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I sistemi di trasmissione video via Web

Massimo Boaron – www.euroteam.it

Questa nota ha lo scopo di chiarire le differenze fra i diversi tipi di servizi di trasmissione di video via Internet e quindi le diverse tecnologie che devono essere utilizzate per gestirli.

Gli utenti senza adeguate conoscenze tecnica spesso confondono i diversi servizi disponibili per la gestione del video via internet: questo può generare malintesi e portare alla fornitura di soluzioni che non soddisfano le necessità dell’utente.

Al concetto generico di “video” si associa spesso l'idea molto semplicistica di immagini in movimento: invece ogni tipo di applicazione richiede una propria modalità di distribuzione e di fruizione del flusso video. Volendo fare un paragone banale, sarebbe come richiedere un intervento medico, senza precisare se serve un pediatra, un dentista, un chirurgo o altro.

Le principali classificazioni delle trasmissioni video in Rete sono le seguenti:

  • Video On Demand (VOD): un server web contiene i file video, eventualmente suddivisi per argomento (canali tematici). Gli utenti possono selezionare i video da menu ("playlist") e gestirli coii comandi di start, stop, posizionamento su un nuovo punto.

  • Video in diretta (streaming live): dei software particolari consentono di effettuare trasmissioni in diretta da PC o da cellulare in viandole ad uno speciale streaming server, che le invia a tutti quelli che si collegano. Normalmente le trasmissioni vengono anche registrate per poi essere rese disponibili anche on-demand. Rete NeTVision, è un tipico esempio di sito da noi realizzato per gestire trasmissioni video sia live che on-demand.
    NB - La trasmissione in diretta richiede una compressione del video di buona qualità, ma questo introduce un ritardo di una decina di secondi. Quindi questa tecnologia non può essere usata per la videoconferenza e la videosorveglianza, dove si accetta una qualità inferiore, ma con ritardo massimo di mezzo secondo.

  • Web-TV a palinsesto (broadcasting): è un sistema che gestisce una sequenza di contenuti video in diretta o registrati, secondo un palinsesto predefinito. E' come una trasmissione televisiva classica: l'utente può vedere solo quanto il gestore decide di trasmettere, senza interagire con la sequenza dei contenuti.

  • IPTV: è sinonimo di Web-TV, ma spesso questo termine viene usato per trasmissioni in Internet con protocolli proprietari che si possono ricevere con "set-top-box" collegati al televisore, mentre la Web-TV è di solito associata alla ricezione con PC

  • Videoconferenza: più utenti si vedono e si parlano reciprocamente (caso particolare è la conferenza fra 2 punti)

  • Digital Signage: consente di gestire contenuti multimediali pubblicitari su schermi in luoghi pubblici (hall, supermercati, strade, ...). Per garantire un'ottima qualità e non consumare troppa banda non si può usare lo streaming live: i contenuti sono scaricati sui PC locali che poi li visualizzano sugli schermi direttamente collegati.

  • Videosorveglianza: una rete di telecamere invia in tempo reale le immagini a un punto centrale; funzioni aggiuntive, spesso essenziali: registrazione del video e registrazione solo se c’è movimento (motion detection). Contrariamente agli altri sistemi qui le telecamere hanno la funzione di server, da cui il video è trasmesso ai terminali degli addetti.

Le principali differenze fra questi servizi, che portano a tecnologie diverse, dipendono da:

  • topologia delle connessioni trasmittente-ricevente - nel video on demand e live si ha un server in trasmissione e molti browser in ricezione: quando ci sono molti utenti c'è l'esigenza di molta banda sul server (con seri problemi di costo); nella videoconferenza si ha una trasmissione magliata in cui ogni punto trasmette a tutti, e ognuno riceve da tutti: qui l’immagine si moltiplica in tutti i punti e spesso viene usato un server centrale che riceve e rimanda tutti i canali video; nella videosorveglianza al centro convergono i canali di molte telecamere che operano come server (N trasmittenti, 1 ricevente: quindi problemi di banda al centro)

