Proyecto AMI (Aplicaciones Multimedia Interactiva en Tiempo Real)
Sebastián Sallent, Juan Manuel Zamorano y Jordi Armengol Resumen
En este trabajo se presenta el estado actual del proyecto AMI, financiado por la CICYT, cuyo objetivo es el desarrollo de una aplicación hipermedia en tiempo real aplicada sobre tres escenarios, el Ayuntamiento de Barcelona, la Universidad Politécnica de Catalunya y el Museo de Gavà. La introducción de una aplicación hipermedia en estos tres entornos permite evaluar las limitaciones que impone la red frente a la calidad de servicio, observar el comportamiento de los usuarios ante las nuevas tecnologías hipermedia de gran calidad y conocer las limitaciones tecnológicas tanto de las redes como de los dispositivos de adquisición, procesado, almacenamiento y presentación de la información hipermedia interactiva.
1.- Introducción
El proyecto AMI nació a raíz de las necesidades planteadas por tres organizaciones, el Ayuntamiento de Barcelona a través del Instituto Municipal de Informática (IMI), el Museo de Gavà y la Universidad Politécnica de Catalunya de disponer de una aplicación integrada que permitiera ofrecer a los usuarios servicios y aplicaciones multimedia interactivas de gran calidad a través de redes de acceso con anchos de banda medios o elevados sobre entornos internet o propietarios.De un análisis conjunto se concluyó que gran parte de los requerimientos que debían cumplir este conjunto de servicios eran comunes a las tres organizaciones, diferenciándose en los interfaces de usuario, en el medio de acceso a la información y en los contenidos. Partiendo de este análisis se dedujo que la aplicación se basaría en los servicios de distribución o difusión, vídeo bajo demanda y videotelefonía. El usuario tendría la posibilidad de acceder a bases de datos multimedia para conocer los contenidos del servidor, buscar un determinado título y volcar uno o varios títulos hacía el cliente con una calidad de servicio que vendría limitada por la velocidad de la red de acceso.
Paralelamente la aplicación debía permitir a un usuario, que dispusiera de un navegador internet convencional, acceder de una forma transparente a contenidos audio-visuales de alta calidad tipo MPEG-I creando un escenario cliente-servidor de tipo hipermedia. La voz, música, datos, imágenes estáticas y vídeo deberían estar sincronizados posibilitando enlaces entre los distintos medias.
Otra característica de la aplicación fue que ofreciera un servicio de distribución de vídeo. El servidor lanza hacia los distintos clientes en modo multicast un conjunto de títulos predefinidos sin intervención de los clientes. Las características de la programación, su duración, el encadenamiento de contenidos y la secuenciación de títulos debían ser totalmente configurables por el gestor del sistema.
Finalmente la aplicación debe soportar videotelefonía y videoconferencia de modo que un conjunto de clientes puedan establecer una sesión con y sin calidad de servicio garantizada dependiendo de las características de la red de acceso o del medio compartido.
Esta aplicación genérica se ha adaptado a las peculiaridades de las tres instituciones. En el entorno del Ayuntamiento de Barcelona se ha elegido el sistema de información ciudadana denominado 010. En la actualidad este servicio ofrece información ciudadana almacenada en una base de datos textual accesible públicamente desde un navegador a través de internet.
AMI ha introducido nuevas facilidades al entorno 010 convirtiéndolo en un sistema hipermedia. Un ciudadano a través de internet navega por la base de datos multimedia (base de datos textual más el servidor de vídeo) obteniendo páginas en donde el vídeo, el audio y el texto solicitados tienen enlaces múltiples y están sincronizados.
La Universidad Politécnica de Catalunya ha incorporado en su servidor WEB nuevas facilidades de Vídeo bajo demanda ofreciendo a los usuarios un servicio de vídeoteca digital. Es decir a través de un navegador con facilidades hipermedia se pueden consultar algunos eventos significativos, como son la inauguración oficial del curso, o un reportaje sobre la mujer entre otros. Paralelamente también se dispone de un servicio de distribución y videoconferencia interna. Este último servicio ha permitido difundir en tiempo real la inauguración del curso a cada uno de los campus de la UPC.
