Алгоритмы работы с изображением

5.2. Интерактивное телевидение

В последнее время благодаря широкому внедрению цифрового телевидения и новых стандартов передачи изображения ( MPEG -2) открылись возможности для "телевидения по требованию" (интерактивного телевидения — TV on demand) — системы, где клиент может самостоятельно и индивидуально формировать ТВ-программу. Первые опыты такого рода в США относятся к 1995 году. Эти системы базируются на существующих сетях кабельного телевидения. Но развитие оптоволоконных технологий позволяют ожидать полной интеграции кабельного цифрового телевидения и информационных сетей Интернет. Общая схема такой системы показана на рис. 5.13.

Рис. 5.13. Схема реализации интерактивного телевидения

Базовый мультимедийный сервер может обслуживать отдельный район города. В пределах квартала размещается промежуточный центр, где расположен локальный буферный сервер, который записывает фрагменты программ, заказанные локальными клиентами. Только новостийные и некоторые спортивные программы передаются в реальном масштабе времени, все фильмы берутся из локальной фильмотеки или предварительно записываются в накопитель из центрального мультимедиа-архива. Транспортной средой здесь может стать ATM, SDH, Fibre Channel или IEEE-802.17. Оптическое волокно доходит до квартального сервера или даже до дома клиента. В этом случае по имеющимся каналам может передаваться не только программа телевидения и осуществляться телефонные переговоры, но и выполняться полное информационное обслуживание. Сюда может включаться, помимо заказа ТВ-программ, подписка на газеты, заказ билетов на транспорт или в театр, получение прогноза погоды и данных о состоянии дорог, доступ к базам данных, включая библиотеки и фонотеки, оповещение о пожаре или вторжении и многое другое.

Особый интерес представляет возможность практически полного вытеснения традиционных газет. Клиент сможет получать только интересующие его статьи из любых газет (и только их и оплачивать). Если какая-то статья представляет интерес и он захочет почитать ее позднее в машине или на даче, ее можно распечатать на принтере, подключенном к его телевизору-терминалу.

Цены на цветные принтеры в настоящее время опустились до 100 долларов и ниже, таким образом, нужная копия уже сейчас дешевле стоимости газеты. Экономия на бумаге и средствах доставки очевидны, да и необходимость в типографиях отпадет, ведь даже книги можно будет получить непосредственно дома, хотя привлекательность данной услуги и не вполне однозначна — хорошо сброшюрованная и переплетенная книга будет привлекательным объектом еще долго. Массовое внедрение таких технологий будет стимулировать падение цен на соответствующие процессоры и принтеры. Интерактивная схема подключения телевизора-терминала сделает возможным многие новые виды развлечений, а также совершение многих покупок, не выходя из дома. Традиционной почте подписала отсроченный приговор почта электронная, но появление интерактивных широкополосных средств завершит многовековую историю почты (да и телеграфа). Ей будет оставлена доставка товаров, билетов и документов. Побочным продуктом прогресса в данной области станет общедоступный видеотелефон. Схема видеосервера представлена на рис. 5.14.

Видеосервер может содержать несколько процессоров (ЦПУ) со встроенной локальной памятью. Такой сервер должен иметь несколько систем архивов и достаточно мощный сетевой канал. Один кинофильм требует для записи около 4 Гбайт. Используемые запоминающие устройства образуют иерархическую структуру: ЗУПВ (запоминающее устройство с произвольным доступом), дисковая память ( RAID — Redundant Array of Inexpensive Discs), CD и картриджи магнитных лент. ЗУПВ имеют минимальное время доступа, относительно малую емкость и достаточно высокую цену, а магнитные ленты, наоборот, относительно дешевы, характеризуются большим временем доступа, но достаточно большой емкостью. Сетевой интерфейс связывает сервер с центральной инфраструктурой телевизионной сети. Но нужно учитывать, что одна из главных составляющих видеосервера на рисунке не показана — это управляющее программное обеспечение, которое должно решать проблему буферизации и шифрования огромного объема данных для достаточно большого числа клиентов.

Рис. 5.14. Блок-схема видеосервера для интерактивного телевидения

Главными средствами доставки данных в системе интерактивного телевидения являются: ADSL (Asymmetric Digital Subscriber Line), FTTC (Fiber To The Curb), FTTH (Fiber To The Home) и HFC (Hybrid Fiber Coax). Главная проблема — система связи с конечными клиентами. Здесь существует достаточно широкое многообразие технических средств. Разработчики решений данной проблемы исходили из предположения, что практически каждый дом в США, Европе и Японии уже имеет вводы скрученных пар телефонных проводов, допускающих получение информационных потоков > 1,55 Мбит/с. Схема ADSL -соединения показана на рис. 5.15. К интерфейсу помимо телевизора может быть подключена и ЭВМ. Схема эта принципиально асимметрична, исходящий поток клиента не может превышать 16 Кбит/c. При этом сохраняется традиционный аналоговый телефонный канал (4 КГц). Полосы скоростного входного канала клиента вполне достаточно для передачи цифрового ТВ-сигнала в стандарте MPEG -1. Максимальное расстояние для такого соединения составляет 2 км.

Система FTTC предполагает наличие оптического канала до квартала, где живет клиент. На конце волокна устанавливается блок ONU (Optical Network Unit), от которого к клиентам прокладывается до 16 скрученных пар. Малая длина медных соединений позволяет получить большую пропускную способность. Эта система благодаря симметрии канала допускает осуществление видеоконференций для работающих на дому.

