High-definition video ve výuce

Transkript

1 High-definition video ve výuce Luděk Matyska, Eva Hladká, Petr Holub CESNET, z. s. p. o. Masarykova univerzita EMTECH 2007 Praha, /32

2 Přehled přednášky Vzdálené přednášky HD Technologie Přenosy obrazu po síti Nekomprimované HD over IP Distribuce v síti Konkrétní zkušenosti Shrnutí 2/32

3 Vzdálené přednášky Motivace Zkvalitnit nabídku výuky Zvýšit efektivitu výuky Bez zpětné vazby Přednášející oddělený od studentů Jednosměrný přenos, žádná interakce se studenty Se zpětnou vazbou Možnost interakce se studenty Často více místností Přednášející v jedné z nich fyzicky přítomen Do ostatních se přenáší jeho obraz Ze všech místností informace zpět k vyučujícímu 3/32

4 Virtuální třídy Studenti na více místech Studenti vidí přednášejícího a slidy V jednom místě přímý kontakt s učitelem Na ostatních místech virtuální učitel Cíl: minimální rozdíly v možnostech a kvalitě interakce 4/32

5 Technické vybavení poslucháren Dva projekční systémy: slidy a učitel Kvalitní zvuk Snímání: mikrofony Digitalizace Reprodukce Videozáznam Učitele Studentů 5/32

6 Přenos dat Mezi blízkými posluchárnami i analogové řešení Pro vzdálené posluchárny: Internet Obousměrný přenos Do místnosti s učitelem musí směřovat všechny proudy Ostatní místnosti zpravidla vidí pouze učitele Optimální: Každý vidí a slyší každého Zvuk a video mají různé požadavky Zvuk: garance kvality přenosu (nízká kapacita) Obraz: přenosová kapacita (oko tolerantní) Vysoká kvalita výhodou 6/32

7 Velké vzdálenosti Časový posun Přednáška mezi Koreou, středozápadem USA a ČR USA: 19:00 20:30 (den D) ČR: 1:00 2:30 (den D+1) Korea: 7:00 8:30 (den D+1) Latence dalším problémem Rychlost šíření signálu je konečná a na tyto vzdálenosti nezanedbatelná 7/32

8 Psychologické aspekty Zkreslený zvuk Důraz na kvalitu a bezporuchovost 2D namísto 3D obrazu Co nejvyšší rozlišení (realismus i ve 2D) Zpoždění (,,skákání do řeči ) Trénink Technologie Rozpoznání dotazujícího Přítomnost publika (posluchačů) 8/32

9 ,,Kvalitní digitální video Základní parametry: Rozlišení Snímková frekvence Progresivní prokládané video Hloubka barevného prostoru Vzorkování barevného prostoru Latence od sejmutí po zobrazení 9/32

10 HDTV Řada podporovaných formátů videa: 720p, 1080i, 1080p Maximální i Podpora kvalitního audia (např kHz s 5.1 kanály) QCIF 19 kpix CIF 84 kpix CCIR 601 (NTSC) 345 kpix CCIR 601 (PAL) 415 kpix ATSC 720p 922 kpix ATSC 1080p 2074 kpix /32

11 Přenos vysoce kvalitního obrazu Kvalitní obraz = velký datový proud Můžeme redukovat kompresí Přidává latenci Můžeme přenášet bez komprese Potenciálně enormní přenosové nároky Dvou bodové versus více bodové přenosy Teorie: Multicast Praxe: Vlastní překryvová síť Vysoké přenosové rychlosti vyžadují speciální řešení 11/32

12 Nekomprimované vs. komprimované video uncompressed compressed uncompressed latency compressed 2 internet bw latency bw latency bw compressed compressed 2 12/32

13 Nekomprimované vs. komprimované video komorní orchestr symfonický orchestr ozvěna, lip-sync komprimované video záznam zpracování a komprese nekomprimované video záznam zpracování síť světlo [ms] Brno Chicago (StarLight) 13/32

14 Nekomprimované vs. komprimované video + minimalizace latence + zachování maximální kvality a nezávislosti snímků důležité zejména pro další zpracování a rekompresi + menší problémy s artefakty (při výpadku) většina kompresí používá makrobloky a DCT, což se projevuje velmi charakteristickým způsobem plýtvání pásmem náročnější na propustnost systémů, které video zpracovávají náročné na více bodovou distribuci 14/32

