Technická zpráva CESNETu číslo 23/2005 Streaming multimediálního obsahu s vysokým rozlišením Michal Krsek 16. 12. 2005 1 Motivace V oblasti produkce videa došlo v posledních dvou letech k nárůstu používání vysokého rozlišení (HD). Nárůst je tažen především významným nárůstem kvality zážitku diváka, neboť obrazová plocha je dvakrát respektive pětkrát větší než v případě rozlišení běžné televize (PAL). Pro výzkum a vývoj není divácký zážitek relevantní, nicméně z na větší ploše je možné zobrazit více informací, což umožňuje lepší komunikaci mezi vysílatelem a divákem. Příkladem mohou být například humánní i nehumánní operace, kde je možné zobrazit více detailů. 2 Použitý formát HD formát pracuje s počty řádků 1080 a 720, přičemž v nižším rozlišení je používáno progresivní kódování (celý snímek se přenese najednou), zatímco ve vyšším je zachováno kódování prokládané (přenáší se buď liché nebo sudé řádky). Pro práci s HD rozlišením jsme jako zdrojový zvolili formát HDV. HDV je standard, oznámený v roce 2003 společnostmi Canon, Sharp, Sony a JVC, který je podporován v zařízeních 43 společností. Formát HDV jsme zvolili především pro relativně dostupné zdroje signálu (kamery a rekordéry) a přenosové nároky, které odpovídají kapacitám sítě dostupných na pracovištích v ČR. HDV je založeno na standardu MPEG-2, použitý profil je MP@H-14. Vzhledem k tomu, že poměr rozlišení je stanoven v poměru 16:9, rozlišení je 1280x720 nebo 1440x1080. Použitý datový tok je 19,2 respektive 25 Mb/s. Médium, na které zařízení ukládají, je běžná minidv páska. Formát uložení však není shodný, proto záznam není kompatibilní s DV. Zařízení je možné ke střižně připojit rozhraním IEEE 1394 (i.link, Firewire).
Médium DV nebo minidv páska Video Typ videa 720/60p, 720/30p, 1080/60i, 1080/50i 720/50p, 720/25p Počet pixelů 1280 720 1440 1080 Poměr stran 16:9 Komprese MPEG2 Video (profile & level: MP@H-14) Vzorkování 4 : 2 : 0 Datový tok cca 19Mb/s cca 25Mb/s Audio Komprese MPEG1 Audio Layer II Vzorkovací frekvence 48kHz Datový tok 384kb/s Audio mód stereo (2 kanály) Systém Formát dat MPEG2 Datový proud typu Transport Stream Packetized Elementary Str. Rozhraní datového proudu IEEE1394 (MPEG2-TS) 3 Nároky na zpracování Tabulka 1: Specifikace formátu HDV Pro zpracování dat potřebujeme akviziční zařízení, nejčastěji HDV kameru. V současné době (konec roku 2005) jsou k dispozici nebo ve vývoji kamery společností Sony, JVC, Canon a Panasonic. My pracujeme s kamerami společnosti Sony (HDR-FX1 a HVR-Z1E), protože v době jejich pořízení to byla jediná zařízení schopná pracovat s řádkováním 1080. Střižnou je výkonné PC (případně Mac), přičemž systémové nároky se liší podle výrobce software. Doporučujeme pracovat na konfiguraci, která disponuje dvěma procesory a více než 1 GB DRAM. Vyzkoušeli jsme podporu HDV v software Avid Xpress PRO, Sony Vegas, Adobe Premiere a Final Cut Pro HD. Zatímco do poloviny roku 2005 bylo potřeba pracovat s doplňky (například společnosti Cineform), které formát HDV zpřístupňovaly, v současné době je k dispozici nativní podpora ve všech výše uvedených střižnách. Všechny výše zmíněné střižny nebyly náročné na diskový subsystém, stačil jim běžný IDE/SATA disk, respektive síťové připojení (viz. dále). Zařízení je připojeno ke střižně na PC prostřednictvím rozhraní IEEE 1394. Operační systém sám neumožňuje pracovat s tímto zařízením, neboť nerozpozná signál. Proto nelze pracovat s formátem HDV v jednoduchých střižnách jako je Windows Movie Maker. Technická zpráva CESNETu číslo 23/2005 2
