Системы компьютерной видеоконференцсвязи

Первоисточник: И.А. Цикин: Методические рекомендации преподавателям
"Подготовка и проведение учебных курсов в заочно-дистанционной форме обучения",
СПбГТУ 2000, http://www-2net.spbstu.ru/CD_ED/method-rec/ch2_5.html

Достижение уровня взаимодействия между преподавателем и студентом, близкого к тому, что имеет место в традиционном аудиторном обучении, позволяет обеспечить компьютерная видеоконференцсвязь. Начало распространения видеоконференцсвязи (ВКС) было связано с использованием телевизионных систем. Богатый опыт по использованию спутникового телевидения для проведения интерактивных семинаров и конференций в рамках международных проектов был накоплен в начале 90-х годов в СПбГТУ. Успехи в области компрессии аудио и видео сигналов привели к принципиальному изменению систем ВКС и их преобразованию в системы компьютерной видеоконференцсвязи (КВКС). Особенно ярко КВКС проявляет свои преимущества при совместном использовании вычислительных ресурсов в распределенной компьютерной среде (collaborative computing). Качество КВКС, основанных на использовании сетей с пакетной коммутацией как в локальных компьютерных сетях, так и в Интернет (системы CU-SeeMe, Microsoft Netmeeting и т.п.) существенно зависит от реальной скорости обмена данными между пользователями, определяемой как пропускной способностью канала, так и общим числом пользователей в данном канале. К сожалению если в пределах локальной сети еще удается обеспечить приемлемое качество (при пропускной способности сети 10 Мбит/с и выше), то при работе в Интернет оно часто оказывается неудовлетворительным для профессионального применения. Именно поэтому современная высококачественная КВКС обычно реализуется на базе сетей интегрального обслуживания ISDN (Integrated Services Digital Network).

Технологии компьютерной видеоконференцсвязи

Системы КВКС используют значительную часть программного обеспечения, предназначенного для поддержки коллективной работы в Интернет и ISDN (поддержка телеконференций, средства обмена сообщениями и передачи файлов в реальном масштабе времени и т.п.). Как и любое средство, интегрирующее многие виды услуг, КВКС не в состоянии обеспечить их полный перечень и столь же высокое качество, что и в соответствующих специализированных системах. Однако большинство таких приложений может быть эффективно использовано параллельно с проведением видеоконференции, точно так же, как во время реальных совещаний может быть использовано подключение к Интернет для доступа к какому-либо WWW серверу или передача (прием) сообщения по электронной почте. Примерами наиболее часто используемых систем КВКС в Интернет являются Microsoft NetMeeting, Enhanced CU-SeeMe (White Pine Software) и т.п.. Среди систем КВКС, используемых в сетях ISDN, прежде всего следует назвать программно-аппаратные средства PictureTel Live и Intel ProShare различных модификаций. Можно выделить семь основных функций совместной работы, реализуемых в современных системах КВКС:

Если текстовые дискуссии с вводом информации через клавиатуру и режим обмена файлами практически не отличаются от используемых в других средствах коллективной работы, то остальные приложения применительно к системам КВКС имеют ряд особенностей.

Обмен аудиоинформацией

Как показывает практика применения систем КВКС, в ряде случаев именно аудио и видео приложения являются основными при взаимодействии удаленных пользователей. Это часто связано не только с желанием ограничиться наиболее “естественной” формой общения, но также и с несовместимостью некоторых систем КВКС друг с другом в режиме обмена данными. Качество передачи аудио и видео в значительной степени определяют рейтинг системы КВКС, причем в ряде случаев именно качество аудио играет определяющую роль. Критерии качества достаточно высоки, так как пользователи привыкли к качеству подвижного изображения, обеспечиваемому телевизионными системами, а требуемое качество звука должно быть во всяком случае не хуже, чем при обычной телефонии. Как правило, эти требования вступают в противоречие с требованием приемлемой для покупателя стоимости арендуемого канала. Так, известное снижение разборчивости речи в системах телефонии в Интернет (систематические кратковременные пропадания звука) в полной мере проявляется и при использовании КВКС в Интернет. По существу для достижения высокого качества звука в этом случае необходим канал, пропускная способность которого, с учетом наличия большого числа пользователей Интернет в данном канале, обеспечила бы в пересчете на одного пользователя ту же эквивалентную скорость передачи информации, которая предоставляется при передаче звука в канале ISDN, т.е. не ниже 64 кбит/с. Практически это означает, что при реальном трафике в каналах Интернет, совместно используемых большим числом клиентов, требуемая пропускная способность канала должна составлять не ниже единиц Мбит/с. Показательным примером в этом отношении является применение КВКС типа, например, NetMeeting в локальной компьютерной сети с пропускной способностью 10 Мбит/с. Даже в этом случае при наличии уже нескольких десятков пользователей сети качество передачи речи, особенно в дуплексном режиме, может уступать качеству обычной телефонии. Особенно заметно снижение качества звука при одновременном использовании каких-либо приложений (например, совместное использование прикладной программы или активная работа на виртуальной аудиторной доске и т.п.), а также при организации многосторонних конференций, как в системе Enhanced CU-SeeMe. В реальных каналах, предоставляемых провайдерами Интернет, падение качества звука может оказаться столь существенным, что реализация КВКС для профессиональных целей требует иногда применения обычной телефонной связи (при необходимости - междугородной или международной) параллельно с использованием других приложений КВКС. Разумеется, многие проблемы, связанные с передачей звука в Интернет, являются результатом плохой приспособленности протокола TCP/IP для передачи трафика, чувствительного к задержкам. В течение конференции задержка может варьироваться в очень широких пределах, что оказывает негативное влияние на работу любых приложений реального времени. Поэтому в случае необходимости проведения конференций, требующих высокого качества звука (так же как и подвижного изображения), приходится использовать специально выделенные каналы или специальные протоколы, или переходить к системам КВКС, предназначенным для работы в сетях ISDN.

