BAB II DASAR TEORI 2.1 Aplikasi Live Streaming - Analisis Perbandingan Kinerja Codec H.264 Dan Codec Dirac Untuk Kompresi Live Streaming Pada Perangkat Nsn Flexi Packet Radio(Aplikasi Pada Laboratorium Sistem Komunikasi Radio FT-USU)
BAB II DASAR TEORI
2.1 Aplikasi Live Streaming
Live streaming adalah salah satu bentuk penyiaran gambar secara visual
atau suara seperti radio, yang melalui jaringan kabel, wireless maupun jaringan internet secara langsung (real time). Proses ini tidak memerlukan penyimpanan lokal untuk media datanya. Dengan semakin majunya teknologi dapat dapat memudahkan pemilik jasa multimedia untuk mencari cara mengirimkan media data yang berupa file audio, video maupun data melalui jaringan berbasis Internet Protokol . Teknologi live streaming banyak digunakan oleh radio maupun televisi.
Keberadaan live streaming ini menjadikan alternatif bagi pengguna internet yang tidak ingin ketinggalan berita secara langsung, cukup dengan mengakses situs yang menyediakan live streaming [1].
Aplikasi live streaming pada TV dengan mengambil video dan penyiaran itu berlangsung melalui jaringan internet. Proses ini menggunakan kamera untuk video, encoder untuk mendigitalkan isi data. Media kemudian dapat dilihat oleh pengguna akhir secara langsung. Komunikasi live streaming lainnya dengan menggunakan skype dengan menggunakan jaringan internet. Skype dapat berjalan dalam sistem operasi Windows, Linux dan Mac. Voice conference call hingga 9 orang menelpon gratis ke sesama pengguna skype. Fitur lain dalam skype yang berbayar yaitu dapat mengirim sms dan melakukan panggilan pesawat telepon dan
handphone ke seluruh dunia.
Secara umum arsitektur streaming terdapat 4 komponen yaitu : 1. Capture dan encoding 2.
Pelayanan oleh server (serving) 3. Distribusi pengiriman 4. Media Player
Capture dan encoding adalah proses pengambilan data audio video dari
microphone dan camera serta memprosesnya menjadi sebuah file yang terkompresi. File ini akan disimpan pada server penyimpanan data yang mempunyai software khusus untuk bisa mengontrol pengiriman data stream secara real time.
Pada proses serving, file yang telah di-encode-kan di kirim ke server untuk didistribusikan melalui jaringan. Server pada streaming yang berbasis web, memiliki dua fungsi pokok, pertama sebagai web server, web server ini berfungsi untuk mengatur komunikasi antara client dengan server streaming. Kedua berfungsi untuk mengontrol pengiriman data stream menuju jaringan.
Ada dua tipe video streaming menurut bentuk layanan yaitu : 1. Video on demand (VoD), yaitu suatu bentuk streaming pada permintaan data yang sudah ada atau tersimpan dalam server. Video on demand mengijinkan pengguna untuk dapat melakukan proses pause, rewind, fast forward atau melakukan indeks isi multimedia [2].
2. Live streaming, aplikasi live streaming dapat dijumpai dalam teknologi
broadcast radio dan televisi. Aplikasi ini mengijinkan pengguna untuk
menerima siaran radio dan televisi secara langsung (live). Dalam live
streaming tidak ada data video yang tersimpan kedalam server sehingga klien tidak dapat melakukan fast forward dalam media yang diakses. Proses capture dan encoding secara langsung dilakukan sesuai dengan format videonya sebelum video itu ditransmisikan kepada client.
2.1.1 Metode Live Streaming
Ada tiga jenis cara data multimedia dapat ditansmisikan dalam internet, yaitu :
1. Download mode, client dapat memainkan media setelah semua file media telah dilakukan proses download dari server. Penggunaan cara ini mengharuskan keseluruhan file multimedia harus diterima secara lengkap di sisi client.
2. Streaming mode, client dapat memainkan media secara langsung tanpa melakukan proses download. Bagian media yang diterima melalui proses transmisi dapat langsung dimainkan seketika itu juga.
3. Progressive download, media yang dapat dimainkan beberapa detik setelah proses download dimulai atau client dapat melihat media selama media itu dalam proses download. Secara langsung terlihat seperti
streaming tetapi kenyataannya adalah melakukan download. Istilah lainnya juga menyebutkan sebagai pseudo streaming [3].
