Vysoká škola ekonomická v Praze Fakulta informatiky a statistiky Vyšší odborná škola informačních služeb v Praze. Bakalářská práce.

Transkript

1 Vysoká škola ekonomická v Praze Fakulta informatiky a statistiky Vyšší odborná škola informačních služeb v Praze Bakalářská práce 2010 Aleš Hruška

2 Vysoká škola ekonomická v Praze Fakulta informatiky a statistiky Vyšší odborná škola informačních služeb v Praze Aleš Hruška Vztahy mezi digitálním signálem a počítačovými sítěmi Bakalářská práce 2010

3 Prohlášení: Prohlašuji, že jsem bakalářskou práci na téma Vztahy mezi digitálním signálem a počítačovými sítěmi zpracoval samostatně a použil pouze zdrojů, které cituji a uvádím v seznamu použité literatury. V Praze dne Aleš Hruška

4 Abstrakt Tato bakalářská práce se skládá ze třech hlavních částí. První část Technologie komunikačních sítí se zabývá jednotlivými technologiemi sítí především z pohledu přenosových kapacit. Ve druhé části jsou multimediální kontejnery a formáty komprese audia a videa, jako důsledek nedostatečných přenosových kapacit sítí pro video v nekomprimovaném stavu nebo pro video s velkým datovým tokem. Třetí, poslední část, je praktický příklad. Ukazuje, jaké jsou rozdíly ve velikosti souboru mezi videem v nekomprimovaném a komprimovaném stavu do různých formátů. Je z něho patrné, že se video používané na sítích musí komprimovat. Abstract This work consists of free main parts. The first part The Technology of Communication Nets deals with particular net technologies, mainly from the point of view of transmission capacities. In the second part there are multimedial containers and formats of audio and video compression as a result of insufficient transmission net capacities for the video in the non-compressed state or for the video with the great data stream. The third, last part, is a practical example. It shows the differences in the file size between video in non-compressed and compressed state in various formats. It is evident that video on nets must be compressed.

5 Obsah 1. Úvod Vlastnosti komunikačních (počítačových) sítí Rychlost sítí Technologie komunikačních sítí Wi-Fi Ethernet WiMAX Bluetooth Multimediální kontejnery AVI Matroška MPEG-PS MPEG-TS Advanced Systems Format (ASF) MP QuickTime Komprimační video formáty MPEG-4 ASP DivX XviD MPEG-4 AVC (H.264) WMV Theora Komprimační audio formáty Ztrátová komprese MP WMA AAC AC Vorbis Bezeztrátová komprese

6 WavPack FLAC ALAC Praktický příklad Závěr Seznam použitých zdrojů

7 1. Úvod V dnešní době si už asi těžko dokážeme představit život bez komunikačních sítí. Jsou i tam, kde bychom to nečekali. Největší sít je internet a jeho nejpoužívanější částí je World Wide Web (WWW). Aby spolu uživatelé internetu mohli komunikovat, potřebují k tomu různé technologie počítačových sítí. Po těchto sítích jde veškerý přenos dat, ať už to jsou y a chat, nebo televizní vysílání a videokonference. A právě video přenos je tématem této bakalářské práce. Mnoho lidí určitě zná pojmy jednotlivých technologií počítačových sítí jako je Wi-Fi a Ethernet, ale o nich samotných už toho moc neví. Tím se právě zabývá první část této práce. Představíme si zde čtyři nejznámější a nejvíce používané technologie. Wi-Fi, WiMAX, Ethernet a Bluetooth. Bluetooth sice není klasická počítačová sít, ale je to nejvíce používaná komunikační technologie u mobilních telefonů (nebereme v úvahu GPRS a jí podobné technologie), a zařízení, kde je důležitý malý odběr energie. U všech jmenovaných technologií je pro přenos videa nejdůležitější přenosová kapacita, která není vždy dostačující. Aby mohl být realizován veškerý video přenos po sítích (myšleno po stránce velikosti souboru), musí se video spolu se zvukem komprimovat. K tomu nám slouží multimediální kontejnery a komprimační audio a video formáty. Na internetu je spousta nepřesných informací o tomto tématu, a to i na odborných webech a v magazínech. Tím se zabývá další část této práce. Na konec pomocí multimediálních kontejnerů a komprimačních audio a video formátů upravíme velké a na přenosovou kapacitu náročné video do stavu kdy je vhodné k přenosu po síti. 7

8 2. Vlastnosti komunikačních (počítačových) sítí U komunikačních sítí neexistuje jen jedna vlastnost nebo kritérium, díky kterým by se dala posoudit jejich kvalita. Je jich víc, a proto se musí vyhodnotit všechny nebo alespoň ty nejdůležitější. Obecně se berou jako nejdůležitější tyto vlastnosti: rychlost přesnost spolehlivost dostupnost Nás bude zajímat především rychlost (přenosová kapacita sítě a zpoždění pro videokonference), která je nejdůležitějším parametrem pro přenos videa po síti Rychlost sítí V dnešní době počítačové sítě nejvíce zatěžuje právě video a jeho přenos je stále častější. Nejvíce se přenos videa používá u živého vysílání, jako jsou videokonference a televizní vysílání, dále pak u stahování a přehrávání uložených filmů a videoklipů z různých serverů (například YouTube). Veškeré tyto přenosy vyžadují velkou datovou propustnost a živé vysílání navíc malou dobu zpoždění. Nekomprimované video ve vysokém rozlišení má datový tok v řádech gigabitů za sekundu. Takovou přenosovou kapacitu má jen malá část sítí. Komprimováním se dá datová propustnost snížit z gigabitů na megabity. Přenosy videa si můžeme rozdělit do dvou kategorií: 1. přenosy, které jsou závislé na přenosové kapacitě sítě 2. přenosy, které jsou závislé na zpoždění sítě Do první skupiny řadíme především televizní vysílání. U televizního vysílání je jedno, když je zpoždění velké. I zpoždění v řádech sekund nepoznáme. Je to proto, že část přenosu se uloží do mezipaměti. I proto můžeme tvrdit, že to není vysílání naživo, vždy je s nějakým časovým zpožděním. 8

