Videoconferencia Santiago Felici Doctorado Sistemas y Servicios Telemticos

Videoconferencia Santiago Felici Doctorado: Sistemas y Servicios Telemáticos 1

Sumario • Audio y vídeo digital. Estándares. Compresión • Protocolos RTP y RTCP • Vídeoconferencia. Estándares H. 32 x • Pasarelas e Interoperabilidad • Telefonía Internet 2

Clasificación algoritmos de compresión • Por su fidelidad: – Sin pérdidas (lossless): usada para datos (ej. : norma V. 42 bis en módems, ficheros. zip) – Con pérdidas (lossy): usada normalmente en audio y vídeo. Inaceptable para datos. Eliminan información no perceptible por el hombre. • Por su velocidad relativa de compresión/descompresión: – Simétricos: necesitan aproximadamente la misma potencia de CPU para comprimir que para descomprimir – Asimétricos: requieren bastante más CPU para comprimir que para descomprimir. • En multimedia se suelen utilizar algoritmos lossy • Siempre se necesita más CPU para comprimir que para descomprimir • Generalmente los algoritmos que consiguen mayor compresión gastan más CPU. 3

Algunos formatos de audio digital Bajo Retardo (ITU-T) Elevado Retardo (ISO) Formato Frec. Muestreo (KHz) Canales Caudal por canal (Kb/s) Uso PCM (G. 711) 8 1 64 Telefonía ADPCM (G. 721) 8 1 32 Telefonía SB-ADPCM (G. 722) 16 1 48/56/64 Vídeoconferenc. MP-MLQ (G. 723. 1) 8 1 6, 3/5, 3 variable Telefonía Internet ADPCM (G. 726) 8 1 16/24/32/40 Telefonía E-ADPCM (G. 727) 8 1 16/24/32/40 Telefonía LD-CELP (G. 728) 8 1 16 Telefonía/Videoc. CS-ACELP (G. 729) 8 1 8 Telefonía Internet RPE-LTP (GSM 06. 10) 8 1 13, 2 Telefonía GSM CELP (FS 1016) 8 1 4, 8 LPC-10 E (FS 1015) 8 1 2, 4 CD-DA / DAT 44, 1/48 2 705, 6/768 MPEG-1 Layer I 32/44, 1/48 2 192 -256 variable MPEG-1 Layer II 32/44, 1/48 2 96 -128 variable MPEG-1 Layer III (MP 3) 32/44, 1/48 2 64 variable Hi-Fi Internet MPEG-2 AAC 32/44, 1/48 5. 1 32 -44 variable Hi-Fi Internet 4 Audio Hi-Fi

Compresión de vídeo • Para la compresión de vídeo se aplican dos técnicas: – Compresión espacial o intraframe: se aprovecha la redundancia de información que hay en la imagen de cada fotograma, como en la imágenes JPEG – Compresión temporal o interframe: se aprovecha la redundancia de información que hay entre fotogramas consecutivos. • La compresión interframe siempre lleva incluida la intraframe. 5

Formatos compresión de vídeo Sistema Compresión Espacial (DCT) Compresión temporal Complejidad Eficiencia Retardo compresión M-JPEG Sí No Media Baja Muy pequeño H. 261 Sí Limitada (fotog. I y P) Elevada Media Pequeño MPEG-1/2 Sí Extensa Muy elevada (fotog. I, P y B) Alta Grande H. 263 MPEG-4 Sí Extensa (fotog. I, P y B) Alta Media Grande Enorme 6

Caudal requerido por los sistemas de compresión de vídeo más comunes Bajo retardo Elevado retardo Estándar/Formato Ancho de banda típico Ratio de compresión CCIR 601 170 Mb/s 1: 1 (Referencia) M-JPEG 10 -20 Mb/s 7 -27: 1 H. 261 64 Kb/s – 2000 Kb/s 24: 1 H. 263 28, 8 -768 Kb/s 50: 1 MPEG-1 0, 4 -2, 0 Mb/s 100: 1 MPEG-2 1, 5 -60 Mb/s 30 -100: 1 MPEG-4 28, 8 -500 Kb/s 100 -200: 1 7

