Principy přenosu videa v IP sítích a nové trendy ve videu VID1 / L2 Martin Diviš Consulting Systems Engineer mdivis@cisco.com Sponsor Sponsor Sponsor Sponsor Logo Logo Logo Logo CIscoEXPO 1
Agenda Proč video v podnikových sítích S jakými systémy se setkáváme Principy přenosu videa v podnikových sítích Nové trendy v oblasti videa HD, metody kódování, 3D medianet Sítě příští generace optimalizované pro distribuci videa 2
Proč video Osobní prožitek 64% komunikace je neverbální 1 Celá třetina mozkové kapacity se věnuje vidění 2 1 Kandola, Pearn The Psychology of Effective Business Communications in Geographically Dispersed Teams, Cisco Systems, September 2006 3 2 Vision Group Research, FMRIB, University of Oxford, UK
Proč video? Proč teď? Spotřebitelé Poskytovatelé sl. Organizace Zábava Osobní přístup Možnost získat další zdroj příjmů Go Green Integrace organizace Interakce Přechod k poskytování zážitků a zábavy Zvýšení produktivity 4
Pět důvodů, proč se zajímat o video Uvolnění prostředků pro investice Uvolnění potenciálu zaměstnanců Lepší kontakt se zákazníky Odlišení od konkurence Porady bez cestování -TelePresence Snížení nákladů při zvýšené efektivitě -Desktop Video, Enterprise TV, Media Exp Engine Sdílení expertních znalostí TelePresence, Desktop Video, Physical Security, UC Zvýšení bezpečnosti budov při snížení nákladů Physical Security Zjednodušení podílení se zaměstnanců na rozhodovacích procesech TelePresence, UC Možnost zaměstnanců projevit se ve firmě Digital Signage, Desktop Video, Media Exp Engine Lepší kontakt se zákazníky TelePresence, TelePresence Suites, UC Efektivnější komunikace Digital Signage, Enterprise TV, Media Exp Engine Získání náskoku před konkurencí TelePresence, Physical Security Transformace, nové zdroje příjmů Digital Media Systems, Media Experience Engine, Enterprise TV Bezbariérová komunikace ve firmách Komunikace bez ohledu na geografickou strukturu TelePresence, TelePresence Suites Možnost všech podílet se na rozvoji firmy TelePresence, Media Experience, Desktop Video, UC 6
Trend v podílu videa na síťovém provozu Podíl videa se za poslední dva roky zdvojnásobil a předpokládá se, že se za další rok zdvojnásobí znovu. Největsí nárůst se předpokládá ve strojírenském průmyslu. Dnes má největší podíl školství. Medián podílu videa na síťovém provozu Medián podílu videa na síťovém provozu podle oboru N=201 N=47 N=31 N=41 N=40 N=42 A1: In the following table, please provide the percent of total network traffic at your organization that is video for the selected time periods. Please provide your best estimates. Cisco Strategic Marketing Survey: US Enterprise, November 2008 7
Business Video Příklady použití u zákazníků Podnik bez hranic Odlišení se od konkurence Vztah se zákazníky Zlepšení práce zaměstnanců Zrychlení rozhodování Nová technologie umožňuje nové obchodní modely Lepší interakce se zákazníky Zapojení zaměstnanců do rozhodování Rychlejší timeto-market + $200M+ úspor v cestovném 200 TP místností Bezpečnost, předcházení krádežím + personalizovaná zkušenost Fyzická bezpečnost Jednodušší a efektivnější přístup k zákazníkům Digital signage na nových pobočkách Zlepšení informovanosti zaměstnanců + širší možnost spolupráce Desktop video 9
Principy zpracování videa 18
Video CODECs (CODe/DECode) Komprese může být bezeztrátová nebo zrátová Bezeztrátová komprese poskytuje po dekompresi stejná data, jako originál Bezeztrátová komprese videa má velmi malý kompresní poměr Tedy: vyžaduje velkou šířku pásma Příklad DV, FLAC, Monkey Zprátová komprese využívá principů subjektivního vnímání obrazu a poskytuje dobrou kopii originálu Výhoda: Menší datový tok, rozumná kvalita Příklad MPEG video a audio Ztrátová komprese neumožňuje získat originál zpět Komprese videa je věda o reprezentaci informace ve zhuštené formě 19
