Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
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
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
Mẫu 4. Trang bìa 1 tóm tắt luận văn thạc sĩ (khổ 140 x 200 mm)
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 tốt nghiệp Thạc sĩ của mình. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
DANH MỤC HÌNH
Tên hình
Trang
Hình 1.1: Giao tiếp one-to-one qua cuộc gọi point-to-point
3
Hình 1.2: Giao tiếp one-many qua cuộc gọi point-to-point
3
Hình 1.3: Giao tiếp many-many qua cuộc gọi point-to-point
4
Hình 1.4: Video conference có nhiều bên tham gia qua cuộc gọi đa
điểm (multipoint call)
5
Hình 1.5: Nhiều giáo viên cùng giảng một lớp học sử dụng video
conference
6
Hình 1.6: Một giáo viên cùng giảng nhiều lớp học sử dụng video
conference
6
Hình 1.7: Các nhân tố tạo nên chất lượng dịch vụ.
9
Hình 2.1: Các thành phần trong hệ thống H323
22
Hình 2.2: H323 TE
50
Hình 2.14: Cơ chế khôi phục gói tin bị mất
theo kiểu xen kẽ.
51
Hình 3.1 Sơ đồ thuật toán của mô hình
client-server
54
Hình 3.2 Mô hình mạng Peer to peer
55
Hình 3.3 Sơ đồ chi hệ thống
56
Hình 3.4 Biểu đồ usecase của tác nhân học
57
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
viên
Hình 3.5 Biểu đồ usecase của tác nhân
người dạy
57
Hình 3.6 Biểu đồ usecase cho tác nhân Server
58
Hình 3.7 Biều đồ trình tự module voice
service
59
Hình 3.8 Biểu đồ trình tự module video
service
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
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
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
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
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
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
1.2.4.1. Meetings (họp)
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
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
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
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.
•
Continuous presence: một bên tham gia có thể thấy tất cả các bên còn
lại. 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
•
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 150-
400ms 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
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
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
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
Sử dụng mô hình tương tự LPC, chi phí tính toán thấp hơn CELP và thích
hợp cho
hệ thống điện thoại di động.
•
Tốc độ bit là 13Kbps.
MP3
•
Tốc độ bít là 128 Kbps hoặc 112 Kbps
•
Cho âm thanh chất lượng CD (CD quality)
•
Chuẩn nén rất phức tạp, sử dụng cơ chế giảm thiểu sự dư thừa
Lƣợc đồ mã hoá
Băng thông (Kbps)
Chất lƣợng âm
thanh
PCM
Âm thanh chất lƣợng
CD (CD quality
audio)Bảng 1: So sánh các lược đồ mã hoá âm thanh
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
1.3.2. Nén video
Video là một dãy tuần tự các hình ảnh (image), mỗi hình ảnh được
hiển thị với tốc độ không đổi ví dụ 24 hoặc 30 hình/giây. Một image không
được nén gồm một mảng các pixel, mỗi pixel được mã hóa (encode) thành
một số bít để biểu diễn màu và độ sáng. Có 2 kiểu của sự dư thừa thông tin
trong hình ảnh video, các cơ chế nén video đều dựa trên những điều này. Dư
thừa về mặt không gian (Spatial redundancy) là dư thừa trong một image cụ
thể. Ví dụ: một image gồm hầu hết khoảng trống có thể được nén một cách
hiệu quả. Dư thừa về mặt thời gian (Temporal redundancy) là sự lặp lại image
trong image tiếp theo. Ví dụ: một image và image tiếp theo là giống
nhau , không có lý do gì để mã hóa lại hình ảnh tiếp theo đó. Sau đây sẽ là
giới thiệu ngắn gọn về chuẩn nén video MPEG.
MPEG (Motion Picture Engineering Group) là một chuẩn công
nghiệp cho việc nén và truyền audio/video. Hiện tại có 3 chuẩn đã được công bố
liên quan tới nén video là : MPEG1, MPEG2, MPEG4. Chuẩn mới nhất là
Băng thông cực đại
2.5Mbps
15Mbps
4Mbps
Bảng 2: Bảng so sánh các chuẩn MPEG
•
MPEG1 là một chuẩn ban đầu được thiết kế để nén khoảng 30 phút
audio/video vào trong một đĩa CD. Nó nén và giải nén khá nhanh nhưng chất
lượng video thì không ấn tượng lắm. Tốc độ mã hoá từ 1Mbps tới 1.5Mbps.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
Chuẩn H263 được sử dụng trong các hệ thống H323 cung cấp chất lượng
hình ảnh tốt hơn với băng thông thấp hơn. MPEG1 không được sử dụng
trong các hệ thống video conference.
•
Xác định các tham số QoS:
Các tham số chính QoS là:
- Độ trễ: là thời gian cực đại để truyền một gói tin, nó phụ thuộc vào tốc độ
truyền tin, tốc độ truyền tin càng lớn, trễ càng nhỏ và ngược lại.
- Thông lượng: thông lượng quyết định khả năng truyền tin, thông lượng được tính
là tổng số đơn vị dữ liệu cực đại được truyền trong 1 đơn vị thời gian, chẳng hạn số
gói tin, số byte dữ liệu truyền đi trong 1 s.
- Tỷ số mất tin: là số đơn vị dữ liệu bị mất cực đại trong một đơn vị thời gian.
Ngoài ra còn có khái niệm kích thước mất tin: đó là số gói tin bị mất liên tiếp cực
đại. Bên cạnh tỷ số mất tin ta có thể dùng khái niệm độ tin cậy: tỷ số mất tin tỷ lệ
nghịch với độ tin cậy.
- Jitter: là độ biến thiên của độ trễ.
Đối với một ứng dụng, có các mức chất lượng dịch vụ :
QoS yêu cầu: là QoS tối thiểu mà ứng dụng yêu cầu, nếu dưới giá trị này thì ứng
dụng là không chấp nhận được. QoS mong muốn là QoS cực đại mà ứng dụng yêu
cầu. Phải cân đối giữa chi phí QoS và giá thành.
Copyright: Tài liệu đại học ©