  • trasmissione in tempo reale o meno (e cosa si intende per tempo reale) - se la videoconferenza ha un ritardo superiore a pochi decimi di secondo, il dialogo diventa innaturale e sgradevole; la videosorveglianza può avere ritardo di poco maggiore: un ritardo elevato è è negativo; il video on demand o il video live possono avere ritardi ben superiori senza creare problemi (è più importante la qualità)

  • qualità dell’immagine - nella videosorveglianza si possono utilizzare immagini in bassa definizione, per ridurre il consumo di banda e memoria; nella videoconferenza le esigenze sono molto variabili a seconda del livello formale della riunione, da 320x240 pixel in su; nel video l’elemento di paragone è la televisione (con una buona compressione una intervista a 300-400 kbps in Internet assomiglia all'immagine della televisione), mentre per scene in movimento l'esigenza di banda supera i 1000 kbps.

Compressione

Una normale trasmissione televisiva digitale richiede molti mega di banda per ciascun utente, cosa economicamente inaccettabile in Internet. Quindi qualunque sia il tipo di servizio la trasmissione video in Internet deve essere molto compressa. Per Internet oggi si utilizza solitamente lo standard MPEG4, che usa la codifica video H264, l’unico standard che dà una qualità ragionevole con una banda non eccessiva, compatibile con l’ADSL.

Altri standard di fatto sono Microsoft Media Player e Flash, presenti in tutti i PC con Windows, ma ormai superati, perché incompatibili con molti tablet e PC. Da poco è stato definito il nuovo standard H265 , che ha un coefficiente di compressione doppio rispetto al precedente.

I software di compressione sono molto comuni e per lo più gratuiti, quindi chiunque può comprimere video. Tuttavia per ottenere un risultato ottimale è necessario effettuare un corretto set-up dei molti parametri presenti in questi programmi: se si usano i valori di default la qualità è spesso mediocre, problema comune alla maggior parte dei video che si vedono in Internet.

Caratteristiche delle diverse applicazioni


1) Video on demand(VOD)


E’ una trasmissione:
  • 1 a 1 come contenuto: il server invia uno specifico video all’utente che l’ha richiesto; un secondo utente che voglia vedere lo stesso video ha una trasmissione a lui dedicata con lo stesso contenuto, ma con un diverso istante di inizio, cioè sfasata nel tempo, e del tutto indipendente dalla prima

  • 1 a molti come struttura di rete: 1 stesso server deve servire molti utenti allo stesso tempo

Quindi per ogni utente che si collega si deve creare un canale virtuale server-utente per la specifica trasmissione, per cui la banda richiesta in uscita dal server è pari alla somma di tutte le bande dei clienti attivi. Es. se al server sono collegati 100 utenti che vedono vari video a 500 kbit per secondo (500 kbps), è necessaria una banda di 100x500 = 50.000 kbps ( = 50 Mega) per gestire in parallelo tutto questo traffico.

Il video-on-demand ha una gamma molto ampia di applicazioni, che vanno dalla pubblicità in Rete, all’e-Learning, ai videocataloghi.

La trasmissione di contenuti registrati dà luogo a un certo numero di soluzioni particolari per ridurre i costi di cui le più importanti sono:

  • Streaming server - la soluzione professionale per un vasto pubblico, basata su un server molto potente con software specializzato per inviare i video a richiesta. I più sofisticati gestiscono canali adattivi a banda variabile: inviano immagini più piccole quanto più il collegamento Internet è lento

  • Download progressivo o pseudostreaming - il file è inserito in un server web e viene scaricato sul PC. Per la visualizzazione non è necessario averlo già scaricato tutto: il video è visualizzato mentre arriva.

Il protocollo di trasmissione http tipico del web è molto meno efficiente di quello specializzato per lo streaming, ma se non ci sono grandi volumi va benissimo ed evita i costi abbastanza elevati del server di streaming.

In ricezione si utilizzano player per ricevere la trasmissione video. Questi in passato erano basati su Flash, che però non funziona su apparati mobili Apple, meno potenti di quelli della concorrenza. Utilizzando HTML-5 il problema non sussiste più perché questo include già la gestione dei video.

Euroteam ha sviluppato due piattaforme in HTML-5 con playlist associata, particolarmente efficienti per applicazioni web-tv e per e-learning.

