Hdtv En La Universidad De Las Ciencias Informáticas: Experiencias

INTRODUCCIÓN

Sin duda alguna, la televisión (TV) es uno de los descubrimientos más importantes en la historia de la humanidad. Sus inicios se enmarcan en un amplio período que abarca desde finales del siglo XIX hasta el año 1935. Pero no sería hasta julio de 1928 cuando se comenzaron a emitir imágenes exploradas con una definición de 48 líneas con cierta regularidad, esto fue en los Estados Unidos.

En el mundo de hoy la tecnología de las emisiones televisivas se encuentra en revolución. La más difundida actualmente es la Televisión Digital Terrestre (TDT), que ofrece mayor calidad en cuanto a definición de las imágenes. Se trata de la grabación en formato digital de la señal de video, parte de una conversión de señal analógica a digital mediante un proceso de codificación binaria.

Esto no impide que se esté pensando en un nuevo paso global en la evolución de la Televisión: la Televisión Digital de Alta Definición (HDTV). La HDTV promete ser la innovación más importante desde la introducción del color. Proporcionará una calidad de imagen cercana al cine de 35 mm con sonido multicanal. Aunque no deja ser una utopía para muchos países, ya algunos de ellos como Japón y Estados Unidos, Canadá, España implementan esta tecnología en algunos canales; en el caso de Japón, este país viene trabajando la HDTV desde hace alrededor de 20 años, aunque comenzó la emisión de señales de este tipo en 1990.

Cuba, aunque es un país bloqueado por más de 45 años, nunca ha descartado la posibilidad de desarrollarse de acuerdo con sus posibilidades. Como fruto de este interés por parte del gobierno cubano, surge en el 2002 la Universidad de las Ciencias Informáticas (UCI) primera universidad hija de la Batalla de Ideas. Desde sus inicios, la UCI ha perseguido el objetivo de ser la primera Ciudad Digital del país, con esta base se ha trabajado para ofrecer a sus estudiantes, profesores y trabajadores en general una amplia gama de servicios informatizados, entre ellos un sistema de televisión cerrado por cable, el cual ha contribuido tanto a la recreación y el esparcimiento, como al desarrollo y la calidad del proceso docente.

La transmisión de la Televisión en la UCI se lleva a cabo mediante una red de cables que llega a todos los

receptores de la Universidad e incluye, además de la programación docente e informativa, la programación de la Televisión Nacional.

El objetivo fundamental del sistema de Televisión de la UCI es la difusión de teleclases y programas educativos. Dado que la UCI lleva la vanguardia en cuanto a desarrollo tecnológico en el país y la HDTV, hoy día, se considera el futuro de las transmisiones televisivas, se ha planteado la necesidad de comenzar a valorar sobre la implementación de la Televisión Digital de Alta Definición en toda la red de la UCI. Esto posibilitaría seleccionar qué programa ver a una hora determinada ofreciéndole a los usuarios una gran interactividad con el sistema, con una calidad muy superior en la imagen y el sonido para ir mitigando las dificultades anteriormente expuestas.

CARACTERÍSTICAS TÉCNICAS DE LA HDTV

De forma general, la alta definición ha tenido varios formatos y estándares. Todos los formatos de alta definición adoptan la misma relación de aspecto de pantalla panorámica 16:9, o sea, es necesario un televisor de pantalla panorámica (widescreen) para obtener todos los privilegios de la alta definición.

Existen dos formatos de Televisión de Alta Definición: El formato de Alta Definición 1920x1080i “Common

Image Format” (HD-CIF) y Alta Definición 1280x720p “Progressive Image Sample Structure”. (1).

El formato 1080i tiene 1080 líneas activas por imagen y 1920 muestras por línea activa y ofrece 2.07 millones de píxeles en una imagen, la “i” viene del término interlaced (entrelazado). El modo entrelazado reduce la demanda de ancho de banda. Las líneas son rastreadas alternativamente 60 veces por segundo, suele llamarse también 1080i60, puede ser 1080i50 en dependencia de la norma que se use. El número de atrás (60 ó 50) es la frecuencia en Hertz (Hz) a la que se transmite. En este tipo de barrido cada cuadro aparece en pantalla en dos fases. Durante la primera, se trazan todas las líneas de números impares en 1/50 de segundos y, durante la segunda se trazan las líneas de números pares en otros 1/50 de segundos. Una imagen completa se traza 25 veces por segundo. (1)

El formato 720p proporciona 720 líneas activas por imagen y 1280 muestras por línea, ofrece 921.000 píxeles por imágenes. La “p” proviene del término progressive (progresivo). En un sistema de barrido progresivo se transmite todo el cuadro de píxeles en cada secuencia de barrido que sería de 1/50 de segundos, o sea, se refresca todo el cuadro cada vez. Este tipo de formato es más sencillo de comprimir y conduce a tasas de bits menores, además de que presenta menos interferencia en la imagen que el 1080i. (1).

