Nghiên cứu và xây dựng chương trình truyền thông đa phương tiện

Nghiên cứu và xây dựng chương trình truyền thông đa phương tiện Trần Thanh Long - Nguyễn Thành Nam 1 CHƯƠNG 0: GIỚI THIỆU................................................................................................4 CHƯƠNG 1: TÌM HIỂU CÁC CHUẨN NÉN ÂM THANH..........................................6 1. Giới thiệu: ...............................................................................................................6 2. Chuẩn nén G.711: ...................................................................................................6 2.1. Giới thiệu:......................................................................................................6 2.2. Tốc độ lấy mẫu: .............................................................................................6 2.3. Quy luật mã hoá: ...........................................................................................7 2.4. Truyền tín hiệu ký tự:.....................................................................................7 2.5. Mối liên hệ giữa luật mã hóa và cấp độ âm thanh:.......................................7 2.6. Sự chuyển đổi giữa A-law và µ-law : ............................................................8 2.7. Sự chuyển đổi giữa µ-law và A-law: .............................................................9 3. Chuẩn nén G.723: .................................................................................................12 3.1. Giới thiệu:....................................................................................................12 3.2. Cơ chế mã hóa:............................................................................................12 3.3. Cơ chế giải mã:............................................................................................14 4. Chuẩn nén G.729: .................................................................................................15 4.1. Giới thiệu:....................................................................................................15 4.2. Mô tả chung về bộ mã CS-ACELP: .............................................................15 4.2.1.Nguyên lý mã hóa: ......................................................................................16 4.2.2.Nguyên lý giải mã: ......................................................................................18 CHƯƠNG 2: TÌM HIỂU CÁC CHUẨN NÉN HÌNH ẢNH..........................................20 1. Giới thiệu: .............................................................................................................20 2. Chuẩn nén H.261: .................................................................................................20 2.1. Giới thiệu:....................................................................................................20 2.2. Đinh dạng ảnh nguồn của chuẩn H.261......................................................20 2.3. Ghép kênh H.261 (H.261 Multiplexing): .....................................................22 2.3.1.Picture layer: ..............................................................................................22 2.3.2.Group of blocks (GOB):..............................................................................23 2.3.3.Macroblocks: ..............................................................................................24 2.3.4.Block: ..........................................................................................................26 3. Chuẩn nén H.263: .................................................................................................26 3.1. Giới thiệu:....................................................................................................26 3.2. Những khác biệt giữa H.263 và H.261:.......................................................27 3.2.1.SubQCIF: ....................................................................................................27 3.2.2.Cách tính độ sai lệch tốt hơn: .....................................................................27 3.2.3.