Технологии передачи аудиоинформации через Интернет

Балтийская Государственная Академия Рыбопромыслового Флота

  КАФЕДРА Судоавтоматики и Вычислительной техники   ДОКЛАД

на тему

СОВРЕМЕННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ ПЕРЕДАЧИ АУДИОИНФОРМАЦИИ ЧЕРЕЗ ИНТЕРНЕТ

 

 

 

 

 

Выполнил: студент группы К-11

Ефимов А. Е.

Научный руководитель: доцент кафедры СА и ВТ

Плешков В. М.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Калининград

2000

В настоящий момент Интернет – глобальная компьютерная сеть, своеобразная сеть сетей, подобна мировому океану информации, однако не стихийной, а структурированной и упорядоченной, подчиняющаяся самым передовым в мире законам и нормам информационного права, являющаяся самой демократичной и доступной практически каждому жителю Земли. Интернет, вместе со своими меньшими братьями (корпоративными сетями) Интранет, давно и уверенно трансформируется в направлении от элитарной коммуникационной среды для обмена данными среди ученых и специалистов к прообразу мировой коммуникационной мультимедийной супермагистрали, одинаково пригодной в качестве среды для множества видов профессиональной деятельности и бизнес-применений, включая такие виды массового обслуживания, как торговля, информационная и развлекательная индустрия, средства массовой информации.

Разработчики аппаратно-программных приложений к ПЭВМ давно уже прошли этап освоения мультимедиа-функций для отдельно стоящих персональных компьютеров и компьютеров в локальных вычислительных сетях. Теперь многие сосредоточили свои усилия на передаче аудио- и видеоданных в режиме реального времени в компьютерных сетях. Если объединенные усилия увенчаются успехом, то Интернет станет привычной и повседневной рабочей средой для не только для телефонии и видеоконференций, но и для радио- и телевизионного вещания, причем такие традиционные вещательные проблемы как сложный рельеф местности или расстояние от студии до слушателей и зрителей, так же как нехватка эфирных частот в больших городах и промышленно развитых странах, могут просто перестать быть значимыми, причем даже быстрее, чем кажется.

Передача звука в реальном времени

Компания Progressive Networks разработала расширение языка HTML для прослушивания звуковых файлов с помощью системы RealAudio, состоящей из сервера, где хранятся звуковые файлы в гипертекстовом формате, и "проигрывателя", встраиваемого в программу просмотра. Щелчком мыши по значку звуковой связи на Web-странице пользователь инициирует непрерывную передачу пакетов информации с сервера по сети Интернет. "Проигрыватель" системы RealAudio вместе со звуковой картой персонального компьютера превращает этот поток данных в звук.

Как и многие другие компании, Progressive Networks ориентирует систему RealAudio на использование модемов со скоростью передачи 14,4 или 28,8 Кбит/с, которые установлены у большинства пользователей. Звуковая информация при этом пересылается сервером в виде непрерывного потока по протоколу транспортного уровня с доставкой данных без предварительного установления соединения User Datagram Protocol (UDP). Данные по упрощенному протоколу UDP передаются с большей скоростью, так как нет механизма повторной передачи, который протокол TCP использует для предотвращения потери части данных. В результате можно лишиться около 20% (в худшем случае) исходящих пакетов, что не всегда приводит к снижению качества, поскольку существующие алгоритмы обработки звукового сигнала довольно точно восстанавливают оригинал при потере части данных.

Специалисты предсказывают дальнейшее повышение качества звука по мере совершенствования ПЭВМ. В настоящий момент при пересылке звукоданных через модемы на скорости 14,4 Кбит/с обеспечивается качество звучания, как у радиоприемников с амплитудной модуляцией (АМ-качество). Однако при увеличении скорости передачи до 28,8 Кбит/с можно добиться качества звучания радиоприемников с частотной модуляцией (ЧМ-качество). В общем, перспектива получения качественного звука с помощью микросхем обработки цифровых сигналов, расположенных на звуковой плате или в модеме, выглядит весьма привлекательно.

 

Компьютерная телефония

Самой заметной из последних новинок звуковых коммуникаций в Интернет является ПО, позволяющее географически удаленным пользователям устанавливать телефонную связь через Интернет и платить за нее намного меньше, чем за такой же звонок по обычным телефонным линиям. Попросту говоря, шлюз способен соединить обыкновенный телефон с сетью Интернет. Но данные могут поступать и из других источников. В теории ограничений на способ связи нет: вы можете воспользоваться компьютером (если общаются два компьютера, иногда можно обойтись вовсе без шлюза), обыкновенным телефоном, радиопередатчиком, и т.п.