Обмен видеоинформацией

Если требование обеспечения высоких качества звука и разборчивости речи не подвергается сомнению никем без исключения из пользователей КВКС, то в отношении передачи видеоинформации такая точка зрения не является столь однозначной. Многое зависит от того, с какой целью применяется КВКС. Разумется, при необходимости передачи видеосюжета с высоким разрешением подвижных деталей потребовалось бы качество профессионального телевидения. Типичным же размером окна для передачи видео в предназначенных для работы в Интернет системах КВКС является 160 х 120 пикселов при частоте кадров не более 10 кадр/с, а реально во многих случаях и ниже, так что качество передачи изображения даже для мало подвижных объектов оказывается невысоким. При многосторонних конференциях часто возникает желание одновременно увидеть нескольких участников (по выбору пользователя), что еще в большей степени влияет на качество подвижного изображения. Пример видеоконференции с выводом на экран изображений нескольких участников в системе Enhanced CU-SeeMe показан на рис 1. Так же как и при передаче звука, качество изображения КВКС оказывается существенно выше в сетях ISDN, хотя и в этом случае оно уступает качеству передачи телевидения. Однако в тех случаях, когда КВКС реализуется с использованием богатых возможностей всех ее приложений, позволяющих вести коллективную работу, требующую как обсуждения и редактирования имеющихся, так и создания новых текстовых и графических документов, обмена файлами, т.е. всей той работы, которая происходит, когда партнеры находятся за одним рабочим столом, отношение к требуемому уровню качества видео, а подчас и вообще к этой услуге как таковой, может измениться. Рис.1.

Видеоконференция с выводом на экран изображений нескольких участников
Рисунок 1 - Видеоконференция с выводом на экран изображений нескольких участников

Действительно, могут быть такие формы использования КВКС, когда окна для видео потребуются лишь в начале конференции для взаимного приветствия или знакомства участников, а также в конце сеанса связи. В остальное же время эти окна могут быть закрыты другими приложениями, прежде всего одной или двумя виртуальными аудиторными досками. Именно по указанной причине многие пользователи низкому качеству подвижного видео предпочитают высокое качество неподвижных изображений при передаче материалов с помощью специальной камеры для документов. При этом малая скорость передачи кадров практически не сказывается на качестве проведения конференции. В то же время такой метод передачи изображений обеспечивает существенно более высокий уровень оперативности, чем, например, передача заранее созданных видеофайлов с установкой их на виртуальную аудиторную доску. Следует также отметить возможность при этом написания “от руки” различных формул или сопровождения речевого сообщения одновременно изготавливаемыми также “от руки” рисунками, что существенно удобнее, чем письмо или рисование с помощью мыши на виртуальной аудиторной доске. В указанных случаях требуется лишь достаточно высокое разрешение при медленной передаче кадров (один-два кадра в секунду). Эти задачи успешно решаются системами КВКС в ISDN. Рассмотренный режим во многом подобен докладу (лекции) с использованием проектора с транспарантами, на которых непосредственно в процессе выступления делаются пометки, изображаются формулы, простые рисунки и т.д. Важным проектным решением является также сама процедура проведения конференции. Так, даже при организации двусторонних конференций существенно различаются случаи участия по одному партнеру с каждой стороны или нескольких партнеров хотя бы с одной из сторон. Если в первом случае может оказаться вполне достаточным качество видео, обеспечиваемое системами КВКС, рассчитанными на применение в Интернет, то во втором случае вероятнее сего потребуется использование тех возможностей, которые предоставляются лишь в каналах ISDN. На рис.2 иллюстрируется фрагмент такой конференции, реализованной в ISDN с использованием системы КВКС PictureTel Live 200. Качество передачи “живого” видео вполне достаточно не только для узнаваемости всех участников конференции, находящихся в студии, но и для создания эффекта “круглого стола”.

Конференция, реализованная в ISDN
Рисунок 2 - Конференция, реализованная в ISDN с использованием системы КВКС PictureTel Live 200

В целом следует отметить, что для проведения “представительских” конференций, особенно в случае многих участников и при многоточечных соединениях, предпочтение безусловно следует отдать системам КВКС на базе ISDN.

