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In Cooperation with SIEC
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Distribuzione Video: la rivoluzione dello streaming
La distribuzione AV punta verso soluzioni IP-based,
con una conseguente rapida evoluzione delle
prestazioni e dell’offerta dei prodotti.
Si analizzeranno vantaggi e debolezze delle
soluzioni streaming, mostrandone tutte le possibili
applicazioni in ambito Corporate ed Education
Agenda del Webinar
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Fondamenti sullo Streaming
Terminologia
Metodi di Compressione
Streaming e dintorni
Utilizzo dello streaming nei sistemi AV
Esempi di soluzioni streaming in contesti AV
Le nuove frontiere nei sistemi di Streaming, AV e ibridi
Domande
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Tutto parte dalla compressione dei segnali
video ed audio
Tutto nasce dalla necessità negli anni ‘90 di registrare
video e audio in maniera digitale e in quegli anni ci si
accorge che il file relativo ad un segnale video e/o audio
non compresso e quindi senza perdità di qualità aveva
spesso dimensioni importanti e che ne ostacolano la
trasmissione e il salvataggio su memorie di massa. (MP3
nel 1989 e MPEG-2 nel 1994)
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Un po’ di terminologia prima di parlare di
compressione
Courtesy of Jan Ozer
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Terminologia
• Terminologia di uso comune nello streaming :
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Banda
Data Rate
Frame Rate
Risoluzione
Modi di trasmissione
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Terminologia
• Banda
– La larghezza di banda della connessione è quella
che generalmente permette una visione fluida del
video distribuito.
– E’ legata alla velocità di connessione del
destinatario in Internet
– Dato che la banda è un costo anche per il
produttore di contenuti, esso cerca un giusto
compromesso tra video distribuito e capacità di
banda dei destinatari
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Terminologia
• Banda
– Esempio : Se avevo una connessione via
modem,dovevo distribuire al di sotto dei 28.8 Kbps
per permetterne la visione
– Molte delle TV per inviare un video a 640 x 480
impegnano una banda di circa 660-700 kbps
– Se vogliamo inviare un segnale 1080p compresso
avremo bisogno di una banda approx di 2-3 Mbps
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Terminologia
SMPTE 274M
• Banda di segnali
– Banda di un segnale [email protected] trasmesso in analogico ( SMPTE
reduced) = 148.5 Mhz
– Banda di un segnale [email protected] trasmesso in digitale ( SMPTE
reduced) = 740 Mhz, Data rate = 4.45 Gbps
In analogico … Banda = pixel clock
In digitale … Banda = pixel clock * 5 ( 8bit colore )
E il data rate……. 3 colori * 10 bits * 148.5 MPixels = 4.45Gbps
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Banda ( seguito )
• Codec differenti
necessitano di
differenti
larghezza di
banda
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Terminologia
• Data Rate ( o bit rate )
– E’ la dimensione del file video relativo ad un secondo di
dati, usualmente espresso in kilobits o Megabits
– Quando una TV distribuisce a 600 kbps significa che ogni
secondo di video, audio e dati comporta 600 kilobits di dati
– E’ il fattore più importante nella qualità video dello
streaming.
– Da qui la necessità di compressione “lossy” , però più
comprimi e più qualità perdi. Ovvero , a parità di
risoluzione, frame rate e codec, più si abbassa il data rate
e più si diminuisce la qualità video.
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Terminologia
• Bit Rate tipici in uso
– Un profilo regolare per H.264 per un segnale 1080p è di
circa 1500kbps, e un profilo di “alta qualità” è 1800kbps.
Dovendo aggiungere anche il contributo. audio si deve
aggiungere una banda di 128-256kbps (tipica di MP3 o
AAC.)
Per profili di altssima qualità a 1080p, si raggiunge un
bitrates di 3500kbps, incluso audio.
Traslando tutto in Mbps, si può dire che il range è da
1.4Mbps a 3.4Mbps.
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Terminologia
• Frame Rate
– Tipicamente i produttori di contenuti video che
riprendono a 24 fps distribuiscono a 24 fps, altri che
riprendono a 29.97 fps distribuiscono a 15 fps per
risparmiare banda.