2.1.2 Komponen Live Streaming
Secara umum, terdapat empat buah komponen dari streaming, yaitu sebagai berikut [3]:
1. Sumber / Input
Sumber dari video yang akan di-stream, dapat berupa file video, DVD, MPEG Card , Satelit, ataupun TV.
2. Encoder Bagian dari aplikasi server yang bertugas untuk mengubah video sumber menjadi sebuah format yang sesuai untuk transmisi streaming, dimana format ini umumnya memiliki tingkat kompresi tinggi supaya dapat ditransmisikan dengan baik pada media jaringan.
3. Server File hasil encoding kemudian didistribusikan oleh server kepada client.
Pada aplikasi yang digunakan, encoder dan server berada pada satu aplikasi yang sama yang terintegrasi satu sama lain.
4. Player / Output
Player berfungsi untuk melakukan decoding terhadap file hasil streaming dan menampilkan pada sisi client.
Gambar 2.1 menunjukkan empat buah komponen streaming pada suatu sistem.Gambar 2.1 Diagram Komponen dari Metode Streaming [3].Streaming dapat dibagi atas dua subkategori, yaitu on-demand stream dan
webcast stream. On-demand stream dikontrol oleh client sedangkan webcast
stream dikontrol oleh server. On-demand stream diaktifkan oleh permintaan
pengguna dan dapat ditampilkan kapan saja sesuai dengan perintah client. On-
demand stream ini dapat dimisalkan seperti melihat video-kaset, dimana client
dapat melakukan fast-forward, rewind, pause dan lainnya. Pada webcast stream, client hanya dapat mengontrol apakah akan terus menerima content atau tidak.
2.2 Coder dan Decoder
Coder adalah proses mengkompresi informasi baik berbentuk audio,video
maupun data. Decoder adalah proses mendapatkan informasi baik audio, video maupun data yang telah terkompresi [4].
Kompresi audio, video maupun data dapat dilakukan secara lossy maupun
lossless. Lossy adalah sebuah metode untuk mengkompresi data dan
mendekompresinya, data yang diperoleh mungkin berbeda dari yang aslinya tetapi cukup dekat perbedaannya. Lossy kompresi ini paling sering digunakan untuk kompres data multimedia (suara atau gambar diam). Sebaliknya, kompresi lossless diperlukan untuk data teks dan file, seperti catatan bank, artikel teks dan lainnya.
Lossy kompresi ini paling sering digunakan untuk kompres data multimedia (suara
atau gambar diam). Sebaliknya, kompresi lossless diperlukan untuk data teks dan file, seperti catatan bank, artikel teks dan lainnya.
Metode ini menghasilkan rasio kompresi yang lebih besar daripada metode
lossless . Misal terdapat image asli berukuran 12,249 bytes, kemudian dilakukan
kompresi dengan JPEG kualitas 30 dan berukuran 1,869 bytes berarti image tersebut 85% lebih kecil dan rasio kompresi 15%. Contoh metode lossy adalah metode CS&Q (Coarser Sampling and/or Quantization), JPEG, dan MPEG.
Lossless adalah data kompresi yang memungkinkan data asli dapat disusun
kembali dari data hasil kompresi. Lossless data kompresi digunakan dalam berbagai aplikasi seperti format ZIP dan GZIP. Lossless juga sering digunakan sebagai komponen dalam teknologi kompresi data lossy. Kompresi lossless digunakan ketika sesuatu yang penting pada kondisi asli.
Beberapa format gambar seperti PNG atau GIF hanya menggunakan kompresi lossless, sedangkan yang lainnya sperti TIFF dan MNG dapat menggunakan metode lossy atau lossless. Metode lossless menghasilkan data yang identik dengan data aslinya, hal ini dibutuhkan untuk banyak tipe data, contohnya:
executable code , word processing files, tabulated numbers dan sebagainya.
Misalnya pada citra atau gambar dimana metode ini akan menghasilkan hasil yang tepat sama dengan citra semula, pixel per pixel sehingga tidak ada informasi yang hilang akibat kompresi. Namun rasio kompresi (rasio kompresi yaitu, ukuran file yang dikompresi dibanding yang tak terkompresi dari file) dengan metode ini sangat rendah.
