền thông nói chung, và truyền thông đa phương tiện nói riêng đang rất được quan tâm, bởi tính thực tiễn và kinh tế. Nhờ có truyền thông đa phương tiện con người trao đổi thông tin từ xa thông qua văn bản, hình ảnh và âm thanh. Bên cạnh đó, mạng máy tính đã và đang phổ biến trong cơ quan, doanh nghiệp, nên ứng dụng mạng như chia sẻ dữ liệu, phần mềm trực tuyến ngày càng được ưa chuộng và trở thành yếu tố không thể thiếu trong xã hội thông tin hiện đại. Bởi vậy, việc nghiên cứu kỹ thuật truyền thông nói chung, truyền thông đa phương tiện nói riêng nhằm làm chủ và tạo nền tảng phát triển ứng dụng truyền thông mạng như dạy học trực tuyến đang trở thành chủ đề nghiên cứu của nhiều tổ chức nghiên cứu trong và ngoài nước. Luận văn gồm 3 chương: Chƣơng I: Tổng quan về truyền thông đa phƣơng tiện Chương này giới thiệu về truyền thông đa phương tiện, phân loại ứng dụng truyền thông đa phương tiện và những vấn đề ảnh hưởng đến chất lượng dịch vụ truyền thông đa phương tiện Chƣơng II: Kỹ thuật truyền thông đa phƣơng tiện Trong chương này nghiên cứu một số kỹ thuật trong truyền thông đa phương tiện như H323, kỹ thuật lập trình Socket, công nghệ Silverlight Chƣơng III: Xây dựng ứng dụng Chương này trình bày về ứng dụng một số kỹ thuật đã nghiên cứu để thiết kế chương trình và cài đặt và cấu hình hệ thống. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn CHƢƠNG I: TỔNG QUAN TRUYỀN THÔNG ĐA PHƢƠNG TIỆN 1.1. Giới thiệu về truyền thông đa phƣơng tiện. 1.1.1 Khái niệm Hệ mang tin phương tiện là hệ thống cung cấp tích hợp các chức năng lưu trữ, truyền dẫn và trình diễn các kiểu phương tiện mang tin rời rác (văn bản, đồ hoạ, ảnh…) và liên tục (audio, video) trên máy tính. Các kiểu media trong hệ thống đa phương tiện gồm: - Media độc lập với thời gian: thông tin không liên quan gì đến việc định thời luồng dữ liệu, ví dụ như văn bản, đồ hoạ, ảnh. - Media phụ thuộc thời gian: thông tin có quan hệ chặt chẽ với thời gian, phải được trình diễn tới người sử dụng vào những thời điểm xác định.ví dụ: animation, audio, video, game online. Hệ thống đa phương tiện cũng là hệ thống thời gian thực. 1.2. Phân loại ứng dụng truyền thông đa phƣơng tiện: Chúng ta có thể chia các ứng dụng mạng đa phương tiện thành 3 lớp lớn. 1.2.1. Truyền video và audio đã đƣợc lƣu trữ trên server (streaming stored audio and video) Trong lớp ứng dụng này, client yêu cầu các file audio, video đã được nén và được lưu trữ trên server. Các file audio có thể là: bài giảng, bài hát …. Các file video có thể là: phim, clips…. Tại một thời điểm nào đó, client yêu cầu file audio, video từ server. Trong hầu hết các ứng dụng loại này, sau một thời gian trễ vài giây, client sẽ chạy file audio, video trong khi tiếp tục nhận file từ server. Đặc tính vừa chạy file, trong khi tiếp tục nhận những phần sau của file gọi là streaming . Nhiều ứng dụng còn cung cấp tính năng tương tác người dùng (user interactivity). Ví dụ: pause, resume, jump, skip. Khoảng thời gian từ lúc người dùng đưa ra yêu cầu (play, skip, forward, jump) tới khi bắt đầu nghe thấy trên máy client nên nằm trong khoảng từ 1 – 10 giây để người dùng có thể chấp nhận được. Yêu cầu đối với độ trễ và thăng giáng độ trễ - jitter của ứng dụng loại này không chặt chẽ bằng ở trong ứng dụng thời gian thực như : điện thoại internet, video conference thời gian thực. Hiện nay có các chương trình hỗ trợ streaming stored audio/video như: RealPlayer, Netshow …. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 1.2.2. Truyền trực tiếp audio/video (Streaming live audio/video) Các ứng dụng loại này cũng tương tự như phát thanh và truyền hình quảng bá (broadcast) truyền thống chỉ có điều nó được thực hiện trên internet. Nó cho phép người dùng nhận được audio/video trực tiếp được phát ra từ bất kỳ nơi nào trên thế giới. Trong lớp ứng dụng mạng đa phương tiện loại này, audio/video được truyền trực tiếp, không được lưu trữ trên server như loại ứng dụng mạng đa phương tiện đã nói ở trên, client không thể tương tác người dùng như: pause, forward, rewind, … Tuy nhiên, nếu các file audio/video được lưu giữ cục bộ tại các client, một số ứng dụng có thể pause, rewind…. Truyền hình, phát thanh trực tiếp thường được phát broadcast tới nhiều client qua kĩ thuật multicast hoặc qua nhiều luồng unicast riêng. Hạn chế về thời gian trễ (độ trễ) của truyền hình, phát thanh trực tiếp là khắt khe hơn các ứng dụng truyền audio/video được lưu trữ; Độ trễ tới 10 giây là có thể chấp nhận được. 1.2.3. Ứng dụng tƣơng tác audio/video thời gian thực: Lớp ứng dụng này cho phép mọi người dùng audio, video để tương tác thời gian thực với người dùng khác. Một ví dụ về audio tương tác thời gian thực là điện thoại internet. Nó cung cấp dịch vụ điện thoại với giá rất rẻ so với dịch vụ điện thoại truyền thống nhưng bù vào đó là chất lượng không được tốt và ổn định như điện thoại truyền thống. Với tương tác video thời gian thực, còn gọi là video-conferenceing, mọi người có thể giao tiếp với nhau một cách rất trực quan. Trong các ứng dụng tương tác audio/video thời gian thực thì độ trễ nên nhỏ hơn vài trăm miligiây. Ví dụ với âm thanh: độ trễ nên nhỏ hơn 400 ms. 1.2.4. Ứng dụng video conference Như đã đề cập ở trên, video conference là ứng dụng mạng đa phương tiện thuộc lớp thứ ba: ứng dụng tương tác thời gian thực. Đây là lớp ứng dụng đòi hỏi chất lượng dịch vụ mạng (độ trễ, jitter, sự mất mát gói tin) cao nhất trong ba lớp ứng dụng ở trên để thoả mãn nhu cầu của người dùng. Video conference hiện nay được sử dụng rộng rãi trong rất nhiều lĩnh vực: trong cuộc họp của các công ty, các tổ chức; trong giáo dục: đào tạo từ xa; trong y tế: khám chữa bệnh, phẫu thuật từ xa .... Sau đây là một số ứng dụng tiêu biểu của video conference. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 1.2.4.1. Meetings (họp) Những người tham dự cuộc họp là trường hợp đơn giản nhất minh hoạ cho việc sử dụng video conference. Với những cuộc họp diễn ra thường xuyên và cần các bên tham gia giao tiếp với nhau (face-to-face communication), video conference là sự thay thế hoàn hảo cho các cuộc họp bình thường mà các bên tham gia phải cùng có mặt tại cùng một địa điểm. Các bên tham gia có thể ở xa nhau và sử dụng video conference để tiến hành họp. Điều này sẽ giảm chi phí, thời gian giành cho việc đi lại và việc tham dự cuộc họp sẽ vô cùng thuận tiện. Việc tổ chức các cuộc họp cũng đơn giản hơn và hiệu quả hơn. Các cuộc họp sẽ diễn ra thường xuyên, không cần phải lập lịch trước (để chuẩn bị chi phí, thời gian đi lại) và được tiến hành qua video conference, qua đó nâng cao hiệu quả công việc giữa những người cùng làm trong một dự án nhưng lại ở những địa diểm khác nhau. Sau đây là một số minh hoạ của việc sử dụng video conference trong việc tổ chức các cuộc họp sử dụng cuộc gọi điểm-điểm (point-to-point call) bao gồm các trường hợp giao tiếp: một-một (one-to-one), một- nhiều (one-to-many) và nhiều-nhiều (many-to-many ). Hình 1.1: Giao tiếp one-to-one qua cuộc gọi point-to-point Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn Hình 1.2: Giao tiếp one-many qua cuộc gọi point-to-point Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn Hình 1.3: Giao tiếp many-many qua cuộc gọi point-to-point Trong mỗi trường hợp ở trên, chất lượng của audio/video đóng vai trò rất quan trọng