Tecnología Disruptiva para la Transmisión de Videos en Dispositivos Inteligentes Android con o sin Plan de Datos _________________________________________________________________________________________________________________________
Tecnología Disruptiva para la Transmisión de Videos en Dispositivos Inteligentes Android con o sin Plan de Datos, OpenTv. Suntaxi J1 Escuela Politécnica Nacional, Facultad de Ingeniería Eléctrica y Electrònica Quito, Ecuador
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Resumen: Este articulo presenta una manera diferente y eficiente de resolver el problema de la difusión streaming de videos con licencias Creative Commons en dispositivos móviles android con o sin plan de datos, mediante el acceso WI-FI utilizando tecnología de transcodificación con hardware y software libre. Se obtuvo los parámetros óptimos para realizar la trascodificación de los videos, utilizando un ancho de banda promedio de 532 Kbps, que representó un 25% de eficiencia comparado con el streaming público de youtube. Se desarrolló un prototipo funcional de streaming local transcodificado en un ambiente cliente-Servidor. El proceso para la transmisión de video (streaming) consistió en descargar el contenido de YouTube con licencias Creative Commons, normalizar la codificación del video (transcodificar), organizar los videos y reproducirlos en dispositivos móviles, TV inteligentes y Tablet Android. El hardware utilizado es PcDuino que se integró y acoplo internamente en un CPE existente en el mercado con el objetivo de crear nube hotspot local. Palabras clave: Creative Commons, HandBrakeCLI, PcDuino, Server Transcoding FFmpeg.
Disruptive Technology for Video Streaming on Smart Android Devices with or without Data Plan, OpenTv. Abstract: This article presents a different and efficient way to solve the problem of streaming video broadcasting Creative Commons licenses android mobile devices with or without data plan by using Wi-Fi technology hardware and free software. the optimal parameters were obtained for transcoding using an average bandwidth of 532 Kbps and a functional prototype was developed transcoded in a client-server environment. The process for transmitting video was to use YouTube content with Creative Commons licenses, normalize video encoding (transcoding), organize videos and play them on mobile devices, smart TV and Android Tablet. PcDuino hardware and coupling internally integrated into an existing CPE in the market in order to create local hotspot cloud. Keywords: Creative Commons, HandBrakeCLI, PcDuino, Server Transcoding FFmpeg. 1. INTRODUCCIÓN
HandBrakeCLI, Youtube-dl, Xampp, Server Transcoding FFmpeg y el cliente apk WebTV para dispositivos android.
Uno de los objetivos que apalanca este prototipo es el carácter social llegar más lejos con el contenido multimedia Creative Commons con un mínimo ancho banda para reproducir videos educativos en dispositivos multiplataforma con o sin plan de datos, si se utiliza un dispositivo con plan de datos el desarrollo se conectaría al contenido de un servidor público caso contrario se conectaría a los server locales PcDuino llamado Local_Cache (ver Figura.5).
Para obtener una óptima integración fue necesario realizar las modificaciones en el sistema operativo de PcDuino, y experimentar en un laboratorio virtual android los parámetros de encoder, rate, calidad y resolución que permita una experiencia de streaming sin cortes utilizando tecnologías 3G, 4G y WI-FI en los dispositivos móviles android.
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YouTube dio un paso importante al permitir el uso de sus videos con licencias Creative Commons, la cual permite a terceros utilizar el material para cualquier propósito, siempre y cuando le atribuya la obra al autor [10]. Este proyecto utilizó el contenido Creative Commons de YouTube el cual es previamente descargas mediante CLI Linux. El hardware utilizado es PcDuino y el software
El prototipo PcDuino desarrollado, es capaz de operar en ambiente cerrados como por ejemplos buses de transporte, videotecas, parques, centros comerciales, hoteles, para un despliegue de contenido multimedia sobre una infraestructura WI-FI nueva o existente. Con base a los resultados obtenidos utilizando hardware y software libre mediante la transcodificación personalizada para dispositivos android se puedo evidenciar un alto desempeño en ambientes locales y públicos que permite reproducir el contenido visual de una manera transparente para el usuario en sus dispositivos android.
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Luego de varias pruebas se cuantificó el bit rate, resolución y frame por segundo óptimo para la visualización del video en los dispositivos inteligentes utilizando un ancho de banda menor a 532 Kbps, el cual permite un balance calidad ancho de banda, concurrencia y tiempo de reacción en la reproducción de videos.
y vídeo. Incluye libavcodec, una biblioteca de códecs. FFmpeg está desarrollado en GNU/Linux. Uno de los componentes que se instalan con FFmpeg, es el servidor de streaming de audio y vídeo FFserver. Usando FFmpeg como fuente de datos y FFserver como servidor que reciba las peticiones de los clientes streaming [15][16].