Metode ini cocok untuk kompresi citra yang mengandung informasi penting yang tidak boleh rusak akibat kompresi, misalnya gambar hasil diagnosa medis. Contoh metode lossless adalah Aritmetic Coding, Run-Length, Huffman, Delta dan LZW.
2.3 Bitrate Video
Bitrate video adalah jumlah jumlah bit yang diproses per satu satuan
waktu. Bitrate video dapat disamakan dengan transfer speed, kecepatan koneksi,
bandwidth, throughput maksimum. Bitrate juga bisa diartikan sebagai jumlah bit
yang diproses dalam satu satuan waktu untuk mewakili media seperti video dan audio setelah dilakukan kompresi. Satunya adalah bit per second (bps). Kualitas video diatur dalam proses encoding videonya. Semakin tinggi bitrate maka akan semakin banyak informasi data videonya. Oleh karena itu, gambar akan menjadi semakin baik kedalaman warnanya.
2.3.1 Bit Depth (Kedalaman Warna)
Banyaknya warna yang dimiliki oleh video seiring dengan kedalaman
8
warna. Sebuah frame yang memiliki bit depth 8 bit dapat menampilkan warna 2 = 256 warna, sedangkan pada frame memiliki bit depth 24 bit dapat menampilkan warna lebih dari 16 juta warna. Dengan basarnya bit yang dimiliki video maka akan membuat kualitas gambar semakin baik dan tajam selain itu juga menambah ukuran file video tersebut.
Komputer menggunakan pewarnaan 24 bit RGB sedangkan sinyal video dan TV menggunakan standar 16 bit YUV sehingga jangkauan warnanya terbatas.
Oleh karena itu, untuk pembuatan video yang ditayangkan di TV biasa berbeda warnanya dengan video pada saat dimainkan dimonitor komputer. Tabel 2.1 memperlihatkan bit depth (kedalaman warna).
Tabel 2.1 Pengelompokan Bit Depth (kedalaman warna).Bit Depth Warna
1 bit Monokrom (2 warna) 4 bit Grayscale atau color (16 warna) 8 bit Grayscale atau color (256 warna) 16 bit High color (512 warna)
24 bit True color (16.777.216 warna )
2.4 Kompresi Video
Video terdiri dari informasi spatial dan temporal. Spatial adalah perbedaan gambar yang terjadi didalam frame. Temporal adalah perbedaan gambar yang terjadi antar frame. Spatial encoding dilakukan dengan memanfaatkan keuntungan bahwa mata manusia tidak mampu mengenali perbedaan kecil pada warna sehingga daerah pada gambar yang memiliki warna yang sama akan dilakukan proses penyederhanaan. Temporal encoding dilakukan dengan menghitung bagian frame yang memiliki gambar yang sama dan disederhanakan menjadi jumlah bit yang lebih sedikit.
Standar kompresi video terhadap kompresi informasi audio dan visual diperlukan untuk memfasilitasi pertukaran data berupa video maupun audio digital secara global. Untuk komunikasi multimedia, terdapat dua organisasi standar yang utama yaitu ITU-T dan International Organization for Standardization (ISO).
Beberapa standar dari ITU-T G.1010 dan ISO, seperti H.261, H.263,
H.264 dan dirac telah dikembangkan untuk banyak domain aplikasi. Standar -
standar tersebut mendefinisikan bitstream dari data audio visual dan menentukan sekumpulan aturan yang harus dipatuhi dalam pengambangan hardware maupun
software untuk solusi kompresi. Standarisasi kompresi video tidak dengan tegas
menentukan proses pengkodean, tetapi mengambil kelebihan dari riset-riset dalam bidang teknik kompresi yang banyak dilakukan dan merekomendasikan sejumlah algoritma untuk memperoleh teknik kompresi dan dekompresi yang efisien
2.4.1 Kompresi H.261
Standar H.261 adalah standar yang diterbitkan oleh ITU-T pada tahun 1990. Standar H.261 didesain untuk kompresi video yang akan ditansmisikan melalui jaringan ISDN dengan bandwidth sebesar px64 Kbit/s, dimana p berkisar antara 1 sampai 30. Standar H.261 ini diimplementasikan untuk aplikasi
conference dan videophone. Pengiriman video melalui H-261 (ISDN) berbeda
dengan H.263. H.261 di rancang untuk pengiriman video melalui jaringan ISDN (Integrated Services Digital Network) yang merupakan standar video coding yang dibuat oleh CCITT (Consultative Commitee for International Telephone and
Telegraph ).
