Videoconference

Video conferencing is used as a means of prompt decision-making in a particular situation; in emergency situations ; to reduce travel expenses in geographically distributed organizations; increase efficiency ; conducting trials with the remote participation of convicts ^[2] , as well as one of the elements of telemedicine and distance learning technologies.

In many government and commercial organizations, video conferencing brings great results and maximum efficiency , namely:

• reduces travel time and associated costs ;
• accelerates decision-making processes in emergency situations ^[3] ;
• reduces the time for consideration of cases in courts of general jurisdiction ^[4] ;
• increases labor productivity ^[5] ;
• solves personnel issues and socio-economic situations ^{[6] [7]} ;
• makes it possible to make more informed decisions by attracting additional experts if necessary ^[8] ;
• quickly and efficiently allocates resources ^[9] , and so on.

To communicate in the videoconference mode, the subscriber must have a terminal device (codec) for video-conferencing, a videophone, or other means of computer technology . Typically, a set of devices for video conferencing includes:

• central device - a codec with a video camera and microphone, which provides encoding / decoding of audio and video information, capture and display of content;
• device for displaying information and reproducing sound.

A personal computer with video conferencing software can be used as a codec.

An important role in video conferencing is played by communication channels , that is, a transport data network . To connect to communication channels , IP or ISDN network protocols are used.

There are two modes of videoconferencing that allow two-way ( point-to-point ) and multilateral (multi-point) videoconferencing.

As a rule, video-conferencing in point-to-point mode satisfies the needs only at the initial stage of technology implementation, and pretty soon there is a need for simultaneous interaction between several subscribers. This mode of operation is called “multipoint” or multipoint video conferencing. To implement this mode, the activation of a multipoint license in the codec is required, provided that the device supports this function, either of a special MCU video server ( Eng. Multipoint Control Unit ), or of a hardware-software control system.

To implement video-conference communication, the head (decision-maker) of the organization must determine the main purpose of the application ^[10] : holding meetings, staffing, efficiency in decision-making, monitoring, distance learning, medical consultation, court hearings, interrogation of witnesses and so on. In this case, you must take into account the basic rules of video conferencing:

• guaranteed high-speed communication service or dedicated communication channels only for video conferencing sessions;
• stable and reliable power supply of telecommunication equipment and video-conferencing;
• optimal noise and echo-absorbing features of the room in which the video conferencing equipment will be installed;
• the correct location of the video conferencing equipment in relation to the light background of the room;
• Correct setup of telecommunication equipment and video conferencing for servicing the quality of communication services with prioritization of data transfer;
• competent technical staff;
• technical support and subscription to equipment updates through a supplier certified by the manufacturer;

Given the functions and goals of the application, video conferencing equipment is systematized into categories and classes ^[11] .

Video Conferencing Categories

Personal Systems

Personal systems provide the possibility of individual video communication of the user in real time, without leaving their workplace. Structurally, individual systems are usually implemented in the form of desktop terminals or in the form of software solutions.

Group Systems

Group systems are designed for conducting group video-conferencing sessions in negotiation (deliberation) rooms. A group system can turn a room of any size into a video conferencing studio for interactive meetings. Group systems include set-top video conferencing units of standard resolution and with support for high definition ( High Definition ). TelePresence ^[12] (telepresence) class systems , which provide a set of tools that provide the maximum effect of the presence of remote interlocutors in one room, belong to the same category.

Industry Systems

Industry systems are systems that are applied directly to a particular industry. For example, in the medical industry, systems for conducting operations ( telemedicine ) are very often used, in the judicial system for conducting remote cassation and supervisory litigation, in the oil and gas, energy, and construction fields for the speed of reporting.

Mobile Systems

Mobile systems ^[13] are compact portable video-conferencing systems for use in remote areas and extreme conditions. Mobile systems allow for a short time to organize a video conference call in non-standard conditions. These systems are usually used by government decision-making bodies (military, rescue workers, doctors, emergency response services). A typical example of the use of mobile systems is the organization of a situational center.