9 Televizní vysílání je náročné právě na kapacitu sítě. Toto vysílání bývá nejčastěji ve třech kvalitách. Vysílání v nízké kvalitě při 115 kbps, střední kvalitě při 680 kbps a vysoké kvalitě při 1500 kpbs. Televizní vysílání vychází z jednoho zdroje ke stovkám až desetitisícům klientů. Pro 1000 klientů to tak dělá při vysílání ve vysoké kvalitě až 1,5 Gbps. Do druhé skupiny spadá hlavně videokonference. Proto se pro videokonference moc nehodí sít Wi-Fi, která má větší zpoždění a občas dochází k výpadkům přenosu. 9

10 3. Technologie komunikačních sítí 3.1. Wi-Fi Také se někdy označuje jako WI-FI, WIFI, případně wifi. Je to standard pro lokální bezdrátové sítě WLAN (Wireless LAN). Data se přenášejí pomocí rádiového signálu na různých frekvencích. V dnešní době jsou hodně využívány k šíření internetového připojení. Jsou všude kolem nás. Stačí vyjít s notebookem (dnes i s mobilním telefonem, neboť už i oni mají v sobě integrovaný Wi-Fi) v ruce do ulice a určitě se hodně lidí podiví, kde všude se dá chytnout signál. Z výškové budovy můžeme najít signálů hned několik. Jeho největší výhodou je možnost připojení se bez nutnosti kabelu. Proto se používají hlavně tam, kde by nebylo možné se připojit pomocí kabelu nebo už jen z pohodlnosti uživatelů. Další velkou výhodou je, že pásmo (rádiového signálu) je bezlicencové, což znamená, že nemusíme žádat o povolení pro jeho vysílaní a všechny komunikace můžeme provádět zdarma bez nutnosti registrace. Ale na druhou stranu, protože je to pásmo volné, dochází k přehlcování, zvláště ve větších městech nebo oblastech s velkou hustotou zalidnění. Přes Wi.Fi se dokážeme připojit od vzdálenosti desítek metrů až do vzdálenosti desítek kilometrů Standard Wi-Fi vychází ze specifikace IEEE a existuje několik jeho standardů. Obrázek 3.1 Přehled standardů IEEE Z 10

11 Český telekomunikační úřad vydal licenci GL-12/R/2000, která rozděluje kmitočtové pásmo v rozmezí 2,412 2,484 GHz na 13 kanálů. To umožňuje provozovat více nezávislých sítí ve stejném místě. A dále ještě u tohoto a ostatních pásem nastavil maximální možný vyzářený výkon na 100 mw, viz obrazek. Obrázek 3.2 Přidělení frekvenčních pásem. 2 Nejčastější příčiny rušení signálu: betonové konstrukce a silné zdi elektrické motory mikrovlnné trouby Bluetooth a zařízení pracující v pásmu 2,4GHz nebo 5GHz monitory ocelové výztuže a armatury v konstrukcích vysokonapěťové rozvody 3.2. Ethernet Ethernet je v dnešní době, i při masovém rozšiřování Wi-Fi, nejpoužívanější síťovou technologií. Za jeho nejrozšířenějším používáním stojí jednoduchost a snadná instalace. Vznikl už v roce Jedná se o lokální síť (LAN - Local Area Network) používanou hlavně v budovách. Funguje na jednoduchém protokolu CSMA/CD. 2 Z 11

12 V dřívější době se jako přenosové médium používal hlavně koaxiální kabel, dnes to jsou kroucené dvojlinky a velice rychlé optické kabely. Existuje více verzí, od nejpomalejší původní varianty Ethernet s rychlostí 10 Mbit/s, až po 10 Gigabitový Ethernet. Nyní je ve vývoji 40 Gigabit Ethernet a 100 Gigabit Ethernet, nejrozšířenějším používaným standardem je 10 Gigabit Ethernet. Rychlost sítě Maximální délka Označení typů 10 Mb/s 500 m 10Base-2, 10Base-5, 10Base-T, 10Base-F 100 Mb/s 100 m 100Base-TX, 100Base-FX, 100Base-T2 1 Gb/s 10 km 1000Base-LX, 1000Base-T, 1000Base-CX 10 Gb/s 40 km 10GBase-LW, 10GBase-ER Přehled typů sítě Ethernet a jejich rychlosti WiMAX WiMAX je zkratka anglického označení Worldwide Interoperability for Microwave Access. Jedná se o poměrně novou technologii. Stejně jako Wi-Fi je i WiMAX určen pro bezdrátový přenos dat. Na rozdíl od Wi-Fi, které je určeno primárně do vnitřních prostorů, je WiMAX určen hlavně do venkovních prostorů jako rozlehlá bezdrátová síť v méně osídlených oblastech. Není to ale podmínkou, používají se i ve velkých městech. Dosah této technologie se uvádí v rozsahu 40 až 70 km při přímé viditelnosti, ale v České republice je to jen kolem 20 km. V zastavěných oblastech, tedy u spojů bez přímé viditelnosti, se jejich dosah pohybuje v řádech jednotek kilometrů. Velkou výhodou WiMAX je také možnost být připojen i při volném pohybu a to až do rychlosti 150 km/h. Při rychlostech nad 60 km/h ale už dochází ke snižování rychlosti připojení. Co se týče spolehlivosti připojení pomocí této technologie, je nesrovnatelně spolehlivější než Wi-Fi a stabilitou se dá přirovnat k připojení kabelem. Částečně je to dáno také tím, že přenos probíhá v licenčním pásmu na frekvenci 3,5 GHz, a proto nedochází k takovému rušení a přehlcování tohoto pásma, jako je tomu u Wi-Fi. Na jednu základovou stanici se mohou připojit desítky klientů, mezi které se rozdělí přenosové pásmo s šířkou 75 Mb/s, přičemž se mezi ně toto pásmo rozdělí tak, jakou 12