15 Nekomprimované HD over IP Vychází ze standardu HD-SDI SMTPE 292M Potřebná šířka pásma: 1,485 Gbps } 2200 {{ 1125 } }{{} 30 total resolution bit/point }{{} 30 fps 2/3 }{{} = bps 4:2:2 sampling Rozlišení: efektivně , zahrnuje ale také,,mazací řádky a celkové rozlišení je Barevná hloubka: 10 bitů/bod/barevná vrstva = 30 bits/point Standardní počítače obvykle nejsou schopny zobrazit více než 24 bits/bod Počet (půl)snímků za vteřinu: 24p; 25p; 29,97p; 30p; 50i; 59,94i; 60i Vzorkování barevného prostoru YUV (YCrCb) 4:2:2 Potřebujete 4:4:4? pak je tu double-link SDI... 15/32

16 Nekomprimované HD over IP Vychází ze standardu HD-SDI SMTPE 292M Potřebná šířka pásma: 1,485 Gbps } 2200 {{ 1125 } }{{} 30 total resolution bit/point }{{} 30 fps 2/3 }{{} = bps 4:2:2 sampling Rozlišení: efektivně , zahrnuje ale také,,mazací řádky a celkové rozlišení je Barevná hloubka: 10 bitů/bod/barevná vrstva = 30 bits/point Standardní počítače obvykle nejsou schopny zobrazit více než 24 bits/bod Počet (půl)snímků za vteřinu: 24p; 25p; 29,97p; 30p; 50i; 59,94i; 60i Vzorkování barevného prostoru YUV (YCrCb) 4:2:2 Potřebujete 4:4:4? pak je tu double-link SDI... 16/32

17 Nekomprimované HD over IP Vychází ze standardu HD-SDI SMTPE 292M Potřebná šířka pásma: 1,485 Gbps } 2200 {{ 1125 } }{{} 30 total resolution bit/point }{{} 30 fps 2/3 }{{} = bps 4:2:2 sampling Rozlišení: efektivně , zahrnuje ale také,,mazací řádky a celkové rozlišení je Barevná hloubka: 10 bitů/bod/barevná vrstva = 30 bits/point Standardní počítače obvykle nejsou schopny zobrazit více než 24 bits/bod Počet (půl)snímků za vteřinu: 24p; 25p; 29,97p; 30p; 50i; 59,94i; 60i Vzorkování barevného prostoru YUV (YCrCb) 4:2:2 Potřebujete 4:4:4? pak je tu double-link SDI... 17/32

18 Nekomprimované HD over IP Vychází ze standardu HD-SDI SMTPE 292M Potřebná šířka pásma: 1,485 Gbps } 2200 {{ 1125 } }{{} 30 total resolution bit/point }{{} 30 fps 2/3 }{{} = bps 4:2:2 sampling Rozlišení: efektivně , zahrnuje ale také,,mazací řádky a celkové rozlišení je Barevná hloubka: 10 bitů/bod/barevná vrstva = 30 bits/point Standardní počítače obvykle nejsou schopny zobrazit více než 24 bits/bod Počet (půl)snímků za vteřinu: 24p; 25p; 29,97p; 30p; 50i; 59,94i; 60i Vzorkování barevného prostoru YUV (YCrCb) 4:2:2 Potřebujete 4:4:4? pak je tu double-link SDI... 18/32

19 Nekomprimované HD over IP Vychází ze standardu HD-SDI SMTPE 292M Potřebná šířka pásma: 1,485 Gbps } 2200 {{ 1125 } }{{} 30 total resolution bit/point }{{} 30 fps 2/3 }{{} = bps 4:2:2 sampling Rozlišení: efektivně , zahrnuje ale také,,mazací řádky a celkové rozlišení je Barevná hloubka: 10 bitů/bod/barevná vrstva = 30 bits/point Standardní počítače obvykle nejsou schopny zobrazit více než 24 bits/bod Počet (půl)snímků za vteřinu: 24p; 25p; 29,97p; 30p; 50i; 59,94i; 60i Vzorkování barevného prostoru YUV (YCrCb) 4:2:2 Potřebujete 4:4:4? pak je tu double-link SDI... 19/32