– Nella scelta dei 15 fps bisogna tener presente il tipo
di video ( lips synch, azioni rapide etc. )
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Terminologia
• Risoluzione
– Si riferisce alle dimensione del video il pixels. La
maggior parte dei video vengono memorizzati a
720x480 ( definizione standard ) o 1920 x 1080 ( alta
definizione ) ma vengono ricampionati a risoluzioni
più basse per lo streaming
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Scelte nella produzione di Video
• Scelta 1 :
– Scegliere un data rate e poi generare la risoluzione
più alta adatta a quel data rate
• Scelta 2 :
– Scegliere la risoluzione desiderata e poi produrre un
data rate necessario per produrre una buona qualità a
quella risoluzione
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Modi di Trasmissione
– Streaming
– Download Progressivo
– Download & Play
Ci focalizzeremo solo sul primo modo
…..e torniamo a parlare di compressione…..
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Cosa é la compressione ?
• E’ una tecnologia che riduce
la dimensione di files video,
audio o di immagini
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Vediamo i metodi di compressione più diffusi
Compressione Video
Compressione Audio
Compressione Immagini
AVC/H.264
AAC
JPEG
HVEC/H.265
MP3
PNG
MPEG‐2
Dolby Digital
TIFF
JPEG2000
Targa
VP6…VP9
Molte di queste compressioni sono lossy, in contrapposizione con le tecniche lossless , con le quali invece , attraverso la decodifica , si può ritornare al file originale senza perdita di qualità ( tipo PKZip )
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Chi ne fa uso e quali codec utilizzano
Dispositivi
Codec
Formato Container
Lettore DVD
MPEG‐2
MPEG
Lettore Blu‐Ray
H.264/MPEG‐2
MPEG
Apple TV / Roku
H.264
MP4/MPEG‐TS
Dispositivi mobili
H.264
MP4
PC
vv
vv
Il Container format è un meta‐file le cui specifiche descrivono come i dati e i metadati sono memorizzati
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Vediamo i metodi di compressione più diffusi
• H.264/AVC ( o MPEG-4 Part10 )
– E’ un metodo di compressione video basato su blockoriented motion-compensation
– Nasce per migliorare il bit rate dei precedenti metodi
quali MPEG-2, H.263 e MPEG-4 Part2.
– E’ stato sviluppato dal VCEG del ITU-T insieme al
ISO/IEC JTC1 Moving Picture Experts Group (MPEG)
e finalizzato nel Maggio 2003
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H.264/AVC ( o MPEG-4 Part10 ) seguito
– Dal 2003 sono state rilasciate molte versioni fino alla
all’attuale versione 22 con importanti modifiche ed
aggiunte quali :
• Version 7 del 2007 : Profilo Predittivo e quattro Profili Intraonly
• Version 8 del 2007 : Introduzione del SVC ( Scalable Video
Coding )
• Versione 11 del 2009 : Introduzione del Profilo Multiview
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H.264 : metodo di compressione
• Lavora sui blocchi
– Splitta il frame in 4x4 -> 16x16 pixel blocks
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H.264 : metodo di compressione
• Ricerca dei blocchi doppi
– Trasferisce I blocchi doppi solo 1 volta
– 2°, 3°, …. Blocca solo la posizione
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H.264 : metodo di compressione
• Previsione dei blocchi
– Algoritmo per la ricerca della dependenza tra pixel
– Calcola con l’algoritmo il pixel
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• JPEG-2000
– Introdotto nel 2000, JPEG 2000 è uno standard in vari
settori incluso digital cinema, immagini per
diagnostica medicale, archiviazione documenti.
– Si basata sulla trasformata Wavelet discreta, tale
algoritmo usa dei banchi di filtri che posso essere
lossy o lossless. Lavora con dati a 18-bit di precisione
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• H.265/ HVEC
– E’ uno standard di compressione video approvato il
25 gennaio 2013
– HEVC migliora la qualità video, raddoppia il rapporto
della compressione dei dati rispetto ad H.264 e
supporta l'ultra definizione a 8k e risoluzioni maggiori
fino a 8192×4320
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H.265/HVEC
•
Al momento Encoder Hardware stentano a decollare per costo e
ingombro
~ 10.000 $ Copyright 2016 by InfoComm International®
Profili di uno standard di codifica
I Codec attuali definiscono una vasta gamma di funzioni la cui
implementazione richiede risorse hardware e software non indifferenti che non
tutti i dispositivi integrano.