Video conferencing network infrastructure

The video conferencing network infrastructure includes a combination of hardware / software administration / management tools using various terminal equipment and software - the Multipoint Control Unit server, integration with Unified Communications , video conferencing management systems (accounting, configuration management, security, performance and errors of nodes, lines and terminal equipment of video-conferencing), load balancing system nnyh servers, gateways to pass traffic through firewalls, gateways, networks with mobile subscribers, and H.320.

Video conferencing classes

Categories are divided into classes, which include five different classes.

Software Solution

Software solutions are installed on a personal computer, laptop or mobile device. As peripherals for capturing and playing back video and sound, you can use either the camera, microphone or speaker built into the device, or external devices, such as a webcam , headset, or speakerphone.

Paid solutions, as opposed to free ones, usually provide greater functionality for conferences (for example, a large number of participants are supported) and compatibility with hardware video-conferencing solutions from various manufacturers (due to the use of open SIP and H.323 standards ).

Software solutions, like hardware, have separate client part (analogue of the hardware terminal) and server part (analogue of MCU). The server part, as well as the client part, works on the PC. The server parts of the software solutions do not transcode the video streams, but only redirect them to client applications, which significantly reduces the system requirements for the PC hardware used as a server and reduces the cost of the solution as a whole. The construction of a “picture” from several video windows during group video conferences, as well as encoding and decoding of data in software solutions, is carried out only on the client side. Using SVC technology on the server side of software solutions allows you to change the quality of the streams for each of the participants in real time without creating a computational load on the server.

Advantages of software solutions:

• the ability to update without the need to replace hardware;
• do not require capital investments in infrastructure;
• there is no need for additional equipment for the implementation of add. opportunities (recording, collaboration, etc.);
• adapted to work on unstable communication channels, such as the Internet;
• are delivered in the form of licenses.

General limitations of software solutions:

• Designed mainly for individual use (it’s almost impossible to use video conferencing for group sessions, for example, in meeting rooms);
• high load on the central processor of the PC.

Standard Quality Video Conferencing

Video conferences of standard quality ( English Standard Definition ) imply support for four standard video resolutions: SQCIF (128x96), QCIF (176x144), CIF (352x288) and 4CIF (704x576) at data rates from 64 Kbps to 768 Kbps.

SQCIF and QCIF permissions were originally introduced for slow communication channels (from 64 Kbps) and are currently practically not used. CIF resolution is supported at speeds from 256 Kbps. The highest standard 4CIF resolution is available at speeds from 384 Kbps.

The minimum data rates for a given resolution may vary depending on the manufacturer of the equipment.

High Definition Video Conferencing

The high definition class ( English High Definition or English HD ) appeared in connection with the launch of high-resolution video conferencing systems on the market with higher resolution than 4CIF, that is, HD resolution (1280x720), which requires several times more pixels to build an image compared to with standard video conferencing, and, accordingly, for its transmission requires a higher speed.

The emergence of high-definition video conferencing was facilitated by several factors:

• in Western countries, a massive transition to digital television began, as a result of which monitors, cameras, cameras began to support high-definition technologies;
• in addition to H.323 , the H.264 video compression standard has been ratified, providing a more efficient algorithm for compressing bulky files for transmitting video over a network, including wireless;
• At the same time, a new generation of high-performance specialized processors for video processing was launched on the market.

The term “ High Definition ” is not defined by any standard. It appeared as a marketing concept, implying the transfer of video images with a resolution higher than 4CIF and its accompaniment with better sound. HD level image quality can be obtained with a channel width of 512 Kbit / s ^{[14] [15]} and higher. In the absence of the necessary bandwidth, HD video conferencing systems usually adapt to the existing communication channel, reducing, accordingly, the quality of the video image. That is, if the bandwidth is not enough to support HD quality, then the video conferencing system will not refuse to work, but will automatically reduce the image resolution. Such a function has already been implemented on the basis of video engines of companies: Skype , Google , Microsoft and others.