1.1. PcDuino Hardware Open[11][15] PcDuino, una pequeña placa cargada con un potente procesador ARM Cortex A7 corriendo a 1GHz, es un completo y potente sistema de desarrollo embebido, diseñado por Corporate Headquarters:LinkSprite Technologies, Inc.USA [11]
Figura 3. Proceso para Transcodificar Videos
HandbrakeCLI, personaliza los siguientes campos [15]:
Figura 1. PcDuinoV2
A. Descripción del Funcionamiento El diagrama de la Figura. 2 describe el sistema operativo y herramientas utilizadas en PcDuino.
-i significa archivo de entrada -o significa archivo de salida. -- encoder x264 -q --quality controla la calidad de vídeo -r --rate: controla la velocidad de fotogramas de vídeo -B --ab: le permite establecer una tasa de bits de audio -X --maxWidth: establece un límite superior de la anchura. -O --optimize: reorganiza archivos MP4. 1.3. Server Transcoding FFmpeg Server Transcoding FFmpeg , viene embebido en FFmpeg , tiene un óptimo funcionamiento con videos en formato mp4 con encoder x 264 [16]. FFmpeg -ss %o -t %d -i %s -async 1 -b %bk -s %wx%h -ar 44100 -ac 2 -v 0 -f mpegts -vcodec libx264 1.4. YouTube-dl
Figura 2. Herramientas PcDuino.
[11].
1.2. Handbrake & FFmpeg Software Handbrake es un programa libre y de código abierto para la transcodificación multiproceso de archivos de audio y video, para OS X, Ubuntu y Windows, fue desarrollada originalmente por Eric Petit en el 2003. Handbrake utiliza bibliotecas de terceros, como FFmpeg y FAAC, su principal ventaja en este desarrollo es la transcodificación mediante el uso de script Linux CLI. FFmpeg es una colección de software libre que puede grabar, convertir (transcodificar) y hacer streaming de audio
YouTube-dl, es un script libre que permite la descarga por CLI de video del portal de youtube mediante filtros por ejemplo los video a ser descargados tienen licencia Creative Commons [14]. Available formats: 37 : mp4 [1080x1920] 22 : mp4 [720x1280] 18 : mp4 [360x640] 17 : mp4 [144x176]
1.5. Xampp
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Xampp es una distribución de Apache completamente gratuita y fácil de instalar que contiene DB, PHP y Perl. El paquete de instalación de XAMPP ha sido diseñado para ser increíblemente fácil de instalar y usar [14].
WI-FI. La integración se realizó a nivel de las tarjetas de red 100Mbps entre PcArduino y CPE para segmentar las funcionalidades de server streaming FFmpeg y el hotspot respectivamente [18].
1.6. Apk WebTv La aplicación cliente WebTv, fue desarrollado para dispositivos android con el objetivo de conectarse con el servidor de streaming y reproducir los videos. 2. MARCO TEÓRICO/METODOLOGÍA La metodología de desarrollo de software y hardware seleccionada para el diseño e implementación de la aplicación fue la Metodología del Modelo de Construcción de Prototipo [20]. Figura 5. Esquema general de diseño para Streaming Local y Público.
Figura 4. Metodología Construcción Prototipos.
2.1. Plan Rápido Situación Actual cuantificar el ancho de banda que utiliza Netflix en la reproducción de video HD. Diseño e Implementación del Modelo Streaming Multiplataforma para Dispositivos Android Analizar herramientas open source para el desarrollo de la aplicación. Comparar la velocidad de los frames y la resolución de los videos bajados de youtube y el nuevo códec Presentar los parámetros óptimos para realizar la transcodificación de los videos en dispositivos android. Presentar el prototipo hardware y software para operar en un ambiente local y público.
Figura 5. Prototipo PcDuino + CPE WI-FI
A nivel de Software a más de las herramientas detalladas en la figura 2, fue de gran aporte utilizar simuladores para dispositivos Android para probar la transcodificación del streaming en ambiente de pruebas y producción, así también de editores .png para la presentación estética de las gráficas y animaciones del aplicativo cliente streaming [13] [19]
2.2. Modelado Esquemático del Diseño En la etapa de diseño se consideró el esquema general (ver Figura. 5) que debía manejarse tanto en el cliente como en el servidor [6][7].