Per questo motivo, in ogni prodotto vengono supportati solo alcuni profiles dello
standard del codec.
Per fare un esempio reale vediamo i profili dell’H.264.
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Profili del codec H.264
•
Include sette profili ( sets of capabilities), che mirano a classi specifiche di applicazioni:
Baseline Profile (BP): Primarily for lower‐cost applications with limited computing resources, this profile is used widely in videoconferencing and mobile applications.
Main Profile (MP): Originally intended as the mainstream consumer profile for broadcast and storage applications, the importance of this profile faded when the High profile (HiP) was developed for those applications.
Extended Profile (XP): Intended as the streaming video profile, this profile has relatively high compression capability and some extra tricks for robustness to data losses and server stream switching.
High Profile (HiP): The primary profile for broadcast and disc storage applications, particularly for high‐definition television applications. (This is the profile adopted into HD DVD and Blu‐ray Disc, for example.)
High 10 Profile (Hi10P): Going beyond today's mainstream consumer product capabilities, this profile builds on top of the High Profile, adding support for up to 10 bits per sample of decoded picture precision.
High 4:2:2 Profile (Hi422P): Primarily targeting professional applications that use interlaced video, this profile builds on top of the High 10 Profile, adding support for the 4:2:2 chroma sampling format while using up to 10 bits per sample of decoded picture precision.
High 4:4:4 Predictive Profile (Hi444PP): This profile builds on top of the High 4:2:2 Profile, supporting up to 4:4:4 chroma sampling, up to 14 bits per sample, and additionally supporting efficient lossless region coding and the coding of each picture as three separate color planes.
Multiview High Profile: This profile supports two or more views using both inter‐picture (temporal) and MVC inter‐view prediction, but does not support field pictures and macroblock‐adaptive frame‐field coding.
Fonte : Wikipedia
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Profili del codec H.264 ( seguito )
•
Include anche quattro profili “all-Intra”, definiti come subsets di altri profili base. Principalmente
definiti per un uso professionale :
• High 10 Intra Profile:
• High 4:2:2 Intra Profile:
• High 4:4:4 Intra Profile:
• CAVLC 4:4:4 Intra Profile:
Il profilo High 10 forzato ad uso all-Intra.
Il profilo High 4:2:2 forzato ad uso all-Intra.
Il profilo High 4:4:4 forzato ad uso all-Intra.
Il profilo High 4:4:4 forzato ad uso all-Intra e
con entropy coding CAVLC
Esistono numero trattati e testi che per esempio comparano i profili all‐Intra dell’H.264 come alternativa eccellente al codec JPEG‐2000
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Profili H.264
• Differenti
Funzioni
• Prestazioni
della CPU che
effettua la
compressione
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I and P Slices
B Slices
SI and SP Slices
Multiple Reference Frames
In‐Loop Deblocking Filter
CAVLC Entropy Coding
CABAC Entropy Coding
Flexible Macroblock Ordering (FMO)
Arbitrary Slice Ordering (ASO)
Redundant Slices (RS)
Data Partitioning
Interlaced Coding (PicAFF, MBAFF)
4:2:0 Chroma Format
4:2:2 Chroma Format
4:4:4 Chroma Format
8 Bit Sample Depth
9 and 10 Bit Sample Depth
11 and 12 Bit Sample Depth
8x8 vs. 4x4 Transform Adaptivity
Quantization Scaling Matrices
Separate Cb and Cr QP control
Monochrome Video Format
Residual Color Transform
Predictive Lossless Coding
Baseline
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Extended
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Main
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High
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High 10
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High 4:2:2
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High 4:4:4
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Yes
Qualche numero nel mondo TLC IP
http://stardot.com/bandwidth‐and‐storage‐calculator
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Dopo aver parlato di compressione e la
breve panoramica sulle principali codifiche
video e audio parliamo di streaming…..