Telepresence

Telepresence ( TelePresence ) is a technology for conducting video conferencing sessions using several codecs (hardware computing units of a video conferencing terminal), which provides the maximum possible presence effect due to specially installed screens, furniture, room decoration, etc.

Differences from high definition video conferencing equipment:

• the effect of communication between the interlocutors in one room;
• position and size of interlocutors;
• line of sight - "eye to eye";
• collaboration tools;
• natural acoustic surroundings;
• lighting;
• decoration of the room.

Situational and dispatch centers

Situation and Control Centers or rooms are intended for decision makers and can be used in various fields of activity. In general, a situational center consists of a situational room equipped with all communications, including video conferencing or telepresence, and a dispatch center that collects, analyzes, and prepares information for transmission to the situational room for decision making. Also, the control room of the situational room provides communication of the situational room with the outside world.

Situational and dispatch centers provide an opportunity:

• express analysis of the current position ^[16] ;
• scenario modeling of possible events ^[17] ;
• expert evaluation of decisions made and their optimization;
• choosing the most effective managerial impact on a particular situation and so on.

The main role in video conferencing is played by communication channels between subscribers. Consider several methods of organizing communication channels for video conferencing.

Online

The easiest and cheapest method of organizing video conferencing is through the Internet . However, the quality of the communication session in this case may be low, since the Internet is not a guaranteed channel for transmitting audio and video data. Added to this is the problem of video conferencing security , that is, it can become a “public domain”. To organize video-conferencing over the Internet, you need to have static IP addresses and communication channels with a bandwidth of at least 384 kbit / s on both sides (for outgoing and incoming traffic).

A little more complicated is the configuration of communication according to the protocol for the encapsulation of species routing GRE ( Eng. Generic Routing Encapsulation ). The protocol belongs to the network layer. It can encapsulate other protocols and then route the entire set to its destination. In this case, minimal protection of video traffic on the Internet is provided, which helps to prevent the majority of "inexperienced" intrusions into the information cloud of video conferencing. The same principle, albeit of a much higher level of security, is embedded in the IPsec protocol.

ISDN Protocol

The acronym ISDN stands for Integrated Services Digital Network . Digital networks with integrated services relate to networks in which the main communication mode is the channel switching mode, and the data is processed in digital form. This service is not very common in Russia. One of the largest implemented ISDN network development projects is the Rostelecom network, which unites more than 500 cities in the Russian Federation and the CIS.

ISDN has a number of advantages over traditional analog networks, however, compared with new telecommunication technologies for data transmission, it has a number of critical disadvantages :

• It’s hard to keep track of where the communication failure occurred;
• low efficiency of restoration of communication channels;
• low prevalence in the territory of the Russian Federation;
• only a few telecom operators support this technology;
• the relatively high cost of using communication services for inter-regional connection.

Using IP VPN MPLS technology

The IP VPN MPLS communication service is currently one of the most reliable and cheapest for video conferencing. This contributes to:

• VPN ( Virtual Private Network ) is a virtual private network, that is, a generic name for technologies that allow one or more network protected connections (logical network) over another network.
• MPLS ( Eng. Multiprotocol Label Switching ) - multi-protocol label switching, that is, a data transfer mechanism that emulates various properties of circuit-switched networks over packet-switched networks.

IP VPN MPLS technology in terms of security of the environment used belongs to the trust zone. It is used in cases where the transmission medium can be considered reliable and it is only necessary to solve the problem of creating a virtual subnet within a larger network.

Standard data transfer protocols are designed to make video conferencing as common as telephone and fax . Благодаря протоколам системы поддержки видеоконференций разных производителей могут без проблем устанавливать связь между собой, как связываются между собой другие телекоммуникационные устройства . Но прежде, чем начать повествовать про специализированные протоколы видеоконференции, кратко дадим определение протокола.