В общем виде схема связи выглядит так:

Абонент 1 - [локальная телефонная сеть 1] - [шлюз 1] - Интернет - [шлюз 2] - [локальная телефонная сеть 2] - Абонент 2.

Ключевым элементом интернет-телефонии является связка шлюз – Интернет. Шлюз представляет собой компьютер-сервер, дополненный специальными платами расширения и соответствующим программным обеспечением. Он служит интерфейсом между передающим звук устройством пользователя (телефоном, компьютером и т.п.) и сетью Интернет. Шлюз обеспечивает прием и преобразование данных в форму, удобную для пересылки по Сети (и обратное преобразование). Абоненту всего лишь нужно связаться с ним тем или иным способом. Шлюз, имеющий выход в Интернет, передаст по Сети данные на другой такой же шлюз, ближайший к абоненту номер 2, после чего, претерпев обратное преобразование, звук достигнет цели своего путешествия.

Но, какое влияние оказывает сеть Интернет на звуковой сигнал? Рассмотрим варианты использования интернет-телефона и оценим воздействие Сети в различных случаях.

1) Компьютер - компьютер

Два компьютера, подключенные к сети Интернет, могут общаться без посредников. Из общей схемы исчезнет шлюз, поскольку необходимость преобразования сигнала отпала (если быть более точным, в качестве шлюза выступает некая программа - интернет-телефон, запущенная на обоих компьютерах). Данные сразу передаются по стандартным протоколам Интернета, поэтому помехи проникнуть в пакет данных не могут. Единственное негативное воздействие помех – задержка пакетов. Неудивительно, что именно задержки являются главной проблемой интернет-телефонии. Причин их возникновения несколько. Одни связаны с принципом построения сетей TCP/IP и особенностями коммутации пакетов, другие зависят от общей загрузки сети, качества линии связи и скорости модема. Если задержка превышает 250 миллисекунд, она становится заметной. Поскольку программа не контролирует контекст передаваемого разговора, паузы вклиниваются в беседу случайным образом – чаще на полуслове. Окончание слова возникает в наушниках или колонках после секундного затишья. Повлиять на качество звука можно, лишь купив более быстрый модем и выбрав провайдера с мощными каналами связи.

2) Телефон - телефон

Звонок по такой схеме внешне мало,чем отличается от обычного телефонного. Последовательность действий такова: сначала набирается телефонный номер ближайшего шлюза интернет-телефонии (предварительно нужно подписаться на его услуги); затем после переключения телефонного аппарата в тоновый режим, набирается номер абонента; вводится идентификационный номер – и далее следует разговор Счет за разговор через сеть Интернет окажется значительно меньше (иногда на порядок) счета за идентичный по времени разговор по традиционному междугородному телефону.

Для связи в режиме телефон - телефон не нужен ни компьютер, ни модем (подключение к сети Интернет и связанные с этим расходы тоже не потребуются). До шлюза сигнал передается как и обычные телефонные звонки. При этом в него (как и в любой другой телефонный сигнал) могут примешаться помехи. На уровень задержек, а следовательно, на комфортность и качество разговора в режиме телефон – телефон влияние оказывают лишь пропускная способность линий связи провайдера интернет-телефонии и загруженность сети Интернет на маршруте следования пакетов. В настоящий момент, технологически проблема качества звука решается путем оптимизации задержек на пути следования сигнала. Из нескольких возможных система выбирается наименее загруженные маршруты; где это допустимо, повышается приоритет голосовых пакетов. Кроме того, ни под каким видом не допускается перегрузка собственных каналов традиционным трафиком. За счет этих мер паузы в разговоре удается сделать практически незаметными даже в часы максимальной загрузки.

Претендуя на полноценный сервис, фирма, предлагающая услуги интернет-телефонии, обязана обеспечить своим клиентам возможность позвонить на любой телефон мира. Причем для этого совсем не обязательно создавать большое количество шлюзов повсеместно, Интернет позволяет провайдерам интернет-телефонии обмениваться трафиком, пере адресуя звонки друг другу.

Если в непосредственной близости от абонента шлюза все-таки не оказалось, звонок отправляется по обычным телефонным маршрутам. Однако и в этом случае его стоимость оказывается существенно ниже стоимости прямой телефонной связи.

