Luca Battistelli, streaming e distribuzione AV over IP

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L’Ing. Luca Battistelli

L’Ing. Luca Battistelli, dopo un’introduzione sui concetti di streaming e distribuzione AV spiega, con la semplicità e perizia per cui è ormai conosciuto e stimato ai più, gli argomenti dell’occupazione di banda dei segnali AV trasmessi – in particolare in relazione alla risoluzione e campionamento colore – e delle molteplici soluzioni di compressione intra-frame e inter-frame.

Tra le prime soluzioni, ricordiamo gli standard di compressione MJPEG, JPEG2000 (o MotionJPEG2000) e VC-2.

Motion JPEG (M-JPEG) è un codec video nel quale ogni singolo frame del video viene compresso in una immagine JPEG, non genera compressione interframe, prescindendo dal movimento espresso dal flusso di immagini. Una compressione molto diffusa nei sistemi basati su IP grazie all’efficiente compressione JPEG e alla capacità di gestire bene risoluzioni alte.

JPEG 2000 è un altro standard di compressione che si basa su processamenti discreti dei wavelet. Un wavelet, o “ondicella” come ricordava Battistelli, è una forma d’onda scalata in un periodo finito e traslata in una lunghezza breve utile per meglio computare e processare i segnali da comprimere. Il JPEG 2000 suddivide l’immagine in porzioni di immagine che vengono codificate e decodificate separatamente processandone le relative wavelet.

Il VC-2 è un codec a bassa latenza che impiega la trasformazione delle wavelet e la codifica entropica anche ad alti bit rates. Questo sistema di compressione deriva dal codec proprietario della BBC Dirac ma è di fatto una codifica free.

Anche il MJPEG, come il VC-2, è un codec open mentre il JPEG2000 è a tutti gli effetti uno standard proprietario – introducendo così costi più alti – inoltre, l’MJPEG e il VC-2, presentano il vantaggio di essere meno complessi garantendo bassa latenza e alta qualità.

Tra i codec Inter-frame vanno annoverati invece quei sistemi che sono in grado di contemplare il movimento presente nel flusso video, come l’H.264 e l’H.265. I frame seguenti al primo trasmettono solo le differenze permettendo una previsione che viene definita motion compensation. I codec inter-frame si adattano più efficientemente al contenuto video ottimizzandone la banda in favore dell’uso più idoneo di questi codificatori nello streaming via internet.

In termini di latenza il primato tra i codec citati va assegnato al VC-2, in grado di attestarsi a 1 frame di latenza o inferiore con un rapporto di compressione 5:1. MJPEG e JPEG2000 salgono a 2 frame e rapporto 10:1. Questi codec sono in grado di offrire un regime di compressione di alta qualità visually lossless. Il JPEG 2000 offre maggiore qualità e prestazioni, tuttavia essendo un codec proprietario ha costi maggiori per i codificatori, come già accennavamo prima. H.264 e H.265 si attestano a 10 frame su rapporto di compressione 20:1, ed offrono una qualità inferiore rispetto ai precedenti.

Battistelli affronta dunque i concetti di streaming Unicast e Multicast. Il metodo Unicast vede un solo device trasmittente che genera un numero di streaming dipendenti quanti sono le destinazioni riceventi. Il limite di questo sistema sta nel tratto tra il trasmittente e il punto di switching, là dove la banda occupata è proporzionalmente maggiore, indipendentemente che il contenuto sia lo stesso per tutti i riceventi o sia diverso. Lo streaming Multicast, tra i cui protocolli ricordiamo UDP Multicast e lo standard dell’AV professionale AVB/TSN, invece utilizza un solo segnale e occupa meno banda; tuttavia, in questo caso lo switch di rete deve fare il lavoro maggiore ed occupa tutte le proprie porte per indirizzare i flussi a tutti i device destinatari.

I requisiti di rete, ossia ciò che lo switch deve supportare per poter gestire streaming affidabile e di alta qualità, sono molteplici e consistenti: l’IGMP (Internet Group Management Protocol) che consente una gestione efficiente del multicast; i Jumbo Frame, frame di dati maggiori di 1.500 byte; il QoS (Quality of Service) che serve a garantire le priorità dei dati AV in caso di streaming o VoIP; la gestione del Power over Ethernet (standard di alimentazione via rete IEEE 802.3af in grado di erogare fino a 15,4W per dispositivo) o PoE+ (fino a 30W); connettività 10GBE o – ancora meglio – 40GBE; e infine essere switch non-blocking, in altre parole switch capaci di gestire il loro massimo di banda su tutte le porte a pieno regime e contemporaneamente. Tutte queste caratteristiche rendono questi switch particolarmente performanti, da una parte, ma anche relativamente più costosi dall’altra.

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