Протокол для видеоконференции — это набор соглашений, который определяет обмен данными между различным программным обеспечением . Протоколы задают способы передачи данных и обработки ошибок в сети, а также позволяют разрабатывать стандарты, не привязанные к конкретной аппаратной платформе .

• В 1990 году был одобрен первый международный стандарт в области технологий видеоконференций — спецификация H.320 для поддержки видеоконференций по ISDN . Затем ITU одобрил ещё целую серию рекомендаций, относящихся к видеоконференциям. Эта серия рекомендаций, часто называемая H.32x, помимо H.320 , включает в себя стандарты H.321-H.324, которые предназначены для различных типов сетей передачи данных .
• Во второй половине 90-х годов интенсивное развитие получили IP сети и Интернет. Они превратились в экономичную среду передачи данных и стали практически повсеместными. Однако, в отличие от ISDN, IP сети были плохо приспособлены для передачи аудио- и видеопотоков. Стремление использовать сложившуюся структуру IP-сетей привело к появлению в 1996 году стандарта H.323 — видеотелефоны и терминальное оборудование для локальных сетей с негарантированным качеством обслуживания ( англ. Visual Telephone Systems and Terminal Equipment for Local Area Networks which Provide a Non-Guaranteed Quality of Service ).
• В 1998 году была одобрена вторая версия этого стандарта H.323 v.2 — Мультимедийные системы связи для сетей с коммутаций пакетов ( англ. Packet-based multimedia communication systems ).
• В сентябре 1999 года была одобрена третья версия рекомендаций.
• 17 ноября 2001 года была одобрена четвёртая версия стандарта H.323 . Сейчас H.323 — один из важнейших стандартов из этой серии. H.323 — это рекомендации ITU-T для мультимедийных приложений в вычислительных сетях, не обеспечивающих гарантированное качество обслуживания ( QoS ). Такие сети включают в себя сети пакетной коммутации IP и IPX на базе Ethernet , Fast Ethernet и Token Ring .

Основные стандарты видео-конференц-связи (Коммуникационные протоколы)

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 видео-конференц-связи 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.

Стандарты сжатия видеоизображения

Основные видеостандарты:

1. Стандарт 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 чаще всего используется стандарт H.263 и H.264.

Стандарты сжатия звука

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.

• G.722.1 (1999 г.) — стандарт аудиосжатия G.722.1 Annex C базируется на стандарте Polycom Siren 14.
• G.722.2 (2002 г.) — более используемый вариант кодека, также известный как Adaptive Multi Rate — WideBand (AMR-WB) «Адаптивный, с Переменной Скоростью — Широкополосный».

4. G.726 — кодек предназначен для передачи звука с минимальной задержкой и описывает передачу голоса полосой в 16, 24, 32, и 40 Кбит/сек.

5. 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.

Существует общемировое правило — чем больше сеть , тем сложнее сетью становится управлять. Для обеспечения надёжности, повышения эффективности, отказоустойчивости и безопасности сетей видеоконференции используются технологии, получившие название « системы управления сетями ».

В понятие « системы управления сетями видеоконференций » должны входить ^[18]

• Обработка и анализ ошибок — обеспечение необходимыми инструментами для обнаружения сбоев и отказов сетевых и терминальных устройств, определения их причин и принятия действий по восстановлению работоспособности.
• Управление конфигурацией — отслеживание и настройка конфигурации сетевого аппаратно-программного обеспечения.
• Учёт — измерение использования и доступности сетевых ресурсов.
• Управление производительностью — измерение производительности сети, сбор и анализ статистической информации о поведении сети для её поддержания на приемлемом уровне как для оперативного управления сетью, так и для планирования её развития.
• Управление безопасностью — контроль доступа к оборудованию и сетевым ресурсам с ведением журналов доступа для обнаружения, предотвращения и пресечения несанкционированного доступа.

• Видеотелефон
• Телеприсутствие
• Ситуационный центр
• Селекторное совещание
• Веб-конференции
• Телемост
• Телемедицина
• Distance learning
• Multipoint Control Unit (сервер видео-конференц-связи)