Proč potřebujeme kompresi Nekomprimované digitální video ve formátu SDI (Synchronous Digital Interface) vyžaduje obrovský datový tok 270 Mbps pro Standard Definition Service 1.485 Gbps pro High Definition Service Pro přenos videa po IP sítích potřebujeme agresivní kompresní techniky Komprese je také nutná pro ukládání videa do systémů Video on Demand (VOD) 20
Video CODECs (CODe/DECode) Motion Pictures Engineering Group (MPEG) MPEG1 VCR quality (3 20M) MPEG2 studio quality (3-20M) MPEG4 Part 2 and Part 10 (<64K-4M) International Telecommunications Union (ITU) H.261 64 kbps, DS0 H.262 MPEG 2 H.263 LAN/WAN H.264 MPEG 4 Part 10 Audio Codec (Voice) G.711 64 kbps G.722 48 to 64 kbps G.723 5 to 6 kbps G.726 16 to 40 kbps G.728 16 kbps G.729 16 kbps ilbc (internet Low Bitrate Codec) Other (Music/Video) mp3, ogg, acc, Real 21
Rodokmen kodeků pro video 22
Jak se dosahuje komprese: přehled Spatial Redundancy (místo) všechny pixely v této oblasti mají stejnou barvu Temporal Redundancy (čas) rozdíly mezi snímky Visual/Perceptual Redundancy (ztrátovost) ztráta dat Statistical Redundancy (může být bezeztrátová) matematické postupy k redukci dat Presentation_ID 2009 Cisco Systems, Inc. All rights reserved. Cisco Confidential 2 23
MPEG : sekvence 3 typů snímků I-Frames (Intra) intra coded, tedy mohou být rekonstruovány bez znalosti dalších snímků P-Frames (Predictive) Popisují rozdíly od posledního I nebo P snímku B-Frames (Bidirectionally-Predictive) Popisují rozdíly od posledního nebo předchozího I nebo P snímku, obvykle vyjadřují přechodové stavy mezi snímky Presentation_ID 2009 Cisco Systems, Inc. All rights reserved. Cisco Confidential 2 24
Spatial a Temporal Redundancy Odvození snímků typy snímků I(intra) Frame Full frame B(i-directionnal) Frame Ball move only encoded between I & P Predictive Frame Encoded ball with moving vector, from I frame 25
Zpracování MPEG-2 I, P, B frames Motion Vectors Inverse transform De-quantization Motion Estimation Motion compensation Video sequence 16x16 or 8x8 + - Transform MPEG2 8x8 DCT Quantization Entropy Coding VLC Temporal redundancy Reducing spatial redundancy Discard data Statistical redundancy Presentation_ID 2009 Cisco Systems, Inc. All rights reserved. Cisco Confidential 2 26
MPEG-2 Video Hierarchie ve videosekvenci... S E Q U E N C E... G.o.P x G.o.P x+1... I B P B I B P B... Picture B Slice 1 MB MB MB MB MB MB MB Slice 3 Macroblock k Y1 Y2 Y3 Y4 Cb Cr Block n 8 x 8 pixels 27
Video v IP Protokol RTP Identifikace přenášených dat voice, video, typ komprese Sekvenční číslo Časová značka Monitorovací údaje Liché číslo portu značí RTCP, přenáší informace o kvalitě přijatého streamu 4 Bytes 4 Bytes V E R CC M Payload Type RTP Timestamp Sequence Number 4 Bytes Synchronization Source (SSRC) ID 28
Network Adaptation Layer (NAL) NAL Unit NAL header RBSP NAL header RBSP. Signalizace typu RBSP unit (1 Byte) Syntaktická struktura určitého počtu bytů (payload) 29
TV služba je multiplex audia, videa a dat ES PES MUX Video Video encoder Packetiser Audio Audio encoder Packetiser TS mux SPTS Data Packetiser Presentation_ID 2009 Cisco Systems, Inc. All rights reserved. Cisco Confidential 3 31
Přenos videa v sítích poskytovatelů Asynchronous Serial Interface (ASI) Specifikace pro přenos videa po koaxiálních kabelech Od 0 do 214 Mbit/s. Nese MPEG-2 Transport Stream Single Program Transport Stream (SPTS) TS s jedním programem Často používaný v IPTV Multiple Program Transport Stream (MPTS) TS obsahující více než jeden program Používá se pro satelit a pozemní digitální a kabelové systémy 32