13 šířku bude chtít každý klient využívat. Nevýhodou může být vyšší latence oproti ostatním technologiím. Bývá řádově 10x vyšší (20-40 ms). WiMAX je také oblíben, díky své kvalitě a stabilitě připojení, u VoIP operátorů k IP telefonii. Náklady na údržbu a provoz sítě jsou minimální. Na následujících dvou obrázcích je názorná ukázka použití WiMAX sítě. Obrázek 3.3 Vytváření páteřních spojů např. napojení hotspotů Wi-Fi. 3 Obrázek 3.4 Připojení plně mobilního uživatele. 4 3 Z 4 Z 13

14 3.4. Bluetooth Bluetooth se řadí do stejné skupiny jako je Wi-Fi, tedy do skupiny technologií pro bezdrátový přenos dat mezi dvěma a více zařízeními. Nejvíce lidí ho využívá hlavně v mobilních telefonech, dále v PDA, noteboocích a také v osobních automobilech. Podle výzkumů několika agentur bude do roku 2013 touto technologií vybaveno 30 procent všech nově vyrobených osobních aut ve světě. Velkou zásluhu na tom mají také zákony zakazující držet mobilní telefon v ruce za jízdy. Bluetooth využívá k různým činnostem jiné tzv. Bluetooth profily. Je to soubor instrukcí potřebných právě pro tu danou činnost. Profilů je velká spousta, viz níže: A2DP (Advanced Audio Distribution Profile) - bezdrátovému přenosu hudby ve stereo kvalitě. profil sloužící k AVRCP (Audio/Video Remote Control Profile) - s takto vybaveným zařízením (kupříkladu bezdrátovými sluchátky) můžeme ovládat reprodukci hudby nebo videa na připojeném zařízení (určovat hlasitost, přeskakovat mezi stopami, přehrávání zrušit anebo znovu rozběhnout). DUN (Dial-up Networking Profile) - jeden z nejběžněji používaných profilů umožňuje připojení zařízení (notebooku, PDA) k internetu prostřednictvím mobilního telefonu. HFP (Hands-Free Profile) - název napovídá, že s tímto profilem připojíme telefon k handsfree sadě. Můžeme pak jejím prostřednictvím vyřizovat hovory a přitom telefon nemusí být vůbec v naší blízkosti. HFP obsahuje i jisté možnosti vzdáleného ovládání telefonu. Kromě příjmu a odmítnutí hovoru to je například opakované vytočení posledního volaného čísla nebo aktivace hlasového vytáčení, regulace hlasitosti a další. 5 5 Z /mob_tech.asp?c=a080222_182731_svet-mobilu_onp 14

15 Bluetooth patří do kategorie tzv. PAN sítí, tedy do osobních sítí. Pracuje na frekvenci 2,4GHz v bezlicenčním pásmu. Dosah je od 10 do 100 metrů v závislosti na verzi. Ovšem pokud jsou mezi komunikujícími zařízeními překážky jako je například zeď, dosah rychle klesá. Od verze se také odvíjí rychlost přenosu dat. Nyní je nejnovější verze Bluetooth 3.0, která zvyšuje rychlost přenosu dat až na 24 Mb/s, je stabilnější a méně energeticky náročnější. Bluetooth 3.0 je také schopno pracovat ve Wi-Fi sítích, což znamená, že se můžeme pomocí mobilního telefonu vybaveného touto technologií, připojit k internetu například v restauraci pokryté signálem Wi-Fi. Koncem roku 2010 nebo na začátku roku 2011 bude k dispozici další verze Bluetooth 4.0. Ta nám přinese další zvýšení rychlosti přenosu dat a jejich dosahu. Třída zařízení Maximální vysílací výkon Maximální dosah (m) Class mw 100 Class 2 0,25 2,5 mw 10 Class 3 max. 1 mw 1 Přehled tříd technologií Bluetooth a jejich dosah. Technologie Wi-Fi WiMAX Ethernet Bluetooth Maximální teoretická rychlost přenosu dat Až 600 Mb/s 75 Mb/s 10 Gb/s 24 Mb/s Souhrnná tabulka s jednotlivými technologiemi a jejich maximální rychlosti přenosu dat. 15

16 4. Multimediální kontejnery Multimediální kontejnery slouží ke spojení více multimediálních dat, jako je například video a audio, do jednoho souboru. To nám umožní snadnější práci s nimi. Obsahují i informace o použitém kodeku. Kontejnery také umožňují v sobě ukládat titulky, informace o kapitolách nebo menu (mnoho uživatelů už se s tím jistě setkalo, když si přehrávali DVD video a vybírali si, jaké titulky nebo jakou zvukovou stopu si pustí). Existuje mnoho kontejnerů, ale nejrozšířenějším a nejznámějším je pravděpodobně AVI, dále MPEG, ASF, MKV, MP4 a MOV. Pak tu jsou další jako je Real Media Format (RMF), Ogg Media (OGM), které se už moc nepoužívají. Vysvětlující pojmy: Stream: Je základní součást multimediálního souboru. Stream (datový tok) může být video, zvuk, titulky nebo kapitoly. V jednom souboru může být i více streamů stejného typu, například několik jazykových verzí titulků a zvukových stop. Mohou být v různém formátu a kvalitě AVI Zkratka AVI je z anglického Audio Video Interleave, což se dá volně přeložit jako zvuk prokládaný videem. Je to nejstarší formát používaný na počítačích. Vyvinula ho firma Microsoft. Jak už jsme zmínili výše, je to nejrozšířenější kontejner používaný k ukládání videa. Původní velikost rozlišení byla 160x120 bodů při 15 snímcích za vteřinu bez použití komprese. AVI se vyskytuje celkem ve třech verzích. Vyšší verze umožňují ukládání ve vyšším rozlišení a obsahují kodeky pro snížení datového toku. Všechny verze obsahují na začátku souboru hlavičku, která obsahuje informace o videu (použitý kodek, rozlišení videa, framerate ) a o zvuku. Používá se hlavně u videí k následné editaci. 6 Z 16