Виртуальная аудиторная доска

Виртуальная аудиторная доска (White Board), применяемая практически во всех системах компьютерной видеоконференцсвязи, во многих случаях является одним из основных инструментов, приближающих партнеров к условиям реальных семинаров, дискуссий. На рис. 3 приведен пример совместного использования рабочей доски и видеоприложений в системе VisitVideo (Nortel).

Совместное использование рабочей доски и видеоприложений
Рисунок 3 - Совместное использование рабочей доски и видеоприложений в системе VisitVideo

В системах КВКС имеется богатый арсенал средств текстового редактирования. Кроме вызова на доску, редактирования и сохранения текстовых файлов в специальных форматах (например, в формате WHT для системы Microsoft NetMeeting, рис. 4), возможно использование файлов из обычных текстовых процессоров типа Word.

Использование обычных текстовых файлов
Рисунок 4 - Использование в видеоконференциях файлов из обычных текстовых процессоров

При этом возможны режимы как непосредственного редактирования текста с последующим сохранением, так и создания пометок поверх исходного текста.В процессе конференции возможны комментарии не только путем изменения текста или создания пометок, но также и с помощью дистанционной указки. Кроме того, возможен захват изображения из любого окна и любой области экрана с установкой этого изображения на рабочую доску. Для удобства пользования материалы могут формироваться на рабочей доске в виде отдельных “слайдов”, смена которых производится с помощью обращения к специальному указателю номера “слайда” (в нижнем правом углу доски на рис. 4). В других случаях (например, Intel ProShare) рабочая доска представляется в виде многостраничного блокнота, отдельные “страницы” которого можно “листать”, обращаясь к специальному указателю номеров страниц (рис 5). Важной функцией при этом является синхронизация с целью удерживания всех участников конференции на одном и том же “слайде“(“странице”).

Многостраничный блокнот
Рисунок 5 - Использование в видеоконференциях многостраничного блокнота

Совместное использование прикладных программ

Стандартным приложением многих систем КВКС, ориентированных на применение в ISDN, а также уникальной особенностью системы Microsoft NetMeeting по сравнению с другими системами КВКС, используемыми в Интернет, является режим совместного использования прикладных программ. Это приложение позволяет участникам конференции использовать в режиме разделения прикладные программы (Notepad, WordPad, Word, Paint, Excel и т.п.) на удаленном компьютере. При необходимости использования этого приложения ведущий выбирает требуемую программу на своем компьютере и обращается к пиктограмме Share. После этого удаленные участники конференции видят экран с соответствующей прикладной программой, но еще не управляют ею. Для управления программой удаленному пользователю достаточно щелкнуть на ее изображении. С этого момента удаленный участник может использовать любые инструментальные средства и функции программы, как если бы она была установлена в его собственном компьютере. При этом в окне программы на компьютере любого другого участника конференции рядом с движущимся курсором, управляемым удаленным пользователем, индицируются условные инициалы активного в данный момент пользователя. К сожалению, как и в случае многих других приложений, быстродействие выполнения команд (прокрутка, ввод текста, сохранение, удаление и т.п.) очень сильно зависит как от типа прикладной программы, так и от быстродействия канала. Даже в канале ISDN в режиме протокола BRI при выполнении указанных операций дополнительная задержка составляет единицы секунд. При прочих равных условиях в данном случае следует отдать предпочтение сравнительно простым прикладным программам ( например, Notepad).

Многосторонние конференции

Большинство современных средств проведения видеоконференций как в Интернет, так и в ISDN рассчитаны на одновременную работу нескольких пользователей хотя бы по нескольким приложениям. Тем не менее возможность многостороннего использование всех основных приложений является редким исключением. Примером такого исключения является система Enhanced CU-SeeMe, когда каждый участник конференции может одновременно как видеть, так и слышать любое число выбранных по его собственному усмотрению участников (рис. 1). Общее количество участников конференции может достигать 100 человек. Для проведения таких многосторонних конференций требуется специальный сервер (White Pine Reflector), с которым связываются все участники конференции. При использовании пакета Microsoft NetMeeting в ходе любой многосторонней конференции лишь два участника могут видеть и слышать друг друга. При этом в специальном окне программы открывается общий список участников, где указывается, какие два участника в данный момент пользуются речевой и видео связью. Программно-аппаратные средства, предназначенные для работы в ISDN (PictureTel Live и т.п.), как правило, также обеспечивают возможность одновременно видеть на экране компьютера, кроме собственного изображения, окно лишь одного из партнеров по видеоконференции, в то время как слышать можно всех участников. Связь между участниками осуществляется через специальный сервер MCU (Multi-point Control Unit), обеспечиваемый оператором телекоммуникационной сети. При проведении многосторонних конференций важной является роль ведущего, который обычно определяет очередность перекрестных аудио и видеоконтактов. В ряде случаев (например, в системе PictureTel Live) “перехват “ активной роли , т.е. возможности быть не только слышимым, но и видимым всеми участниками, происходит автоматически после вступления в аудиодискуссию и произнесения одной-двух фраз на достаточно высоком уровне громкости.При многосторонних конференциях с возможностью установления лишь попарных видеоконтактов особенно важной может стать роль таких приложений, как окно с вводом текстовой информации с клавиатуры.