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Streaming Media ovvero trasportare flussi di
dati video e audio
Il Termine Streaming nasce nei primi anni ’90 per descrivere video on demand su rete IP
I componenti base di un “network stream” sono i seguenti : ‐ Audio , normalmente compresso usando il formato Advanced Audio Coding (AAC) o MP3. ‐ Video, normalmente compresso usando le codifiche H.264 o JPEG2000. Il flusso viene inviato un protocollo di trasporto quali il Real‐time Transport Protocol (RTP) e poi controllato da un altro protocollo quale il Real‐time Streaming Protocol (RTSP). che verrà descritto in seguito
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Streaming Media ovvero trasportare flussi di
dati video e audio
Esempio di Streaming IP
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Banda, qualità, latenza: sceglierne due…
Bassa Latenza
Banda limitata
Little buffering
MJPG 2000
h.264
h.265 HEVC
Lots of buffering
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Alta qualità video
Tecnologia alla base dello Streaming
• Quando si deve effettuare una codifica sono tre i
parametri obiettivo che devo essere bilanciati:
– Bitrate ( più si abbassa il bitrate e più si diminuisce la qualità video, già
discusso nella slide 10 )
– Latenza, Il tempo che l'encoder e decoder
necessitano per elaborare il fotogramma video :
quale è la latenza massima accettabile ?
– Qualità ….
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Latenza
• Ragioni della latenza nello streaming
Compressione
Rete
Buffering
Decompressione
+ Compressione e decompressione ~300ms
+ La rete può amplificare tale valori …..1ms -> X seconds
+ Buffering auto definito
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Salvataggio o Streaming
• Una volta codificato il video, si procederà a
combinarlo con altri streams quali tracce audio e
tracce di dati ausiliari.
• I differenti streams sono impacchettati in un
container e possono essere salvati (.mp4, .avi, o
.ts) o inviati (“streamed”) usando la rete Ethernet
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Tipi di Codifica Video
•
Codifica Inter-frame (H.264)
E’ un efficiente metodo di codifica. Durante la codifica, molti frames video vengono suddivisi in gruppi di immagini (GOP). Il GOP è il set di dati che l’encoder utilizza per creare il flusso compresso. Nell’illustrazione vediamo GOP, I‐
Frame, B‐Frame e P‐
Frame
Codec Inter‐Frame : H.264, MPEG‐4, MPEG‐
2, e AVCHD
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Parliamo in dettaglio della codifica
Tipo di Frame
Tipo
Definizione
B‐Frame usa le informazioni del precedente e successivo I‐Frame e del P‐Frame per calcolare il cambiamento nell’immagine.Questo Frame ha meno informazioni e si basa sulle altre informazioni quando disponibili
I‐Frame è l’immagine piena e fornisce tutto il necessario al decoder per creare un frame. Sono i meno comprimibili
P‐Frame usa le informazioni del precedente e successivo I‐Frame per calcolare il cambiamento dell’immagine. I P‐Frame sono meno comprimibili degli I‐Frame
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Parliamo in dettaglio della codifica H.264
• Frames I e P
– I-Frame o Intra-Frame
• Frame completo
– P-Frame (Predictive Inter Frame)
• Solo cambiamento
I‐Frame
transferred
not transferred
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P‐Frame
P‐Frame
Confronto tra vecchi standard e nuovi standard …..a parità di banda
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Tipi di Codifica Video
•
Codifica Intra-frame (JPEG2000)
E’ un metodo di codifica che invia unicamente frames
pieni. Ha il vantaggio di una bassa latenza ma lo svantaggio di un’occupazione di banda molto alta.
Codec Intra‐Frame :
MJPEG, JPEG 2000, DNxHD, Cinema DNG e Prores
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Confronto tra le due codifiche
Codifica Inter‐Frame
Vantaggi
Svantaggi
Codifica Intra‐Frame
Qualità dell’immagine molto buona
Bassa latenza
Bassa occupazione di banda
Minore distorsione se un dato viene perso
o è corrotto
Alta latenza
Occupazione di banda molto grande
Necessità di vari frames per la decodifica
Minore diffusione a livello di prodotti che
ne fanno uso Mostra distorsioni se un dato viene perso
o è corrotto
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Lo Streaming usa protocolli di trasporto e di
streaming per controllare il trasferimento dei
dati.
• Protocolli di Trasporto
• Protocolli di Streaming
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Tipici Protocolli di Trasporto
• Datagram Protocol (UDP) e Transmission Control
Protocol (TCP)
– UDP è un semplice protocollo con minore ridondanza. E’ usato per
comunicazioni uno-verso-tanti e per trasmissioni real-time in cui la
temporizzazione dei dati è importante. UDP non ha meccanismi di riprova o
gestione per la correzione di errori.