17 AVI 1.0 Původní verze používaná ve Windows 3.1, dnes už se nepoužívá. Nahrávka maximálně do velikosti 1GB. Maximálně snímků, což je asi čtvrt hodiny záznamu při 25 snímcích za vteřinu. AVI 1.1 Nahrávka maximálně do velikosti 2GB. AVI 2.0 Možnost použití libovolné komprese. Velikost nahrávky není omezena, resp. je omezena použitým systémem na harddisku, protože systém FAT 32 umožňuje ukládat soubory pouze do velikost 4GB. Systém NTFS umožňuje ukládat soubory velké 16EB. Velkou výhodou AVI je obrovská kompatibilita s operačními systémy, počítači i přehrávači. Nevýhoda tohoto formátu je, že je zastaralý a multimediální soubory mají vetší velikost než je nezbytné. Soubor není možné přehrát, dokud není k dispozici celý, proto není vhodný pro použití na internetu Matroška Matroška je oproti AVI nový multimediální kontejner. Je vyvíjen od roku Jde o otevřený standard, což znamená, že je zdarma pro osobní použití. V porovnání s AVI dokáže dosáhnout mnohem lepší komprese a díky tomu budeme mít při zachování stejné kvality o polovinu menší soubor. Tento kontejner může obsahovat jak video, tak i zvuk, titulky a menu. Zvládá také podporu prostorového zvuku. Video soubory mají příponu MKV, audio soubory MKA a MKS je přípona pro titulky. Audio a video se dá komprimovat pomocí spousty komprimačních formátů, například MPEG-1, MPEG-2, MPEG-4 ASP, VC-1, RealMedia, AAC, AC3, MP3. 17

18 Nevýhoda tohoto kontejneru spočívá v malé podpoře editačních softwarů a malé podpoře stolních DVD přehrávačů. V současnosti se používá hlavně k archivaci videa a velmi jej používají piráti k ripování HD filmů, protože oproti Blue-ray mají třetinovou velikost a kvalita je podobná. Struktura souboru: Hlavička - identifikuje typ EBML (rozšířený binární meta jazyk) souboru a verzi. Segmenty - tvoří datovou funkční část a jsou rozděleny do šesti sekcí: Tracks - seznam stop. Chapters - seznam kapitol. Clusters - samotná data (video snímky, zvuk). Cueing Data - urychluje vyhledávání pozic v souboru. Attachment - do této sekce se dá přiložit jakýkoliv soubor. Tagging - obsahuje informace o titulu nebo o jednotlivých stopách (autor, účinkující). Metaseek - udává pozici sekcí v segmentu. Segment Information - obsahuje základní informace o souboru (název titulu, ID) MPEG-PS Zkratka PS označuje Program Stream. Je to další často používaný kontejner. Video se dá komprimovat pomocí MPEG-1 a MPEG-2 a audio pomocí AC3 a MP2. MPEG-PS má vnitřní časovou synchronizaci, a proto se používá hlavně u DVD-Video, kde je zaručena bezchybnost dat. Dále pak k archivaci videa. Naopak vůbec se nehodí pro editaci videa a streamingové aplikace, jako je IPTV nebo digitální televize. Videa mívají koncovky MPG, MPEG, VOB. 18

19 4.4. MPEG-TS MPEG Transport Stream doplňuje MPEG-PS v oblasti používání. TS je vhodný zejména pro přenos v chybujícím prostředí. Tím je hlavně digitální vysílání (DVB) a streamování po internetu. Tento formát také umožňuje vkládat více programů do jednoho přenosu. Video lze přehrávat, i přestože stažen celý soubor. Pro video se používají formáty MPEG-2 a 4 ASP a pro audio většinou formát AC3. Soubory mívají koncovku TS, MTS nebo M2TS Advanced Systems Format (ASF) Tento kontejner je navržen tak, aby odstranil největší nedostatek, který má formát AVI. Tím je použití na internetu, ke kterému AVI není vhodný. Soubor ASF také může obsahovat více datových stop v jednom přenosu včetně vícekanálového zvuku. Struktura ASF souboru je založena na objektech v několika vrstvách. V nejvyšší vrstvě jsou tři. Například objekt Header obsahuje obecné informace o souboru, jako je velikost souboru a počet datových proudů. Video se komprimuje například pomocí MPEG-4 ASP. Soubory mají přípony ASF, WMV a WMA. Vyvinula ho firma Microsoft, která zároveň uživatele nutí používat při práci s ním jen určité kodeky. To je jeho největší nevýhoda a ASF se tím stává uzavřený MP4 Multimediální kontejner znám také pod názvem MPEG-4 Part 14. Je vedený jako součást ISO standardu MPEG-4. Nejčastěji se používá k ukládání digitálního videa a audia, zejména těch, která jsou definována MPEG, u videa to jsou soubory typu ASP a AVC (H.264) a u audia soubory typu AAC. Existuje také modifikace MP4 s názvem 3GPP (3GP, 3GP2), která se používá v mobilních zařízeních. Oproti AVI může také být použit pro ukládání dalších dat, jako jsou titulky, menu, vícekanálový zvuk. 19

20 Stejně jako většina moderních multimediálních kontejnerů, MP4 umožňuje streaming přes internet. Soubory mají příponu MP4. Často si lidé myslí, že některé tzv. MP4 přehrávače dokážou přehrát i MP4 (MPEG-4 Part 14), ale není tomu tak vždy. Zvládnou přehrát zvuk v MP3 a video v nějakém jiném formátu, ale ne MP QuickTime Původně byl vyvinut firmou Apple pro počítače Macintosh, jako náhrada za kontejner AVI, který se používal na klasických počítačích. Nyní je to multiplatformní kontejner a může být použit i na PC. Proto se často používá jako přenosný formát mezi Macintoshem a PC. Nabízí streaming digitálních dat prostřednictvím internetu v reálném čase. QuickTime umožňuje převádět více video stop do jednoho souboru i s vícejazyčným zvukem. Vedle video a audio stop také podporuje vkládání jiných dat, jako jsou titulky, kapitoly, menu, 3D animace. Soubory mají příponu MOV a základní jednotkou je atom: Movie atom - umožňuje rozpoznat soubor i bez přípony. Track atom - je jedna nezávislá stopa v souboru. Media atom - specifikuje typ video/audio stopy (délku, specifické informace). Video Media information - specifikuje konkrétně video. Sound Media information - specifikuje konkrétně zvuk. Sample Table - obsahuje tabulku pro konverzi času na příslušné datové vzorky a pak samotná data. 20