3) Компьютер - телефон (телефон - компьютер)

Установив на свой компьютер программу интернет-телефонии, пользователь не утратите возможности связаться с не владеющим компьютером человеком. Напротив, компьютер существенно расширит возможности связи и облегчит дозвон. Чтобы в полной мере использовать возможности интернет-телефона, необходимо подписаться на услуги провайдера интернет-телефонии.

Виртуальный офис

С помощью интернет-телефонии можно организовать "виртуальный офис", связав через сеть Интернет представительства фирмы в разных городах. Достаточно поместить в компьютеры специальные платы расширения (например, Dialogic), превратив их тем самым в шлюзы, установить программное обеспечение VocalTec и подключиться к Интернету. Стоимость звонка в этом случае окажется эквивалентной лишь сумме, выплачиваемой провайдеру за пользование Интернетом. Кому бы то ни было платить за международную/междугородную связь уже не придется. Телефонной связью можно оснастить даже веб-страницу. Пользователь щелкнет по ссылке и получит возможность поговорить, например, с оператором службы поддержки вашей фирмы. Нужно сказать, что подобный сервис доступен только посетителям, имеющим на своем компьютере программу интернет-телефонии или подключаемый модуль (plug-in) к броузеру.

Интернет-телефония в России

На сегодняшний день существует довольно много программ для голосового общения в Сети. К сожалению, не все друг с другом совместимы. Несмотря на то, что существует общий стандарт, основанный на рекомендациях Н.323 ITU (International Telecommunications Union), большинство разработчиков, хотя и включают его в новые версии программ, предпочтение отдают собственным протоколам передачи и сжатия данных.

Наверное, главным "монстром" интернет-телефонии является Internet Phone фирмы VocalTec. Internet Phone сохраняет очень хорошее качество звука даже при скорости 14 400, имеет многолюдные чат-серверы и серверы конференций. Компания VocalTec, нацеливаясь на наиболее емкий сегмент рынка, оптимизировала пакет Internet Phone для работы с модемами V.32bis со скоростью передачи 33.6 Кбит/с, число которых, по данным корпорации IDC, к концу 2000 г. вырастет до 80 млн. Одновременно продолжается совершенствование алгоритмов восстановления потерянных пакетов для повышения качества воспроизведения речи. А внедрение модемов со скоростью передачи 56.6 Кбит/с позволяет передавать речь и одновременно работать с другими приложениями Интернет.

Другие программы по своим функциональным возможностям стоят на несколько ступенек ниже, однако, и они иногда демонстрируют неплохие результаты. Можно отметить, наверное, первую отечественную разработку, интернет-телефон Easy Talk фирмы AMSD. Программа максимально приспособлена к российским проблемам телефонных линий. Вы можете услышать голос собеседника даже при скорости передачи данных 2400! Причем программа автоматически отслеживает изменения в линии, при необходимости снижая или повышая качество звука. Для свободного общения организован чат-сервер. В ближайшее время планируется создать шлюз в городскую телефонную сеть.

Из систем, хорошо работающих на низких скоростях, определенный интерес может представлять программа Free Tell. Она привлекает, прежде всего, маленьким размером (около 300 кб) и неплохим качеством звука. Немаловажно и то, что программа распространяется бесплатно.

Нельзя не упомянуть еще одного лидера в области услуг связи компьютер-телефон, фирму Net2Phone. Сетью телефонных серверов Net2Phone (сравнимой с сетью Delta Three) охвачены практически все мало-мальски развитые регионы. Система позволяет пользователям сети Интернет звонить на обычный телефон, не отходя от компьютера (и только так: в режиме телефон-телефон система не функционирует). У программы Net2phone удивительно хорошее качество звука даже на медленных линиях. В этом легко убедиться, загрузив последнюю версию программы. Она позволяет бесплатно звонить на телефонные номера, начинающиеся с 800 и 888 - бесплатные американские и европейские номера (ими, как правило, оснащены службы поддержки крупных компаний). Перед началом работы с программой нужно зарегистрироваться на сервере и выбрать себе идентификационный код. Однако если вы захотите получить возможность звонить на любой другой, кроме 800-ых, телефонный номер, вам придется открыть собственный счет (или приобрести дебетную карту), с которого и будут взиматься деньги за каждую минуту разговора.

Радиовещание в Интернет

Появилось несколько возможных способов применения звуковых потоков в Интернет. Почти очевидным стало перенесение систем радиовещания из обычного радиоэфира в цифровые сети. Тысячи радиостанций установили у себя потоковые серверы и начали передавать свои обычные «живые» программы в Интернет.