AMI ha permitido al Museo de Gavà, que anteriormente no disponía de sistemas de información digital, el diseño de un nuevo sistema que permitirá a los usuarios del museo tanto locales como remotos consultar sus fondos documentales textuales o multimedia y difundir periódicamente contenidos en los distintos recintos del museo.
Los requerimientos tecnológicos que se impusieron a AMI fueron que la aplicación se basara en unos servicios y tecnología de red que permitieran un rápido diseño, implementación y despliegue de la aplicación, utilizándose el conjunto de protocolos TCP/IP con IPv4, ethernet o fast ethernet y AAL5/ATM de elevada calidad, aunque no garanticen una calidad de servicio constante (retardo acotado, pérdida de paquetes, tasa variable, etc.).
También se estimó que la información multimedia fundamentalmente se adquiriera, procesara y transmitiera en formato MPEG I con distintas calidades que podrían oscilar entre 100 Kbps para redes de baja y media velocidad hasta 2 Mbps para redes de acceso de alta velocidad (ATM/fast ethernet) o dedicadas (ethernet).
2.- El escenario de AMI
En la figura 1 se muestran los distintos elementos que componen el escenario de la aplicación AMI. En primer lugar el IMI dispone de un vídeo servidor cuyos contenidos audiovisuales complementan la información hipertextual del servicio 010. Un cliente local situado en el área de influencia del 010 (sedes de distrito, etc.) dialoga con ambos servidores obteniendo información multimedia con formato MPEG I con una tasa de pico cercana a los 2Mbps por conexión, ya que la conexión cliente-servidor se realiza sobre una red de acceso de alta velocidad.Remotamente los usuarios pueden acceder mediante un navegador a través de internet a los contenidos, con unas calidades que dependen del ancho de banda de sus redes de acceso. La aplicación permite que el usuario elija la calidad con un botón seleccionando "alta" o "baja calidad", enviando al servidor un flujo audiovisual de alta o a baja tasa en función de la calidad elegida por el cliente. Esta facilidad obliga al servidor a duplicar ciertas informaciones para mantener dos calidades de servicio disponibles permanentemente ante las peticiones de los usuarios.
De modo semejante el museo de Gavà dispondrá de una red de área local que internamente interconectará el servidor multimedia con los clientes situados en las distintas dependencias del museo. En una primera fase los clientes se ubican en las salas del museo y posteriormente se instalarán clientes en las minas neolíticas. Los usuarios interactuarán con el servidor para consultar los fondos del museo o recibir periódicamente títulos (Audio/vídeo y datos), muestras itinerantes o información general.
En la UPC se dispone de una red MTA sobre JDS que interconecta los distintos Campus y edificios que conforman la universidad. Internamente cada entidad (escuela, sede departamental, etc,) dispone de su propia red de media (ethernet) o alta velocidad (fast ethernet o MTA).
Esta arquitectura de red permite que entre ciertos clientes y servidores exista un gran ancho de banda, con bajo retardo y bajas pérdidas. En este entorno los clientes locales manejan servicios de vídeo bajo demanda, cuyos contenidos están fundamentalmente relacionados con las bibliotecas, hipermedia, distribución y videoconferencia.
Desde el punto de vista de la interconexión de los servidores multimedia, han estado o pueden estar conectados a través de la RDSI de banda estrecha (Gavà-UPC) o a través de la red de cable de Cable y Televisión de Cataluña (CTC) (IMI-UPC) basada en JDS a 155 Mbps. Los clientes remotos del servicio 010 acceden al entorno AMI a través de un proveedor de servicios de internet y los de la UPC mediante la UPC Remote o la RedIRIS.
Los servidores son estaciones de trabajo aptas para manejar grandes volúmenes de información de entrada/salida (buses de I/O cercanos a los 1.3 Gbytes/s), con una gran capacidad de almacenamiento de varias decenas de Gigabytes de modo que pueden ofrecer al usuario más de 200 títulos de MPEG 1 simultáneos. Los servidores se componen de una base de datos textual que almacena los datos y las imágenes estáticas y un servidor de vídeo que almacena el audio y el vídeo.