Video in diretta (Streaming live)

E’ una trasmissione 1 a molti (come la televisione) e questo può introdurre una semplificazione nella rete: il server che trasmette potrebbe inviare 1 solo canale video, basta che questo venga duplicato nei nodi intermedi di rete (routers): questa tecnica è detta “multicast”. La funzione di duplicazione è già prevista nei router, ma purtroppo quasi nessun Gestore la attiva, perché in programmi di successo può generare una quantità di traffico in Rete non prevedibile.

Nel Video-On-Demand non "live" e nella Web-TV la compressione viene fatta negli studi dopo il montaggio dei video, mentre nel caso "live" deve essere fatta in diretta.

Nel primo caso non ci sono problemi di tempo, quindi si possono usare algoritmi di compressione molto potenti, che a parità di banda danno immagini migliori. Spesso il video viene compresso in due passate per ottimizzare la compressione tenendo conto delle caratteristiche di tutto il film.

Nel secondo la compressione non può essere fatta più lentamente del video e deve essere obbligatoriamente a 1 passata. A differenza della videoconferenza o della videosorveglianza importa poco se la trasmissione è ritardata di qualche secondo, perché non ci sono problemi critici di interazione: questo consente di usare algoritmi più sofisticati che introducono sfasamenti temporali di 5-10 secondi o più.

In conclusione "non-live", "live" e videosorveglianza/conferenza hanno problemi diversi di fruibilità temporale, che implicano complessità di elaborazione e qualità progressivamente decrescenti, pur basandosi sullo stesso tipo di algoritmo.

In generale tutte le trasmissioni di tipo televisivo su Rete (live o on-demand), che possiamo chiamare Web-TV, richiedono elevata qualità e sistemi in grado di gestire eventuali problemi di banda per evitare interruzioni.

IPTV

Web-TV e IPTV di fatto hanno lo stesso significato, ma è invalsa l'abitudine di chiamare Web-TV un servizio di trasmissione video in Internet destinato alla ricezione con PC e IPTV un servizio per trasmissione video codificato in modo particolare, ricevibile mediante set-top-box collegato al televisore. A parte la codifica proprietaria, caratteristiche e vincoli trasmissivi sono gli stessi della Web-TV.

Un set-top-box è un sistema hardware, che contiene le funzioni principali di accesso ai servizi internet. Di fatto è una specie di PC specializzato e semplificato al massimo per ridurne i costi. Spesso l'IPTV è pensata come futuro sistema per erogare servizi video interattivi a pagamento.

Digital Signage

Il Digital Signage è un particolare tipo di sistema, che consente di trasmettere contenuti multimediali pubblicitari su una rete di schermi remoti installati in ambienti aperti al pubblico (hall, supermercati, strade, ...).

Questa applicazione è caratterizzata da contenuti che vengono decisi con molto anticipo e non vengono aggiornati spesso, quindi non è necessario trasmettere i contenuti in tempo reale dal server centrale: è possibile scaricare lentamente contenuti multimediali anche molto pesanti (video di buona qualità) sul disco dei PC remoti che gestiscono gli schermi. Invece si può inviare più frequentemente il palinsesto, un file molto leggero con la lista oraria dei contenuti da visualizzare. Questa soluzione consente un enorme risparmio di banda rispetto al video on-demand: con una ADSL di scarsa qualità si possono scaricare molte decine di video ad alta risoluzione, che vengono poi trasmessi ciclicamente per molti giorni.

Sistemi che utilizzano tecniche analoghe sono utilizzati per la proiezione di video a pagamento negli hotel: in questo caso nel server dell'hotel vengono scaricati tutti i film e un sistema locale collegato a quello centrale gestisce i pagamenti elettronici.

Videosorveglianza

La videosorveglianza richiede immagini di risoluzione e dimensioni non elevate. Il Centro di controllo è il punto critico perché vi si possono concentrare decine o centinaia di canali. Tuttavia non è pensabile di avere molti video sempre controllati a vista: in molte applicazioni è preferibile registrare tutto e poi eventualmente rivedere cosa è successo.