Độ chính xác trong việc dự đoán:...............................................................27 3.2.4.Cách xử lý truyền macroblock: ...................................................................27 CHƯƠNG 3: TÌM HIỂU VỀ VOICE OVER IP............................................................28 1. Giới thiệu về VoIP: ...............................................................................................28 2. Ưu điểm của VoIP so với PSTN:..........................................................................28 2.1. Tiết kiệm băng thông: ..................................................................................28 2.2. Đơn giản hóa:..............................................................................................29 2.3. Khả năng tích hợp: ......................................................................................29 2.4. Uyển chuyển trong quản lý:.........................................................................29 2.5. Quản lý tốt: ..................................................................................................29 2.6. Giá thành thấp:............................................................................................30 3. Các hình thức truyền thoại trên mạng IP: .............................................................30 Nghiên cứu và xây dựng chương trình truyền thông đa phương tiện Trần Thanh Long - Nguyễn Thành Nam 2 3.1. PC-PC : .......................................................................................................30 3.2. PC – Phone :................................................................................................30 3.3. Phone - Internet - Phone : ...........................................................................30 4. Nguyên tắc và mô hình hoạt động của VoIP: .......................................................31 4.1. Quá trình thiết lập một kết nối VoIP : .........................................................31 4.2. Mô hình hoạt động của VoIP:......................................................................31 5. Các nghi thức được sử dụng trong hệ thống VoIP:...............................................31 5.1. Giao thức UDP (User Datagram Protocol): ...............................................31 5.2. Giao thức RTP (Realtime Protocol): ...........................................................32 5.3. Giao thức RTCP ( RTP Control Protocol ): ................................................32 5.4. Giao thức RSVP:..........................................................................................32 5.5. SGCP: ..........................................................................................................33 5.6. MGCP:.........................................................................................................34 6. Các vấn đề liên quan đến chất lượng dịch vụ : .....................................................34 6.1. Mất gói và các giải pháp khắc phục tình trạng này: ...................................34 6.1.1.Tổng quan: ..................................................................................................34 6.1.2.Các giải pháp khắc phục: ...........................................................................34 6.2. Trễ gói..........................................................................................................35 6.2.1.Tổng quan ...................................................................................................35 6.2.2.Có hai giải pháp: ........................................................................................35 6.3. Network Jitter ..............................................................................................35 6.4. Kết luận: ......................................................................................................36 CHƯƠNG 4: TÌM HIỂU CÁC NGHI THỨC TRUYỀN THÔNG THỜI GIAN THỰC RTP (REALTIME PROTOCOL).......................................................................37 1. Giới thiệu giao thức RTP (Realtime