Los servidores se conectan a las redes de transporte de cada una de las instituciones, (MTA, Fast Ethernet o Ethernet) transportando la información audiovisual sobre el protocolo UDP/IP y de control sobre TCP/IP. La información de control gobierna el inicio, mantenimiento y liberación de la conexión o la búsqueda y petición de una información
Los clientes son plataformas PC multimedia con decodificadores software o hardware MPEG I, que a partir de la interacción con el servidor multimedia manejan la información obtenida a través de la red de acceso para su proceso y representación.
Cabe distinguir dos tipos de entornos, el local donde el cliente está conectado con el servidor mediante una red ethernet o una conexión AAL5 sobre MTA con un gran ancho de banda y el remoto, basado en una conexión internet de baja velocidad.
Sin embargo uno de los objetivos del proyecto consiste en evaluar las distintas tecnologías de acceso aptas para aplicaciones multimedia en tiempo real. Actualmente existen dos grandes sistemas, el entorno de cable (HFC) con cable módems y el par de cobre con ADSL. Ambas tecnologías han sido o han de ser empleadas por AMI para analizar su impacto sobre la calidad de servicio, disponibilidad geográfica y coste, para su posible utilización futura.
En la actualidad se está iniciando una prueba piloto en ADSL en el entorno de Barcelona que permitirá interconectar el servidor con distintos clientes a través de la red MTA (Gigacom) y módems ADSL. Los módems suministran una red de acceso basada en el par trenzado manejando anchos de banda asimétricos con tasas en el entorno de los 2 Mbps en el canal de bajada y 500 Kbps en el de subida para unas distancias del orden de 3 Km.
También se ha evaluado el impacto de la red de acceso HFC con los cable módems de CTC.
En ambos casos, tanto con la tecnología de cable módems como con ADSL, se garantiza a algunos usuarios remotos del entorno metropolitano un ancho de banda medio del orden de los 2 Mbps, suficientes para mantener una calidad constante en la aplicación.
Finalmente los contenidos audiovisuales de los servidores son introducidos por un sistema de edición y adquisición en tiempo real que adquiere las imágenes y el audio en formato analógico, para posteriormente comprimirlos y encapsularlos en títulos, compuestos por flujos MPEG I. La plataforma editora/codificadora es un PC con una tarjeta codificadora MPEG que a partir de distintos formatos de entrada comprime a unas tasas que oscilan entre 0.1 y 2.4 Mbps almacenando los títulos en el disco duro local para posteriormente transmitirlos por red hacia los servidores.
3.- Descripción de los servicios de distribución y vídeo bajo demanda
Desde el punto de vista software los servicios de distribución y vídeo bajo demanda se basan en una estructura cliente-servidor. El servidor se compone de una base de datos, un Web server y un video serverque son interrogados por un cliente construido con herramientas específicas (OPO), JAVA y el cliente de web.En la figura 2 se observan las interrelaciones entre el cliente y el servidor para el servicio hipermedia.
El cliente interactúa con el web server en HTML, el listener del Web server llama al agente que interroga a la base de datos y lee dinámicamente el contenido de la base de datos presentándolo en formato de HTML. El listener recoge los contenidos del agente y los envía al browser (cliente). Paralelamente el cliente puede tener enlaces hacía contenidos de vídeo, que mediante Plug-in abren una conexión en TCP/IP para gobernar el control del servidor de vídeo o reciben contenidos en formato UDP/IP.
El servicio de distribución se compone de una estación gestora que gobierna a través de red la programación del servidor de vídeo. Los elementos del servicio se muestran en la figura 3. El procedimiento de programación se basa en los sockets, winsockets y en el crontab de unix. Una vez el servidor ha sido programado, cuando se activan los temporizadores lanza un mensaje en multicast hacia la red indicando a los clientes que ha comenzado un determinado título. Los clientes disponen de un daemon que indica al usuario si desea conectarse presentándose en pantalla el nombre del título. En el caso que el cliente desee acceder a la información abre la conexión y empieza la representación local de la información.