H.261 merekomendasikan sebuah standar coding untuk pengiriman data dengan kelipatan m x 384Kbps (m=1,2,..5) dan dirancang untuk video conference.
Aplikasi video telepon menggunakan jaringan telepon ISDN. Pada aplikasi ini, keterbatasan gerakan video menjadi bagian terpenting. Kecepatan bitrate antara p x 64 Kbps. Dimana p adalah frame rate (antara 1 sampai 30). Susunan frame
H.261 berurutan dimana tiap - tiap 3 buah frame (I) dibatasi dengan 1 buah inter- frame (P).
2.4.2 Kompresi H.263
Pada Februari 1995 ITU-T SG15 mengeluarkan standar H.263 yang dirancang untuk penggunaan komunikasi bitrate namun tidak pernah berjalan dengan baik ketika melalui jaringan POTS (Plain Old Telephone Service). Standar
H.263 telah menggantikan standar H.261 untuk video conference dibeberapa
aplikasi yang mendominasi standarisasi untuk beberapa aplikasi internet video streaming sekarang ini.
Prinsip kerja H.263 adalah sebagai berikut. Video frame akan ditangkap di sumber / pengirim dan di encode (dikompresi) dengan video encoder. File video yang terkompres kemudian dikirimkan melalui jaringan atau saluran telekomunikasi dan di decode (dekompresi) menggunakan video decoder. Frame yang di decode ini yang kemudian akan di tampilkan. Pada saat ini, cukup banyak standar yang ada, masing-masing di disain untuk keperluan tertentu.
Standar H.263 menentukan kebutuhan untuk encoder dan decoder video.
H.263 tidak menjelaskan tentang encoder atau decoder itu sendiri. Akan tetapi,
H.263 menspesifikasikan format dan isi dari aliran data yang di encode (kompres).2.4.3 Kompresi H.264
Codec H.264 dapat melakukan proses decoding secara lengkap, inverse
transform untuk menghasilkan sebuah urutan video yang telah di-encode.
Dibandingkan dengan standar seperti MPEG-2 dan MPEG-4 Visual, H.264 memiliki kelebihan antara lain:
1. Kualitas gambar yang lebih baik pada bitrate kompresi yang sama 2.
Kecepatan bit kompresi yang lebih rendah untuk kualitas gambar yang sama.
Standar H.264 menawarkan fleksibilitas yang lebih besar dari segi kompresi dan transmisi. Sebuah encoder H.264 dapat memilih dari berbagai jenis alat kompresi, sehingga cocok untuk aplikasi mulai dari bitrate rendah hingga transmisi HDTV ke konsumen televisi [5].
2.4.4 Kompresi Dirac
Spesifikasi diselesaikan pada bulan Januari 2008, dan perkembangan lebih lanjut hanya perbaikan bug dan kendala. Pada bulan September tahun itu, versi 1.0.0 darisebagai VC-2. Dirac mendukung resolusi1920 x 1080) dan lebih besar dan diklaim mampu memberikan penghematan yang signifikan dalam kecepatan data dan peningkatan kualitas atas format kompresi video sepertiPelaksana dirac membuat klaim awal "pengurangan dua kali lipat dalam bit rate lebih dari MPEG-2 untuk video
definisi tinggi", yang membuatnya sebanding dengan standar generasi terbaru seperti[6].
2.5 Protokol Streaming
Protokol streaming adalah sebuah aturan untuk membimbing sebuah aktifitas pertukaran data informasi. Adapun tujuannya ialah sebagai standarisasi komunikasi antara streaming sever dan streaming client.