Como se ha visto anteriormente la señal digital debe pasar por un proceso de compresión, esto implica una codificación antes de enviarla y una decodificación para poder visualizarla en el receptor. Para esto la HDTV se vale de técnicas basadas en estándares, el más utilizado mundialmente es el MPEG, este compara entre dos imágenes para que puedan ser transmitidas a través de la red y usa la primera imagen como imagen de referencia (denominada I-frame), enviando solo las partes de las imágenes siguientes (denominadas B y P-frame) que difieren de la imagen original. La estación de visualización de red reconstruirá todas las imágenes basándose en la imagen de referencia y en los datos diferentes contenidos en los B y P-frame. MPEG incluye parámetros como la predicción de movimiento en una escena y la identificación de objetos. Entre los estándares que conforman esta familia se encuentran MPEG-1, MPEG-2 y MPEG-4. (2).

La alta definición es la que mejores cambios ha proporcionado en la historia de la transmisión de imágenes en movimiento. La captura de imágenes y la visualización, mezclada con técnicas de codificación y transmisión digital, proporcionan imágenes una resolución cuatro veces mejor que la televisión estándar. Esta última se basa en una pantalla que contiene 450.000 píxeles aproximadamente, visualizados a 25 ó 30 cuadros por segundo. La alta definición puede tener hasta 2 millones de píxeles vistos a 24, 25 ó 30 cuadros por segundo ó 1 millón vistos a 50 ó 60 cuadros por segundo.

DESCRIPCIÓN DEL SISTEMA DE TELEVISIÓN EN LA UCI

Hoy en la UCI se encuentra en funcionamiento un sistema de Televisión cerrado por cable que llega a cada receptor de la Universidad. Además de esto, se brinda el servicio de Inter-nos, donde se publican teleclases, series, películas, etc. Este servicio está soportado sobre la red de datos y juega un papel muy importante en el desarrollo de la vida universitaria y docente de la UCI.

La red de datos con que cuenta la Universidad es bastante rápida, tomando en cuenta la gran cantidad de usuarios y servicios que esta soporta, aunque se está trabajando en hacerla más eficiente. Existe fibra óptica en todo el Backbone principal, también entre los pisos de los edificios y en el caso de la residencia la fibra se usa desde el nodo nivel 2 hasta el paso de escalera. En el interior de los locales se usa generalmente cable UTP (del inglés Unshielded Twisted Pair).

Es una red LAN (Local Area Network) definida por la interconexión de varios ordenadores y periféricos. Su

aplicación más extendida es la interconexión de ordenadores personales y estaciones de trabajo en oficinas, aulas, etc.

Existe un nodo central que administra los demás subnodos dividiendo el componente principal en subredes y estas a su vez en otras menos complejas formando una topología de estrella. Estas subredes son: Área de Residencia, Área de Docencia, IP, Rectorado y Laboratorios viejos.

El sistema de televisión de la UCI fue diseñado para 500 receptores, hoy se cuenta con más de tres mil que reciben el suministro desde una sola cabecera de línea. Solo se han agregado splitters y amplificadores de señal, por lo que la señal debe viajar distancias más grandes y llegar a muchos más receptores con casi el mismo equipamiento de transmisión.

Como la señal es analógica se expone a fenómenos como ruido, interferencia, distorsión y atenuación, que se incrementan al pasar por amplificadores, estos amplifican la señal, pero también el ruido que esta lleva consigo, por lo tanto mientras más amplificadores se utilicen empeora la calidad de la señal final. Además de esto, está la cuestión de que la televisión no es interactiva, o sea, no es posible elegir qué programa ver a una hora determinada.

