1 Videoconferencia Santiago Felici Doctorado: Sistemas y Servicios Telemáticos.

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2 1 Videoconferencia Santiago Felici Doctorado: Sistemas y Servicios Telemáticos

3 2 Sumario Audio y vídeo digital. Estándares. Compresión Protocolos RTP y RTCP Vídeoconferencia. Estándares H.32x Pasarelas e Interoperabilidad Telefonía Internet

4 3 Clasificación algoritmos de compresión Por su fidelidad: –Sin pérdidas (lossless): usada para datos (ej.: norma V.42bis 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.

5 4 Algunos formatos de audio digital FormatoFrec. Muestreo (KHz) CanalesCaudal por canal (Kb/s) Uso PCM (G.711)8164Telefonía ADPCM (G.721)8132Telefonía SB-ADPCM (G.722)16148/56/64Vídeoconferenc. MP-MLQ (G.723.1)816,3/5,3 variableTelefonía Internet ADPCM (G.726)8116/24/32/40Telefonía E-ADPCM (G.727)8116/24/32/40Telefonía LD-CELP (G.728)8116Telefonía/Videoc. CS-ACELP (G.729)818Telefonía Internet RPE-LTP (GSM 06.10)8113,2Telefonía GSM CELP (FS 1016)814,8 LPC-10E (FS 1015)812,4 CD-DA / DAT44,1/482705,6/768Audio Hi-Fi MPEG-1 Layer I32/44,1/482192-256 variable MPEG-1 Layer II32/44,1/48296-128 variable MPEG-1 Layer III (MP3)32/44,1/48264 variableHi-Fi Internet MPEG-2 AAC32/44,1/485.132-44 variableHi-Fi Internet Elevado Retardo (ISO) Bajo Retardo (ITU-T)

6 5 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.

7 6 SistemaCompresión Espacial (DCT) Compresión temporal Complejidad compresión EficienciaRetardo M-JPEGSíNoMediaBajaMuy pequeño H.261SíLimitada (fotog. I y P) ElevadaMediaPequeño MPEG-1/2SíExtensa (fotog. I, P y B) Muy elevadaAltaGrande H.263 MPEG-4 SíExtensa (fotog. I, P y B) EnormeAltaMedia Grande Formatos compresión de vídeo

8 7 Estándar/FormatoAncho de banda típico Ratio de compresión CCIR 601170 Mb/s1:1 (Referencia) M-JPEG10-20 Mb/s7-27:1 H.26164 Kb/s – 2000 Kb/s24:1 H.26328,8-768 Kb/s50:1 MPEG-10,4-2,0 Mb/s100:1 MPEG-21,5-60 Mb/s30-100:1 MPEG-428,8-500 Kb/s100-200:1 Caudal requerido por los sistemas de compresión de vídeo más comunes Bajo retardo Elevado retardo

9 8 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.

10 9 Vídeo H.26x 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.26L. 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)

11 10 FormatoSQCIFQCIFCIF4CIF o SCIF 16CIF 4:3 16CIF 16:9 Resolución128x96176x144352x288702x576 720x576 1408x1152 1440x1152 1920x1152 H.261Opc. H.263Opc. MPEG-4 MPEG-1 MPEG-2BajoPrincip.Alto 1440Alto Estándar Resoluciones estándar de vídeo comprimido

12 11 Resoluciones de vídeo 16CIF 16:9 16CIF 4:3 SCIF CIF QCIF SQCIF

13 12 Sumario Audio y vídeo digital. Estándares. Compresión Protocolos RTP y RTCP Vídeoconferencia. Estándares H.32x Pasarelas e Interoperabilidad Telefonía Internet

14 13 Estructura paquete RTP Cabecera UDP Cabecera IP Datos (Audio o Video digital) Cabecera RTP 8 2012Variable Número de secuencia (16 bits) Ordenar datagramas recibidos, detectar perdidos Timestamp (32 bits) Reproducir en el instante adecuado, sincronizar audio y vídeo Payload Type (7 bits) Identificar el tipo de información recibida (ej.: audio G.722) La cabecera RTP incluye:Con esto el receptor puede: Permite la sincronización dentro de un mismo flujo.

15 14 Cabecera RTP (RFC 1889)

16 15 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.