Transmision Control Protokol/Internet Protokol pertama kali
diperkenalkan olah Departement of Defence (DoD) untuk memastikan dan menjaga integritas data sama seperti halnya menjaga komunikasi dalam situasi apapun. TCP/IP menjadi protokol komunikasi data yang fleksibel dan dapat diterapkan dengan mudah dari setiap jenis komputer dan interface jaringan, karena perubahan pada protokol yang sehubungan dengan interface jaringan saja. TCP/IP memiliki 4 layer yang terdiri dari [7] :
1. Application Layer Layer ini mengintegrasikan berbagai macam aktivitas dan tugas-tugas
yang melibatkan fokus dari layer OSI yaitu Application, Presentation dan Session . Layer ini juga mengendalikan spesifikasi tatap muka pengguna.
2. Transport Layer Layer ini sejalan dengan layer transport di model OSI. Layer ini
mendefinisikan protokol untuk mengatur tingkat layanan transmisi untuk aplikasi. Layer ini juga menangani masalah seperti menciptakan komunikasi end to end yang handal dan memastikan data bebas dari kesalahan saat pengiriman, serta menangani urutan paket dan menjaga integritas data.
3. Internet Layer Layer ini setara dengan layer network dalam OSI, yaitu mengalokasikan
protokol yang berhubungan dengan transmisi logika sejauh paket keseluruh network. Layer ini menjaga pengalamatan host dengan memberikan alamat IP dan menangani routing dari paket yang melalui beberapa jaringan.
4. Network Access Layer Layer ini merupakan gabungan dari layer physical dan data link di OSI.
Layer ini memantau pertukaran data antara host dan jaringan, dan
bertugas mengawasi pengalamatan secara hardware dan mendefinisikan protokol untuk transmisi fisik data.
Gambar 2.2 adalah gambar susunan struktur protokol pada TCP/IP yang disajikan secara berurutan.Gambar 2.2 Struktur Protokol pada TCP/IP [7].TCP merupakan protokol yang connection-oriented yang artinya menjaga reliabilitas hubungan komunikasi end – to – end. Konsep dasar cara kerja TCP adalah mengirim dan menerima segmen– segmen informasi dengan panjang data bervariasi pada suatu datagram internet. TCP menjamin realibilitas hubungan komunikasi karena melakukan perbaikan terhadap data yang rusak, hilang atau kesalahan kirim.
UDP yang merupakan salah satu protokol utama diatas IP merupakan transport protokol yang lebih sederhana dibandingkan dengan TCP. UDP digunakan untuk situasi yang tidak mementingkan mekanisme reliabilitas. UDP melakukan pengiriman informasi yang tidak membutuhkan keandalan. Walaupun pengiriman dengan UDP kurang handal dibandingkan dengan protokol TCP, pengiriman dengan UDP mengurangi overhead jaringan.
Real-time Transport Protokol (RTP) menerapkan fungsi- fungsi untuk
transport dari awal ke akhir data real time, seperti audio, video, multimedia atau
isi lainnya. RTP mendukung transmisi unicast, broadcast, dan multicast.
RTCP (Real-time Control Protokol) merupakan protokol pengendalian paket data pada RTP yang juga berguna untuk menjamin QoS video streaming.
RTCP digunakan secara periodik untuk mentransmisikan control packet untuk pengemasan pada sesi video streaming.
RTSP (Real Time Streaming Protocol) adalah protokol level aplikasi yang bertujuan untuk menyediakan sebuah protokol yang kuat untuk multimedia
streaming satu ke banyak aplikasi secara unicast dan multicast, dan untuk
mendukung interoperabilitas antara klien dan server dari vendor yang berbeda.RTSP dianggap lebih dari kerangka daripada protokol. RTSP didesain untuk bekerja di atas RTP untuk mengontrol dan menyampaikan konten secara real-time [7].
