Видеоконференция

Содержание

• Что нужно для проведения видеоконференции?
• Виды видеоконференций
• Оборудование для видеоконференций
• Что влияет на качество видеоконференций?
• Типы архитектур систем видеоконференций
• Использование современных протоколов и кодеков
• Выводы

Что нужно для проведения видеоконференции?

Для обеспечения участников звуком и картинкой используется различное периферийное оборудование: камеры, экраны, микрофоны, спикерфоны, гарнитуры, конгресс-системы и проекторы. В качестве среды передачи данных может использоваться как сеть предприятия, построенная по различным принципам, так и глобальная сеть интернет. Современные видео- и аудио кодеки, специализированные сетевые протоколы, различные алгоритмы обработки сигналов позволяют добиться качественной связи практически на любых каналах связи.

Зачастую во время видеоконференции необходима демонстрация различных медиа данных, для этого системы видеоконференций позволяют захватывать и передавать удалённым участникам презентации, изображение рабочего стола или отдельных его окон, а также различные по форматам документы. Достигается это за счёт использования специального программного обеспечения, дополнительных камер (например, документальных камер), захвата сигнала с видеовыходов ноутбуков, ПК и прочих систем, включая медицинские комплексы.

Виды видеоконференций

Существует два основных типа видеоконференций — персональная и групповая. Персональная видеоконференция подразумевает сеанс видеосвязи, в котором участвует всего два абонента. Под групповыми же видеоконференциями подразумеваются все остальные виды видеоконференций. Различные устоявшиеся правила отображения участников видеоконференции для каждой из сторон называются видами видеоконференций. Предлагаем разобраться в этом вопросе подробнее!

Видеоконференции 1-на-1

Здесь всё просто: участвуют два абонента, оба видят и слышат друг друга одновременно. Сразу оговоримся, что во время любого сеанса видеоконференции могут использоваться различные инструменты для совместной работы, такие как обмен текстовыми сообщениями, файлами, презентациями и прочими медиа данными.

Симметричные видеоконференции

Они же видеоконференции с постоянным присутствием, от англ. Continuous Presence. Так называют сеанс видеоконференции, в котором участвуют более 2 человек и все участники видят и слышат друг друга одновременно. Естественно, видеоконференция подразумевает полнодуплексное общение. Другими словами, это аналог круглого стола, где у всех равные права. Режим “все на экране” подходит для встреч, где требуется максимальная вовлеченность каждого участника.

Видеоконференции с активацией по голосу

Название такого режима пошло от английского обозначения Voice Activated Switching (VAS). Эта видеоконференция предполагает, что видео раскладка активно выступающего участника конференции автоматически подсвечивается или увеличивается, фокусируя внимание остальных участников на говорящем. Возможны небольшие вариации данного механизма, но суть остаётся следующей: сервер ВКС отслеживает голосовую активность абонентов и транслирует выступающих участников в раскладку конференции. У данного режима есть существенные недостатки, например, ложные срабатывания на шум, кашель или звонок мобильного телефона, при условии, что не используются технологии шумоподавления.

Селекторные видеоконференции

Режим, в котором участники делятся на два вида: докладчики и слушатели, где каждый из слушателей может стать докладчиком (с разрешения организатора конференции). Ведущий такой конференции сам назначает докладчиков и может удалить их с видео-трибуны в любой момент.

Этот режим может также называться ролевой видеоконференцией. Селекторная видеоконференция используется чаще всего при проведении веб-конференций (вебинаров).

Видеоконференции для дистанционного образования

Cпециальный режим, в котором все участники (ученики) видят и слышат только одного вещающего пользователя (преподавателя), а он видит и слышит всех учеников. Ученики не отвлекаются друг на друга, а преподаватель их контролирует.

Видеотрансляция

Вид видеоконференции, в котором докладчик вещает на широкую аудиторию слушателей, при этом, он не видит и не слышит их. Остальные участники видят и слышат только докладчика. Обратная связь возможна только через текстовый чат. Зачастую, для сглаживания изменения сетевых условий, в ходе трансляции вносится значительная задержка до нескольких секунд между вещающим и слушателями.

Оборудование для видеоконференций

В зависимости от места и способа подключения к сеансу видеоконференции, может потребоваться различное периферийное оборудование.

Видеоконференции в переговорной комнате или конгресс-зале

Чтобы качественно оборудовать переговорную комнату, необходимо соблюсти множество нюансов. Естественно, чем их больше, тем выше стоимость подготовки. В первую очередь, необходимо правильно рассчитать и установить систему звукоусиления, на эту тему на одной из Видео+Конференций был хороший доклад.