21 Podporované video formáty MPEG- MPEG- MPEG- Real H.264 WMV ASP Video Theora AVI Ano Ano Ano Problematické Ano Ne Ano Matroška Ano Ano Ano Ano Ano Ano Ano MP4 Ano Ano Ano Ano Ano Ne Ne QuickTime Ano Ano Ano Ano Ano - Ano ASF Ano Ano Ano Problematické Ano Ne Ne MPEG-PS Ano Ano Ano Ne Ne Ne Ne MPEG-TS Ano Ano Ano Ano Ano Ne Ne Přehled kontejnerů a podpory video formátů. AVI Kapitoly Titulky Menu Ano, prostřednictvím modifikace Ano, prostřednictvím modifikace Matroška Ano Ano Ano MP4 Ne Ano Ano QuickTime Ano Ano Ano ASF Ano Ano Ne MPEG-PS MPEG-TS Pouze v souborech VOB na DVD Ne Pouze v souborech VOB na DVD Možné pomocí normy ETSI EN Přehled kontejnerů s podporou dalších stop. Ne Pouze v souborech VOB na DVD Ne 21

22 5. Komprimační video formáty Cíleně neříkám kodek, protože se o kodeky nejedná. Na internetu se nachází spousta zavádějících a mylných informací o pojmech jako je kodek a formát videa a audia. Lidé zaměňují kodek s formátem a formát s kontejnerem. Kodek (z anglického CODEC) je většinou nějaký software, který umožňuje kódovat i dekódovat a to do ztrátové nebo bezeztrátové komprese. Musí tedy kódovat i dekódovat oběma směry. Příkladem kodeku je XviD, který je implementován v MPEG- 4 ASP. A na druhou stranu kodek není například MP3, protože neumožňuje kódovat a dekódovat, umí jen komprimovat jedním směrem. Ztrátové kodeky: Na rozdíl od bezeztrátových kodeků neuchovávají všechny informace z originálních dat. Používají se u dat, kde to není důležité a jde nám hlavně o velkou míru komprese. Ta je v poměrech od 1:4 do 1:100. Data tedy budou mít po kompresi až 100 krát menší objem. Ztrátové kodeky využívají především toho, že lidské smysly nejsou dokonalé a my tedy ani nepostřehneme, že část informací chybí. Ovšem při opakovaném použití může docházet k chybám v datech (v obraze, ve zvuku). Patří sem především DivX a XviD které jsou implementovány v MPEG-4 ASP. Bezeztrátové kodeky: Jsou to takové kodeky, které při kompresi videa zachovávají všechny informace z originálních dat. Používají se hlavně při dalším zpracování dat, protože i při opakovaném zpracování nedochází ke zhoršení kvality. Nevýhodou je, že nedosahují dobrých kompresních poměrů, okolo 1:2. Dalším rozšířeným omylem je, že AVI je formát. AVI je ve skutečnosti kontejner, který v sobě obsahuje zvukovou a video stopu v různých formátech. Například AVI kontejner může obsahovat video ve formátu MPEG-4 ASP a zvuk ve formátu MP3. 22

23 5.1. MPEG-4 ASP MPEG-4 ASP, neboli Active Simple Profile, je standard komprese videa definován v MPEG-4 Part 2. Nejčastější implementací MPEG-4 ASP jsou DivX a XviD, kterými se často kódují filmy. A zde se už jedná o kodeky DivX DivX je značka produktů vytvořených společností DivX, Inc. (dříve DivXNetworks), včetně obrazového kodeku kompatibilního se standardem MPEG-4. Tento kodek se díky své schopnosti kvalitní komprese filmů na výrazně menší velikost velice často používá pro nelegální šíření filmů chráněných autorskými právy. Jeho popularita však vedla i k tomu, že velká část moderních DVD přehrávačů podporuje přehrávání filmů kódovaných kodekem DivX. 7 Kodek DivX se vyskytuje v mnoha verzích. Od verzí, které jsou zdarma, ale mají jen omezené funkce, dále verze, které poskytují více možností, ale jen za cenu zobrazování reklam a nakonec placené verze se všemi funkcemi bez reklam. První verze se dali používat pouze na osobních počítačích. Dnes můžeme videa kódované tímto kodekem přehrávat na různých platformách. Od počítačů a DVD přehrávačů po herní konzole, mobilní telefony a další. Výhody vysoká kvalita při nízkém datovém toku malá velikost výsledného souboru Nevýhody nedokáže využít všechna jádra vícejádrových procesorů (čtyř a více) poměrně vysoké zatížení CPU 7 Z 23

24 XviD Xvid je freeware software (je zdarma), přesto nabízí vynikající kvalitu a výkonnostně mnohdy překonává placené konkurenční kodeky. Dokáže komprimovat video v poměrech až 1:200. Výhody: Je zdarma. Podporuje rozlišení až do velikosti 1920x1080 bodů. Vysoká kvalita při nízkém datovém toku. Nevýhody: Nedokáže využít všechna jádra vícejádrových procesorů (čtyř a více). Poměrně vysoké zatížení CPU MPEG-4 AVC (H.264) V dnešní době to je nejlepší formát pro kompresi videa. Opět to není kodek, protože neumí dekódovat video. Je nástupcem staršího standardu MPEG-2 a při stejné kvalitě nabízí poloviční velikost souboru. H.264 se používá hlavně u Blu-ray disků a DVD, videa na YouTube a satelitního televizního vysílání (DVB-S) WMV Je to další produkt společnosti Microsoft. Nejvíce se používá spolu s kontejnerem ASF a standardem WMA pro komprimování zvukové stopy. Podporován je také velkým množstvím přehrávačů. 24