2.3. Construcción del Prototipo Para la construcción del prototipo a nivel de hardware, se utilizó una tarjeta PcDuino, Fuentes de Poder +5v, y un CPE
Figura 6. Simuladores Android y Ambientes de Programación.
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3. RESULTADOS Y DISCUSIÓN En esta etapa conoceremos el valor promedio de ancho de banda que utiliza el servicio streaming HD del proveedor netflix, presentaremos los parámetros óptimos encontrados para realizar la transcodificación de los videos para dispositivos Android y presentaremos un cuadro comparativo entre los parámetros base de videos de youtube antes y después de aplicar la transcodificación con el porcentaje de eficiencia, todo esto realizado con software y hardware open source. A. Descripción del Experimento Códec Óptimo Es muy importante conocer la situación actual del ancho de banda real que utilizan las plataformas comerciales de streaming para reproducir contenido HD por internet , para cuantificar este valor hemos analizado el servicio de Netflix siguiendo la siguiente metodología: Ingresar al servicio Netflix, reproducir un video A HD, y registrar el ancho banda que visualiza la interfaz WAN del router que provee internet. Después, se realiza lo mismo con un video B HD, se compara los datos obtenidos para determinar si existe una diferencia en el ancho de banda de los dos videos HD reproducidos: B. Parámetros Hallados para Códec Óptimo Para esta investigación, teniendo en cuenta la información técnica de las Tablas 1-2, la información de los experimentos, la información de la norma IEEE 802.11 y recopilando la mayor cantidad de información en reproducción de videos multimedia a diferentes distancias desde el AP Wi-Fi, radios bases 3G, LTE, encoder, rate, calidad, resolución, se ha establecido los siguientes parámetros óptimos para un streaming SD en dispositivos android en condiciones extremas cuya fuente garantice un flujo de datos menor a 532 Kbps: {}.mp4 -e x264 -q 22 -r 15 -B 64 -X 480 -O Resultado: vídeo H264, velocidad de fotogramas:15, bitrate de vídeo: 532 Kb / s, Dimensiones: 480 x optimizado para descargas progresivas. FFaac de audio, 2 canales, 64 Kb / s. -x264 (video format H264) -q 22 (quality recomendado 22 para web mp4. 20 or 22 son otras opciones pero aumenta el ancho de banda) -r 15 (Imágenes por segundo, fps o frame por segundo, otras opciones 5, 10, 12, 15, 23.976, 24, 25, o 29.97. -B 64 ( permite establecer una tasa de bits de audio promedio en kilobits otra opción en 129)
Se presenta un cuadro comparativo entre se los parámetros nativos de videos descargados de youtube antes y después de aplicar la transcodificación con el porcentaje de eficiencia y el ancho de banda real que utiliza netflix en HD. Tabla 1. Registro de Ancho Banda al utilizar Netflix HD
Prueba
HD A
HD B
Tiempo 1
3,72
4,07
Tiempo 2
2,75
5.01
Tiempo 3
3,44
4,55
Tiempo 4
3.71
4,59
Tiempo 5
4.47
4,73
Tiempo 6
5,14
2,83
Tiempo 7
3,75
3,65
Tiempo 8
5,28
4,14
Tiempo 9
5.02
4,25
Tiempo 10
3,07
4,69
Tabla 2. Resultados de cálculo Ancho Banda Netflix HD HD A
HD B
Recuento
7
9
Promedio
3,88
4,17
Mediano
3,72
4,25
Desviación estándar
0,98
0,61
0,95278
0,3735
Alfa
0,05
0,05
Valor T
2,26
2,26
Varianza
Intervalo de confianza Límite superior Límite inferior
0,7231
0,39928
4,60167
4,56594
3,15548
3,76739
Intervalo T
0,83453
0,4608
4,7131
4,62747
3,04404
3,70586
Límite superior (Mbps) Límite inferior (Mbps)
Tabla 3. Resultados de límites superior, inferior y promedio Netflix HD VIDEO HD Series HD Movie
Superior 5,28 5,01
-X 480 (establece un límite superior de la anchura, la altura se ajusta para que coincida con la relación de aspecto) -O (optimize: reorganiza los archivos MP4 para mejor desempeño al realizar streaming)