Если зал небольшой, то будет достаточно установить один или несколько спикерфонов (это специальные устройства, совмещающие в себе один или несколько микрофонов и динамиков, и предназначенные для устранения эха и шумов).

Далее потребуется PTZ видеокамера, от обычной её отличает возможность поворачиваться, наклоняться вверх и вниз, а также приближать и удалять. Такая камера может как в ручном, так и автоматическом режимах (для этого потребуется спец. оборудование) переключаться между лицами докладчиков и залом. В качестве системы отображения рекомендуется использование двух ЖК экранов большой диагонали: один для видео участников, второй для презентаций и прочего контента.

Ну и не последнее место занимает интерьер помещения: хорошая освещенность, контрастный, но не яркий фон на стенах, шумопоглощающие панели и прочее. Как видно, стоимость оборудования переговорной комнаты в зависимости от выбранного решения видеоконференций, периферийного оборудования и отделки, может отличаться на порядок.

Видеоконференции на рабочем месте

Существует уже множество готовых наборов и комплексов, включающих в себя всё необходимое, но занимающее лишнее место на столе.

Поэтому зачастую, а также в целях экономии, в качестве терминала видеоконференции используют обычный рабочий ПК, благо разницы в качестве, при правильном выборе периферии, между ним и специализированными аппаратными системами, нет.

Для подготовки ПК к сеансу видеоконференции потребуется хорошая веб-камера (см. список рекомендуемого нами оборудования), к сожалению, большинство встроенных в моноблоки и ноутбуки камер не пригодны для видеоконференций. Гарнитура (желательно USB-гарнитура) либо портативный спикерфон, подключаемый к ПК через USB интерфейс.

Мобильные видеоконференции

Одно из преимуществ видеоконференций — это их мобильность. Их можно использовать, даже находясь в поездке или на ходу. Устройство, которое может выступать в качестве терминала видеоконференций — смартфон, планшетный компьютер или даже часы. На них достаточно установить специальное приложение.

Обо всё остальном уже позаботились производители этих устройств: фронтальная камера, мощный центральный процессор, аппаратная поддержка видеокодеков (которая в том числе нужна и для просмотра фильмов или YouTube), ну а хороший динамик и микрофон — это само собой разумеющееся. Такой способ проведения видеоконференций позволит вам быть всегда на связи со своими коллегами, партнерами по бизнесу, друзьями или родственниками вне зависимости от обстоятельств.

С другой стороны, существует ряд сложностей, связанных с мобильными видеоконференциями, некоторые отрасли ещё предстоит решить, чтобы сделать их по-настоящему удобными и популярными, как на ПК.

Что влияет на качество видеоконференций?

В отличие от привычных нам электронных коммуникаций, таких, как электронная почта или обмен сообщениями, видеоконференции относят к так называемым коммуникациям в реальном времени (от англ. Real Time Communications), которые накладывают более серьёзные требования, как на терминалы видеоконференций, так и на каналы связи, их связывающие.

Все мы привыкли судить о качестве соединения по его скорости, что в контексте видеоконференции будет не совсем верно. Заявленная скорость может быстро изменяться во времени, может снижаться под нагрузкой, может кардинально отличаться от направления передачи.

В то время, как всё это критически важно для видеоконференций, где равномерность и предсказуемость потока данных наиболее важны. Системе видеоконференций не сложно подстроить видеопоток под широкий диапазон значений от 64 кб/с до, скажем, 4 Мб/с, в зависимости от вида конференции и качества сигнала участников. Гораздо сложнее в реальном времени адаптировать ширину канала под изменяющиеся условия каждого из участников сеанса связи.

В реальных условиях на первое место при оценке качества видеоконференций выходит тип архитектуры, используемой для организации видеоконференций, и способность этой архитектуры работать в постоянно изменяющихся условиях:

• Мощность ЦП оконечных терминалов. Параллельно сеансу связи пользователь может начать выполнять ресурсоёмкие задачи.
• Возможности захвата видео на камере терминала. Камера может иметь отличное разрешение, но давать “зашумленную” картинку низкого качества при недостатке освещения.
• Возможности отображения видеоконференции на экране терминала. Например, пользователь вышел из полноэкранного режима и теперь ему не надо пересылать видео в высоком качестве.
• Ширина канала между сервером видеоконференций и между участниками. Это наиболее частая ситуация. Вариаций у неё может быть много: кто-то в организации начал закачивать из сети большой объём данных и резко сократил ресурсы сети на видеоконференцию. Или же вы, общаясь по видео со смартфона, попали в многолюдное место, и ближайшая базовая станция вашего оператора связи уже не может гарантировать вам прежнюю скорость и качество соединения.

Самым простым решением данной проблемы является жёсткое резервирование, как аппаратных, так и сетевых ресурсов системы видеоконференций. Но при этом, такое решение самое дорогое. К счастью, наука и технологии не стоят на месте, и современные системы видеоконференций могут гарантировать отличное качество связи в любых условиях за счёт применения современных программных архитектур. Давайте остановимся на этом вопросе подробнее.

Типы (архитектуры) систем видеоконференций

Чтобы сгладить технические ограничения со стороны терминалов, обмен данными всегда осуществляется через некоего медиума — сервер ВКС.

Очевидно, эффективность такой системы зависит от:

• способа представления данных при передаче между терминалами и сервером;
• разделения этапов обработки данных между терминалами и сервером.

Именно эти параметры мы имеем в виду, говоря о различных архитектурах системы видеоконференций.

Раньше было принято делить их на программные и аппаратные, но примерно с 2014 года это стало не актуально, поскольку появились и программные, и аппаратные решения с нетипичной для таковых архитектурой. Кроме того, все ведущие производители стараются переложить свою ВКС инфраструктуру на виртуализированные среды чтобы поставлять как программное обеспечение.

Мы разберём четыре архитектуры в порядке появления и улучшения друг друга. Краткое описание различий между ними приведено в таблице.

	MCU	SFU	Simulcast	SVC
Раскладка формируется на стороне терминала
Качество видео в реальном времени адаптируется под возможности терминала
Эффективное использование каналов для сформированной раскладки

Архитектура видеоконференций на основе микширования (MCU)

Вся обработка данных происходит на стороне сервера. После сбора исходных видеопоток со всех терминалов сервер отдельно для каждого терминала:

• Склеивает уменьшенные изображения участников в единый видеопоток с раскладкой, заказанной терминалом.
• Сжимает видеопоток до качества, соответствующего полосе пропускания до терминала в данный момент времени.
• Отправляет видеопоток терминалу.

Такая архитектура называется микширующей или MCU (от англ. Multipoint Control Unit). Системы на основе MCU требуют большой вычислительной мощности и плохо масштабируются, даже с учётом возможной виртуализации. К тому же стоимость подключения нового абонента в подобной инфраструктуре крайне высока.

Архитектура видеоконференций на основе мультиплексирования (SFU, Switching)

Это классический подход к построению программных систем ВКС, по такому принципу, например, работает Skype. В отличие от MCU, сервер ВКС в данном случае не утруждает себя перекодированием, создает копии входящих потоков и пересылает их другим участникам “как есть”. Выходит, что каждый из терминалов получает сразу несколько видеопотоков в полном качестве, которые он просто не может отобразить одновременно. Терминалу приходится уменьшать разрешение каждого входящего видео от каждого из участников на своей стороне, либо просить уменьшать его перед отправкой, что ухудшает качество видео для всех остальных участников.

Плюс у этой схемы один: инфраструктура не требовательна к ресурсам и даже рядовой ПК может выдержать сотни таких конференций одновременно. Но вот минусов значительно больше: терминалу (обычно это простой ПК) приходится декодировать не один, а сразу несколько потоков, а серверу ВКС требуется в несколько раз большая исходящая ширина канала, чтобы вместить в себя все созданные им копии потоков.

Добавим к этому реальные условия, и получим систему, с трудом “переваривающую” количество участников больше, чем 3, и резко ухудшающую качество видео для всех, при присоединении к ней мобильного абонента, не способного “переварить” исходное качество картинки, отправляемое другими абонентами.

Архитектура видеоконференций на основе параллельной передачи (Simulcast)

Simulcast объединяет в себе преимущества MCU и SFU, частично адаптируя сетевую нагрузку под возможности терминалов, но не утруждая сервер обработкой видео. В этой архитектуре сервер получает от каждого терминала не один, а несколько видеопотоков, копирующих изображение камеры в разном разрешении и качестве для разных полос пропускания. Далее, как и в SFU, каждый терминал получает набор отдельных видеопотоков участников, но качество снижается уже без дополнительного перекодирования, а просто за счёт выбора нужной копии.

Но нагрузка, связанная с одновременной поддержкой нескольких уровней качества видео, от этого никуда не исчезает: она перемещается в самое начало процесса и ложится на ВКС-терминал пользователя.

На практике кодирование терминалом трёх исходящих видеопотоков различного качества требует много ресурсов, а по логике вещей оно и вовсе избыточно ведь информация (изображение) во всех потоках передаётся одна и та же, просто с разной степенью детализации.

К сожалению, разнообразие сетевых условий гораздо шире, чем три варианта ширины потока, которые использует Simulcast медиасервер, так что в реальных условиях ему редко удаётся эффективно использовать каналы и ресурсы терминалов.

Поэтому Simulcast был быстро отправлен на покой новой архитектурной концепцией, позволяющей варьировать качество видео без создания его явных копий.

Архитектура видеоконференций на основе масштабируемого видеокодирования (SVC)

Данная архитектура совмещает в себе все преимущества микширующего подхода и при этом лишена недостатков систем на основе мультиплексирования. Она дешёвая, мгновенно масштабируется и работает на любых платформах. Это стало возможным благодаря развитию технологий обработки сигналов и сжатия данных.

Суть заключается в том, что терминал сжимает свой видеопоток слоями: каждый дополнительный слой повышает разрешение видео, его качество и количество кадров в секунду. Если канал между терминалом и сервером ВКС хороший, то терминал отправляет максимально возможное количество слоёв. Стоит заметить, что слой — это не отдельный видеопоток меньшего качества, а полноценная разница между ним и предыдущим слоем. Поэтому, SVC поток всего на 15-20% выше по требованиям к ширине канала от не SVC-потока, и при этом его битрейт значительно меньше суммы битрейтов независимых потоков.

Сервер ВКС, получив SVC-поток со слоями, просто отсекает лишние без перекодирования, только лишь за счёт выкидывания из него пакетов с данными по определённым правилам. Тем самым, позволяя на лету создавать индивидуальные наборы видеопотоков (“раскладки” окон) для каждого из участников групповой видеоконференции в зависимости от его реальных условий связи.

Сравнение архитектур

В таблице ниже приведены приблизительные показатели нагрузки на сеть и машины в конференции для четырёх человек.

Использование современных протоколов и кодеков

Для организации видеоконференцсвязи между различным программным обеспечением и оборудованием сторонних производителей используются стандартные протоколы передачи данных.

H.239 — коммуникационный протокол поддержки двух медиапотоков от разных источников. Подходит для видеоконференций, в которых изображение выводится на два разных экрана (к примеру, в видеопереговорной, когда на одном экране — изображение докладчика, на втором — сопровождающая презентация).

H.323 — протокол передачи данных по сетям с негарантированной пропускной способностью. Применяется и в персональных, и в многоточечных видеоконференциях.

SIP — сетевой протокол установки соединения между клиентскими приложениями различных производителей, пришедший на смену стандарту H.323. Используется в видеоконференцсвязи и IP-телефонии.

Сжатие и воспроизведение звука и видео во время сеанса конференцсвязи осуществляется посредством использования аудио и видеокодеков.

H.264 — стандарт сжатия видео, обеспечивающий высокий уровень сжатия видеопотока с сохранением первоначального качества.

H.264 Scalable Video Coding (SVC) — кодек с компенасацией недостающих данных, который передает видео с использованием нескольких слоев. Устойчив к ошибкам в сети, например таким, как потеря пакетов.

H.265 — стандарт сжатия видео, в котором применяются более эффективные алгоритмы кодирования, чем в H.264. Среди особенностей данного видеокодека можно выделить повышенную устойчивость к потере пакетов при передаче медиаданных и минимальную задержку сигнала во время видеоконференций. Этот стандарт поддерживает форматы UltraHD: 4К и 8K.

Opus — аудиокодек для сжатия звука, отличающийся высокой производительностью и масштабируемостью.

G.722.1 Annex C — стандарт сжатия широкополосного аудио сигнала.

VP8 — видеокодек с повышенной устойчивостью к потере кадров и высокой скоростью декодирования видеопотоков.

VP9 — открытый стандарт сжатия видео, изначальная цель которого состояла в улучшении характеристик кодеков VP8 и H.265. В первом случае (по сравнению с VP8) основной задачей разработчиков стало уменьшение битрейта на 50% с сохранением изначального качества видео, во втором (по сравнению с H.265) — значительное улучшение эффективности сжатия видеопотоков.

Выводы

Мы рекомендуем при выборе ВКС системы внимательно ознакомиться с принципами её работы и выбрать ту, которая позволит свести к минимуму расходы на её внедрение, масштабирование и поддержку. TrueConf Server соответствует всем указанным требованиям. Подробнее читайте здесь.