tới thành công của cuộc họp. Điều này sẽ khiến cho các bên tham gia họp cảm thấy mình thật sự là phần quan trọng của cuộc họp hay không. Trong video conference, audio có thể có vai trò quan trọng hơn video. Những ảnh hưởng nhỏ của video như: độ phân giải, độ trễ thường được người sử dụng chấp nhận, nhưng đối với audio thì không. Do đó việc cố gắng cải thiện chất lượng audio trong video conference sẽ đem lại sự thoả mãn của các bên tham gia. Một nhân tố khác ảnh hưởng tới chất lượng của video conference là băng thông mà các bên tham gia kết nối vào. Băng thông càng cao thì chất lượng của video conference càng tốt. Băng thông khoảng 384 Kbps là tốc độ kết nối được sử dụng nhiều trong thực tế để tiến hành video conference. Băng thông như trên làm việc tốt trong trường hợp cuộc họp là “tĩnh” nghĩa là các bên tham gia cuộc họp không di chuyển nhiều, các hoạt động bị hạn chế. Nếu trong cuộc họp mà các bên tham gia di chuyển nhiều (tiến hành các hoạt động, minh hoạ ...) thì cần phải có băng thông kết nối cao hơn để đảm bảo chất lượng của cuộc họp. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn Trong các cuộc họp có nhiều bên tham gia sử dụng cuộc gọi đa điểm (multipoint call) phải cần có một MCU (Multipoint Control Unit). Các bên tham gia có thể kết nối với băng thông khác nhau. Ví dụ: một bên kết nối với tốc độ 384 Kbps chỉ nhận được 384 Kbps từ bên kết nối với tốc độ 1.5 Mbps. Trong trường hợp cuộc họp nhiều bên tham gia (multi-point meeting), ta có minh hoạ như hình dưới: Hình 1.4: Video conference có nhiều bên tham gia qua cuộc gọi đa điểm (multipoint call) 1.2.4.2. Classroom (giảng dạy) Trong giảng dạy ở trường học, chúng ta có thể sử dụng video conference. Khi đó sẽ có thay đổi so với lớp học truyền thống. Có 2 trường hợp sử dụng phổ biến sau. Trường hợp đầu: phía tham gia thêm vào lớp học có thể là một giảng viên nữa hoặc là đồng giảng viên. Trong trường hợp thứ hai, một giảng viên có thể giảng thêm cho một lớp học từ xa. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn Hình 1.5: Nhiều giáo viên cùng giảng một lớp học sử dụng video conference Hình 1.6: Một giáo viên cùng giảng nhiều lớp học sử dụng video conference Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 1.2.4.3. Các cơ chế sử dụng trong video conference Các cơ chế điều khiển hiển thị video • Voice activated: hình ảnh của bên đang nói được hiển thị tại tất cả các bên tham gia. • lại. Continuous presence: một bên tham gia có thể thấy tất cả các bên còn Các cơ chế điều khiển audio • Half duplex audio: các bên chỉ có thể nghe thấy một người nói tại một thời điểm. • Full duplex audio: mọi bên có thể nghe thấy tất cả các bên nói tại mọi thời điểm. Các cơ chế điều khiển kết hợp có thể là • Không điều khiển (no control): sử dụng full duplex audio ở tất cả các bên tham gia. Trong trường hợp này, người đứng đầu (lead speaker) được chọn do các bên tham gia tự thoả thuận. Các bên tham gia có thể xem hình ảnh theo kiểu voice- activated hoặc continuous presence. • Chair control: quyền điều khiển được truyền qua cơ chế nào đó, thí dụ “biểu quyết bằng giơ tay” (electronic hand raising). Bên tham gia nắm quyền điều khiển sẽ được nhìn và nghe thấy bởi các bên cho tới khi quyền điều khiển được truyền cho người khác. • Lecture-style: Một biến thể của cơ chế chair control. Một bên được gán quyền điều khiển và có thể kích hoạt hoặc không kích hoạt quyền chair control. 