1- Généralités sur la lecture en continu = "streaming"

 

    Un des intérêts majeurs de l'Internet Multimédia est de pouvoir effectuer une lecture en continu (Streaming) d'un flux de données audio ou vidéo.

    Voir le site Wiki de l'Université de Paris Descartes pour de plus amples explications sur le Streaming, reprises dans ce qui suit...

 

Qu'est-ce-que la lecture en continu (streaming) ?

    La lecture en continu (streaming en anglais) est une technique permettant la lecture d'un flux audio ou vidéo (media stream) à mesure qu'il est diffusé. Elle s'oppose ainsi à la diffusion par téléchargement qui nécessite de récupérer l'ensemble des données d'un morceau ou d'un extrait vidéo avant de pouvoir l'écouter ou le regarder.

    Le programme de lecture en continu, ou client, va récupérer une partie du contenu qu'il place dans une mémoire tampon, en paquets dont la taille est adaptée à la bande passante disponible entre le client et le serveur. Lorsqu'il y a suffisamment de données dans cette mémoire pour permettre de lire le début du fichier audio ou vidéo sans accroche, et cela même en cas de petits ralentissements réseau, la lecture démarre. En arrière-plan, le téléchargement du flux se poursuit afin d'alimenter sans cesse la mémoire tampon avec la suite du fichier.

En raison des latences créées par le réseau (Internet ou le réseau local) et des opérations de codage / décodage effectuées, un délai de 5 à 35 secondes (voire plus) peut intervenir entre le signal émis par la source et le signal reçu sur le lecteur.

      Pour que ceci soit rendu possible, les données sont très compressées : il ne faut donc pas attendre du streaming la même qualité qu'un fichier "master" stocké sur votre disque dur, un tel fichier prendrait trop de bande passante pour être joué en temps réel.
 

Il existe 2 sortes de lecture en continu (streaming):

•     Lecture en continue "Statique, ou "progressive"

C'est la solution la plus couramment utilisée, car elle s’effectue à partir d’un serveur web « standard » et utilise les protocoles HTTP et FTP basés sur TCP. Elle ne nécessite donc pas de serveur spécialisé.

Elle consiste à lire progressivement le fichier multimédia pendant son téléchargement. Après un temps de latence nécessaire au chargement des premières secondes, celles-ci sont lues tandis que la suite du fichier se charge. Le fichier est donc simplement proposé au téléchargement, de la même manière que tout autre type de fichier, et c'est le navigateur ou client (lecteur multimédia) qui se charge d'effectuer le streaming. La copie du fichier téléchargé est détruite par le navigateur à la fin du traitement. Elle permet de délivrer tout type de médias mais préalablement préenregistrés : elle ne peut pas transmettre de flux en temps réel.

L'inconvénient de cette solution est l'impossibilité de s'adapter à la qualité de connexion de l'utilisateur. Pour le diffuseur, il devient ainsi souvent nécessaire de proposer plusieurs fichiers avec des résolutions différentes pour permettre à l'internaute de choisir en fonction des capacités de sa connexion. Par ailleurs elle induit une attente pour avoir les premières images si le fichier est de taille importante. Le progressif est la méthode utilisée par des sites comme Dailymotion ou YouTube.

• Lecture en continue "dynamique" ou "continue"

Elle nécessite un serveur spécialisé, appelé serveur de streaming, et utilise le protocoles RTP / RTCP sur UDP pour diffuser le contenu.   

Il n'y a qu'un seul fichier diffusé contenant plusieurs fois les mêmes informations à différents niveaux de qualité, et c'est le serveur de lecture en continu spécialisé qui se charge de diffuser l'information adaptée. En fonction du débit de la connexion de l'internaute, le serveur sélectionne le niveau de qualité maximal pour une diffusion en temps réel. Le serveur est également capable de s'adapter automatiquement aux variations de la bande passante : si la connexion se détériore et que le taux de transfert baisse, le contenu est livré avec une moindre qualité afin d'éviter les interruptions de diffusion. Si en revanche la connexion devient plus fluide, la qualité s'améliore. Le contenu démarre dès que l'utilisateur demande à y accéder sans délais. L'inconvénient de cette solution est de devoir utiliser un serveur spécialisé (Xiph Icecast, Real Helix Streaming Server, Windows Media Services, Adobe Flash Media Server, Quicktime Streaming Server, etc.) et que l'internaute doit avoir une bande passante adaptée au contenu envoyé, le contenu étant diffusé au même rythme que la lecture de l'internaute..

   

Les différentes étapes du streaming

Le streaming est le traitement appliqué à un flux de données en temps réel transitant sur le serveur, ou à un montage vidéo ou à un fichier audio installés sur le serveur. Il procède en plusieurs étapes :

Encodage

Afin de réduire le nombre de paquets de données à transmettre (et donc économiser la bande passante nécessaire) et permettre leur lecture en temps réel, les fichiers multimédias doivent être compressés dans un format de streaming du serveur : c'est l'encodage.

Cela suppose deux opérations : la compression à l’aide d’un codec et le multiplexage dans un conteneur (muxeur).

Compression avec un codec

Un codec (pour "compression/decompression") est un algorithme de compression utilisé pour réduire la taille d'un flux ou d’un fichier (audio ou vidéo). Il génère un format de compression spécifique. Il y a des codecs audio et des codecs vidéo.

MPEG-1, MPEG-2, MPEG-4, DivX, Vorbis, MP3 (etc) sont des codecs.