Vídeo M-JPEG (Motion JPEG) • Es el más sencillo. Trata el vídeo como una secuencia de fotografías JPEG, sin aprovechar la redundancia entre fotogramas. • Algoritmos DCT (Discrete Cosine Transform) • Poco eficiente, pero bajo retardo. • Usado en: – Algunos sistemas de grabación digital y de edición no lineal (edición independiente de cada fotograma) – Algunos sistemas de videoconferencia (bajo retardo). • No incluye soporte estándar de audio. El audio ha de codificarse por algún otro sistema (p. Ej. CD-DA) y sincronizarse por mecanismos no estándar. 8

Vídeo H. 26 x • Estándares de vídeo la ITU-T para vídeoconferencia: baja velocidad, poco movimiento. Menos acción que en el cine. – H. 261: Desarrollado a finales de los 80 para RDSI (caudal constante). – H. 263, H. 263+, H. 26 L. Más modernos y eficientes. • Algoritmos de compresión MPEG simplificados: – Vectores de movimiento más restringidos (menos acción) – En H. 261: No fotogramas B (excesiva latencia y complejidad) • Menos intensivo de CPU. Factible codec software en tiempo real • Submuestreo 4: 1: 1 para luminancia y crominancia. • Resoluciones: – CIF (Common Interchange Format): 352 x 288 – QCIF (Quarter CIF): 176 x 144 – SCIF (Super CIF): 704 x 576 • Audio independiente: G. 722 (calidad), G. 723. 1, G. 728, G. 729 • Sincronización audio-vídeo mediante H. 320 (RDSI) y H. 323 (Internet) 9

Resoluciones estándar de vídeo comprimido Formato SQCIF CIF 4 CIF o SCIF 16 CIF 4: 3 16 CIF 16: 9 Resolución 128 x 96 176 x 144 352 x 288 702 x 576 1408 x 1152 1920 x 1152 720 x 576 1440 x 1152 Estándar H. 261 Opc. H. 263 Opc. Princip. Alto 1440 MPEG-4 MPEG-1 MPEG-2 Bajo Alto 10

Resoluciones de vídeo QCIF SQCIF SCIF 16 CIF 4: 3 16 CIF 16: 9 11

Sumario • Audio y vídeo digital. Estándares. Compresión • Protocolos RTP y RTCP • Vídeoconferencia. Estándares H. 32 x • Pasarelas e Interoperabilidad • Telefonía Internet 12

Estructura paquete RTP 20 Cabecera IP 8 12 Cabecera UDP RTP La cabecera RTP incluye: Variable Datos (Audio o Video digital) Con esto el receptor puede: Payload Type (7 bits) Identificar el tipo de información recibida (ej. : audio G. 722) Número de secuencia (16 bits) Ordenar datagramas recibidos, detectar perdidos Timestamp (32 bits) Reproducir en el instante adecuado, sincronizar audio y vídeo Permite la sincronización dentro de un mismo flujo. 13

Cabecera RTP (RFC 1889) 14

Paquetes RTCP • Los paquetes RTCP no llevan información de usuario, solo de control. • Pueden ser de varios tipos: – SR (Sender Report): ofrece estadísticas de transmisión y recepción de los participantes que son emisores activos. – RR (Receiver Report): ofrece estadísticas de recepción de los participantes que no son emisores activos. – SDES (Source Description): describe a un emisor activo. Lo utilizan los emisores para anunciarse de manera no ambigua. – BYE: Indica el final de la participación • Con la información de RTCP los emisores pueden ajustar el caudal según el estado de la red. 15

Sumario • Audio y vídeo digital. Estándares. Compresión • Protocolos RTP y RTCP • Vídeoconferencia. Estándares H. 32 x • Pasarelas e Interoperabilidad • Telefonía Internet 16

Aplicaciones de audio-vídeo en tiempo real Aplicación Sentido Estándares Retardo Espectadores Multicast Videoconferencia H. 32 x Bajo Uno o varios Apropiado Emisiones en directo (radio-TV por Internet) H. 32 x MPEG Alto Muchos Muy Apropiado Audio-Vídeo bajo demanda MPEG Medio Uno No 17

Vídeoconferencia • Comunicación interactiva por medio de audio, video y compartición de datos • Puede ser: – Punto a punto – Punto a multipunto – Multipunto a multipunto 18

Requisitos/Características de la vídeoconferencia • • Compresión/descompresión en tiempo real Retardo máximo 200 -400 ms. Movilidad reducida Normalmente aceptable audio de calidad telefónica • Necesidad de sincronizar audio y vídeo • Necesidad de protocolo de señalización (servicio orientado a conexión) 19