Video Rozlišení (relativní velikosti) CIF Formats Format NTSC-based PAL-based SQCIF 128 96 QCIF 176 120 176 144 QCIF+ 176 220 176 220 CIF 352 240 352 288 2CIF 704 240 704 288 4CIF 704 480 704 576 9CIF 1056 720 1056 864 16CIF 1408 960 1408 1152 1080i (1920x1080) Full HD CIF Resolution (352x240) vs. 1080i (1920x1080) PDA size D1 Resolution (720x480) vs. 1080i (1920x1080) TV, YouTube, Low-end VoD 720p Resolution (1280x720) vs. 1080i (1920x1080) HD Ready TV 34
Požadavky na šířku pásma Závisí na typu kodeku I Frame 1024 1518 Bytes I Frame 1024 1518 Bytes 600 Kbps avg P and B Frames 128 256 Bytes I frame je plný snímek P a B snímky používají rozdílové informace 32 Kbps 35
Síťová infrastruktura Profily provozu a požadavky Hlas Video-Conf Data TelePresence Stálý tok Malý tok Citlivé na ztráty Citlivé na zpoždění Zejména UDP Má špičky Velký datový tok Citlivá na ztráty Citlivá na zpoždění Zejména UDP Neznáme tok Neznáme objem Toleruje ztráty Toleruje zpoždění TCP Má špičky Velký datový tok Citlivá na ztráty Citlivá na variaci zpoždění Zejména UDP Šířka pásma na hovor závisí na kodeku, vzorkovací frekvenci a L2 médiu Latency 150 ms Jitter 30 ms Loss 1% Jednocestné požadavky IP/VC má stejnéí požadavky, ajko hlas, ale radikálně jiný vzorec dat (velmi různou šířku pásma) Latency 150 ms Jitter 30 ms Loss 1% Jednocestné požadavky Velmi rúzné požadavky v závislosti na aplikaci Data Classes: Mission-Critical Apps Transactional/Interactive Apps Bulk Data Apps Best Effort Apps (Default) Šířka pásma pro Telepresence velmi závisí na rozlišení a na použitém kodéru Latency* 200ms Jitter 10 ms Loss 0.05% Bandwidth (4 Mbps per screen @1080P) Jednocestné požadavky 36
Interactive Video v podnikových sítích - požadavky Ne jednoduše jen větší šířka pásma Concurrent Sessions Dyanmic Scheduling Bandwidth 5 4 3 2 1 0 Low Latency, Jitter, Loss Multicast Telepresence IP Video Conferencing Concurrent Sessions Dynamic Scheduling Bandwidth 5 4 3 2 1 0 Low Latency, Jitter, Loss Multicast Desktop Collaboration Desktop Webcams Streaming Concurrent Sessions Dynamic Scheduling Bandwidth 5 4 3 2 1 0 Low Latency, Jitter, Loss Multicast Concurrent Sessions Dynamic Scheduling Bandwidth 5 4 3 2 1 0 Low Latency, Jitter, Loss Multicast IP Video Surveillance CCTV Video Surveillance Streaming Digital Media Video on Demand 37
Doporučení Cisco pro DiffServ QoS (RFC 4594- Based) pro video Application Per-Hop Admission Queuing & Application Class Behavior Control Dropping Examples VoIP Telephony EF Required Priority Queue (PQ) Cisco IP Phones (G.711, G.729) Broadcast Video CS5 Required (Optional) PQ Cisco IP Video Surveillance / Cisco Enterprise TV Realtime Interactive CS4 Required (Optional) PQ Cisco TelePresence Multimedia Conferencing AF4 Required BW Queue + DSCP WRED Cisco Unified Personal Communicator Multimedia Streaming AF3 Recommended BW Queue + DSCP WRED Cisco Digital Media System (VoDs) Network Control CS6 BW Queue EIGRP, OSPF, BGP, HSRP, IKE Call-Signaling CS3 BW Queue SCCP, SIP, H.323 Ops / Admin / Mgmt (OAM) CS2 BW Queue SNMP, SSH, Syslog Transactional Data AF2 BW Queue + DSCP WRED Cisco WebEx / MeetingPlace / ERP Apps Bulk Data AF1 BW Queue + DSCP WRED E-mail, FTP, Backup Apps, Content Distribution Best Effort DF Default Queue + RED Default Class Scavenger CS1 Min BW Queue (Deferential) YouTube, itunes, BitTorent, Xbox Live 38
QoS kolik tříd? Podle potřeb a co zařízení dovolí 4-Class Model 8-Class Model Voice 12-Class Model Voice Realtime Signaling / Control Critical Data Best Effort Interactive Video Streaming Video Call Signaling Network Control Critical Data Best Effort Scavenger Realtime Interactive Multimedia Conferencing Broadcast Video Multimedia Streaming Call Signaling Network Control Network Management Transactional Data Bulk Data Best Effort Scavenger 39