История радиовещания насчитывает не один десяток лет, и здесь уже давно произошло разделение по жанровому признаку. Одни радиостанции передают только новости, комментарии, интервью, а другие – только различную музыку. Немало радиостанций работают в смешанном режиме, т. е. регулярно передают новости, а между ними – тематические программы. И наконец, радиостанции так называемого иновещания используют особенный формат, учитывающий условия распространения радиоволн и поясное время в местах приема.

В принципе руководство радиостанций стремится обеспечить качество приема через Интернет, по крайней мере, не хуже, чем с помощью радиоволн. Это означает, что речь желательно передавать в полосе частот до 5-6 кГц, а музыку – до 10-12 кГц, причем в стереофоническом режиме, т. е. передавать два канала одновременно.

Однако скорости передачи звуковых потоков в Интернет для большинства потенциальных слушателей все еще ограничены, и приходится идти на некоторые компромиссы. Усовершенствование алгоритмов кодирования позволило получить вполне удовлетворительное качество звука при умеренной скорости передачи. С учетом реального положения дел сложился ряд значений скоростей, применяемых для радиовещания через Интернет. Хотя новостные и тематические передачи неплохо звучат при скорости потока всего 8 Кбит/с, многие радиостанции используют скорость 16 Кбит/с. При такой скорости хорошо воспроизводится и музыка, а для стереофонической передачи музыкальные радиостанции используют скорость потока 20 Кбит/с. Качество воспроизведения такого сигнала уже можно признать отличным.

Форматы передачи звукоданных

Как уже стало понятно из вышеизложенного звук сегодня является действительно неотъемлемым элементом мультимедийных домашних страниц в Интернет. Современные звуковые технологии в Интернет ориентированы на решение самых разнообразных задач – от вещательной передачи звуковых фрагментов в реальном масштабе времени до традиционных систем с растянутой во времени загрузкой файлов и последующим их воспроизведением, причем применяются для этого самые различные форматы передачи звукоданных.

Сегодня в распоряжении пользователей целый ряд стандартных форматов звуковых файлов:

WAV (от waveform - форма сигнала), или просто wave-файлы. Это наиболее распространенный формат звукоданных в компьютерах на платформе IBM/Windows. (При наличии соответствующего программного обеспечения можно воспроизводить WAV-файлы на персональных компьютерах платформы Macintosh и других системах);

AU (Sparc-аудио) является одним из самых старых звуковых форматов для Интернет и средства его воспроизведения разработаны практически для всех компьютерных платформ;

AIFF (Audio Interchange Format) - формат обмена звуковой информацией, особенно распространенный на платформе Macintosh. Он широко применяется в мультимедиа- приложениях, но не является общепринятым в Web;

MIDI (Musical Instrument Digital Interface) - интерфейс электронных музыкальных инструментов. Данный формат представляет не оцифрованный звук, а ноты и другую информацию, с помощью которой можно затем синтезировать музыку. Формат MIDI имеет широкую поддержку и позволяет получить компактные файлы, но в Интернет полезен лишь для ограниченного класса приложений;

MPEG - (Moution Picture Enhancing Group) стандартизованное в ИСО (стандарты 11172-3 и 13818-3) семейство форматов различного уровня сложности с гибкими возможностями сжатия аудио- и видеоданных.

В то же время MPEG еще не настолько распространен, как многие привыкли считать, и разработка и стандартизация MPEG еще не завершена (сейчас готовится новый стандарт MPEG-4). И, несмотря на хорошее качество и высокую эффективность передачи, аппаратно-программные средства кодирования и декодирования MPEG пока не так уж распространены.

Звуковые файлы форматов AU и WAV воспроизводятся вспомогательными приложениями и интегрируемыми модулями, но собственная поддержка данных форматов в пользовательских программах-браузерах (навигаторах) по Интернет, наиболее распространенных сегодня - Netscape 3.0 и Internet Explorer 3.0 отсутствует. Качество воспроизведения формата WAV не настолько хорошее, как можно было бы ожидать от файлов такого размера. MIDI-файлы могут аппаратно воспроизводиться звуковыми картами персональных компьютеров (такими, например, как SoundBlaster) и по качеству напоминают мелодии, издаваемые простым электромузыкальным клавишным инструментом.

Если необходим звук профессионального качества при высоком уровне уплотнения, то единственным выбором является формат MPEG. Он дает приемлемые результаты и в тех случаях, когда очень хорошее качество необязательно, однако такой недостаток программного обеспечения для его воспроизведения, как реализация только в виде вспомогательных приложений, а не интегрируемых модулей или собственных средств браузеров, нередко заставляет отдавать предпочтение другим форматам.