Protocol): ....................................................37 2. Các khái niệm và định nghĩa được sử dụng trong RTP: .......................................37 3. Thứ tự byte, alignment và định dạng thời gian: ....................................................40 4. Nghi thức truyền dữ liệu RTP (RTP Data Transfer Protocol): .............................40 4.1. Các trường cố định trong RTP header:.......................................................40 4.2. Ghép kênh các phiên RTP (Multiplexing RTP sessions): ............................43 4.3. Những thay đổi trong đặc tả profile của RTP Header: ...............................44 4.3.1.Phần RTP header mở rộng (RTP Header Extension):................................45 5. Giao thức điều khiển RTP (RTP Control Protocol – RTCP): ...............................46 5.1. Cấu Trúc của gói RTP (RTP Packet Format): ............................................47 5.2. Các thông báo của bên gửi và bên nhận ( Sender and Receiver reports ):.49 CHƯƠNG 5: TÌM HIỂU CHUẨN H.323 VÀ THƯ VIỆN OPENH323 ......................56 1. Giới thiệu: .............................................................................................................56 2. Chuẩn H.323: ........................................................................................................56 2.1. Các ưu điểm của chuẩn H.323: ...................................................................56 2.2. Kiến trúc hệ thống H.323: ...........................................................................58 2.2.1.Terminal:.....................................................................................................59 2.2.2.Gateway: .....................................................................................................60 2.2.3.Gatekeeper: .................................................................................................61 2.2.4.MCU (Multipoint Control Unit): ................................................................63 2.3. Sơ đồ cấu trúc phân lớp: .............................................................................64 2.3.1.Video Codec:...............................................................................................65 2.3.2.Audio Codec:...............................................................................................65 2.3.3.Data Channel (Kênh dữ liệu):.....................................................................66 Nghiên cứu và xây dựng chương trình truyền thông đa phương tiện Trần Thanh Long - Nguyễn Thành Nam 3 2.4. Điều khiển hệ thống:....................................................................................66 2.4.1.Chức năng điều khiển H.245: .....................................................................66 2.4.2.Chức năng báo hiệu RAS H.225.0: .............................................................67 2.4.3.Chức năng báo hiệu cuộc gọi H.225.0: ......................................................68 2.5. Hội nghị đa điểm: ........................................................................................70 2.5.1.Hội nghị đa điểm tập trung:........................................................................70 2.5.2.Hội nghị đa điểm phân tán: ........................................................................71 2.5.3.Hội nghị đa điểm tập trung và phân tán kết hợp: .......................................71 2.6. Quy trình thiết lập cuộc gọi qua mạng H.323: ............................................71 2.7. Mối quan hệ giữa nghi thức H323 và mô hình OSI: ...................................77 2.8. Tổng kết: ......................................................................................................77 3. Thư viện OpenH323..............................................................................................78 3.1. Giới thiệu:....................................................................................................78 3.2. Cấu trúc phân lớp và phương thức hoạt động: ...........................................78 3.2.1.Cấu trúc phân lớp: ......................................................................................78 3.2.2.