Estándares de Vídeoconferencia • Los sistemas de videoconferencia han sido estandarizados por la ITU-T (International Telecommunications Union – Telecommunications sector) en los estándares de la serie H (sistemas multimedia y audiovisuales) • En la serie H hay una gran cantidad de estándares. • Los H. 32 x son estándares de videoconferencia. La ‘x’ depende del tipo de red utilizado 20

Estándares H. 32 x Estándar Medio físico Tipo servicio Año aprobación H. 320 H. 321 H. 322 H. 323 H. 324 RDSI ATM Iso. Ethernet Módem analógico Circuito TDM Paquete Circuito 1990 1996 Los H. 32 x son estándares ‘paraguas’. Cada uno de ellos se basa en una serie de estándares previos para especificar todos los servicios necesarios en una vídeoconferencia. Ej. : Codificación de audio G. 711 21

Estándares H. 320 y H. 323 RDSI IP 22

Vídeoconferencia H. 320 3*BRI RDSI Polycom 3*BRI Sistema de grupo o sala Picturetel Flujo de audio-vídeo 128 - 384 Kb/s Dirección E. 164: 963865420 Dirección E. 164: 963983542 23

Vídeoconferencia H. 323 10 BASE-T Internet Polycom, Tandberg Flujo de audio-vídeo 14, 4 - 512 Kb/s Dirección IP: 147. 156. 1. 20 ADSL Sistema de sobremesa Microsoft Netmeeting, Polycom Via. Video Dirección IP: 172. 68. 135. 22 24

Estándares H. 320 y H. 323 H. 320 Control H. 225. 0 Control de llamada Q. 931 H. 245 Medios Control del sistema H. 242 H. 225. 0 Multiplexación H. 221 G. 711 G. 722 G. 723. 1 G. 728 Audio G. 711 G. 722 G. 728 H. 261 H. 263 Vídeo H. 261 H. 263 T. 120 Datos T. 120 25

Formatos de audio H. 32 x Codec Ancho de Banda Ratio de Ancho de Banda en origen compresión comprimido G. 711 G. 722 G. 723. 1 G. 728 G. 729 MPEG 64 Kb/s 224 Kb/s 64 Kb/s 706 Kb/s 1: 1 3, 5 -4, 6 : 1 10 : 1 4: 1 8: 1 3 -11 : 1 64 Kb/s 48 -64 Kb/s 6, 4 Kb/s 16 Kb/s 8 Kb/s 64 -256 Kb/s MPEG no es un formato de audio H. 323. Solo aparece a título comparativo 26

Terminales H. 323 Teléfono IP Red IP Sistema de grupo o sala Sistema de sobremesa Lo único obligatorio en un terminal H. 323 es la parte de audio 27

Arquitectura terminal H. 323 Equipo e/s de vídeo Codec Video H. 261, H. 263 Equipo e/s de audio Codec Audio G. 711, G. 722, G. 723, G. 728, G. 729 Datos usuario Aplicaciones T. 120, etc. Control del sistema Control H. 245 Interfaz de usuario para control del sistema Retardo trayecto Recepción (Sync) UDP Capa H. 225 RTP RTCP IP TCP H. 225. 0 Control llamada H. 225. 0 Control RAS UDP 28

Señalización H. 323 Petición de admisión Confirmación de admisión RAS GK Gatekeeper Terminal H. 323 Inicio Conexión H. 225 (Q. 931) Intercambio de capacidades Apertura de canal lógico Terminal H. 323 H. 245 ACK de apertura de canal lógico Path Resv RSVP (opcional) Flujo RTP Medio Flujo RTCP 29

Sumario • Audio y vídeo digital. Estándares. Compresión • Protocolos RTP y RTCP • Vídeoconferencia. Estándares H. 32 x • Pasarelas e Interoperabilidad • Telefonía Internet 30

Elementos de vídeoconferencia • Terminal: es el equipo que utiliza el usuario para comunicarse • Gateway, pasarela o puerta de enlace: interconecta redes diferentes: H. 320 (RDSI) e Internet (H. 323) • Gatekeeper o equipo selector: permite el control de acceso. Realiza la equivalencia de direcciones IP a direcciones E. 164 o usuarios • MCU, Multipoint Control Unit o Unidad de control multipunto: replica un flujo de audio/video para permitir multiconferencia 31