Рис. 5.15. Схема раздачи ТВ-данных с помощью ADSL

Система FTTH обеспечивает оптический канал до дома клиента, по этой причине она имеет очень высокую стоимость, но зато способна обеспечить скорость передачи 51,84 или 155,52 Мбит/с.

Если системы ADSL, FTTC и FTTH осуществляют связь по схеме "точка-точка", то HFC ориентирована на топологию систем кабельного телевидения. Предполагается замена современных коаксиальных ТВ-кабелей (300-450 МГц) на кабели с полосой 750 МГц (125 6-мегагерцных каналов). 50 новых каналов будут модулированы с использованием QAM-256, что даст 40 Мбайт/с на канал. Один кабель обслуживает до 500 домов. Из-за общего кабеля система HFC должна использовать шифрование, чтобы исключить несанкционированный доступ (что совершенно излишне для систем ADSL, FTTC и FTTH). Это совсем не дешево для американских фирм, ведь им нужно заменить все кабели и оконечное оборудование, заменить однонаправленные усилители и т.д. В РФ, где ничего этого нет и нужно начинать с нуля, можно легко создать любую совершенно новую систему. Указанные методы подразумевают, что конкретному клиенту предоставляется один или более MPEG -потоков. Для декодирования и отображения таких потоков необходим специальный сетевой интерфейс. Все это подталкивает к решению, объединяющему возможности сети и традиционного телевизионного приемника. Вариант такого решения представлен на рис. 5.16.

Рис. 5.16. Структура интерфейсного оборудования клиента

Интерфейс клиента в этом случае содержит в себе ЭВМ (ЦПУ, ЗУПВ и ROM), к рабочей шине которой подключен сетевой интерфейс, MPEG -декодер и устройство сопряжения с телевизором и пультом дистанционного управления. Главной задачей этого оборудования — согласование с местной системой распределения видеоданных, синхронизация видео- и аудиосигналов. К ТВ-интерфейсу может быть подключен телефон или персональная ЭВМ. ЗУПВ объемом 500 Кбайт позволяет буферизовать поток MPEG -2 в течение 1 секунды. Функцией встроенной ЭВМ является дешифровка потока цифровых данных, что позволяет отключить от сети клиентов, не оплативших аренду канала. Эта ЭВМ может использоваться для организации компьютерных игр, как индивидуальных, так и групповых, а также для обработки запросов клиента и центральной станции обслуживания. Одним из возможных протоколов транспортировки мультимедиа-данных является MBone (Mulicast Backbone). Выработка стандарта интерактивного телевидения еще не завершена. Применение Mbone предполагает использование маршрутизаторов, которые поддерживают этот протокол и соответствующие протоколы маршрутизации (DVMRP и PIM).

В последнее время разрабатываются системы частного телевидения, где видео- и аудиопотоки формируются самими клиентами (сети peer-topeer).

Жилье клиента будет оборудовано оптоволоконным кабелем, завершающимся интерфейсной коробкой с разъемами для подключения телефона, телевизора и ЭВМ. Даже современные ограниченные скорости передачи позволяют решить стоящие проблемы. Во-первых, люди не смотрят телевизор круглые сутки, это позволяет ночью или в рабочее время, когда клиент на службе, произвести передачу нужных фрагментов ТВ-программы на локальный сервер. Во-вторых, популярность фильмов и программ не однородна, что также снижает требование на широкополосность. Известно, что наиболее популярный фильм запрашивается примерно в К раз чаще, чем фильм, занимающий к -е место в списке популярности (эмпирический закон Ципфа (Zipf), выведенный из статистики контор по прокату видеокассет). Это означает, что из предлагаемого списка будут выбраны не все фильмы, а наиболее популярные фрагменты программ можно передавать по схеме MBONE, минимизируя загрузку каналов. Способствовать решению данной проблемы будет и появление CD с емкостью 4 Гбайта. Но проблем здесь остается немало — так, трудно себе представить, что все клиенты захотят смотреть один и тот же фильм в одно время. Решение подобной задачи потребует очень большого объема буферной памяти и ощутимо поднимет требования к широкополосности канала. "Синхронизовать" клиентов можно будет дифференциацией оплаты для разных временных интервалов и группированием клиентов, заказавших близкие времена начала демонстрации фильмов (можно решить проблему путем копирования фильмов на диск оконечного клиента). Но, несмотря на все эти ухищрения, локальные серверы должны будут иметь сложную иерархическую систему буферной памяти, базирующуюся на разных принципах работы (CD, магнитная лента, дисковая память и даже RAM).

Практическая реализация фантастической схемы, предложенной в предыдущем абзаце, уже осуществляется в США и Канаде. Предстоит написать огромное число различных сервисных программ, но все базовые технологии уже существуют.

MPEG-3 разрабатывался для систем телевидения высокой четкости с разрешением 1920x1080x30 при скорости потока данных 20-40 Мбит/с. Этот формат стал частью стандарта MPEG -2. Формат MP3 (не надо смешивать с MPEG-3 ) предназначен только для сжатия аудиоинформации. В формате МР3 предусмотрено три вида сжатия двухканальных аудиоданных join stereo, stereo, dual channel (последний обеспечивает наилучшее качество).

Принципиально новым шагом в обработке мультимедиа стал стандарт MPEG -4, где впервые был введен объектный подход к анализу изображений и звука. Здесь же введено понятие сцены и базовые принципы ее описания, заложены основы интерактивного взаимодействия слушателя/зрителя со сценой, впервые рассматриваются в практической плоскости вопросы интеллектуальной собственности.