Per la videosorveglianza dove non vi è nessuno che si muova (es. uffici di notte, case disabitate, ..) è utile la funzione di Motion Detection, tipica di questa applicazione: la telecamera invia il video al Centro solo quando registra un movimento, come differenza fra 2 immagini successive.

Per effettuare la compressione è necessaria una forte velocità e potenza di calcolo, quindi è necessario un PC a cui si collega un apparato tipo webcam. Il PC può essere anche una piccola unità hardware dedicata integrata con la webcam.

Videoconferenza

La videoconferenza può essere realizzata effettuando tanti collegamenti bilaterali, ma di solito, per esigenze di pianificazione e gestione, si usa un server centrale che raccoglie ciascuna trasmissione e rimanda a ciascuno le immagini degli altri.

Questo implica una banda asimmetrica, ogni punto trasmette 1 canale e ne riceve N: questo è compatibile con l’ADSL che ha proprio una banda asimmetrica con parte entrante molto superiore a quella uscente. Il server invece deve avere una banda elevata in entrambi i sensi, e quindi deve essere installato in un punto servito con connettività Internet professionale.

Il caso di videoconferenza a 2 diventa invece molto più semplice perché non richiede il server, quindi si possono anche usare soluzioni gratuite reperibili in Internet (es. Skype).

E’ importante ricordare che nella videoconferenza si devono usare programmi o apparati specifici, perché è l’unico caso di trasmissione video bidirezionale: non sono quindi utilizzabili apparati per videosorveglianza o per web-TV.

NOTA: banda teorica e banda reale

Il flusso di dati e quindi la velocità di Internet non dipende solo dalla portata (la cosiddetta "banda") della linea finale, ma anche dalla gestione dell'intera rete: spesso internet è lento non perché il collegamento finale dell'utente non ha banda abbastanza larga, ma perché ci sono intasamenti nei nodi di rete o nel server che deve erogare il servizio richiesto. O più frequentemente perché il provider non compra abbastanza connettività verso la rete Internet mondiale per soddisfare le esigenze di tutti gli utenti e quindi questi si devono spartire quella disponibile. In questo senso la famosa “larga banda” proposta all’utente è spesso un’operazione di marketing per convincere l'utente a pagare di più, ma non corrisponde a un servizio come quello propagandato: spesso la banda reale è molto inferiore a quella propagandata. E' quindi consigliabile controllare sempre la banda realmente erogata dal carrier, utilizzando i tanti siti che fanno questo servizio.

A questo proposito è bene sfatare la leggenda della banda garantita: chi ha firmato un contratto che parla di banda garantita è stato semplicemente preso in giro, perché in reti IP (come quella usata da Internet) non è tecnicamente possibile garantire la banda. Solo il tratto finale della linea (i 2-3 km fra l'ultima centrale e l’utente) si può garantire perché è fisso (la velocità è data dal modem che la gestisce), ma questa può consegnare solo la banda che arriva all'ultimo nodo di rete, condividendola con tutti gli utenti che vi sono connessi.

Ciò è molto semplice da spiegare: Internet è una rete magliata in cui i flussi di traffico seguono percorsi del tutto casuali. Quindi non può essere determinato a priori il traffico nei tratti che di volta in volta collegano il cliente al server usato al momento, perchè vi passano casualmente dati di molti utenti. In relazione a ciò il carrier non può garantire lo stato dei canali, e soprattutto quando il server è esterno non può garantire lo stato delle reti esterne che la comunicazione deve attraversare. Vi sono altre reti molto diverse da Internet (es. ATM) che invece sono progettare per garantire una banda fissa: esse sono usate per altre applicazioni più critiche.

Un esempio tipico di questo errore concettuale è la convinzione che un abbonamento a una rete in fibra (es. Fastweb) garantisca una navigazione in Internet enormemente più veloce di una ADSL. Quando dall’interno di questa rete si esce su Internet si ricade nel problema di cui sopra, anzi nasce un problema in più: i gestori di queste reti non possono avere una banda infinita verso Internet, perché devono pagarla ai grandi carrier. Quindi se molti utenti cercano di vedere contenuti molto pesanti su siti esterni si crea un collo di bottiglia in entrata da Internet e la rete in fibra può diventare più lenta di una rete ADSL.


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