Funciones del Gatekeeper (GK) • Obligatorias: – Traducción de direcciones IP a E. 164 o userid (alias) – Control de Admisión: en función de los recursos disponibles (ancho de banda, etc. ) – Gestión de ancho de banda: controla número de terminales accediendo simultáneamente – Registro de terminales H. 323 y pasarelas gw H. 320 -H. 323 • Opcionales – Señalización de control: el gatekeeper puede efectuar la señalización de llamada – Autorización de llamada: acepta o rechaza la llamada en base a autorización del usuario – Gestión de llamada: mantiene una lista de llamadas activas – En el caso de una llamada entre H. 320 -H. 323, el GK selecciona el gw más próximo al destino, tratando de realizar llamada local. 32

Vídeoconferencia H. 323: Gatekeeper Luis 147. 156. 3. 12 5112 Laura 147. 156. 4. 15 5113 Internet Ana 147. 156. 7. 45 5114 Pedro 147. 156. 1. 20 5111 GK Dirección E. 164 (número teléfono) Alias H. 323 Dirección IP 5111 Pedro 147. 156. 1. 20 5112 Luis 147. 156. 3. 12 5113 Laura 147. 156. 4. 15 5114 Ana 147. 156. 7. 45 33

Zonas de Gatekeeper Zona 1 Prefijo 56 GK Zona 2 Prefijo 73 GK Zona: conjunto formado por los terminales, gateways, y MCUs gestionados por un gatekeeper Zona 3 Prefijo 48 GK WAN IP Las zonas de Gatekeeper son areas lógicas que reflejan la topología de la red y simplifican las tareas administrativas GK 34

Pasarela (Gateway) H. 320 -H. 323 147. 156. 2. 15 963972386 Arrancar Netmeetig GW 147. 156. 2. 69 Llamar a 963972386 ADSL 147. 156. 2. 69 Internet GW 963171500 PRI BRI RDSI Gateway o ‘puerta de enlace’ 35

Funciones Gateway H. 323 • Interoperabilidad entre audio/vídeo y estándares de red • Conversión de protocolo – Procedimientos de comunicación – Formatos de transmisión • Opcionalmente: Transcodificación (conversión de formatos audio/video) 36

Arquitectura Gateway H. 320 -H. 323 Control de llamada IP H. 3 2 3 H. 245 H. 225 H. 242 Q. 931 Video Audio IVR H. 3 2 0 RDSI Datos T. 120 IVR: Interactive Voice Response para introducir extensiones 37

Gateway/Gatekeeper, llamada entrante 147. 156. 2. 15 963972386 Arrancar Netmeeting GK: 158. 42. 5. 96 Usuario: Alicia Número de tel. : 60 Llamar a 963171500 ext. 60 ADSL 147. 156. 2. 69 Internet 963171500 GW PRI BRI RDSI ¿ext. 60? 60 = 147. 156. 2. 15 158. 42. 5. 96 GK Gatekeeper o ‘equipo selector’ Usuario IP Ext. Alicia 147. 156. 2. 15 60 38

Gateway/Gatekeeper, llamada saliente 147. 156. 2. 15 Arrancar Netmeeting GK: 158. 42. 5. 96 Usuario: Alicia Número de tel. : 60 963972386 Llamar al 963972386 ADSL 147. 156. 2. 69 Internet 963171500 GW PRI BRI RDSI Registro Usar GW 147. 156. 2. 69 Gatekeeper 158. 42. 5. 96 GK Usuario IP Ext. Alicia 147. 156. 2. 15 60 39

Necesidades de la vídeoconferencia • Caudal: – El teóricamente necesario más un 10 -20% como mínimo • Retardo: – Para telefonía de calidad: <150 ms extremo a extremo (recomendación ITU G. 114) – Para videoconferencia: < 400 ms • Pérdida de paquetes: – Menor del 1% (hay que evitar la congestión) 40

Vídeoconferencia multipunto H. 320 Flujos de audio-vídeo unidireccionales de 384 Kb/s Emisor 3*BRI Receptor 3*BRI RDSI 3*BRI Receptor 3*BRI PRI Receptor MCU Servidor MCU (Multipoint Control Unit) Replica el flujo de audio/vídeo para cada participante. Posible cuello de botella 41

Vídeoconferencia multipunto H. 323 Internet MCU H. 323 (Multipoint Control Unit) Replica el flujo de audio/vídeo para cada participante. Posible cuello de botella 42