Con la HDTV, todos estos fenómenos mencionados anteriormente desaparecen pues esta es una señal digital. Es por eso que con esta investigación se ha planteado el objetivo de determinar los requisitos necesarios para la implementación de la Televisión Digital de Alta Definición en la red de datos de Universidad, con el fin de realizar un aporte al mejoramiento de las transmisiones televisivas que hoy se llevan a cabo en la UCI, haciendo uso de las virtudes que brinda la fibra óptica y aprovechando que esta llega a todos los locales de la UCI. De esta forma se estaría incorporando un nuevo servicio a la gran gama que ofrece hoy la red de datos con toda su infraestructura creada.

HDTV SOBRE LA RED DE DATOS DE LA UNIVERSIDAD

Generalmente, los servicios de televisión sobre redes de datos se suministran junto con el servicio de conexión a Internet, por medio de un operador de banda ancha sobre la misma infraestructura pero con un ancho de banda reservado.

El hecho de que la señal a transmitir sea de Alta Definición no cambia esto, pues no deja de ser televisión digital. Su eficacia se basa en el estándar de compresión que se elija para comprimir la señal de modo que el ancho de banda necesario para transmitirla no exceda el ancho de banda disponible, pero al mismo tiempo, que no se vea comprometida la calidad del video que se emite. Hay que tener en cuenta además, los requerimientos de cada uno de los tipos de canales.

Para el desarrollo de este trabajo, las pruebas de transmisión se llevará a cabo mediante el video streaming, ya sea streaming directo, difundido de forma multicast y el streaming bajo demanda difundido de forma unicast. Unicast identifica la comunicación punto a punto, o sea cuando hay solo un emisor y solo un receptor. En el caso del streaming de audio y video se requiere de gran ancho de banda si se emplea el unicast, pues habría que mandarle el paquete de datos a todos los receptores y esto colisionaría la red si este número llegara a ser demasiado grande; no obstante, se aconseja el streaming de forma unicast para los servicios de VOD (Video on Demand) pues es la única vía en que el usuario podría disponer de pausas y adelantos en el video que está visualizando.

El problema del ancho de banda radica en que las redes están limitadas en cuanto a la cantidad de tráfico que puedan soportar. En la UCI la red es el servicio más importante pues soporta correo electrónico, chat, conexión a Internet, etc.

El ancho de banda se encuentra muy relacionado con el bitrate y la velocidad de transmisión. El bitrate no es más que la tasa de bit, o sea, la cantidad de bit que se envían en una unidad de tiempo, esta característica suele mitigarse con el empleo de códec de video y audio que eliminan información de las imágenes y que aún así no atentan contra la calidad del video pues estos cambios son imperceptibles para el ojo humano. La velocidad de transmisión depende sin duda del ancho de banda y la taza de bit que se esté enviando.

Multicast es la solución ideal para realizar el streaming directo, pues de este modo se envían paquetes a ciertas direcciones especiales que pertenecen a grupos multicast específicos. Estos paquetes se envían a la dirección multicast de la red y de aquí son enviados a los diferentes miembros del grupo, los que reconocen los paquetes que son de su interés y los aceptan. (3).

La topología de un grupo multicast se asemeja a un árbol, con la fuente de datos como nodo principal y las ramas llegando a cada miembro del grupo. En el punto en que una rama se divide en otras está presente un router o encaminador. El papel que desempeñan estos dispositivos es el de copiar o replicar estos paquetes cuando pasa por dos o más interfaces en su camino para llegar a los miembros del grupo. (4).

En la UCI, se implementa multicast haciendo uso de IGMP para llevar a cabo las operaciones antes mencionadas que lo componen y hacen usable en cualquier entorno donde se vaya a utilizar multicast. Como protocolo de ruteo se ha escogido PIM–DM, la densidad se determina teniendo en cuenta la cantidad de ordenadores con multicast habilitado en comparación con el total de ordenadores de la institución. Es el protocolo de ruteo más empleado en el mundo entero ya sea en su modo esparcido o denso.

La preferencia por esta tecnología se debe a que ofrece enormes ventajas con respecto a la Televisión Analógica, estas se resumen a continuación:

• Al proporcionar una resolución espacial elevada, es posible un mayor realismo que se puede apreciar en una pantalla más grande.
• Despeja el camino hacia una sociedad más informatizada, dado que permite la convergencia TV-PC. El televisor podrá admitir datos desde los servicios de telecomunicaciones, suministrando un número amplio de servicios.
• Mejor calidad de imagen y sonido. La señal es robusta frente a interferencias, ruido y propagación multitrayecto.
• Permite la recepción sencilla en el hogar y poco costosa. La recepción puede ser portátil o en movimiento.