20 Implementace UltraGrid Implementace pro Linux Spolupráce se skupinou C. Perkinse Doplnili jsme podporu pro,,plné HD 1080i Podpora pro SW zobrazování včetně převzorkování barevného prostoru a odstranění prokládání (optimalizováno v assembleru pro platformu AMD64) Řada dalších vylepšení a rozšíření Použití s grabovacími kartami DVS Centaurus Problémy s latencemi, protože karta (zatím) nepodporuje DMA a vyžaduje bufferování alespoň 4 půlsnímků pro spolehlivou funkcionalitu Poměrně drahé Existují i jiné grabovací karty, ale bez podpory v Linuxu 20/32

21 Distribuce v síti Přenos bod-bod Přirozený pro dnešní typy sítí Přenos bod-více bodů Principiálně komplikovaný Vyžaduje distribuční službu na síťové nebo na aplikační úrovni IP multicast Nativní Reflektory paketů 21/32

22 Reflektory Tvoří překryvovou síť Uživatelem řízená distribuce Méně efektivní než nativní multicast Sítě reflektorů: Pro zpracování většího objemu dat nebo více proudů Možnost zpracování dat na reflektorech Reflektor je speciálním případem aktivního prvku Zabezpečení dat Důvěryhodný reflektor Průchod přes firewally a NATy Alespoň jeden reflektor musí být,,vně 22/32

23 HPC LSU Motivace: Kvalitní vyučující: prof. Thomas Sterling Dostupný pouze na LSU (USA) Optická síť Demonstrace možností přenosu velkých objemů dat v reálném čase Využití HD videa pro zpřístupnění přednášek i v dalších kampusech USA: LSU, LA Tech, UArk, MCNC ČR: FI MU Zpětná vazba Pouze k přednášejícímu 23/32

24 Cesta dat Uvádíme jen cestu LSU<->Brno LSU->National Lambda Rail National Lambda Rail->Chicago (StarLight) Chicago (StarLight)->Praha Praha->Brno a zpět Všude optické trasy Reflektory na LSU StarLight v tomto případě pouze průchozí místo 24/32

25 Organizace přednášky CSC7600: Introduction to High-Performance Computing (na FI PA177) Dvakrát týdně 75 minut USA: 15:30 17:00 ČR: 22:30 24:00 Posun začátku semestru USA: 16. ledna ČR: 19. února Rozsáhlá cvičení Vždy upravena na lokální podmínky Vyžaduje netriviální technické vybavení Např. cluster s Myrinetem 25/32

26 Řešení problémů Posun semestru Záznam nekomprimovaného videa Datový tok 200 MB/s Jedna přednáška necelý 1 TB dat Přehrávání ze záznamu Zájem o zrychlený postup (až 2*2 přednášky týdně) Časový posun Přehrávání ze záznamu Zájem o reálný čas 26/32

27 Lokální vybavení na MU HD kamera HD projekce Full HD širokoúhlé LCD (např. DELL 2405FPW) HD-ready širokoúhlé LCD (převzato ze systému LifeSize, pouze aproximace) Full HD projektor Dual CPU AMD server pro zpracování HD video proudu Zvuk Stereoreproduktory 27/32

28 Zvuk Podceňovaná komponenta Vlastní přenos nečiní zásadní problémy Ty jsou zejména při vlastním snímání Výměna mikrofonů na LSU Nutná kvalitní zvuková karta Přetížení echo-cancellačního prvku dalšími funkcemi 28/32

29 Vzdálené přednášky HD Technologie Přenosy obrazu HD over IP Distribuce v síti Konkrétní zkušenosti Shrnutí HPC LSU 29/32

30 Vzdálené přednášky HD Technologie Přenosy obrazu HD over IP Distribuce v síti Konkrétní zkušenosti Shrnutí HPC LSU 30/32

31 Shrnutí Dostupné technologické zázemí HD video pro kvalitní obraz Dostatečná kapacita pro přenos nekomprimovaného videa Dostatečný výpočetní výkon pro zpracování nekomprimovaného videa Kvalitní projekční systémy Audiosystémy Ekonomická a kvalitativní motivace Zprostředkování jinak nedostupného přednášejícího Nové technologie přitahují studenty Možnost bezprostředního spojení výzkumu s výukou Časové posuny zůstávají reálným problémem 31/32

32 Děkujeme za pozornost! Dotazy? 32/32