Media Ready QoS Design Design Example: 4-Class SP Model Example Application DSCP 4-Class SP Model Network Control VoIP Telephony Broadcast Video CS6 EF CS5 CS2 EF CS5 SP-Real-Time (RTP/UDP) 30% Multimedia Conferencing TelePresence Multimedia Streaming Call Signaling Transactional Data OAM AF4 AF2 CS4 CS5 AF3 AF2 CS3 AF2 AF3 CS2 CS6 AF3 CS3 AF2 CS2 SP-Critical 1 (TCP) 20% SP-Critical 2 (UDP) 20% Bulk Data AF1 Scavenger Best Effort CS1 DF DF SP-Best Effort 30% 40
41
Budoucí standardy H.26x/HVC H.264/SVC Cílem je zlepšit efektivitu komprese o cca 50% oproti H.264/AVC Očekáván na rok 2013, první komerční zařízení okolo roku 2015 Podrobnosti dále, ne příliš rozšířený, vyžaduje nové akcelerační čipy Modern Media Transport (MMT) Nový typ trasportu a kódování Snaha o využití silných stránek MPEG-2 TS a umožnění nových aplikací a kodeků MXF over IP Přenos MXF toku v prostředí IP 42
Scalable Video Coding (SVC) Scalability = Schopnost vyjmout z datového toku část dat s tím, že se docílí pro danou relaci podporované kombinace spatial, temporal redundance a rozlišení srovnatelné s klasickým kódováním H.264/AVC. Umožňuje Akceptovatelnou degradaci pokud se část dat ztratí Adaptace datového toku podle pásma, které je k dispozici Adaptace formátu pro různé displeje a rozlišení Adaptace výpočetního výkonu pokud můžeme vyměnit kvalitu za dobu zpracování Client-side kompozici snižuje náklady a latenci pro konference s continuous 43
Jak funguje H.264 SVC Základy L2 S2 Adding L2 packets increases frame rate to 30 fps L2 S2 Adding S0-1-2 packets increases resolution to CIF S1 L1 Adding L1 packets increases frame rate to 15 fps S0 Base layer is only required set of packets. Example: QCIF @ 7.5 fps S0 L0 Time L0 45
SVC-Enabled Media Switch jako Transrater Output streams are transrated L0 L1 QCIF @ 15 fps (128 Kbps) L0 S2 CIF @ 30 fps (320 Kbps) SVC QCIF @ 30 fps (256 Kbps) Media S1 L1 S2 L2 S0 L0 Switch L0 L2 L1 L2 L2 The switch drops enhancement layers to adjust the output stream to the correct bitrate L0 L0 S2 L2 S1 L1 S2 L2 CIF @ 30 fps (320 Kbps) S0 L0 L0 46
Příklad SVC implementace od Vidyo 47
3D video - fenomén dneška 48
3D aplikace 49
Jak vzniká 3D vjem Dva obrazy pro levé a pravé oko Společná průmětná plocha (monitor, plátno) Systém dělení společné plochy pro levé a pravé oko Jednoduchá matematika x2 = (z0 * x1 - z1 * d) / (z0 - z1) y2 = (z0 * y1) / (z0 - z1) 50
Jedna realita, dva pohledy 4cm 20cm 30cm 100cm 51
Jedna realita, dva pohledy Levé oko Pravé oko 54
Anaglyph Jedna realita, jeden pohledy, jedny brýle 55
Ukázka anaglyph 3D videa 56
3D kino sekvenční projekce 144 FPS Každé oko vidí jiný obraz 57
3D vysílání jeden z modelů Source: Chris Yewdal, CEO, DDD, 10 February 2009, Cablelabs Technology Forum 58
3D projekční systémy Jak se koukáme Pasivní brýle anaglyph Jak zobrazujeme libovolný projektor Aktivní brýle polarizace LCD maskování spec. obrazovka s polarizací duální projekce s polarizačními filtry střídavé obrazy 59
Komerčně dostupné zobrazovače Všechny vyžadují specální brýle 60
Holografické projekční systémy vizoo Cheoptics360 61
Současné standardizační aktivity 3D consortium v Japonsku (2003) 70 organizací 3D@Home Consortium (Jaro 2008) Založeno Insight Media a US Display Consortium Rychlost komerčního zavedení 3D do domácností Zakladatelé: Phillips, Samsung, Disney, 3ality, SMPTE Task Force on 3D to the home (Srpen 2008) Požadavky na 3D-TV, zejména 3D produkci DVB Study Mission (SM) on Stereoscopic (3D) TV (Listopad 2008) Má být 3D signál kompatibilní s 2D SCTE Ad Hoc group on 3D on Cable (Únor 2009) 62