• Uso de menor número de frecuencia pues puede emplear redes de frecuencia única. Requiere menor potencia de transmisión.
• Aumenta la cantidad de programas con respecto a la televisión actual, propiciando múltiples programas y servicios multimedia en cada canal radioeléctrico.
• La multiplicidad de canales de audio posibilita obtener sonido perimétrico como el usado en las salas de cine y transmitir diferentes idiomas con el mismo programa de video. (3)(7)

La HDTV es la variante de Televisión Digital que más definición ofrece, por este motivo hereda de la DTV muchas de las ventajas que esta ofrece, además de propiciar mayor calidad en cuanto a imagen y sonido.

RRESULTADOS. REQUISITOS PARA LA IMPLEMENTACION DE LA HDTV EN LA UCI

Una vez llevadas a cabos las pruebas, el primer requisito a destacar es que las máquinas clientes deben tener, al menos, 246 MB de RAM y un procesador a 2.40 GHz.

El ancho de banda necesario para transmitir videos de alta definición suele ser más grande que el necesario para transmitir Televisión en cualquier otra norma, para dar un ejemplo: el ancho de banda para transmitir video HD sin comprimir en el formato 720p está cerca de los 354 Mbps, y en formato 1080i cerca de 1.5 Gbps; estas aplicaciones solo están disponibles para redes de alta velocidad como Internet 2.

Normalmente este video se comprime; en esta tesis se optará por proponer el códec H.264 con base en una investigación que se llevó a cabo de forma paralela a esta, con tema: Propuesta de un estándar de compresión para el montaje de HDTV en la UCI. (6).

El bitrate con que se deben comprimir los videos por medio del códec antes mencionado debe ser entre 4 Mbps y 6 Mbps, esto para mantener un equilibrio entre calidad de imagen y consumo de ancho de banda; de forma tal de que no influya de forma exagerada sobre el ancho de banda con que se cuenta. Según las mediciones realizadas se logró este objetivo, se pudo visualizar el video en las máquinas que fungieron como clientes y el porcentaje de ancho de banda ocupado por los flujos unicast y multicast nunca sobrepasaron el 20%, o sea el ancho de banda ocupado nunca fue mayor que 20 Mbps. En el caso en que se comprometió la PC con un proceso de copia FTP y un chat el rendimiento no sobrepasó el 50%.

En el caso de la medición que se hizo distribuyendo un flujo de video de forma unicast, al disponer de un solo cliente, el ancho de banda ocupado estaba cerca de los 10 Mbps y disponiendo de dos clientes cerca de los 20 Mbps; según estos valores se puede asegurar que el crecimiento en cuanto al uso de ancho de banda al conectarse más clientes para visualizar el streaming será en valores cercanos al obtenido con una y dos máquinas. Dado esto, cuando hallan 100 usuarios conectados el ancho de banda estará cerca de 1 Gbps, siendo este el ancho de banda que llega hoy hasta el Switch de los edificios de residencia, pues de ahí a los apartamentos es de 100 Mbps. Por lo tanto, al contar con alrededor de 7 000 computadoras esta velocidad de conexión no es suficiente.

El ancho de banda necesario para la transmisión efectiva de HDTV depende del formato de compresión empleado y de la audiencia que se tenga. La norma de máxima concurrencia más utilizada en el mundo es la de 1 a 10. Utilizando dicha norma podemos calcular una audiencia simultánea de 700 receptores en la UCI. Debe entenderse en este caso, que se cuentan como receptores para VOD las 7 000 computadoras.

Los cálculos pertinentes para calcular el ancho de banda necesario para VOD de forma unicast son los siguientes:

- Total de PCs: 7 000

- Según norma máxima de concurrencia: 700 conectadas simultáneamente.

- Valor obtenido en las pruebas realizadas (redondeado): 10 Mbps por cada PC cliente.

Por tanto:

700 x 10 Mbps = 7 000 Mbps.

7 000 Mbps / 1024 = 6.84 Gbps 7 Gbps.

De esta forma se puede decir que si el streaming video unicast se implementa para que sea visto por los 10 000 receptores se necesitará de un servidor a 10 Gbps, y si se implementa para ser visualizado por los 3 000 televisores solamente será necesario un servidor a 3 Gbps.