– TCP garantisce la consegna con meccanismi di prove multiple e gestione degli
errori. E’ usato principalmente per comunicazioni uno-a-uno. TCP non è la scelta
migliore per streaming audio e video
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Protocolli di Streaming
• I Protocolli utilizzati nello streaming sono : Real-time Control
Protocol (RTCP), Real-time Streaming Protocol, e Real-time
Transport Protocol.
–
–
–
RTCP porta statistiche e informazione dello stream. Viene usato per assicurare qualità del
servizio regolando il flusso RTP stream in modo che possa gestire le mutevoli condizioni
della rete.
RTSP è usato in congiunzione con RTP e RTCP. Questo protocol non fa stream dei dati ma
agisce come mezzo per settare il trasporto e il controllo del flusso. Offre controllo del
trasporto quali pausa e ricerca del streaming media.
RTP definisce un formato compatto standardizzato per la distribuzione di audio e video su
reti IP. Questo protocollo viene utilizzato nelle telecomunicazioni e nei sistemi A/V che fanno
streaming. Vi sono stream separate RTP per l’audio. RTP non è incapsulato.
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Esempio di processo di connessione RTSP
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Esempio di processo di connessione RTSP
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The client connects to the server from a URL. The client issues the OPTIONS command. The server responds with the options it supports (typically, DESCRIBE, SETUP, TEARDOWN, PLAY, and PAUSE). The client issues the DESCRIBE command. The server responds with the session description, which defines the streams available (audio, video formats, IDs, etc.) The client issues the SETUP command for each stream requested. At this point, the client usually requests the ports to which the server should send the data. The server responds, confirming the ports to which it sends the data and informing the client from which port the data originates. The client issues the PLAY command to start the stream. The client can specify where to start and end the stream, or it can play the whole stream. The server responds, confirming the URL and starts playing. The media is now playing and the client is receiving. The client issues the TEARDOWN command to stop the stream. 10.The connection is closed on the server side. 11.The connection is closed on the client side. Copyright 2016 by InfoComm International®
Connettersi ad un flusso (Stream)
•
Le due modalità per collegarsi ad uno stream sono il multicast o l’unicast.
Sessione Multicast
Sessione Unicast
Multicast è la consegna di messaggi o informazioni ad un gruppo di computer di destinazione contemporaneamente in un’unica trasmissione dalla sorgente
Il consumo totale di banda al trasmettitore è la quantità utilizzata da un singolo flusso.
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Esempio di sessione Multicast
Multicast
• Come funziona?
– IGMP – Internet Group
Management Protocol
– Molti switches supportano
IGMP senza
configurazione
– Se lo switch non supporta
IGMP, lo switch tratta il
traffico multicast alla
stessa maniera del
broadcast.
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Network
Client
Network
Client
Join
Multicast group
(IGMP)
switch
Network
Client
Network
Client
sorgente
Multicast
Network
Client
Network
Client
Network
Client
Router
Router
Network
Client
Router
Network
Client
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Router
Network
Client
Sorgente di streaming
Connettersi ad un flusso (Stream)
•
Le due modalità per collegarsi ad uno stream sono il multicast o l’unicast.
Sessione Multicast
Sessione Unicast
Unicast è la consegna di messaggi o le informazioni a una singola destinazione di rete identificata da un indirizzo univoco.
Una trasmissione Unicast invia gli stessi dati per tutte le destinazioni possibili.
Le Sessioni Unicast sono collegamenti diretti tra il client e il server
Il consumo di banda viene moltiplicato per il numero dei client
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Esempio di sessione Unicast
Connettersi ad un flusso (Stream)
Unicast via RTSP è il metodo più diretto e semplice per fare streaming. Supponiamo che il mio generatore di streaming abbia
una banda massima di 25.000 kbps.
Per calcolare il numero massimo di dispositivi che si possono collegare si deve applicare la formula :
25.000 kbps
Banda del dispositivo target
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= Numero dei dispositivi supportati
Esempio di sessione Unicast
Considerazioni conclusive e suggerimenti su quanto visto fin qui
1. Lo streaming deve confrontarsi sempre con la prestazioni della rete ethernet di trasporto
e sul traffico medio della rete stessa senza inficiare le attività del client anche nelle
ore di massimo impegno
2. Qualità, latenza massima e occupazione ( impegno ) di banda sono delle specifiche iniziali di progetto e non dei dati da valutare a posteriori
3. Anche la scelta di soluzioni Unicast o Multicast condizionano la progettazione della rete LAN di supporto e anche dell’hardware dedicato alla rete e delle configurazioni
necessarie
4. La scelta di un tipo di streaming rispetto ad un altro deve essere scelto anche in base ai ̋target client ″ e all’hardware di decodifica e rela vo costo perme endone una reale fruibilità di tutti gli utenti.