25 5.4. Theora Patří do skupiny ztrátových komprimačních formátů videa, které jsou zdarma. Kvalitou komprese při použití relativně stejného bitrate se rovná MPEG-4 ASP. Nejčastěji se používá v kontejneru Ogg spolu se zvukovou stopu komprimovanou pomocí Vorbis nebo FLAC a tím tak poskytují multimediální formát zcela zadarmo, bez jakýchkoliv licenčních poplatků. Dále se také používá v kontejneru Matroška. 25

26 6. Komprimační audio formáty Vysvětlující pojmy: Bitrate: Datový tok. U nekomprimovaného zvuku 44.1 khz 16 bit je to 1350 kbps. Moderní komprese (MP3, Ogg Vorbis, MP4/AAC, MPC) dokáží zvuk zkomprimovat na desetinu velikosti, aniž by si netrénovaný posluchač všimnul rozdílu. Rozdíl většinou nepostřehne ani pozorný posluchač na kvalitní aparatuře. Typická hodnota bitrate pro kompresi hudby je 128 kbps. 8 Vzorkovací frekvence. Udává, z kolika vzorků za vteřinu se skládá zvuk. CD používá 44.1 khz, DVD 48 khz. Pro záznam lidské řeči stačí 22 khz. Vzorkovací frekvence je dvojnásobkem maximální zaznamenatelné frekvence analogového signálu. To znamená, že například na běžném CD jde zaznamenat zvuková frekvence až do 22 khz. Hranice lidského sluchu je přitom někde okolo 18 khz Ztrátová komprese MP3 Standard MP3 je také někdy označován jako MPEG-1 Layer III. Dosahuje velmi dobrých kompresních poměrů v rozmezí od 1:5 až 1:12 bez rozpoznatelné ztráty kvality. To znamená, že dokáže zmenšit velikost souborů, které jsou v kvalitě audio CD až 12 krát a je to největší výhoda tohoto standardu. S kompresí mluveného slova je to už mnohem horší, tam nedosahuje tak dobrých kompresních poměrů. Pro srovnání, na jedno CD s velikostí 700MB se vejde 80 minut hudby v audio CD kvalitě a souborů MP3 přibližně 700 minut (jedna minuta záznamu v MP3 se rovná přibližně 1MB). Je to nejrozšířenější hudební standard a používá se hlavně k ukládání písniček. Dále je velmi používán u multimediálního kontejneru AVI k ukládání audio stopy. MP3 dnes dokáže přehrát velká spousta zařízení a operačních systémů. 8 Z 9 Z 26

27 Výsledná kvalita je ovšem závislá na velikosti použitého bitrate. Běžně se používá v rozmezí kbps, přičemž čím vyšší, tím lepší kvalita, ale také větší velikost souboru. Další nastavení, které může ovlivnit kvalitu zvuku, ale ne v takové míře, je vzorkovací frekvence. Nejčastěji je 44.1 khz. Komprese funguje na principu snížení přesnosti některých částí zvuku, které většina lidí nedokáže postřehnout. Tato metoda se běžně označuje jako vnímavostní kódování a je používána všech ztrátových kompresí. WMA WMA Windows media audio je dalším ztrátovým komprimačním standardem. Vyvinula ho společnost Microsoft. Je druhým nejpoužívanějším ztrátovým standardem (ale jen díky marketingu Microsoftu) s velkým odstupem za MP3. Microsoft zároveň udává, že soubory WMA mají stejnou kvalitu, jako soubory MP3 při použitém polovičním bitrate. Ve skutečnosti je kvalita zvuku stejná při použití bitrate o 25% nižším, ale jen u nízkých bitrate do 64 kbps. Je také podporován velkým množstvím zařízení. Velikost souborů WMA je podobná jako u souborů MP AAC Advanced Audio Codec byl vyvinut skupinou MPEG. Je nástupcem standardu MP3 pro kódování zvuku na střední až vysoký bitrate. Komprimuje mnohem účinněji než starší formáty jako Vorbis nebo MP3. AAC je používán pro komprimaci audia u multimediálních kontejnerů QuickTime a MP4. Používá se jako výchozí nebo standardní audio formát u těchto zařízení: iphone, ipod, Nintendo DSi, itunes, PlayStation 3, PlayStation Portable, Wii, také u nejnovější generace telefonů od společnosti Sony Ericsson, Nokia a u zařízení s operačním systémem Android. 27

28 Výhody AAC v porovnání s MP3: Vylepšená komprese umožňuje kvalitnější komprese s menší velikostí souborů. Podpora vícekanálového zvuku, až 48 kanálů (MP3 5.1). Vyšší vzorkovací frekvence 8-96 khz (MP3 16 až 48 khz). Vylepšená dekódovací účinnost, která vyžaduje menší výpočetní výkon pro dekódování. Nevýhoda tohoto standardu je, že je patentován a proto není zadarmo AC-3 Dnes se pro tento standard používá častěji označení Dolby Digital. Obsahuje pokročilou technologii na kódování a dekódování zvuku. Poskytuje vysoce kvalitní vícekanálový zvuk, ale za cenu větších velikostí souborů. Je určen jako standard pro přehrávání zvuku na DVD, proto se nejvíce používá právě při přehrávání DVD. Dále také u rozhlasového a televizního vysílání, kina, online streamingu, a třeba i při programování her. Z multimediálních kontejnerů jej používá například Matrička nebo AVI. Dolby Digital přehraje každý DVD přehrávač a většina zařízení, které umí přehrávat video. Nejvíce zvládá přehrát 6-ti kanálový zvuk. Nejčastější konfiguraci 5.1 zná většina lidí. Je to zapojení pěti reproduktorů (leví přední, centrální, praví přední, leví zadní a praví zadní) a jednoho subwooferu pro přehrávání hlubokých tónů. Další časté konfigurace jsou 2.0 a 2.1. Dolby Digital podporuje vzorkovací frekvenci do 48 khz, bitrate do 640 kbps, přičemž DVD a HD-DVD jsou limitované na 448 kbps. Dolby Digital má několik podobných verzí, mezi které patří například Dolby Digital EX, Dolby Digital Live, Dolby Digital Plus, Dolby Digital Surround EX a Dolby Digital Cinema. 28