Il existe de nombreux formats de compression.

On distingue deux types de compression :

• La compression sans perte
  La compression sans perte se base sur la fréquence d'apparition de mots binaires dans le flux binaire représentant une image ou une source audio. Elle réduit la quantité d'information à transmettre aux clients en comptabilisant le nombre de fois qu'apparaît continuellement chacun des mots binaires les plus fréquemment rencontrés.
   

• La compression avec perte
  La compression avec perte, quand à elle, réduit la quantité d'information à transmettre en dégradant sensiblement les données tout en conservant l'information la plus pertinente du média. Les limites des perceptions auditives et visuelles humaines aidant, ces formats de compression permettent d'obtenir des ratios avoisinant le 1/10 tout en conservant une qualité visuelle ou auditive.

Multiplexage dans un conteneur

Le multiplexage consiste à encapsuler (empaqueter) ensemble les différents flux requis dans un même fichier (conteneur) avant que celui-ci ne soit diffusé sur le réseau.
Un conteneur (ou muxeur) contient donc un ou plusieurs flux déjà encodés à l'aide de codecs, mais aussi d’autres informations qui définissent comment lire les données en indiquant le nom du codec nécessaire au décodage des flux audio et vidéo. Généralement, il y a un flux vidéo et un flux audio. Les formats conteneur les plus avancés sont capables de gérer de l'audio, de la vidéo, des sous-titres, des chapitres et des métadonnées (ou tags) et de façon synchronisée pour que les différents flux soient bien lus en même temps.
 

WAV, AIFF (etc) sont des conteneurs audio (flux audio seulement).
AVI, OGG, Quicktime, ASF, MP4 (etc) sont des conteneurs vidéo (flux audio et vidéo).

Les flux contenus peuvent être encodés à l'aide de codecs différents. Attention, tout codec n’est pas compatible avec tout conteneur.
Ainsi, un fichier AVI peut contenir du divx avec du mp3, ou wma, ou du mpeg, par exemple.
L'extension du fichier donne ainsi le type du conteneur des flux présents dans le fichier et les possibilités offertes à la lecture.

Diffusion des données sur le réseau - Buffering

Le fichier audio ou le conteneur vidéo est ensuite placé sur le serveur qui, à chaque requête d'un internaute, duplique le fichier demandé et le délivre sous la forme d'un flux continu de données (petits paquets de données marqués temporellement afin d’être réordonnancés de manière cohérente par le client).
C'est le serveur de streaming qui se charge de faire correspondre une URL à un flux temps-réel (direct) ou à un fichier préenregistré (différé):

 

[protocole]://[hôte]/[chemin de fichier ou d'encodeur]
 

Par exemple:

 rtsp://host.media.com/encoder/stream_1
 pnm://host.media.com/medialib/fichier_a
 mms://host.media.com/medialib/fichier_b

A cause des fluctuations réseaux, des différents parcours empruntés par les paquets et des variations de la bande passante, les paquets n'arrivent pas toujours dans le bon ordre. Les paquets sont donc regroupés et agencés dans le bon ordre dans une mémoire tampon (ou buffer) créée par le lecteur média de l'ordinateur de l'utilisateur. Au bout de quelques secondes, une fois que le buffer de réception possède assez d'informations, la lecture du flux commence et les images ou le son sont retransmis. La mémoire tampon a donc pour rôle de fluidifier le flux. Si la connexion réseau est mauvaise, l'arrivé des paquets sera ralentie. Lorsque le buffer de réception est vide, la lecture s'arrête et reprendra lorsqu'elle possèdera assez de données pour continuer. L'image est alors figée.

Lecture du média

Les différents opérations permettant la lecture du média sont assurées par le lecteur multimédia de l’utilisateur. Tout lecteur est libre (gratuit) et multiplateforme. Il dispose de plusieurs codecs à sa disposition.

• Démultiplexage
  Le conteneur est tout d’abord démuxé (c’est le démultiplexage) : les différents flux audio et vidéo sont séparés et sauvegardés dans des fichiers différents.

• Décompression
  Chacun de ces flux sont ensuite décodés (décompressés) en temps réel avec les mêmes codecs que ceux utilisés pour compresser ces flux. Le lecteur multimédia peut être amené à devoir télécharger le codec nécessaire (sous forme de plug-in) si celui-ci n’est pas présent dans l’environnement et s’il est autorisé à le faire (le codec requis peut être « propriétaire » et donc payant …). Ces flux sont alors restitués avec le maximum de qualité possible à l’utilisateur. Dans la plupart des cas, la compression est asymétrique : la compression (en fonction de la qualité que l'on souhaite avoir) sera plus longue et la décompression assez rapide pour permettre une lecture presque instantanée du flux.

Technologies utilisées pour le streaming

Technologies	Conteneurs	Formats	Protocoles supportés	Connexion
Real Networks	RealMedia	vidéo: rm, ra	UDP / TCP / HTTP (connexion) RTP / RDT / RTSP
		audio: rma
Microsoft et Windows Media Player	ASF	asf	UDP / TCP / HTTP (connexion) UDP / TCP /MMS  RTP / RDT / RTSP	Unicast
	WMV	wmv (vidéo), wma (audio
Apple et Quicktime	QuickTime	mov	UDP / TCP / HTTP (connexion) RTP / RDT / RTSP
	AVI	avi
Format mpeg4	MP4	mp4
Adobe Systems (Flash Player)			TCP / RTMP HTTP / RTMPT HTTPS / RTMPS