Současné standardizační aktivity ITU-R SG6 (Jun 2008) New rapporteur group on 3D-TV Definice požadavků na technická zařízení a subjektivní posouzení European Commission Několik projektů v rámci 7th Framework Programme (FP7) (e.g. 3D4YOU, 3DPRESENCE, etc ) http://www.3dmediacluster.eu/projects.html ISO MPEG (od 2003) MVC (Multi View Coding) rozšíření do H.264/AVC MPEG inicializoval standardizaci pro 3D Video (Únor 2009). 63
Současné standardizační aktivity 64
Strategie Cisco v oblasti videa Každý s každým Jakýkoli obsah Kdykoli Kdekoli Jednotné chování Zařízení Síť sítí Software Platformy, systémy a služby Inteligentní síť pro média Spolupráce, Broadcast/Streaming Nabídka služeb 66
medianet je Media Aware Network of Networks Evolution of Convergence Personal Network Aware Social Interactive End Point Aware Technologies and new devices 67
Integrated Services Routers G2 Pod pokličkou Services Performance Engine (3900) Upgradeable with newer engines in the future Multi-core Network Processor 4x performance increase Multi Gigabit Fabric Module to module communications Packet prioritization and shaping NG DSP Modules Video ready DSP modules 4x increase in audio conferencing and transcoding Configurable power savings modes EHWIC 2x performance increase HWIC/WIC/VWIC/VIC support natively EPoE capable GE Ports Plus GE ports (3 on 2911+) SFP slots on 2921 and above Service Modules 3x-7x increase in service module performance Existing NM support through adapter EPoE capable Internal Services Module 3x increase in service module performance Configurable power savings mode 802.11n Option 19xx USB Console over USB Convenience storage Security credentials 68
Video Ready ISR G2 Co znamená video ready ISR G2? MultiGigabit Fabric (MGF) pro vyšší propustnost k interním službám Vylepšené multi-core DSP (PVDM3) optimalizované pro komplexní multimediální aplikace Jaké jsou další kroky ISR G2 video? Krátkodobě: video infrastruktura pro podnikové sítě, zejména videokonferencing, transcoding, transrating a monitorování kvality videa. EFT duben 2010 Dlouhodobě: Vyvinout na bázi ISR rich-media server, který nabízí možnost integrace mezi různými aplikacemi videotelefonie, fyzická bezpečnost, videoportály, desktop video a další 69
Rodina Cisco Media Experience Engine Dovoluje Any-to-Any Video Communications Cisco MXE 3000 Cisco MXE 3500 Cisco MXE 5600 1 RU Appliance File-to-File Transcoding Advanced Media Processing 1 RU Appliance Advanced Media Processing Live 1-way Transcoding Speech-to-Text Modular Chassis Live 2-way Transcoding Advanced Media Processing Speech-to-Text TelePresence Interoperability 71
MXE 5600T pro řešení interoperability Integrace TelePresence s videokonferenčními zařízeními Jakýkoli endpoint volá jakýkoli jiný (nebo multi-point CTMS konference) Stejná jednoduchost obsluhy MXE 5600 přizpůsobí video a audio pro optimální fullscreen kvalitu pro dané zařízení 72
Pocit koncového uživatele Příklad 16:9 HD ze tří VC zařízení (Polycom HDX, Tandberg C60, Lifesize 200) 74
Pocit koncového uživatele Příklad 4CIF z VC zařízení 4CIF 4:3 video Sent by 3 rd party endpoint Scaled to higher resolution by MXE 5600 Displayed on CTS screen 75
Shrnutí Video se stává jednou z dominantních složek provozu na síti Principy přenosu videa Nové směry, 3D, HD, kodeky, síťová inteligence Cisco strategie, medianet, ISR G2, MXE 5600 85
Otázky a odpovědi Vaše otázky zaslané pomocí SMS na číslo 773 501 255 zodpovíme dnes od 17:45 v místnosti LEO CIscoEXPO 86
Dotazník Prosíme, vyplňte dotazník s hodnocením prezentace Děkujeme! CIscoEXPO 87
88