29 Obrázek 6.1 Ukázka nejčastější konfigurace 5.1 a rozmístění reproduktorů Vor bis Vorbis vyvinula organizace Xiph.org. Kvalita zvuku je zhruba srovnatelná s jinými standardy používanými k ukládání a přehrávání digitální hudby, jako jsou MP3, VQF a AAC. Hlavní odlišnost a výhoda od jiných je, že je naprosto otevřený a nepatentovaný. Někdy se název Vorbis zaměňuje s Ogg což je špatně, protože Ogg je kontejner, u kterého se Vorbis používá. Stejně jako AC3 se používá pro kompresi audia při programování her. Je vhodný i pro internetové přehrávání. Podporován je u většiny kvalitních DVD přehrávačů, ale mobilními telefony podporován není. Bitrate kbps 10 Z 29

30 6.2. Bezeztrátová komprese WavPack WavPack je zcela otevřený formát komprese zvuku. Používá bezeztrátovou a hybridní kompresi, které bývají většinou v poměru 1:2. Hybridní znamená, že místo jednoho souboru vytvoří soubory dva. V jednom je obsažena kvalitní ztrátová komprese (použitelná sama o sobě) a v druhém jsou data, která byla odstraněna z komprese. Při použití obou souborů vzniká bezeztrátová komprese FLAC Celý název je Free Lossless Audio Codec, ze kterého je patrné, že jde o bezeztrátový formát. FLAC je volný a k dispozici zdarma, veřejnost ho může používat pro jakékoli účely. Největší jeho předností je rychlost. Podobá se formátu MP3. Audio zakódované do FLACu je typicky sníženo na 50-60% své původní velikosti ALAC Apple Lossless Audio Codec, ALAC je audio kodek, vyvinutý společností Apple Inc. pro bezztrátovou kompresi hudby. Pro ukládání hudby kódované pomocí ALAC je použit kontejner MP4 a soubory mají příponu M4A. Soubory průměrně dosahují 60 % původní velikosti, podobně jako ostatní bezeztrátové formáty. Výhodou je, že není náročný na dekompresi a je tak použitelný i v přístrojích s omezeným zdrojem energie jako například ipod Z 30

31 Ztrátová komprese Podporované audio formáty Bezeztrátová komprese MP3 WMA AAC AC-3 WavPack FLAC ALAC AVI Ano Ano Ano Ano Ne Ne Ne Matroška Ano Ano Ano Ano Ano Ano Ne MP4 Ano Ano Ano Ano Ne Ne Ano QuickTime Ano Ano Ano Ano Ne Ano Ano ASF Ano Ano Ne - Ano Ne Ne MPEG-PS Ano Ano Ne Pouze u soukromých streamů MPEG-TS Ano Ano Ano Pouze u soukromých streamů Přehled kontejnerů a podpory audio formátů 31

32 7. Praktický příklad Teď už známe možnosti jednotlivých technologií komunikačních sítí, především možnosti jejich přenosové kapacity, proto víme, že nejsou schopny přenášet video v nekomprimovaném stavu. K upravení velikosti videa nám slouží kontejnery a jejich video a audio formáty. Na praktickém příkladu vám ukážeme rozdíly velikosti nekomprimovaného videa s videem komprimovaným pomocí několika kompresních formátů. Komprimování videa probíhalo pomocí programu Avidemux 2.5 na počítači s procesorem AMD Athlon 64 X , 2 GB RAM, HDD WDC 640GB 7200ot/s. 16 MB cache, MS Windows XP Professional. Použita byla minutová ukázka z filmu Avatar. Jde o vystřižení videa v rozmezí mezi 24 a 25 minutou filmu, kde je spousta pohybujících se objektů a video je náročné na přehrávání. Minutová proto, že komprimování delšího videa nebo celého filmu by trvalo dlouho (řádově hodiny). Pro kompresy jsme použili tyto video formáty: MPEG-1, MPEG-4 AVC (H.264) a H.263. U MPEG-1 a MPEG-4 AVC jsme se snažili nastavit shodně všechny parametry komprimace jako je bitrate (cca 800 kbps) a velikost videa 720x360 bodů. Pouze audio stopa je jiná, protože program Avidemux neumožnil nastavit stejnou pro oba. Na celkové velikosti to ale žádný znatelný vliv mít nebude. H.263 je používán především u mobilních telefonů, a proto jsme bitrate nastavili níž a velikost videa na 176x144. Použili jsme ho jen pro srovnání s ostatními. Jednotlivé obrázky se souhrnnými informacemi byly pořízeny programem MediaInfo. 32

33 Originální video: Originální minutové video mělo velikost něco málo přes 100 MB (celý film 11,6 GB a to opravdu není vhodné pro přenos po sítích), bitrate 13,3 Mbps a velikost 1920x1080 bodů, což je FullHD rozlišení. Použit byl kontejner Matroška. Datový tok videa ale může být u HD filmů v rozlišení 1920x1080 s 60 prokládanými snímky za sekundu a barevnou hloubkou 10 bitů až 1,5 Gbps. K tomu můžeme ještě připočíst datový tok 36,8 Mbps pro zvuk v nejlepší kvalitě. 33