Gambar 2.3 Operasi RTSP [7].2.6 Parameter Kinerja Live Streaming
Terdapat beberapa faktor yang mempengaruhi kualitas real time video
streaming, yaitu waktu tunda (delay), throughput, packet loss dan pemilihan jenis
codec . Ukuran dan pengalokasian kapasitas jaringan juga mempengaruhi kualitas
real time video streaming secara keseluruhan. Berikut penjelasan dari beberapa
faktor tersebut [8].2.6.1 Waktu Tunda (Delay)
Waktu tunda (delay) adalah waktu tunda saat paket yang diakibatkan oleh proses transmisi dari satu titik lain yang menjadi tujuannya. Waktu tunda mempengaruhi kualitas layanan (QoS) karena waktu tunda menyebabkan suatu paket lebih lama mencapai tujuan. ITU-T G.114 merekomendasikan waktu tunda tidak lebih besar dari 150 ms untuk berbagai aplikasi, dengan batas 300 ms untuk komunikasi suara yang masih dapat diterima. Rata - rata delay diperoleh dari jumlah pengiriman satu paket delay dibagi dengan banyak delay yang ada. Untuk menghitung rata - rata delay digunakan rumus [8] :
ℎ Rata
(2.1)
− Rata =
Keterangan : Jumlah delay = total delay pengiriman paket Banyak delay = banyaknya delay yang terjadi
ITU G.1010 membagi karakteristik waktu tunda berdasarkan tingkat kenyamanan user, dapat ditunjukkan pada tabel dibawah ini :
Tabel 2.2 Pengelompokan Waktu Tunda berdasarkan ITU-T G.114 Waktu Tunda Kualitas0-150 ms Baik 150-300 ms Cukup, masih dapat diterima
>300 ms Buruk Ada beberapa komponen waktu tunda yang terjadi dijaringan. Komponen waktu tunda tersebut yaitu waktu tunda pemprosesan, waktu tunda paketisasi, waktu tunda propagasi dan waktu tunda akibat adanya jitter buffer diterminal penerima. Berikut ini penjelasan mengenai beberapa jenis waktu tunda yang dapat mempengaruhi kualitas layanan ialah : 1.
Waktu tunda pemrosesan.
2. Waktu tunda yang terjadi akibat proses pengumpulan dan pengkodean sampel analog menjadi digital.
3. Waktu tunda paketisasi, waktu tunda ini terjadi akibat proses paketisasi sinyal suara menjadi paket-paket yang siap ditransmisikan ke dalam jaringan.
4. Waktu tunda antrian, waktu tunda yang disebabkan oleh antrian paket data terjadinya kongesti jaringan.
5. Waktu tunda propagasi, waktu tunda ini disebabkan oleh medium fisik jaringan dan jarak yang harus dilalui olah sinyal suara pada media transmisi data antara pengirim dan penerima.
6. Waktu tunda akibat jitter buffer, waktu tunda ini terjadi akibat jitter buffer yang digunakan untuk meminimalisasi nilai jitter yang terjadi.
2.6.2 Throughput
Throughput adalah bandwidth aktual yang terukur pada suatu ukuran
waktu tertentu. Throughput lebih menggambarkan bandwidth yang sebenarnya (actual) pada suatu waktu tertentu yang digunakan untuk men-download suatu file dengan ukuran tertentu. Throughput merupakan jumlah bit yang berhasil dikirim pada suatu jaringan.
Throughput adalah kecepatan (rate) transfer data efektif, yang diukur
dalam bps. Throughput merupakan jumlah total kedatangan paket yang sukses diamati pada destination selama interval waktu tertentu dibagi oleh durasi interval waktu tersebut. Rumus yang digunakan untuk menghitung throughput adalah : (2.2)
ℎ ℎ = Keterangan:
Bytes = jumlah bit yang dikirim Duration = total waktu pengiriman paket
2.6.3 Packet Loss
Packet loss adalah jumlah paket data yang hilang per detik. Packet loss
dapat disebabkan oleh sejumlah faktor, mencakup penurunan signal dalam media jaringan, melebihi batas saturasi jaringan, paket yang corrupt yang menolak untuk transit, dan kesalahan keras jaringan. Paket hilang dapat disebabkan oleh pembuangan paket di jaringan (network loss) atau pembuangan paket di gateway (terminal) sampai kedatangan terakhir (late loss). Network loss secara normal disebabkan kemacetan (router buffer overflow), perubahan rute secara seketika, kegagalan link, dan lossy link seperti saluran nirkabel.
Kemacetan atau kongesti pada jaringan merupakan penyebab utama dari paket hilang.
Tabel 2.3 Standar Tingkat Paket Hilang Tingkat paket hilang Kualitas0-1% Baik 1-2% Cukup
>2% Buruk Rumus yang digunakan untuk menghitung packet loss adalah :
−
= 100% (2.3) Keterangan: Paket terkirim = total RTP packet yang terkirim Paket diterima = paket yang berhasil diterima