4.- Estado actual del proyecto
Desde un punto de vista tecnológico, actualmente se han desarrollado y probado los servicios de vídeo bajo demanda, hipermedia y distribución, comportándose de forma estable las plataformas de los video-servidores, servidores textuales y los clientes.En la actualidad, el servicio de vídeo bajo demanda permite que un usuario interrogue al servidor de vídeo eligiendo, volcando y visualizando una película MPEG I con los controles de selección, pausa, stop, marcha hacia delante y marcha hacia atrás.
El servicio hipermedia posibilita al usuario manipular distintos medias de forma sincronizada y no lineal ya sea a través del navegador Netscape o a partir de clientes hechos a medida de la aplicación. En la figura 5 se muestran los contenidos hipermedia asociados a un museo de Barcelona del Servicio 010. En este caso los contenidos del servidor se muestran en el área de visualización del navegador dividido en tres frames, contenido de audio/vídeo, datos e imagen estática, perfectamente sincronizados. Los datos o las imágenes se actualizan en función de la posición del vídeo y viceversa, los enlaces textuales modifican el contenido audiovisual de forma no lineal, consiguiéndose un hipermedia en tiempo real de alta calidad.
También está en fase de evaluación el servicio de distribución. Actualmente este servicio muestra al usuario un conjunto de informaciones que se repiten periódicamente según hayan sido programadas por el gestor del sistema. La figura 6 muestra la pantalla del gestor del sistema en donde se pueden programar los títulos a visualizar, el tiempo de visualización y su lanzamiento. Este servicio es de utilidad tanto en las escuelas que forman la UPC como en el museo ya que se generan en los clientes carruseles digitales informativos que se repiten periódicamente.
Una vez desarrolladas las herramientas tecnológicas básicas se está procediendo a la compra definitiva de los elementos del sistema y a la carga masiva de contenidos de los videos servidores y los servidores textuales.
Simultáneamente se está analizando el perfil de tráfico generado por cada una de las aplicaciones en función de la calidad ofrecida y el tipo de red empleado.
Posteriormente una vez los servidores dispongan de una cantidad de contenidos apreciable se procederá a evaluar la aplicación AMI desde un punto de vista subjetivo. La evaluación se basará en las respuestas de un cuestionario realizado por los usuarios, donde básicamente se valorará la calidad de los servicios ofrecidos, el grado de satisfacción y de aceptación, así como otras consideraciones, grado de utilidad, coste, etc.
Finalmente cabe destacar que existen todavía algunos puntos por resolver o soluciones que tienen que ir evolucionando en función de la madurez de la tecnología o la estabilidad de los estándares.
En esta línea se está construyendo un nuevo cliente basado en JAVA y se está siguiendo muy de cerca el desarrollo del estándar de videotelefonía sobre redes de calidad no garantizada H.323, tanto para comunicaciones unicast como multicast. También se está trabajando en minimizar el volumen de información que requiere la carga automática del cliente desde el servidor. En la actualidad este volumen se aproxima a los 4 Mbits.
5.- Conclusiones
En este trabajo se ha presentado el estado actual del proyecto AMI financiado por la CICYT dentro del marco del programa AST que tiene por finalidad diseñar y evaluar nuevos servicios hipermedia en tiempo real de gran calidad sobre redes convencionales de media y alta velocidad de calidad no garantizada sobre una arquitectura TCP/IP.El desarrollo de AMI permite conocer cuales son los parámetros determinantes de la arquitectura de protocolos de IPv4 y de las redes de acceso y transporte convencionales, que limitan la calidad de los servicios hipermedia en tiempo real.
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Sebastia Sallent
sallent [at] mat [dot] upc.es
Juan Manuel Zamorano
zamorano [at] mat [dot] upc.es
Jordi Armengol
(teljap@mat.upc.es)
Departament de Matemàtica Aplicada i Telemàtica y
Serveis Informatics de la Universidad Politécnica de Catalunya
Institut Municipal d'Informàtica del Ayuntament de Barcelona
Museu de Gavà