5. Non pensiamo in bianco e nero…pensiamo anche a soluzioni ibride..poin‐to‐point e streaming
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Considerazioni conclusive e suggerimenti su quanto visto fin qui
Streaming é una scelta importante, ma non sempre è la scelta
giusta….va valutata….
Streaming
Point to point
Infrastruttura economica
Latenza Zero
Distribuzione BYOD
Nessuna configurazione di rete
Senza limiti di distanze
Video non compresso
Ampio accesso alle sale
Qualità video massima
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Vediamo ora le applicazioni di streaming
In ambito AV
Un’alternativa alle Matrici AV dove queste non sono realmente necessarie
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Esempi di soluzioni con trasmissione
in streaming
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AUDITORIUM con SCHERMI 4K & STREAMING
Auditorium con sistema di distribuzione 4K , annotation
e streaming
Latenza 0 in sala , latenza accettabile all’esterno o in altre
sale
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LE SOLUZIONI STREAMING
Distribuzione all’interno di un campus universitario
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LE SOLUZIONI STREAMING
Distribuzione all’interno di un edificio di media grande azienda basata su uffici singoli, meeting room e
Sale di grandi dimensioni
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LE SOLUZIONI STREAMING
Nessun limite al trasporto di dati video ed audio utilizzando una rete dati ben
strutturata
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Costruire uno streaming scalabile
• Connette ogni sala alla
rete IT
• Ogni sorgente delle sale
verso tutti i display
dell’edificio
• Utilizzando un media
server è possibile
inviare i contenuti verso
qualsiasi dispositivo
mobile e verso internet
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UN PROGETTO PILOTA INNOVATIVO
Encoder/decoder
Insegnante che spiega nell’aula e lo streaming viene inviato allo studente remoto
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Encoder/decoder
Lo studente riceve lo stream
ma può a fine lezione inviare essere ripreso live (video e audio ) per porre quesiti
Si parla di HTTP Live Streaming
E’ un formato utilizzato da Apple per distribuire
HTTP Live Streaming ( HLS) verso dispositivi
Apple e lettori compatibili. Viene anche utilizzato
da registratori video digitali.
E’ un Container Format ! ( MPEG‐2/TS ) Copyright 2016 by InfoComm International®
Si parla di HTTP Live Streaming
•H.264 @ 30Hz e 60Hz
•16x9
•8 varianti video :
•Gear 1 - 480x270 @ 775 kbps
•Gear 2 - 640x360 @ 1.2 Mbps
•Gear 3 - 768x432 @ 1.5 Mbps
•Gear 4 - 960x540 @ 2.5 Mbps
•Gear 5 - 1280x720 @ 3.5 Mbps
•Gear 6 - 1920x1080 @ 5 Mbps
•Gear 7 - 1920x1080 @ 6.5 Mbps
•Gear 8 - 1920x1080 @ 8 Mbps
•I-Frame variants (fast-forward / rewind support)
•4 audio renditions
•AAC-LC - 48 kHz stereo @ 161 kbps
•AC-3 - 48 kHz 5.1 @ 384 kbps
•EC-3 - 48 kHz 5.1 @ 192 kbps
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Si parla di VP-9
VP‐Next è uno standard di compressione video aperto e libero da royalty
sviluppato da Il rilascio ufficiale il 17 giugno 2014
Alcune smart TV supportano lo standard VP9 con risoluzione 4K
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Dispositivi di streaming ??
Encoder ……Si trova di tutto : Box , Schede per PC, Schede da inserire in matrici ibride, registratori con Possibilità di rec & stream ……
Decoder …..come sopra … la scelta è ampia e va valutata in base ai costi e ai requisiti del cliente
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Domande??
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• http://www.infocomm.org/cps/rde/
xchg/infocomm/hs.xsl/44243.htm
• infocomm.org/webinars
• infocomm.org/recordedwebinars
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