Ý nghĩa một số lớp trong thư viện:..............................................................81 3.3. Phương thức hoạt động: ..............................................................................85 CHƯƠNG 6: XÂY DỰNG ỨNG DỤNG TRUYỀN THÔNG ĐA PHƯƠNG TIỆN THỂ NGHIỆM ..................................................................................................................88 1. Mô hình thực tế: ....................................................................................................88 2. Xác định các yêu cầu: ...........................................................................................88 2.1. Các yêu cầu chức năng:...............................................................................88 2.2. Các yêu cầu phi chức năng: ........................................................................89 2.3. Mô hình giao tiếp giữa các thành phần trong hệ thống: .............................90 3. Đặc tả chung cho hệ thống và sơ đồ khối của các yêu cầu: ..................................91 3.1. Đặc tả chung cho hệ thống:.........................................................................91 3.2. Sơ đồ khối của một vài chức năng của client: .............................................92 4. Thiết kế cơ sở dữ liệu:.........................................................................................100 4.1. Các trường của bảng lưu thông tin user như sau:.....................................100 4.2. Các trường của bảng lưu thông tin danh sách các user trong contact list101 5. Thiết kế giao diện:...............................................................................................101 6. Cách thực thi hệ thống: .......................................................................................110 7. Cài đặt chương trình:...........................................................................................111 8. Đánh giá kết quả xây dựng ứng dụng: ................................................................111 9. Hướng phát triển chương trình:...........................................................................112 TỔNG KẾT .....................................................................................................................114 BẢNG THAM CHIẾU CÁC TỪ VIẾT TẮT ...............................................................115 CÁC TÀI LIỆU THAM KHẢO ....................................................................................118 Nghiên cứu và xây dựng chương trình truyền thông đa phương tiện Trần Thanh Long - Nguyễn Thành Nam 4 CHƯƠNG 0: GIỚI THIỆU Hiện nay với sự phát triển của xã hội, các dịch vụ, các ứng dụng về truyền thông đa phương tiện như điện thoại, nhắn tin, nghe nhac, xem phim, v.v… không còn xa lạ với mọi người. Song song với sự phát triển của xã hội hiện nay là sự phát triển của mạng máy tính, trong đó có mạng truyền thông đa phương tiện. Trong những năm trước đây, các dịch vụ truyền thông đa phương tiện đều rất khó thực hiện bởi vì ít có sự hỗ trợ về phần cứng, băng thông chính là điểm khó khăn cho việc truyền và nhận các tín hiệu âm thanh và hình ảnh. Tuy nhiên, với kỹ thuật phát triển như hiện nay, các tín hiệu âm thanh và hình ảnh có thể được nén và giải nén môt cách dễ dàng và băng thông không còn là vấn đề trở ngại đối với việc truyền nhận tín hiệu âm thanh, hình ảnh. Hội nghị video (video conference) là một minh chứng rất thuyết phục cho khả năng này của mạng truyền thông đa phương tiện hiện nay. Những kỹ thuật để phục vụ cho mạng truyền thông đa phương tiện hiện nay đã được nhiều người đi trước nghiên cứu chuyên sâu, tuy nhiên việc kết hợp các kỹ thuật này lại là một vấn đề mới, thú vị và rất cần thiết cho cuộc sống hiện nay. Do vậy, chúng em đã chọn đề tài “Nghiên cứu và xây dựng chương trình truyền thông đa phương tiện tích hợp” để làm đề tài luận văn tốt nghiệp của mình. Mục tiêu của đề tài là tìm hiểu các chuẩn truyền thông thời gian thực, các chuẩn nén âm thanh, hình ảnh, nghiên cứu bộ thư viện giao diện lập trình OpenH323 và từ những