Jelikož je naše prostředí optimalizováno pro práci v prostředí Avid, budeme dále popisovat práci v prostředí Avid Xpress PRO a Avid LanShare EX. Výstupními formáty pro proudování jsou Real Video a Windows Media, i proto jsou doporučení výstupních formátů orientována na ně. Nicméně efektivita kodeků této kategorie je srovnatelná, proto je možné pracovat s doporučeními i v MPEG-4 (H.264) nebo QuickTime. 4 Síťové prostředí Naše produkční prostředí pro běžné video je založeno na formátu DV. Data ukládáme ze střižen Avid přes počítačovou síť CESNET2 na server Avid LanShare EX. Vzhledem ke kapacitě a vytížení sítě pracujeme s běžnými internetovými protokoly (TCP) a ukládáme data na tento server ze všech pracovišť, která jsou zapojena do naší aktivity. Datové toky, které uživatelé generují dosahují 30 Mb/s na uživatele a datový proud (při aplikaci některých efektů se pracuje s více datovými proudy). Vzhledem k tomu, že střižny Avid ukládají HDV formát na diskový subsystém přímo, datové toky uživatelů v síti se nezměnily (DV formát pracuje s datovým tokem 25 Mb/s). Provoz úložného prostoru je pro střižnu transparentní. Výkon úložného systému zůstal na stejné úrovni. 5 Proudovací server Obě dvě platformy (Real Video i Windows Media) jsou na straně serveru transparentní vůči rozlišení. Je nutné počítat s nárůstem datového toku na jednoho uživatele (viz. dále). 6 Klient Klientské PC mít vzhledem k velkému datovému toku a velkému objemu dekódovaných dat dostatečný výkon. Pro Windows Media je uváděna následující specifikace: formát 720 řádků: procesor 2,4 Ghz, 384 MB DRAM, grafická karta se 64 MB RAM, rozlišení 1024 768 formát 1080 řádků: procesor 3 Ghz, 512 MB DRAM, grafická karta se 128 MB RAM, rozlišení 1920 1440 Technická zpráva CESNETu číslo 23/2005 3
Při našich testech se nám nepodařilo vygenerovat video s 1080 řádky tak, aby bylo lokálně přehratelné na klientském hardware výkonově přesahujícím příslušnou specifikaci. Video je možné přehrávat pomocí software Windows Media Player nebo Real Player. Při našich testech se nám nepodařilo přehrávat vide v HD rozlišení volně šiřitelnými alternativami (obvyklý důvod bylo nastavení hranice rozlišení v přehrávači na PAL rozlišení). Na straně klienta je potřeba zajistit dostatečnou kapacitu připojení k síti. Tato kapacita musí být dostupná nikoliv nominálně, ale reálně. Kapacitu nemusí omezovat pouze přípojka, ale také prostupnost datových prvků v síti a případně lokální firewall. 7 Produkce Avid Xpress PRO neumožnuje přímý export do formátu Real Video. Ze střižny exportujeme materiál ve formátu QuickTime (viz. obrázek), kodek (Compression) Video nebo Avid DNxHD Codec (nastavení 720p/25 DNxHD 60 8-bit). Export kodekem Video trvá o cca 20% déle, ale QuickTime soubor je o cca 40% menší. Je třeba upozornit na to, že ani jeden z kodeků není optimalizován pro práci na víceprocesorovém počítači, proto je vhodné používat co nejrychlejší procesor. Z QuickTime převedeme video do Real Video prostřednictvím Real Produceru, přičemž zvolíme VBR profil nazvaný 5 Mb/s multichannel. Pokud nejsou scény příliš komplexní, je možné vyzkoušet profil 2 Mb/s multichannel. Při nižší bitové rychlosti je již výskyt artefaktů neakceptovatelně častý. Export do formátu Windows Media je možný přímo, použijeme nastavení specifikované v následujících obrázcích. 8 Současný stav V současné době máme systém naimplementovaný jako prototyp, který je funkčně shodný s případným produkčním stavem. Na základě případné implementace našeho prototypu může organizace připojená k síti CESNET2 produkovat video v HD rozlišení a umístit ho na proudovací servery sdružení. Technická zpráva CESNETu číslo 23/2005 4
Obrázek 1: Export do formátu QuickTime Obrázek 2: Export do formátu Windows Media - video Technická zpráva CESNETu číslo 23/2005 5
Obrázek 3: Export do formátu Windows Media - audio Technická zpráva CESNETu číslo 23/2005 6