17 16 Sumario Audio y vídeo digital. Estándares. Compresión Protocolos RTP y RTCP Vídeoconferencia. Estándares H.32x Pasarelas e Interoperabilidad Telefonía Internet

18 17 Aplicaciones de audio-vídeo en tiempo real AplicaciónSentidoEstándaresRetardoEspectadoresMulticast Videoconferencia  H.32xBajoUno o variosApropiado Emisiones en directo (radio-TV por Internet)  H.32x MPEG AltoMuchosMuy Apropiado Audio-Vídeo bajo demanda  MPEGMedioUnoNo

19 18 Vídeoconferencia Comunicación interactiva por medio de audio, video y compartición de datos Puede ser: –Punto a punto –Punto a multipunto –Multipunto a multipunto

20 19 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)

21 20 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.32x son estándares de videoconferencia. La ‘x’ depende del tipo de red utilizado

22 21 Estándares H.32x EstándarMedio físicoTipo servicioAño aprobación H.320RDSICircuito1990 H.321ATMCircuito H.322IsoEthernetTDM H.323EthernetPaquete1996 H.324Módem analógicoCircuito Los H.32x 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

23 22 Estándares H.320 y H.323 RDSIIP

24 23 Vídeoconferencia H.320 RDSI 3*BRI Flujo de audio-vídeo 128 - 384 Kb/s 3*BRI Picturetel Dirección E.164: 963865420 Dirección E.164: 963983542 Polycom Sistema de grupo o sala

25 24 Internet Vídeoconferencia H.323 ADSL10BASE-T Flujo de audio-vídeo 14,4 - 512 Kb/s Microsoft Netmeeting, Polycom ViaVideo Dirección IP: 147.156.1.20 Dirección IP: 172.68.135.22 Sistema de sobremesa Polycom, Tandberg

26 25 Estándares H.320 y H.323 H.323H.320 ControlH.225.0Control de llamadaQ.931 H.245Control del sistemaH.242 H.225.0MultiplexaciónH.221 MediosG.711 G.722 G.723.1 G.728 AudioG.711 G.722 G.728 H.261 H.263 VídeoH.261 H.263 T.120DatosT.120

27 26 Formatos de audio H.32x CodecAncho de Banda en origen Ratio de compresión Ancho de Banda 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

28 27 Terminales H.323 Red IP Lo único obligatorio en un terminal H.323 es la parte de audio Sistema de grupo o sala Sistema de sobremesa Teléfono IP

29 28 Arquitectura terminal H.323 Equipo e/s de vídeo Equipo e/s de audio Datos usuario Aplicaciones T.120, etc. Interfaz de usuario para control del sistema Codec Video H.261, H.263 Control H.245 H.225.0 Control llamada H.225.0 Control RAS Retardo trayecto Recepción (Sync) Capa H.225 UDP TCP RTP RTCP IP UDP Control del sistema Codec Audio G.711, G.722, G.723, G.728, G.729

30 29 Señalización H.323 GK Petición de admisión Confirmación de admisión RAS Inicio Conexión H.225 (Q.931) Intercambio de capacidades Apertura de canal lógico ACK de apertura de canal lógico H.245 Path Resv RSVP (opcional) Flujo RTP Flujo RTCP Medio Gatekeeper Terminal H.323

31 30 Sumario Audio y vídeo digital. Estándares. Compresión Protocolos RTP y RTCP Vídeoconferencia. Estándares H.32x Pasarelas e Interoperabilidad Telefonía Internet

32 31 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

33 32 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.

34 33 Vídeoconferencia H.323: Gatekeeper Pedro 147.156.1.20 5111 GK Internet Luis 147.156.3.12 5112 Laura 147.156.4.15 5113 Ana 147.156.7.45 5114 Dirección E.164 (número teléfono) Alias H.323Dirección 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

35 34 WAN IP GK Zona 1 Prefijo 56 Zona 2 Prefijo 73 Zona 3 Prefijo 48 Zona: conjunto formado por los terminales, gateways, y MCUs gestionados por un gatekeeper Las zonas de Gatekeeper son areas lógicas que reflejan la topología de la red y simplifican las tareas administrativas Zonas de Gatekeeper

36 35 Pasarela (Gateway) H.320-H.323 Internet RDSI Gateway o ‘puerta de enlace’ 147.156.2.15 147.156.2.69963171500 963972386 BRI PRI Arrancar Netmeetig GW 147.156.2.69 Llamar a 963972386 ADSL GW

37 36 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)

38 37 Arquitectura Gateway H.320-H.323 IPRDSI H.323H.323 H.320H.320 Datos T.120 Audio Video IVR Control de llamada H.245 H.225 H.242 Q.931 IVR: Interactive Voice Response para introducir extensiones

39 38 Gateway/Gatekeeper, llamada entrante Internet GW RDSI 147.156.2.15 147.156.2.69 Gatekeeper o ‘equipo selector’ 158.42.5.96 963171500 963972386 BRI PRI Usuario IP Ext. Llamar a 963171500 ext. 60 Arrancar Netmeeting GK: 158.42.5.96 Usuario: Alicia Número de tel.: 60 Alicia 147.156.2.15 60 ¿ext. 60? 60 = 147.156.2.15 GK ADSL