kết quả tìm hiểu được, xây dựng một hệ thống truyền thông giao tiếp trực tuyến sử dụng máy tính giữa nhiều người dùng trong các tổ chức hoặc công ty hoạt động phân tán tại nhiều vùng địa lý khác nhau, hoặc giữa các trường đại học, sử dụng cơ sở hạ tầng mạng nối kết giữa các vị trí đó (mạng cục bộ, đường truyền thuê bao riêng hoặc Internet). Nghiên cứu và xây dựng chương trình truyền thông đa phương tiện Trần Thanh Long - Nguyễn Thành Nam 5 Phương thức giao tiếp cho phép đa dạng, gồm nhiều phương thức thông qua nhiều loại phương tiện thông tin khác nhau (thông điệp ngắn, âm thanh, hình ảnh ..) nhằm đáp ứng những nhu cầu thông tin và điều kiện môi trường trong thực tế. Ngoài ra hệ thống còn cần có khả năng nối kết với phương tiện truyền thông truyền thống đang được sử dụng phổ biến như điện thoại để bàn nối kết với hệ thống điện thoại công cộng, điện thoại di động và hệ thống thư điện tử. Sự kết nối tích hợp này sẽ giúp làm tăng khả năng thông tin liên lạc xuyên suốt giữa các người dùng. Với khả năng còn hạn chế, luận văn này vẫn còn nhiều điều chưa hoàn tất, kính mong sự đóng góp ý kiến và giúp đỡ của quý thầy cô. Thành phố Hồ Chí Minh, 7/2003 Trần Thanh Long - Nguyễn Thành Nam Nghiên cứu và xây dựng chương trình truyền thông đa phương tiện Trần Thanh Long - Nguyễn Thành Nam 6 CHƯƠNG 1: TÌM HIỂU CÁC CHUẨN NÉN ÂM THANH 1. Giới thiệu: Như chúng ta đã biết, các tín hiệu âm thanh có dung lượng rất lớn nên rất khó khăn cho việc truyền dẫn mà vẫn đạt được một chất lượng tương đối trên cơ sở hạ tầng mạng hiện nay. Do vậy, việc nén các luồng âm thanh để có thể truyền trên băng thông thấp với chất lượng dịch vụ cao là một điều rất cần thiết. Hiệp hội viễn thông quốc tế, ITU-T ( International Telecommunication Union – Telecommunication ) đã đưa ra những chuẩn nén âm thanh mới nhất như G728, G729, G723.1 v.v… dành cho băng thông thoại thấp với tần số 300 Hz đến 3,4kHz. Tất cả các chuẩn này đều dựa trên chuẩn mã hóa CELP (Code-Excited Linear Prediction). Chuẩn nén âm thanh đã được tiêu chuẩn hóa trong mã ANSI-C với 2 lý do chính: • Độ tin cậy khi tương tác giữa các thiết bị. • Giá thành thấp và những tiện ích thực thi dựa trên 16 bit fixpoint DSP. 2. Chuẩn nén G.711: 2.1. Giới thiệu: Chuẩn G.711 là một chuẩn nén âm thanh được sử dụng rộng rãi cho các hội nghị âm thanh. Chuẩn này mô tả phương pháp mã hoá và giải mã âm thanh với tốc độ 64Kbps. 2.2. Tốc độ lấy mẫu: Một giá trị được đề nghị của tần số lấy mẫu là 8000 samples/giây. Độ sai sót thường là +/- 50 phần triệu. Nghiên cứu và xây dựng chương trình truyền thông đa phương tiện Trần Thanh Long - Nguyễn Thành Nam 7 2.3. Quy luật mã hoá: Mỗi mẫu âm thanh là một số nhị phân có tám bit được sử dụng cho phạm vi toàn cầu. ITU – T đưa ra hai quy luật mã hóa là mã hóa theo quy luật A và mã hóa theo quy luật µ. Khi sử dụng luật mã hóa µ trong mạng truyền thông thì việc chặn tất cả các tín hiệu ký tự 0 là yêu cầu nhất thiết. Giá trị lượng tử hóa là kết quả của luật mã hóa. Bất cứ sự chuyển đổi cần thiết giữa các quốc gia đều sử dụng quy luật µ. Sự chuyển đổi PCM: Giá trị ấn định (decision value) và giá trị lượng tử (quantizer value) của A-law được kết hợp với giá trị đồng dạng PCM. Sự chuyển đổi từ A-law hoặc µ-law từ giá trị đồng dạng PCM tương ứng với giá trị ấn đinh là một phần chỉ định của giá trị riêng lẽ. 2.4. Truyền tín hiệu ký tự: Khi tín hiệu ký tự được truyền tuần tự trong một tầng vật lý, bit số 1 (bit dấu) được truyền trước tiên và bit số 8 (bit ít có ý nghĩa nhất) được truyền cuối cùng. 2.5. Mối liên hệ giữa luật mã hóa và cấp độ âm thanh: Tín hiệu sóng hình sin 1kHz ở cấp độ nhỏ của 0 dBm0 được thể hiện ở bất cứ tần số âm thanh nào ở đẩu ra của bộ ghép kênh PCM khi một chuổi tín hiệu định kỳ của A-law (table 1) và µ-law (table 2) được dùng ở đẩu vào của bộ giải mã. Theo kết quả lý thuyết, giá trị Tmax = +3.14 dBm0 ứng với A-law và Tmax = +3.17 dBm0 ứng với µ-law. Nghiên cứu và xây dựng chương trình truyền thông đa phương tiện Trần Thanh Long - Nguyễn Thành Nam 8 2.6. Sự chuyển đổi giữa A-law và µ-law : Xem Table 3. Ghi chú: • Tín hiệu đầu vào của bộ giải mã