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Inferior 3,07 2,83
Promedio 3,88 4,17
Teecnología Disrupptiva para la Tran nsmisión de Videoos en Dispositivo os Inteligentes Android con o sin P Plan de Datos ___ ___________________________________________ _____________________________ ______________ _____________________________ ____________
-i (x x264 -q 22 -r 15 1 -B 64 -X 4 80 -O) C. Análisiss Parámetros Hallados parra Códec Ópttimo -i sig gnifica archivo o de entrada (c (contenido Yo ouTube f18) - enccoder x264 .m mp4 -q ---quality contro ola la calidad de vídeo 22 -r ---rate: controla la velocidad dde fotogramass de vídeo 15 -B ---ab: le permitee establecer unna tasa de bitss de audio 64 -X --maxWidth: límite l superiorr de la anchurra 480. -O ---optimize: opttimiza archivoos .mp4 Con los valores máximos m registtrados para la resolución dee los videos y los parrámetros apliccados, se utilizó la siguieente ecuaación para calccular el Bit ratte:
Bitrate[K Kbps] Figura 7. Comparatiivo Transcodificaación utilizando HandBrakeCLI H
Seg gún el análisis realizado heemos obtenido o una eficienccia de un 25 % een el tamañño del videeo al aplicaar la tran nscodificaciónn con los parámetros óptimos (1),, sin deg gradar la ccalidad del video a ser reproducidoos en disspositivos inteeligentes androoid con o sin plan p de datos Tabla T 4. Resultadoos de Eficiencia Tamaño T Video Youtube Y vs Handbbrake Youtube Y Mbps 18,2 1
Res solución
Res solución
640 0*360
Han ndbrake M Mbps 10,4 4
%E Efi
480*256
42,9 9
133,8 1
640 0*360
86,6 6
480*224
35,3 3
174,7 1
640 0*360
121 1,1
480*272
30,7 7
151,3 1
480 0*360
123 3,6
464*352
18,3 3
10,8 1
640 0*360
8,2
480*272
24,1 1
40,7 4
640 0*352
29
480*272
28,7 7
156,8 1
640 0*360
110 0,5
480*272
29,5 5
399 3
624 4*352
312 2,6
480*272
21,7 7
147,4 1
640 0*360
132 2,8
480*352
9,9
169,3 1
640 0*360
111 1,5
480*272
34,1 1
153,2 1
640 0*360
99,1
480*176
35,3 3
169,6 1
640 0*360
117 7,6
480*272
30,7 7
269,3 2
640 0*360
188 8,8
480*272
29,9 9
189,6 1
470 0*360
179 9,6
464*352
5,3
448,3 4
640 0*360
332 2
480*272
25,9 9
112,8 1
640 0*360
82,2 2
480*272
27,1 1
412,5 4
640 0*360
392 2,3
464*352
4,9
165,6 1
640 0*360
135 5,6
480*288
18,1 1
69 6
640 0*360
59,4 4
480*272
13,9 9
169,1 1
640 0*342
132 2,2
480*288
21,8 8
Dee las pruebas realizadas coon un PcDuin no como Serrvidor Local y un Servver Público HP, H se logra una u experienciia sin corrtes utilizandoo tecnologías de acceso 3G, 4G y WI-FI.. Los parámetros uutilizados en la l transcodificcación son:
Rxffpsx ( fm) x0.07 ] 1000
(1)
Dónde: R:: resolución del d video (anchho x alto). fm m: factor de movimiento fp ps: frames por segundo. Conssiderando los parámetros dee transcodificación de videoo y utilizzando los valo ores máximos de la tabla (3), calculamos el bit raate: Reesolución Ópttima for Andro roid = 480 x 352 Frrames por segundo = 15 Faactor de movim miento = 3
Bitrrate[Kbps]
480x3522x15x (3) x0.07 ]
Bitrrate[Kbps] 532
1000
Al controlar la velocidad de daatos con un valor promedioo de 532 Kbps de ancho de banda,, se garantizaa la reproduccción continua del vid deo y los coontroles de adelantamiento a o y retro oceso del reproductor stream ming reaccion nan en menoss de 5 seegundos conectado a un sservidor locall PcDunio, o en menos de 8 seg gundos conecctados a serv vidor público en diciones norm males Figura 5, de esta manera m se occupa cond menos recursos en n la WAN y L LAN optimizando el consuumo de ancho de banda, que está relacionado con el procesamiento dee CPU PcD Duino u otro y el consuumo eficiente de energía.