Arquitectura de MCU H. 323 Mezclador de audio Control de imagen de vídeo Activación por voz T. 120 Presencia continua La MCU unifica todos los flujos en uno único. 43

Sumario • Audio y vídeo digital. Estándares. Compresión • Protocolos RTP y RTCP • Vídeoconferencia. Estándares H. 32 x • Pasarelas e Interoperabilidad • Telefonía Internet 44

Telefonía sobre Internet • Pretende aprovechar la red IP para la comunicación telefónica • Requiere una red con bajo retardo y caudal garantizado (Qo. S) • Además de digitalizar la voz es necesario ofrecer todas las funciones propias de una red telefónica: – Señalización – Funciones avanzadas: reenvío de llamadas, mensajería, etc. 45

Evolución de la telefonía Red Telefónica Telefonía Tradicional Red IP Telefonía tradicional sobre backbone IP Call Manager Red IP Telefonía IP V: voice card con gateway 46

Ejemplo de telefonía IP 1 3 1 A 0976* por 1 A 0* por 2 Resto por 1 A 0923* por 1 A 0* por 2 Resto por 1 2 3 2 Red Telefónica pública Salamanca Zaragoza Pamplona 47

CONS vs CLNS Dir. E. 164: 2001 Dir. E. 164: 1001 Red Telefónica En caso de fallo la red telefónica no se recupera de forma automática Dir. E. 164: 1001 Dir. IP: 136. 12. 15. 32 Dir. E. 164: 2001 Dir. IP: 158. 35. 23. 1 Red IP En caso de fallo la red IP reenvía los paquetes por una ruta alternativa. 48

Ejemplo de red de telefonía IP compleja Red Telefónica Sucursal ‘Antigua’ Oficina Principal Red IP Sucursal ‘Moderna’ Teletrabajador 49

Telefonía Internet Para ahorrar costos el gatekeeper elige la pasarela más próxima al destinatario. GK Línea dedicada Gateway H. 323 (solo voz) Internet Modem Red Telefónica conmutada RDSI Red CATV Cabecera Cable Modem GSM Red analógica Red ADSL Modem ADSL 50

Telefonía sobre Internet • Un terminal H. 323 solo está obligado a soportar audio, el vídeo es opcional • Por tanto con H. 323 y gateways podemos ofrecer telefonía Internet sin tener que aprobar nuevos estándares • Sin embargo H. 323 es un estándar muy complejo. Por ello el IETF ha aprobado un estándar alternativo específicamente diseñado para telefonía mucho más sencillo conocido como SIP 51

Telefonía IP • Ventajas: + Reducción de distancias (y costes) en la red telefónica + Fácil enrutamiento alternativo en caso de averías en la red (servicio no orientado a conexión) + Compresión de la voz (G. 729, G. 723. 1) + Supresión de silencios + Posibilidad de ofrecer servicios de voz de alta calidad (G. 722, 7 KHz) • Inconvenientes – Degradación de la calidad cuando hay congestión (si no hay Qo. S). – Mayores retardos (>200 ms), posibles problemas de ecos 52

LAN con telefonía IP H. 323 WAN con Qo. S (Diff. Serv o Int. Serv) Tramas H. 323 con alta prioridad (802. 1 p) Teléfono software (Netmeeting, Gnome. Meeting, Softphone, etc. ) Call Manager (Gestor de telefonía IP) (Servidor Windows/XP) Las tramas del teléfono van en una VLAN de alta prioridad (se usa 802. 1 p y 802. 1 Q) El teléfono recibe alimentación eléctrica desde el switch LAN. Él mismo actúa como un switch de dos puertos 10/100 53

Referencias • Godred Fairhurst: Digital Televisión: The MPEG-2 Standard: http: //www. erg. abdn. ac. uk/users/gorry/level 2 dp. pdf • Godred Fairhurst: MPEG-2 Digital Video: http: //www. erg. abdn. ac. uk/public_html/research/futurenet/digital-video/index. html • http: //mpeg. telecomitalialab. com/ • Página principal del proyecto Open. H 323: http: //www. openh 323. org. Interesante fuente de información sobre H. 323, implementaciones y servicios relacionados (gateways, gatekeepers, sistemas de respuesta automatizada, etc. ) para Linux y Windows. Todo gratuito y con los códigos fuente disponibles. • http: //www. openphone. org/ 54