A-law sẽ bao gồm sự đảo ngược các bit chẳn của giá trị đưa vào. Do đó tín hiệu đầu ra của bộ chuyển đổi µ-A sẽ có quá trình chuyển đổi các bit chẳn được thể hiện trong bộ chuyển đổi ở đầu ra. • Nếu bộ chuyển đổi µ-A được thay bằng A-µ thì hầu hết các octets sẽ được lưu trữ ở giá trị nguyên thủy của nó. Chỉ có những octet tương ứng với bộ giải mã µ-law ở đầu ra được đánh số 0,2,4,6,8,10,12,14 bị thay đổi (các con số được tăng lên 1). Hơn nữa trong các octets này, chỉ có bit 8 (thường ít giữ vị trí quan trọng trong PCM) thay đổi. Để phù hợp với những điều nói trên, bộ chuyển đổi kép µ-A-µ thường trong suốt đối với bit 1 đến bit 7. Table 1 Table 2 Nghiên cứu và xây dựng chương trình truyền thông đa phương tiện Trần Thanh Long - Nguyễn Thành Nam 9 • Tương tự như vậy, nếu bộ chuyển đổi A-µ được thay bằng µ-A chỉ có các octet tương ứng với bộ giải mã A-law ở đầu ra có số 26,28,30,32,45,47,63 và 80 bị thay đổi và bit thứ 8 cũng thay đổi. Kết quả là hầu hết dãy tín hiệu tần số âm thanh tương tự được đưa vào lượng tử hóa thường không cho kết quả chính xác bởi vì bộ chuyển đổi kép µ-A-µ hay A-µ-A không cho kết quả tốt hơn bộ chuyển đổi đơn µ-A hay A-µ. 2.7. Sự chuyển đổi giữa µ-law và A-law: Xem Table 4. Nghiên cứu và xây dựng chương trình truyền thông đa phương tiện Trần Thanh Long - Nguyễn Thành Nam 10 Table 3 Nghiên cứu và xây dựng chương trình truyền thông đa phương tiện Trần Thanh Long - Nguyễn Thành Nam 11 Table 4 Nghiên cứu và xây dựng chương trình truyền thông đa phương tiện Trần Thanh Long - Nguyễn Thành Nam 12 3. Chuẩn nén G.723: 3.1. Giới thiệu: Chuẩn G.723 giới thiệu một bộ nén có thể dùng để nén tín hiệu thoại hoặc những tín hiệu âm thanh khác của các dịch vụ đa phương tiện ở tốc độ bit rất thấp. Trong thiết kế của chuẩn này, nguyên lý ứng dụng làm việc ở tốc độ truyền bit rất nhỏ. Bộ mã hóa này được tích hợp hai tốc độ khác nhau: 5.3 và 6.3kbit/s. Cả hai tốc độ đều hỗ trợ bởi bộ mã hóa và giải mã. Chúng có thể chuyển đổi qua lại tại bất kì khung truyền (30 ms) nào. Với tốc độ 6.3 kbit/s chất lượng âm thanh tốt hơn. Bộ mã hóa này nén thoại với chất lượng cao ở cả hai tốc độ nhưng ít sử dụng kĩ thuật phức tạp. Các tín hiệu âm thanh khác sau khi được nén cho âm thanh có chất lượng không thực lắm. Về độ trễ, bộ mã hóa này mã hóa tín hiệu thoại và những tín hiệu âm thanh khác bằng những khung 30 ms, thêm độ trễ của phần chuyển đổi giữa các khung 7.5 ms, thời gian trễ tổng cộng là 37.5 ms. 3.2. Cơ chế mã hóa: Bộ mã hóa này được thiết kế để thực thi với một tín hiệu số. Tín hiệu này có được bằng cách thực hiện lọc tín hiệu tương tự đầu vào trong băng tần thoại, sau đó tiến hành lấy mẫu ở tần số 8000 Hz, tiếp theo nó chuyển đổi thành PCM tuyến tính 16 bit để đưa vào đầu vào của bộ mã hóa. Đầu ra của bộ mã hóa phải được chuyển đổi ngược lại sang tín hiệu tương tự bằng những cách tương tự. Những kiểu dữ liệu có đầu vào/đầu ra(input/output) khác, như dữ liệu PCM 64 kbit/s trong Khuyến nghị G711, phải được chuyển đổi sang PCM tuyến tính 16 bit trước khi mã hóa hoặc từ PCM tuyến tính 16 bit đến định dạng đúng sau khi giải mã. Luồng bit từ bộ mã hóa sang bộ giải mã được định nghĩa rõ trong chuẩn này. Bộ mã hóa dựa trên nguyên lý mã hóa phân tích bằng cách tổng hợp( analysis-by-synthesis) dự đoán tuyến tính và cố gắng tối thiểu tín hiệu trọng số lỗi một cách trực quan( conceptual). Bộ mã hóa hoạt động dựa trên những khối (frame 240 mẫu), tương đương với thời gian lấy mẫu là 30 ms ở tốc độ Nghiên cứu và xây dựng chương trình truyền thông đa phương tiện Trần Thanh Long - Nguyễn Thành Nam 13 lấy mẫu 8 kHz. Với mỗi block, trước tiến nó được đưa qua bộ lọc tần số cao để loại bỏ thành phần DC, sau đó chia vào 4 subframe, mỗi subframe có 60 mẫu. Ứng với mỗi subframe, bộ lọc mã hóa dự đoán tuyến tính (LPC filter– Linear Prediction Coder filter) cấp 10 được tính toán dùng những tín hiệu đầu vào chưa được xử lý. LPC filter cho subframe cuối cùng được lượng tử hóa dùng PSVQ (Predictive Split Vector Quantizer). Các hệ số LPC không được lượng tử hóa được sử dụng để xây dựng bộ lọc trọng số ngắn hạn(short-term perceptual we