40 39 Gateway/Gatekeeper, llamada saliente Internet RDSI 147.156.2.15 Gatekeeper 158.42.5.96 963972386 BRI PRI Usuario IP Ext. Arrancar Netmeeting GK: 158.42.5.96 Usuario: Alicia Número de tel.: 60 Alicia 147.156.2.15 60 Llamar al 963972386Usar GW 147.156.2.69 GK ADSL Registro 147.156.2.69963171500 GW

41 40 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)

42 41 Vídeoconferencia multipunto H.320 Servidor MCU (Multipoint Control Unit) RDSI Replica el flujo de audio/vídeo para cada participante. Posible cuello de botella PRI 3*BRI Flujos de audio-vídeo unidireccionales de 384 Kb/s 3*BRI Emisor Receptor MCU

43 42 Vídeoconferencia multipunto H.323 MCU H.323 (Multipoint Control Unit) Internet Replica el flujo de audio/vídeo para cada participante. Posible cuello de botella MCU

44 43 Arquitectura de MCU H.323 Presencia continua Activación por voz Control de imagen de vídeo Mezclador de audio T.120 La MCU unifica todos los flujos en uno único.

45 44 Sumario Audio y vídeo digital. Estándares. Compresión Protocolos RTP y RTCP Vídeoconferencia. Estándares H.32x Pasarelas e Interoperabilidad Telefonía Internet

46 45 Telefonía sobre Internet Pretende aprovechar la red IP para la comunicación telefónica Requiere una red con bajo retardo y caudal garantizado (QoS) Además de digitalizar la voz es necesario ofrecer todas las funciones propias de una red telefónica: –Señalización –Funciones avanzadas: reenvío de llamadas, mensajería, etc.

47 46 Red Telefónica Red IP Call Manager Red IP Evolución de la telefonía Telefonía Tradicional Telefonía tradicional sobre backbone IP Telefonía IP V: voice card con gateway

48 47 Ejemplo de telefonía IP Red Telefónica pública SalamancaZaragoza Pamplona Red Telefónica pública 1 2 3 1 2 3 A 0976* por 1 A 0* por 2 Resto por 1 A 0923* por 1 A 0* por 2 Resto por 1

49 48 CONS vs CLNS Red Telefónica Red IP Dir. E.164: 1001 Dir. E.164: 2001 Dir. E.164: 1001 Dir. IP: 136.12.15.32 Dir. E.164: 2001 Dir. IP: 158.35.23.1 En caso de fallo la red telefónica no se recupera de forma automática En caso de fallo la red IP reenvía los paquetes por una ruta alternativa.

50 49 Teletrabajador Oficina Principal Sucursal ‘Moderna’ Sucursal ‘Antigua’ Red IP Red Telefónica Ejemplo de red de telefonía IP compleja

51 50 Telefonía Internet Cabecera Red CATV Internet RDSI Cable Modem Red Telefónica conmutada Modem Gateway H.323 (solo voz) Red ADSL Modem ADSL Línea dedicada Para ahorrar costos el gatekeeper elige la pasarela más próxima al destinatario. GK GSM Red analógica

52 51 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

53 52 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 QoS). –Mayores retardos (>200ms), posibles problemas de ecos

54 53 LAN con telefonía IP H.323 WAN con QoS (DiffServ o IntServ) Teléfono software (Netmeeting, GnomeMeeting, Softphone, etc.) El teléfono recibe alimentación eléctrica desde el switch LAN. Él mismo actúa como un switch de dos puertos 10/100 Call Manager (Gestor de telefonía IP) (Servidor Windows/XP) Tramas H.323 con alta prioridad (802.1p) Las tramas del teléfono van en una VLAN de alta prioridad (se usa 802.1p y 802.1Q)

55 54 Referencias Godred Fairhurst: Digital Televisión: The MPEG-2 Standard: http://www.erg.abdn.ac.uk/users/gorry/level2dp.pdf http://www.erg.abdn.ac.uk/users/gorry/level2dp.pdf Godred Fairhurst: MPEG-2 Digital Video: http://www.erg.abdn.ac.uk/public_html/research/future- net/digital-video/index.html http://www.erg.abdn.ac.uk/public_html/research/future- net/digital-video/index.html http://mpeg.telecomitalialab.com/ Página principal del proyecto OpenH323: http://www.openh323.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.openh323.org http://www.openphone.org/