Esta solución llegará a ser mucho más factible una vez que se lleve a cabo la puesta en práctica de varios servidores Inter-nos en diferentes localizaciones de la Universidad, cosa que está en planes de realizarse.

Por otro lado, los resultados obtenidos referentes al tráfico multicast distan mucho de los anteriores si tomamos en cuenta que en esta prueba el máximo ancho de banda obtenido fue de 4.5 Mbps. Lo que permite concluir que es posible transmitir HDTV de forma multicast en la UCI una vez que se cuente con equipos de interconexión que soporten el protocolo IGMP para el tráfico multicast, pues se pudo constatar que es esta la mejor manera de de transmitir HDTV por la red de datos.

Si se logra cumplir con estos requisitos, los autores del presentan trabajo garantizan que es posible, que se lleve a cabo la implementación de la Televisión Digital de Alta Definición en la UCI.

Una vez puesta en práctica esta tecnología, sería posible lograr interactividad en las teleconferencias entre el estudiante y el profesor

CONCLUSIONES

A través de este trabajo se desarrolló una investigación acerca de la Televisión Digital y su empleo en la Universidad, cosa que sería de gran importancia para la mejora considerable del servicio de televisión y con ella de las teleclases que se brindan a estudiantes y profesores.

Se distribuyó una señal de Alta Definición en diferentes localizaciones de la UCI para llevar a cabo pruebas técnicas acerca del comportamiento del tráfico de la red de datos. Hecho esto, se realizó un análisis exhaustivo de los resultados obtenidos para darle cumplimiento al objetivo general de la investigación que era el de determinar los requisitos necesarios para la implementación de la Televisión Digital de Alta Definición en la Universidad; requisitos que incluían al ancho de banda que ocupa la transmisión de una señal de Alta Definición sobre la red, el bitrate a que se deben emitir los diferentes videos sin afectar la calidad en las imágenes que se visualizan y sin ocupar un ancho de banda considerable, las características que deben tener los equipos de interconexión y las especificaciones necesarias para el servidor que se vaya a utilizar para ofrecer el servicio de video bajo demanda.

A esta altura se han sentado las bases para el desarrollo de esta tecnología, se conoce cuales son sus características así como sus requerimientos técnicos, las formas en que se puede transmitir y los formatos posibles para hacerlo

REFERENCIAS

1.          Alta Definición. Los Estándares. publicado el: 15 de septiembre de 2004 de arreglar actualizado el 14 de junio   de 2006, última actualización: 15 de septiembre de 2004. [Consultado el: 13 de diciembre de 2007]. Disponible en: www.hdtv.video-computer.com/2_Estandars_HDTV.htm.1

2. Compresión de Video Digital. publicado el: agosto de 2004 de última actualización: agosto de 2004. [Consultado el: 30 de noviembre de 2007]. Disponible en: www.axis.com/es/documentacion/compresion_video_es.pdf.

3. CEJUDO, J. F. B.; BERMEJO, D. F., et al. La Televisión Digital Terrenal. asenmac.com, [Consultado el: 13 de diciembre de 2007].

4. DOYLE, J. Understanding and Implementing Multicast Services. Juniper Networks, Inc., 2003. [Consultado el: 10 de marzo de 2008].

5. SEBASTIÁN, F. J. I. Evaluación de la plataforma VideoLAN como servidor de Video Bajo Demanda. [Consultado el: 15 de enero de 2008]. Disponible en: www.grc.upv.es/docencia/tdm/trabajos2007/Francisco Javier Izquierdo Sebastián_vlcvod.

pdf.

6. PEÑA., Y. D. y SALGADO., N. P. Propuesta de un estándar de compresión para el montaje de HDTV en la UCI. Tutora: Ing. Idelkys Q. R. Trabajo de Diploma para optar por el título de Ingeniero en Ciencias Informáticas, Universidad de las Ciencias Informáticas, 2008.

BIBLIOGRAFÍA CONSULTADA

1. RICHARD A. MCMAHON, S. Introducción a las Redes. Editado por: Services, E. Disponible en: http://biblioteca.uci.cu/titdigitales.htm#tinf. [Consultado el: 8 de junio de 2008].

2. STALLINGS, W. Comunicación y Redes de computadoras. Editado por: Hall, P. vol. 6ta Edición, Disponible en: http://biblioteca.uci.cu/titdigitales.htm#tinf. [Consultado el: 8 de junio de 2008].