34 MPEG-1 Zde byl použit kontejner MPEG-PS a v něm samozřejmě video v MPEG-1 a audio stopa byla ve formátu AC3 s datovým tokem 128 Kbps. MPEG-4 AVC (H.264) Modernější a novější formát H.264 měl výslednou velikost souboru menší sice jen o 218 kb než MPEG-1, ale bylo to na ukázce videa o délce jedné minuty. Při komprimování celého filmu by rozdíl byl viditelnější. Další velký rozdíl, který byl mezi těmito dvěma formáty, byla výsledná kvalita obrazu. Tu měl H.264 znatelně lepší. 34

35 H.263 Pro porovnání k prvním dvěma jmenovaným jsme přidali ještě H.263, který se používá u mobilních telefonů. Ty používají pro komunikaci mezi sebou především Bluetooth, které není tak rychlé jako ostatní sítě, a proto je tu malá velikost souborů důležitá. Velikost videa jsme nastavili na 176x144 bodů, datová propustnost byla 387 Kbps, kontejner použit AVI a audio stopu ve formátu MP3. Výsledná velikost videa byla 3,7 MB. 35

36 8. Závěr Cílem této práce bylo představení jednotlivých druhů počítačových sítí jako je Wi-Fi, WiMAX, Bluetooth a Ethernet hlavně z hlediska přenosové kapacity. Zjistili jsme, že video se komprimuje kvůli snaze zmenšit velikost datových souborů, o což nám jde právě při přenosu po síti, protože nekomprimované video klade obrovské nároky na propustnost sítě a jen málo která takovou propustnost má. Další cílem bylo porovnat různé kontejnery a kompresní formáty audia a videa. Nyní už víme, který je jak dobrý a na co se hodí a že většina videí je v kontejneru, který v sobě obsahuje zvlášť audio stopu a zvlášť video stopu. 36

37 Seznam použitých zdrojů 1. BOWEN, David, a kol. z anglického originálu přeložila Karla Hyánková. Multimédia: podrobný průvodce. Praha: Albatros, s. ISBN X 2. DOSTÁLEK, Libor, KABELOVÁ, Alena. Velký průvodce protokoly TCP/IP a systémem DNS. Praha: Computer Press, s. ISBN JIROVSKÝ, Václav. Vademecum správce sítě. Grada, s. ISBN JUŘICA, Jan. Video na počítači. Praha: Computer Press, s. ISBN SOKOLOWSKY, Peter, ŠEDIVÁ, Zuzana. Multimédia současnost budoucnosti. Praha: Grada, ISBN ZANDL, Patrick. Bezdrátové sítě WiFi - Praktický průvodce. Praha: Computer Press, s. ISBN Internetové zdroje 7. Automatizace.cz [web site]. Standard Bluetooth: vývoj, princip a možnosti využití. Dostupné z: 8. BlueTomorrow.com [web site]. Bluetooth versions. Dostupné z: 9. Burda (Praha). [web site]. Dostupné z: Computerworld.cz (Praha). [web site]. Dostupné z: Jech Webz [web site]. Digitální kompresní formáty [cit ], Dostupné z: Jech Webz [web site]. Nastavení multimediálního počítače [cit ], Dostupné z: 37

38 13. Jech Webz [web site]. Video [cit ], Dostupné z: Lupa.cz [web site]. Dva roky WiMAXu v ČR [cit ], Dostupné z: Lupa.cz [web site]. WiMAX v Česku stále čeká na svůj boom [cit ], Dostupné z: MSN. Advanced Systems Format (ASF) Specification Dostupné z: Nakupka.cz [web site]. Slovníček multimediálních souborů [cit ], Dostupné z: oxy Online (Brno). [web site]. Dostupné z: PCmagazin.cz. [web site]. Dostupné z: PcTuning.cz [web side]. Bezdrátová technologie Wi-Fi zbavená roušky tajemství. [cit ], Dostupné z: PcTuning.cz [web side]. Srovnání vybraných wireless technologií 2/2 [cit ], Dostupné z: srovnani_vybranych_wireless_technologii_ PcTuning.cz [web side]. Wi-Fi sítě - vše co jste kdy chtěli vědět 1/2 [cit ], Dostupné z: PCworld.cz [web site]. Základy technologie Bluetooth: původ a rozsah funkcí [cit ], Dostupné z: Bluetooth-puvod-a-rozsah-funkci Root.cz [web site]. Matroska: multimedia v úhledném balíčku [cit ], Dostupné z: Svethardware.cz [web side]. Jak zapojíme síť: WiFi bez tajemství [cit ], Dostupné z: 6E26F87B6685C3F2C12570A html 38

39 26. Svetsiti.cz [web site]. Ethernet [cit ], Dostupné z: Wikipedia [online encyklopedie]. [cit ], Dostupné z: Wikipedia [online encyklopedie]. AAC [cit ], Dostupné z: Wikipedia [online encyklopedie]. Audio Video Interleave [cit ], Dostupné z: Wikipedia [online encyklopedie]. Bluetooth [cit ], Dostupné z: Wikipedia [online encyklopedie]. Dolby Digital [cit ], Dostupné z: Wikipedia [online encyklopedie]. Ethernet [cit ], Dostupné z: Wikipedia [online encyklopedie]. MP3 [cit ], Dostupné z: Wikipedia [online encyklopedie]. Multimediální kontejner [cit ], Dostupné z: Wikipedia [online encyklopedie]. QuickTime [cit ], Dostupné z: Wikipedia [online encyklopedie]. Wi-Fi [cit ], Dostupné z: Wikipedia [online encyklopedie]. WiMAX [cit ], Dostupné z: Wikipedia [online encyklopedie]. Windows Media Audio [cit ], Dostupné z: Wikipedia [online encyklopedie]. Worbis[cit ], Dostupné z: 39

40 40. Wimax.cz [web site]. Co je to WiMAX? [cit ], Dostupné z: id= Wimax.cz [web site]. Jak a kde použít WiMAX? [cit ], Dostupné z: mid= Wimax.cz [web site]. Realita WiMAXu v ČR [cit ], Dostupné z: mid= Zive.cz [web site]. Matroška MKV nejlepší format pro vaše video [cit ], Dostupné z: Živě.cz (Brno). [web site]. Dostupné z: 40