1.2.5. Các thành phần chất lƣợng dịch vụ trong ứng dụng mạng đa phƣơng tiện nói chung và video conference nói riêng 1.2.5.1. Sự mất mát gói tin (packet loss) Có nhiều nguyên nhân gây ra mất gói tin: do lỗi của đường truyền hoặc do gói tin bị loại bỏ tại hàng đợi của chuyển mạch, router (khi hàng đợi đã đầy). Xét một ví dụ với ứng dụng điện thoại Internet. Khi một udp datagram (gói tin của giao thức udp) được tạo bởi ứng dụng điện thoại internet, nó được đóng gói trong một ip Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn datagram, ip datagram được chuyển tới phía nhận. Khi datagram truyền qua mạng, nó tới bộ đệm tại hàng đợi trong router. Có thể bộ đệm của router đã đầy và không thể nhận datagram. Trong trường hợp này, IP datagram bị loại bỏ và coi như bị mất. Nó không tới được phía nhận. Sự mất mát gói tin có thể được loại bỏ bằng cách gửi gói tin qua TCP. TCP sẽ truyền lại gói tin. Tuy nhiên, cơ chế truyền lại là không thể chấp nhận được đối với ứng dụng thời gian thực như là điện thoại internet bởi vì nó làm tăng độ trễ lên quá lớn. Hơn nữa, theo cơ chế điều khiển tắc nghẽn trong TCP , sau khi mất gói tin, tốc độ truyền tại phía gửi có thể giảm tới tốc độ thấp hơn tốc độ đọc phía nhận. Điều này ảnh hưởng tới phía nhận. Vì thế, hầu hết các ứng dụng điện thoại internet đều chạy trên udp và không quan tâm tới việc truyền lại gói tin bị mất. Tỉ lệ mất gói tin từ 1% tới 20% có thể chấp nhận được, phụ thuộc vào các cơ chế âm thanh được lập mã và truyền đi và phía nhận sử dụng cơ chế sửa lỗi hay không. Ví dụ: cơ chế sửa lỗi tại phía nhận FEC (forward error correction) có thể khắc phục việc mất gói tin. Với FEC, thông tin thêm vào được truyền cùng với thông tin ban đầu để dữ liệu bị mất có thể được khôi phục từ chúng. Tuy nhiên, nếu tắc nghẽn xảy ra, tỉ lệ mất gói tin vượt quá 20%, chất lượng âm thanh sẽ không đạt yêu cầu. 1.2.5.2. Độ trễ end-to-end (end-to-end delay) Là tổng hợp của : thời gian xử lý và chờ trong hàng đợi của router, thời gian truyền gói tin lên đường truyền (transmission time), thời gian truyền gói tin tới phía nhận (propagation time) và thời gian xử lý của phía nhận. Với các ứng dụng tương tác thời gian thực như điện thoại internet, độ trễ end-to-end nhỏ hơn 150ms là không gây ra vấn đề gì (giác quan con người không cảm nhận được độ trễ này), độ trễ từ 150400ms có thể được chấp nhận nhưng chất lượng kém hơn. Độ trễ >400ms thì cực tệ không chấp nhận được. Phía nhận của ứng dụng điện thoại internet sẽ không xem xét tới bất kì gói tin nào đến trễ hơn một ngưỡng nào đó, ví dụ >400ms. Do đó, các gói tin trễ hơn ngưỡng trên coi như là mất. 1.2.5.3. Jitter - Sự thăng giáng độ trễ Một trong những thành phần tạo nên độ trễ end-to-end là thời gian đợi ở hàng đợi của router (thời gian đợi là ngẫu nhiên). Do thời gian này là ngẫu nhiên, Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn luôn thay đổi nên thời gian từ khi gói tin được tạo tại phía gửi tới khi nó tới bên nhận có thể thay đỗi giữa các gói tin. Sự biến đổi độ trễ như vậy gọi là jitter. Ví dụ: xét 2 gói tin liên tiếp nhau trong một đoạn của ứng dụng điện thoại internet. Phía gửi gửi gói tin thứ 2 sau gói tin đầu 20ms. Nhưng khoảng thời gian giữa 2 gói tin được phía nhận nhận có thể lớn hơn 20ms. Để rõ hơn, giả sử gói tin đầu tiên tới khi router có hàng đợi là rỗng, nó sẽ được phục vụ (gửi đi) ngay, nhưng khi gói tin thứ hai tới thì hàng đợi lại đầy, nó sẽ phải chờ đến lượt được phục vụ. Khoảng thời gian bên nhận nhận các gói tin cũng có thể nhỏ hơn 20 ms. Ví dụ xét 2 gói tin liên tiếp nhau. giả sử gói tin đầu tới cuối hàng đợi (hàng đợi này đang đầy), gói tin thứ 2 tới hàng đợi đó và được “xếp hàng” ngay sau gói tin thứ nhất. Khi đó khoảng thời gian giữa lúc phía nhận nhận gói tin thứ nhất và gói tin thứ hai sẽ < 20ms. Nếu phía nhận bỏ qua jitter và chơi ngay đoạn âm thanh ngay khi nhận được, kết quả chất lượng âm thanh sẽ rất kém. Hình 1.7: Các nhân tố tạo nên chất lượng dịch vụ. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 1.3. Nén dữ liệu audio/video Trước khi audio, video được truyền, chúng được số hóa và nén lại. Việc số hóa là hiển nhiên bởi vì: mạng máy tính truyền đi các bit, do đó phải số hóa. Trong khi đó, nén dữ liệu cũng rất quan trọng bởi vì audio, video nếu không nén sẽ ngốn băng thông đáng kể cũng như dung lượng lưu trữ. Ví dụ: một hình ảnh 1024*1024*24 bit cần 3MB dung luợng bộ nhớ nếu không nén, nó cần đến 7 phút để truyền qua đường truyền 64Kbps. Nếu nó được nén lại với tỉ lệ 10:1, thì bộ nhớ cần là 300KB và thời gian truyền giảm xuống còn dưới 6 giây. Nén audio, video là lĩnh vực được nghiên cứu hơn 50 năm. Hiện nay có hàng trăm kĩ thuật phổ biến và các chuẩn cho nén video, audio. 1.3.1. Một số kĩ thuật nén audio PCM (Pulse Code Modulation) • Tín hiệu tương tự được lấy mẫu ở tần số cố định, ví dụ: 8 000 mẫu/giây. Giá trị của mỗi mẫu là một số thực. • Mỗi mẫu được làm tròn tới một số trong tập các giá trị định trước. Thao tác này được gọi là lượng tử hóa. Số lượng các số trong tập các giá trị hữu hạn gọi là các giá trị lượng tử, thường là lũy thừa của 2 ví dụ 256. • Mỗi giá trị lượng tử được biểu diễn bằng một số lượng cố định các bit. Mỗi giá trị mẫu được chuyển thành dãy bít (1 byte nếu có 256 giá trị lượng tử). Các biểu diễn bit này được chuyển thành dạng biểu diễn số của tín hiệu và được truyền đi. • Bình thường, quá trình lượng tử hoá gồm 2 bước: lượng tử hoá tuyến tính 13 hay 14 bít, rồi nén theo logarit xuống 8 bít. • Nén 13 bít xuống 8 bít là biến đổi A-Law được sử dụng ở Châu Âu, nén 14 bít xuống 8 bít là biến đổi M-Law được sử dụng ở Bắc Mỹ và Nhật Bản. Tôi xin lấy một ví dụ: nếu một tín hiệu audio tương tự được lấy mẫu ở tần số 8000 mẫu/giây, mỗi mẫu được lượng tử và được biểu diễn bởi 8 bit. Khi đó tín hiệu số Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn sẽ có tốc độ bít là 64000 bit/giây. Tín hiệu số này có thể được chuyển trở lại thành tín hiệu tương tự (decode) để chơi. Tuy nhiên, tín hiệu analog được decode thường khác với tín hiệu ban đầu. Bằng cách tăng tần số lấy mẫu và số lượng các giá trị lượng tử, tín hiệu được giải mã có thể tương tự như tín hiệu tương tự ban đầu (thậm chí giống hệt - ở một mức nào đó). Do vậy, rõ ràng có một sự tương ứng giữa chất lượng của tín hiệu được giải mã với yêu cầu bộ nhớ lưu trữ và băng thông của tín hiệu số. Mã hóa tiếng nói thường dùng PCM, với tốc độ lấy mẫu khoảng 8000 mẫu/giây, và 8 bit/mẫu cho ta tốc độ là 64Kbps. Đĩa CD audio cũng dùng phương pháp PCM với tốc độ lấy mẫu là 44100 mẫu/giây và 16 bit/mẫu cho tốc độ 705,6 Kbps ứng với âm thanh mono và 1,411 Mbps ứng với âm thanh stereo. DPCM (Differential PCM) • So sánh các mẫu, sau đó không mã hoá toàn bộ mẫu mà chỉ mã hoá sự khác nhau giữa các mẫu. • Sử dụng cơ chế đoán dựa trên các mẫu trước để giảm tốc độ bít (mã hoá sự khác nhau giữa mẫu đoán và mẫu thực tế - 4 bít/mẫu). • Theo phương pháp này, khi thời gian tăng lên, tỉ lệ lỗi giữa tín hiệu giải mã và tín hiệu mã hoá sẽ tăng, do đó theo định kì, một mẫu đầy đủ sẽ được mã hoá. ADPCM (Adaptive DPCM) • Dùng chiến lược đoán sự khác nhau giữa các xung theo kiểu thích nghi. • Cung cấp chất lượng âm thanh như PCM, tốc độ bít là 32 Kbps. LPC (Linear Predictive Coding) • Cho âm thanh chất lượng robot, tốc độ bit là 1.2 – 2.4 Kbps. LPC mô hình hoá tiếng nói như một nguồn được truyền qua bộ lọc CELP (Code Excited Linear Predictor) • Sử dụng mô hình như LPC, nhưng có thêm nhiều thông tin về nguồn âm thanh. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn