Видеоконференция

Персональные системы обеспечивают возможность индивидуального видеообщения пользователя в режиме реального времени, не покидая своего рабочего места. Конструктивно индивидуальные системы обычно выполняются в виде настольных терминалов либо в виде программных решений.

Групповые системы предназначены для проведения групповых сеансов видеоконференцсвязи в переговорных (совещательных) комнатах. Групповая система способна превратить помещение любого размера в видеоконференцстудию для проведения интерактивных совещаний. К групповым системам относятся приставки видеоконференцсвязи (set-top) стандартного разрешения и с поддержкой высокой чёткости (High Definition). К этой же категории относятся и системы класса TelePresence[12] (телеприсутствие), которые предоставляют собой комплекс средств, обеспечивающий максимальный эффект присутствия удалённых собеседников в одной комнате.

Отраслевые системы — это системы, которые применяются непосредственно в определённой отрасли. Например, в медицинской отрасли очень часто применяют системы для проведения операций (телемедицина), в судебной системе — для проведения дистанционных кассационных и надзорных судебных процессов, в нефтегазовой, энергетической, строительной области для оперативности представления информации.

Мобильные системы[13] — это компактные переносные системы видеоконференцсвязи для использования в удалённых районах и экстремальных условиях. Мобильные системы позволяют за короткое время организовать сеанс видеоконференцсвязи в нестандартных условиях. Данные системы обычно используются государственными органами, принимающими оперативные решения (военные, спасатели, врачи, службы экстренного реагирования). Типичный пример использования мобильных систем — организация ситуационного центра.

К инфраструктуре сети видеоконференцсвязи относится совокупность аппаратно-программных средств администрирования/управления с использованием различного оконечного оборудования и программного обеспечения — сервера многоточечной видеоконференцсвязи (Multipoint Control Unit), интеграция с Унифицированные коммуникации, системы управления видеоконференциями (учёт, управления конфигурацией, безопасностью, производительностью и ошибками узлов, линий и оконечного оборудования видеоконференцсвязи), системы распределения нагрузки распределённых серверов, шлюзы для прохождения трафика через межсетевые экраны, шлюзы с мобильными сетями и абонентами H.320.

Категории подразделяются на классы, которые включают в себя пять различных классов.

Программные решения (англ. Software solution) устанавливаются на персональный компьютер, ноутбук или мобильное устройство. В качестве периферии для захвата и воспроизведения видео и звука могут использоваться, как встроенные в устройство камера, микрофон или динамик, так и внешние устройства, такие как веб-камера, головная гарнитура или спикерфон.

Платные решения, в отличие от бесплатных, обычно обеспечивают более широкие функциональные возможности при проведении конференций (например, поддерживается большое число участников) и совместимость с аппаратными решениями видеоконференцсвязи различных производителей (благодаря использованию открытых стандартов SIP и H.323).

Программные решения, как и аппаратные, имеют отдельные клиентскую часть (аналог аппаратного терминала) и серверную (аналог MCU). Серверная часть, как и клиентская, работает на ПК. Серверные части программных решений не осуществляют перекодирование видеопотоков, а только перенаправляют их на клиентские приложения, что значительно снижает системные требования к аппаратной части ПК, используемых в роли сервера и удешевляет решение в целом. Построение «картинки» из нескольких видеоокон во время групповых видеоконференций, а также кодирование и декодирование данных в программных решениях осуществляется только на клиентской стороне. Использование технологии SVC на серверной части программных решений позволяет в реальном времени изменять качество потоков для каждого из участников, не создавая вычислительную нагрузку на сервер.

Преимущества программных решений:

• возможность обновлений без необходимости замены аппаратной части;
• не требуют капитальных вложений в инфраструктуру;
• нет необходимости в дополнительном оборудовании для реализации доп. возможностей (запись, совместная работа и т. п.);
• приспособлены для работы на нестабильных каналах связи, таких как интернет;
• поставляются в виде лицензий.

Общие ограничения программных решений:

• предназначены в основном для индивидуального использования (практически невозможно применять для проведения групповых сеансов видеоконференцсвязи, например, в переговорных комнатах);
• высокая нагрузка на центральный процессор ПК.

Видеоконференции стандартного качества (англ. Standard Definition) подразумевают поддержку четырёх стандартных видеоразрешений: SQCIF (128x96), QCIF (176x144), CIF (352х288) и 4CIF (704x576) на скоростях передачи данных от 64 Кбит/с до 768 Кбит/с.

Разрешения SQCIF и QCIF изначально были введены для медленных каналов связи (от 64 Кбит/с) и в настоящее время практически не используются. Разрешение CIF поддерживается на скоростях от 256 Кбит/с. Самое высокое стандартное разрешение 4CIF доступно на скоростях от 384 Кбит/с.

Минимальные значения скоростей передачи данных для того или иного разрешения могут варьироваться в зависимости от производителя оборудования.

Класс высокой чёткости (англ. High Definition или англ. HD) появился в связи с выпуском на рынок систем ВКС с более высоким разрешением, чем 4CIF, то есть разрешение HD (1280х720), которое требует в несколько раз больше пикселей для построения изображения по сравнению со стандартной видеоконференцсвязью, и, соответственно, для её передачи необходима более высокая скорость.

Появлению видеоконференции высокой чёткости способствовало несколько факторов:

• в западных странах начался массовый переход на цифровое телевидение, в результате которого мониторы, фотоаппараты, камеры стали поддерживать технологии высокой чёткости;
• в дополнение к H.323 был ратифицирован стандарт сжатия видео H.264, обеспечивающий более эффективный алгоритм сжатия громоздких файлов для передачи видео по сети, в том числе беспроводной;
• одновременно с этим на рынок было выпущено новое поколение высокопроизводительных специализированных процессоров для обработки видео.

Термин «High Definition» никаким стандартом не определяется. Он появился как маркетинговое понятие, подразумевающее передачу видеоизображения с разрешением выше 4CIF и его сопровождение более качественным звуком. Качество изображения уровня HD может быть получено при ширине канала от 512 Кбит/с[14][15] и выше. При отсутствии необходимой полосы пропускания системы видеоконференцсвязи, работающие с разрешением HD, обычно адаптируются под существующий канал связи, уменьшая, соответственно, качество видеоизображения. То есть, если полосы пропускания недостаточно для поддержки качества HD, то система видеоконференцсвязи не откажется работать, а автоматически снизит разрешение изображения. Такая функция уже реализована на базе видеодвижков компаний: Skype, Google, Microsoft, Discord и других.

Телеприсутствие (англ. TelePresence) — технология проведения сеансов видеоконференцсвязи с использованием нескольких кодеков (аппаратных вычислительных блоков терминала видеоконференцсвязи), обеспечивающая максимально возможный эффект присутствия за счёт специальным образом установленных экранов, мебели, отделки помещения и т. п.

Отличия от оборудования видеоконференцсвязи высокой чёткости:

• эффект общения собеседников в одной комнате;
• позиция и размер собеседников;
• линия взгляда — «глаза в глаза»;
• инструменты для совместной работы;
• естественное акустическое окружение;
• освещение;
• отделка помещения.

Ситуационные/диспетчерские центры (англ. Situation and Control Centers) или комнаты предназначены для лиц, принимающих решения и могут быть использованы в различных областях деятельности. В общем случае ситуационный центр состоит из ситуационной комнаты, оснащённой всеми коммуникациями, включая средства видеоконференцсвязи или телеприсутствия и диспетчерского центра, осуществляющего сбор, анализ и подготовку информации для передачи в ситуационную комнату для принятия решения. Также диспетчерская ситуационной комнаты обеспечивает связь ситуационной комнаты с внешним миром.

Ситуационные и диспетчерские центры предоставляют возможность:

• экспресс-анализа текущего положения[16];
• моделирования сценариев возможных событий[17];
• экспертной оценки принимаемых решений и их оптимизации;
• выбора наиболее эффективного управленческого воздействия на ту или иную ситуацию и так далее.

Самый простой и дешёвый метод организации видеоконференцсвязи — через Интернет. Однако качество сеанса связи в данном случае может быть низким, так как интернет не является гарантированным каналом передачи аудио- и видеоданных. К этому добавляется проблема безопасности видеоконференции, то есть она может стать «общественным достоянием». Для организации видеоконференцсвязи через Интернет требуется иметь статические IP-адреса и каналы связи с пропускной способностью не менее 384 кБит/с в обе стороны (для исходящего и входящего трафика).

Немного сложнее настраивается связь по протоколу инкапсуляции видовой маршрутизации GRE (англ. Generic Routing Encapsulation). Протокол принадлежит к сетевому уровню. Он может инкапсулировать другие протоколы, а затем осуществлять маршрутизацию всего набора до места назначения. В данном случае обеспечивается минимальная защита видеотрафика в сети интернет, что позволяет предотвратить основное число «неопытных» вторжений в информационное облако видеоконференцсвязи. Тот же принцип, хоть и намного более высокого уровня безопасности, заложен и в протоколе IPsec.

Аббревиатура ISDN (англ. Integrated Services Digital Network) расшифровывается как цифровая сеть с интеграцией услуг. Цифровые сети с интегральными услугами относятся к сетям, в которых основным режимом связи является режим коммутации каналов, а данные обрабатываются в цифровой форме. Данная услуга не очень распространена в России. Один из самых крупных реализованных проектов развития сети ISDN является сеть ОАО «Ростелеком», которая объединяет более 500 городов в РФ и СНГ.

ISDN имеет ряд преимуществ по сравнению с традиционными аналоговыми сетями, однако, по сравнению с новыми телекоммуникационными технологиями передачи данных, имеет ряд критичных недостатков:

• тяжело отследить, на каком участке произошёл сбой связи;
• низкая оперативность восстановления каналов связи;
• небольшая распространённость на территории РФ;
• всего несколько операторов связи поддерживают данную технологию;
• сравнительно высокая стоимость применения услуги связи при межрегиональном соединении.

Услуга связи по технологии IP VPN MPLS в настоящее время является одной из самых надёжных и дешёвых для организации видеоконференций. Этому способствует:

• VPN (англ. Virtual Private Network) — виртуальная частная сеть, то есть обобщённое название технологий, позволяющих обеспечить одно или несколько сетевых защищённых соединений (логическую сеть) поверх другой сети.
• MPLS (англ. Multiprotocol Label Switching) — мультипротокольная коммутация по меткам, то есть механизм передачи данных, который эмулирует различные свойства сетей с коммутацией каналов поверх сетей с коммутацией пакетов.

Технология IP VPN MPLS по степени защищённости используемой среды относится к доверительной зоне. Она используется в случаях, когда передающую среду можно считать надёжной и необходимо решить лишь задачу создания виртуальной подсети в рамках большей сети.

Стандарт мультимедийных приложений H.323 С целью проведения аудио- и видеоконференций по телекоммуникационным сетям ITU-T разработала серию рекомендаций H.32x. Эта серия включает в себя ряд стандартов по обеспечению проведения видеоконференций.

1. H.320 — по сетям ISDN;
2. H.321 — по сетям Ш-ЦСИО и ATM;
3. H.322 — по сетям с коммутацией пакетов с гарантированной пропускной способностью;
4. H.323 — по сетям с коммутацией пакетов с негарантированной пропускной способностью;
5. H.324 — по телефонным сетям общего пользования;
6. H.324/C — по сетям мобильной связи;
7. H.239 — поддержка двух потоков от разных источников, изображение участника и данных (вторая камера или презентация) выводятся на два разных дисплея или в режиме PIP на один дисплей.
8. H.460.17/.18/.19 — поддержка прохождения аудио- и видеотрафика видеоконференцсвязи через NAT и Firewall

Рекомендации ITU-T, входящие в стандарт H.323, определяют порядок функционирования абонентских терминалов в сетях передачи данных с разделяемым ресурсом, в основном не гарантирующих качества обслуживания.

Рекомендации H.323 предусматривают:

• управление полосой пропускания;
• возможность взаимодействия сетей;
• платформенную независимость;
• поддержку многоточечных конференций;
• поддержку многоадресной передачи;
• стандарты для кодеков;
• поддержку групповой адресации.

Управление полосой пропускания — передача аудио- и видеоинформации, например, в видеоконференциях, весьма интенсивно нагружает каналы связи, и, если не следить за ростом этой нагрузки, работоспособность критически важных сетевых сервисов может быть нарушена. Поэтому рекомендации H.323 предусматривают управление полосой пропускания. Можно ограничить как число одновременных соединений, так и суммарную полосу пропускания для всех приложений H.323. Эти ограничения помогают сохранить необходимые ресурсы для работы других сетевых приложений. Каждый терминал H.323 может управлять своей полосой пропускания в конкретной сессии конференции.

Основные видеостандарты:

1. H.261 — разработан организацией по стандартам телекоммуникаций ITU. На практике первый кадр в стандарте H.261 всегда представляет собой изображение стандарта JPEG, компрессированное с потерями и с высокой степенью сжатия.
2. Стандарт H.263 — это стандарт сжатия видео, предназначенный для передачи видео по каналам с довольно низкой пропускной способностью (обычно ниже 128 кбит/с). Применяется в программном обеспечении для видеоконференций.
3. Стандарт H.264 — это новый расширенный кодек, также известный как AVC и MPEG-4, часть 10.
4. Стандарт H.264 High Profile — это самый производительный профайл H.264 с алгоритмом сжатия видео Context Adaptive Binary Arithmetic Coding (CABAC), впервые внедрён на оборудовании Polycom, позволяет устраивать HD-видеоконференции на канале от 512 Kbps

Для видеоконференций на сегодняшний день^{[когда?]} чаще всего используется стандарт H.263 и H.264.

Некоторые стандарты компрессии аудиосигнала основаны на технологии оцифровки звука, называемой импульсно-кодовой модуляцией или ИКМ.

Основные аудиостандарты:

1. Opus — современный открытый стандарт, позволяющий кодировать аудиосигнал в любом требуемом качестве.
2. G.711 — устаревающий, но всё ещё широко применяемый стандарт логарифмического кодирования аудио (аудиокомпандирования).
3. G.722 — широкополосный (более качественный, в сравнении с G.711) голосовой кодек стандарта ITU-T со скоростью 32-64 Кбит/сек.
4. G.722.1 (1999) — стандарт аудиосжатия G.722.1 Annex C базируется на стандарте Polycom Siren 14.
5. G.722.2 (2002) — более используемый вариант кодека, также известный как Adaptive Multi Rate — WideBand (AMR-WB) «Адаптивный, с Переменной Скоростью — Широкополосный».
6. G.726 — кодек предназначен для передачи звука с минимальной задержкой и описывает передачу голоса полосой в 16, 24, 32, и 40 Кбит/сек.
7. G.729 — популярный в России узкополосный речевой кодек с рекордным битрейтом 8 Кбит/с, применяется для эффективного цифрового представления узкополосной телефонной речи (сигнала телефонного качества).

Для всех типов кодеков справедливо правило: чем меньше плотность цифрового потока, тем больше восстановленный сигнал отличается от оригинала. Однако восстановленный сигнал гибридных кодеков обладает вполне высокими характеристиками, восстанавливается тембр речевого сигнала, его динамические характеристики, другими словами, его «узнаваемость» и «распознаваемость».

Системы видеоконференций базируются на достижениях технологий средств телекоммуникаций и мультимедиа. Изображение и звук с помощью средств вычислительной техники передаются по каналам связи локальных и глобальных вычислительных сетей. Ограничивающими факторами для таких систем будет гарантированная пропускная способность канала связи и алгоритмы компрессии/декомпрессии цифрового изображения и звука.