Хотя в общем случае при загрузке и воспроизведении звуковых файлов через Интернет следует придерживаться стандартных форматов, один патентованный формат заслуживает особого упоминания. Это RapidTransit фирмы FastMan. В нем используется схема адаптивного уплотнения волнового сигнала. Например, 30-секундный музыкальный фрагмент "Hootie and the Blowfish" такого же качества, какое достигается воспроизведением записи с компакт-диска, в неуплотненном виде занимает объем 2,69 Мбайт, а после сжатия в формате RapidTransit - всего 90 Кбайт. Патентованные форматы предлагают то, чего не хватает многим "стандартным" форматам цифрового звука, а именно возможности организации непрерывного потока данных (т.е. передачи в реальном масштабе времени). Потоковые звукоданные не требуют дискового пространства и допускают произвольный доступ к любому месту звукового файла.

Между тем у поточных звукоданных есть несколько потенциальных недостатков.

Во-первых, чтобы в достаточной мере сжать звукоданные для поточновой передачи, приходится жертвовать качеством звукопередачи. Во-вторых, сами протоколы Интернет не приспособлены к непрерывному поточному обмену. Каждый, кому в течение какого-то времени приходилось работать с Интернет, без сомнения, сталкивался с периодически возникающими задержками.

RealAudio - звук "в реальном времени"

Впервые практическая передача звука через Интернет в непрерывном поточном режиме была реализована в разработках фирмы Progressive Networks. На ее узле RealAudio для пересылки непрерывных звукоданных вспомогательному приложению браузера, интегрируемому модулю Netscape (Shockwave Xtra) или элементу управления ActiveX используется специальный программный сервер. Благодаря наличию средств воспроизведения на всех основных компьютерных платформах RealAudio является сегодня наиболее распространенным форматом непрерывной передачи звукоданных в Интернет.

Формат передачи звукоданных RealAudio (*.ra) сегодня самый популярный в Интернет, его используют большинство крупных звуковых служб и звуковых серверов, в Интернет. В настоящее время, несмотря на значительную конкуренцию и архитектурные ограничения, формат RealAudio доминирует на рынке звуковых средств в Интернет.

"Бессерверные" методы звукопередачи в Интернет

Многие фирмы, которые хотели бы сделать доступной через Интернет звуковую информацию ограниченного объема, не могут позволить себе выделить для этого специальный сервер. К счастью, существует ряд решений, позволяющих использовать для этого уже имеющийся Web-сервер. Одним из наиболее рациональных вариантов реализации звуковой поддержки домашних страниц в Интернет является технология TrueSpeech компании DSPG.

Алгоритм кодирования звукоданных TrueSpeech создает достаточно компактные файлы, что позволяет передавать непрерывные звукоданные на линиях с пропускной способностью 14,4 Кбит/с, сохраняя при этом такое же качество, как RealAudio. При небольшой буферизации TrueSpeech способна передавать поток интегрируемому модулю или вспомогательному приложению, функционирующим в программной среде Macintosh или Windows.

Среди других популярных "бессерверных" аудиотехнологий можно упомянуть лишь формат ToolVox фирмы Voxware. Предлагая впечатляющий алгоритм работы, способный сжимать звуковые файлы с коэффициентом 53:1, ToolVox реализует непрерывную звукопередачу даже для пользователей Интернет, работающих на линиях с пропускной способностью 2400 бит/с. Однако такое чудо возможно лишь для низкокачественной передачи речи. Как сообщает фирма-разработчик в своей документации, Voxware не подходит для музыки и даже на речи иногда дает неудовлетворительные результаты.

На фоне отвлеченных споров о будущем Интернет, о протоколах и стандартах, призванных обеспечить внедрение новейших технологий, отрадно наблюдать, как одна из них – передача звукоданных – развивается практически. Причем в данном конкретном случае понятно назначение информации и известны ее потребители. Разработанные звуковые технологии масштабируемы, опираются на уже существующие стандарты и готовы к переносу в более скоростные сети, как только те станут реальностью. Тогда по сети будут передаваться звуковые потоки с качеством CD и без всяких перерывов.

Список литературы:

-      Новости мира компьютерных технологий №4 , 1999 г.

-      Network World №6, 1999 г

-      LAN Magazine (Russian Edition)

-      Системный Интегратор // Территориально-распределенные сети:
выбор технологии