در این قسمت انگیزه‌ها و اهداف و کار خود را در این رساله ارائه می‌کنیم.

1-1- انگیزه ها و اهداف جریان سازی

امروزه برنامه‌های پخش ویدئوی برخط با سرعت زیادی رو به رشد هستند و این در نتیجه‌ی نگاه تولیدکنندگان محصولات ویدئویی به مدل‌های تجاری جدید، در دسترس بودن پهنای باند وسیعتر برای شبکه‌ی دسترسی (در اینترنت، در شبکه‌های سلولی، در شبکه‌های IP خصوصی و … ) و انقلاب در توسعه‌ی سخت‌افزار‌های جدید با قابلیت‌های بالا در بازتولید و دریافت جریان‌های تصویری میباشد.

برای نمونه، حجم ویدئوی موجود در اینترنت سالانه دوبرابر می‌شود،‌ و این در حالی است که تقاضا با ضریب سه افزایش می‌یابد. در اینترنت، سرویس‌های انتشار ویدئو بطور وسیعی با استفاده از زیرساختار شبکه‌ی تحویل محتوا (CDN) گسترش می‌یابند، که این زیرساختار‌ها، مجموعه‌ای از سرورها (که در نقاط استراتژیکی در هر سوی اینترنت قرار گرفته‌اند) هستند که بطور ناپیدا[1] برای تحویل محتوا به کاربرهای انتهایی با یکدیگر همکاری دارند. با این وجود، از آنجایی که پهنای باند گرانترین منبع در اینترنت است و تحویل ویدئو یکی از سرویس‌هایی است که بیشترین تقاضا برای آن وجود دارد، سرویس‌های ویدئوی زنده هنوز از نظر تنوع و قابلیت دسترسی، با محدودیت روبرو هستند. [1]

روشی که این روز‌ها محبوب شده، شامل استفاده از ظرفیت عمده بلااستفاده کلاینت‌ها برای به اشتراک گذاری توزیع ویدئو با سرورها از طریق سیستم‌های نظیر به نظیر تکامل یافته کنونی است. این رویکرد همچنین از ازدحام در شبکه‌ی محلی جلوگیری میکند؛ چرا که در این حالت سرورها (کلاینت‌های دیگر) می‌توانند بطور وسیعی نزدیک کلاینت نهایی باشند. ایراد اصلی این روش آن است که کلاینت‌ها (که در این متن نظیر‌ها نامیده می‌شوند) با نرخ بالایی به طریق خودمختار و کاملا غیرهمگام، قطع و وصل می‌شوند. این فرایند منجر به چالش اساسی در طراحی نظیر به نظیر می‌شود: چگونه کیفیت مورد نیاز کلاینت‌ها را در یک محیط با تغییرات زیاد به آنان عرضه نماییم.

قطع اتصال نظیر‌ها می‌تواند منجر به از دست رفتن اطلاعاتی شود که می بایست به شخص دیگری ارسال میگردید. توزیع ویدئوی زنده به دلیل محدودیت‌های بلادرنگ زمانی، به از دست رفتن بسته ها بسیار حساس است. علاوه بر این، به منظور کاهش مصرف پهنای باند، روند کدگذاری برخی از افزونگی‌های طبیعی ویدئو را حذف مینماید، که این امر خود نیز باعث آسیب‌پذیری بیشتر جریان تصویر به اتلاف داده‌ها می‌گردد. واضحا، این عامل و همچنین عوامل دیگر، بر کیفیت تصویر دریافت شده توسط کاربر نهایی تاثیر می‌گذارد، اما مقدار تاثیر آن بر کیفیت آنچنان واضح نیست.

شبکه‌ های استاندارد پارامترهای غیر‌مستقیمی از قبیل نرخ تلفات، تاخیر‌ها، قابلیت اعتماد و … را به منظور اندازه‌گیری و کنترل کیفیت دریافتی در شبکه مورد استفاده قرار می‌دهند. بنابراین مهم است که بتوانیم کیفیت دریافت شده را بلادرنگ و با دقت ارزیابی نماییم. دو رویکرد مهم برای اندازه‌گیری کیفیت ویدئو وجود دارد؛ تست‌های ذهنی و پارامترهای عینی. بطور خلاصه، ارزیابی‌های ذهنی شامل تشخیص های انسانی ای

است که روی یک سری از ویدئوهای کوتاه و بر طبق دیدگاه شخصی‌شان در مورد کیفیت نظر می‌دهند. ارزیابی‌های عینی، شامل استفاده از الگوریتم‌ها و فرمول‌هایی است که کیفیت را به طریق خودکار، کمی و تکرارشدنی اندازه‌گیری می‌کنند. مشکل این است که آنها معمولا قرینه خوبی برای ارزیابی کیفیت دریافت شده ندارند. علاوه بر آن، نیاز به محاسبه‌ی سیگنال اصلی نیز دارند. برای کم کردن اشکالات این دو رویکرد، روش‌های هیبرید توسعه یافته‌اند. [9]

برنامه های اشتراک فایل به صورت نظیر به نظیر (برای نمونه، پروتکل‌های مبتنی بر Bittorrent) از یک سری از مشوق‌ها و دستداد‌ها برای مبادله‌ی قطعات فایل‌ها در بین نظیر‌ها استفاده می‌کنند. جستجو‌ها و انتقال‌های فایل های بالاسری از یک نظیر به دیگر نظیرها، می‌تواند باعث ایجاد گلوگاه و یا تاخیر‌هایی شود که این پروتکل ها را نامناسب جریان‌سازی زنده ویدئوی می سازد. برای برخورد با این مشکل، می توان از یک رویکرد چند منبعی استفاده کرد، که در آن، جریان تصویر به چندین جریان افزونه‌ای تجزیه می‌شود که توسط نظیر‌های متقاوتی به نظیر‌های دیگر با یک توپولوژی درختی همراه با هزینه‌ی سیگنالینگ بسیار پایین، فرستاده می شود. [5]

1 – پیش زمینه

2-1- مروری بر ویدئوی دیجیتال

ویدئوی دیجیتال‌، نمایش ویدئو توسط سیگنال‌های دیجیتال است. این عمل شامل ضبط، دستکاری، توزیع و ذخیره‌ی ویدئو در فرمت های دیجیتال است، که ویدئو را قابل انعطافتر ساخته و دستکاری آن را سریع و نمایش آن را توسط کامپیوتر امکان‌پذیر می‌سازد. ویدئوی دیجیتال، انقلابی را در عرصه‌ی تحقیقات مرتبط با آن پدید آورد. فشرده‌سازی ویدئو توجه تحقیقاتی عمده‌ای را از دهه‌ی 1980 به خود اختصاص داده است، که این موضوع، کاربرد‌های متنوعی از قبیل انتشار ویدئو بر روی کابل دیجیتال، ماهواره‌ها و ادوات زمینی[2]، ویدئو کنفرانس، ضبط دیجیتال بر روی نوار‌های DVD‌ و … را امکان پذیر ساخته است. ارتباط ویدئویی بر روی شبکه‌های بسته‌های بهترین تلاش در اواسط دهه‌ی 1990 و با رشد اینترنت آغاز شد. در اینترنت، تلفات بسته‌ها، پهنای باند متغیر با زمان و تلفات و پرش‌های نامنظم، از مشکلات عمده‌ای هستند که تحویل ویدئو با آنها مواجه است. [2]

2.1.1  فشرده‌سازی و کدسازی استاندارد ویدئوی دیجیتال

فشرده‌سازی ویدئو ،تکنیکی است طراحی شده، برای نابودکردن شباهت‌ها و تکرار‌هایی که در یک سیگنال ویدئویی وجود دارد. در بیان غیرتکنیکی، یک سیگنال ویدئویی دیجیتال یک توالی موقت از تصاویر دیجیتال (یا فریم‌ها) است. تصاویر پی‌درپی، در یک سری از تصاویر، از آنجایی که بیشتر اشیاء ثابت را نشان می‌دهند، دارای تکرر زمانی هستند. در داخل یک تصویر، تکرار زمانی و رنگی وجود دارد، بطوری که مقادیر پیکسل‌های مجاور دارای همبستگی هستند. در کنار زدایش تکرار، اکثر تکنیک‌های فشرده‌سازی استفاده شوند پراتلاف[3] هستند و فقط اطلاعات مربوط به دریافت را کدگذاری می‌کنند، که این کار با کاهش اطلاعات نامربوط و افزایش نسبت فشرده‌سازی انجام می‌شود.

یک روش فشرده‌سازی، کاملا توسط سیستم‌های کدگذار و کدگشای آن مشخص می‌شود که مشترکا CODEC (enCODer/dECoder) نامیده می‌شوند. کدک‌های اصلی و استاندارد امروزی توسط گروه حرفه‌ای متخصص تصاویر متحرک (MPEG) معرفی شده‌اند.

MPEG-2 چتری است بر فراز استاندارد‌های فشرده‌سازی بین‌المللی که توسط گروه MPEG توسعه یافت. چندین قسمت از آن در یک همکاری تیمی با ITU-T (برای نمونه، کدک‌های ویژه‌ی H.261 و H.263) توسعه یافت. بعد از موفقیت MPEG-2، MPEG-4 توسط همان تیم‌ها استانداردسازی شد. قسمت‌های کلیدی که باید از آنها مطلع بود، MPEG-4 قسمت دوم (که توسط کدک‌هایی نظیر Xvid بکار برده شد) و MPEG-4 قسمت دهم (که به MPEG-4 AVC/H.264 موسوم است) می‌باشند. علاوه بر کدک‌های استاندارد، چندین کدک اختصاصی نیز وجود دارد. مهمترین و پراستفاده‌ترین این کدک‌ها، RealVideo و Windows Media Video (که در فرآیند استانداردسازی قرار دارد) هستند.