Figura 8. Resultado R Compar arativo de Transco odificación
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4. CONCLUSIONES 1. Concluimos nuestro análisis indicando que si es factible realizar un streaming open utilizando la plataforma de hardware PcDuino y software HandBrakeCLI, Youtube-dl, Xampp, Server Transcoding FFmpeg , apk WebTV para dispositivos android integrándolo a un CPE WI-FI y utilizando contenido de YouTube Creative Commons, el cual permite a terceros utilizar el material para cualquier propósito, siempre y cuando le atribuya la obra al autor.
Figura 9. Resultado Ancho de Banda de la Reproducción Streaming
2. Según el análisis práctico realizado hemos obtenido un punto de comparación, los videos HD de Netflix se reproducen utilizando un ancho de banda entre 3 y 5 Mbps, bajo este escenario la conexión móvil debería garantizar mínimo una velocidad de 5Mbps para una experiencia sin cortes en streaming móvil con tecnologías 3G, 4G y WI-FI, lo cual no es eficiente y es necesario transcodificar el video. 3. Se encontró los parámetros adecuados para transcodificar a una velocidad de datos menor en promedio a 532 Kbps y realizar la transcodificación mediante la herramienta handbrake basada en códec FFmpeg: -i x264 -q 22 -r 15 -B 64 -X 480 -O -i significa archivo de entrada (contenido YouTube f18) - encoder x264 .mp4 -q --quality controla la calidad de vídeo 22 -r --rate: controla la velocidad de fotogramas de vídeo 15 -B --ab: le permite establecer una tasa de bits de audio 64 -X --maxWidth: establece un límite superior de la anchura. -O --optimize: optimiza archivos .mp4 4. Al aplicar la transcodificaciòn con los parámetros óptimos para dispositivos android hemos obtenido una eficiencia de un 25% en el tamaño y flujo de datos del video sin degradar la calidad del video a ser reproducidos con o sin plan de datos. 5. Se recomienda incorporar este prototipo al proyecto Prometeo para un despliegue asequible en sectores rurales y suplir las necesidades de acceso al contenido educativo optimizando el consumo de ancho de banda de internet y el consumo eficiente de energía. 6. Acceder al conocimiento vía multimedia aún constituye un privilegio de los sectores mejor posicionados utilizando aplicaciones propietarias. Por lo tanto, avanzar hacia la meta universal de acceso libre al conocimiento es una prioridad que merece ser enfatizada y este proyecto funcional ha aportado en este objetivo. REFERENCIAS Arista, Transcoder, The easiest way to convert your media., Obtenido de: http://transcoder.org/presets/ (Marzo,2010).
Figura 10. Resultado Aplicativo Cliente en Dispositivos Móvil Android
Delessio, C. (2013). Google Tv App Development in 24 hours. Indiana. USA: Pearson Education
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[1] Author (M77) Recibió el título de ingeniero en Electrónica y Telecomunicaciones en 2003 y el título de Master en Gerencia de Sistemas de Telecomunicaciones en el 2012 de la Escuela Politécnica de Ejército. respectivamente. Es autor de dos desarrollo registrados en el IEPI. Sus intereses de investigación incluyen aplicaciones y electrónica para la transmisión de streaming adaptativo hacia dispositivos inteligentes para un acceso libre al conocimiento de contenido multimedia Creative Commons, optimizando el ancho de banda de internet y el consumo eficiente de la energía al utilizar miniPc. Es profesor de posgrados en la cátedra de Aplicaciones Avanzadas en Internet y Redes Convergentes de la Facultad de Ingeniería Electrónica y Telecomunicaciones de la Escuela Politécnica Nacional. En la actualidad ha finalizado el prototipo funcional de la plataformas LeCahe para un despliegue de streaming local.
de:
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Premios y honores del Sr. Autor incluyen haber realizado pruebas de concepto en modelamiento de equipos de telecomunicaciones en Israel-Telavit. Creador del startup de entretenimiento Creative Common http://opentv.ddns.net y haber conseguido 2 certificados de propiedad intelectual referente a las plataformas funcionales de streaming.
Vanchon, V. (2012). CCNA Security Press. Indiana. USA: Pearson Wendell, O. (2013). CISCO CCNA Press. Indiana. USA: Pearson Wikipedia. Tecnología Disruptiva, Obtenido de: https://es.wikipedia.org/wiki/Tecnología_disruptiva. (Noviembre, 2015). Xampp, Apache Friends , Obtenido de : https://www.apachefriends.org/es/download.html (Marzo,2014).
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