樂齡陪伴之點對點視訊系統應用

工研院資通所 陳泓翔 林念真 吳韻宜 陳瑞文


少子化、高齡化與家庭結構改變,高齡獨居成為社會趨勢,黃金世代因仍具有傳統華人孝道觀念,對於與父母分隔兩地,無法陪伴關心、擔心獨居父母的安全、健康,是其生活中顯著的痛點;黃金世代父母則隨著身心退化愈需要子女更多的關心與生活協助。

為掌握市場逐漸成長的新商機,亟需針對高齡長者發展兼具安全生活、關懷互動、社交娛樂及生活照顧服務等之新樂活整體解決方案,提供黃金世代透過手機APP便能得知高齡父母的作息近況,即時察覺長輩需要,噓寒問暖給予親情關懷;而高齡父母則透過語音互動及友善人機介面,獲得居家陪伴與照顧服務,以便利熟悉的用詞與口語指令便可與遠端子女及親友進行視訊通話或社交互動。而點對點視訊技術便是其中的關鍵技術。

精彩內容

1. 即時視訊技術之優劣與趨勢

2. 點對點視訊系統建構的挑戰

3. 工研院點對點視訊系統技術特色

4. 點對點視訊系統於樂齡陪伴之應用

5. 工研院點對點視訊系統 提供多功能整合與多元化服務

 

即時視訊技術之優劣與趨勢

目前的即時視訊技術主要分為集中式跟點對點。在集中式的即時視訊架構下,所有的視訊都會透過後台轉傳。撥打方跟接收方都連到同一後台,而後台要負責將視訊轉傳給雙方。點對點即時視訊則不透過後台來轉傳視訊,使用者雙方會建立一條直接連線傳送視訊。彼此的優缺點整理如下:

1.集中式視訊技術 

優點:

  • 系統架構簡單,只要能連到服務後台,便能進行通話。

缺點:

  • 無法同時容納太多使用者,因為所有的視訊都是透過後台來轉發,會需要相當多的網路頻寬。

  • 由於是透過服務後台轉傳,延遲會比點對點高。

2.點對點視訊技術 

優點:

  • 系統後台並不負責轉發視訊,因此不需要大量的網路頻寬。

  • 由於視訊雙方會建立直接的連線,因此延遲會比較低。

缺點:
  • 系統較複雜,需要搭配額外的訊息交換服務來達成點對點視訊。

目前許多主流的視訊系統都採用點對點方式,如Google Due、Facebook Messenger等等。採用點對點視訊服務後,在可以直接建立點對點連線的網路環境下,服務後台只需要負責轉傳使用者的網路跟媒體組態給對方,不需負擔視訊所需要的網路頻寬。在無法建立點對點連線的網路環境下,才需要負擔視訊中繼服務所需的網路頻寬。如此一來能大幅降低服務後台網路或是設備的花費,降低成本。

點對點視訊系統建構的挑戰

欲建構點對點視訊系統需要面臨以下幾個挑戰:

1.NAT穿越:

由於目前普及的IPv4位址有限,現今的網路大部分都是透過NAT(Network Address Translation)來取得私有的網路位址而不是公開的網路位址。使用者能透過該私有網路位址來連接網路,但是其他使用者並不能直接使用該私有網路位址來跟該使用者建立連線。這意味著要建立點對點的連線,必須要穿越層層的NAT來能達成。這是點對點視訊第一個要面對的問題。

2.視訊中繼轉傳:

在某些網路設定下(如使用者間有對稱式NAT),現有技術仍然無法直接的直接建立雙方的連線。此時便需要一個視訊中繼轉傳的備案,讓使用者仍然可以進行視訊通話。由於視訊中繼轉傳會會需要大量的網路頻寬,通常還會需要搭配負載平衡的服務來避免網路負載集中在某一個節點。

3.點對點加密:

隨著隱私觀念的普及,單單達成視訊功能已不能符合需求。使用者都不希望點對點的視訊被人擷取後窺視,這意味著點對點的加密。有了點對點加密後,就算被有心人士擷取網路封包,也看不到其中的內容。

4.視訊外的資料傳遞:

除了視訊資料的點對點傳遞外,如果能同時支援其他的資料傳遞,便能應用到更多的情境上,比如遠端遙控載具。由於是點對點方式,延遲也能降低,支援即時性的應用。

工研院點對點視訊系統技術特色

工研院所研發之點對點視訊系統具備低延遲、動態頻寬調適等能力,控制命令反應時間(Response Time)<1 秒以內,視訊串流緩衝等待時間<5秒並自動根據當前網路頻寬調整影像品質來維持串流順暢度,視訊畫質最高可達720p。另支援點對點加密、視訊外的點對點資料傳遞的功能。系統通訊協定採用WebRTC(Web Real-Time Communication)標準。可提供基於瀏覽器間的即時通訊,使用者只要使用支援WebRTC的瀏覽器,連上視訊服務業者的網站後,不需要再安裝插件,便可以在網頁上進行點對點的視訊溝通。WebRTC也支援諸如智慧型手機或是IoT裝置上,來達成不同種類裝置間的點對點視訊溝通。另外WebRTC採用了許多現有使用於即時視訊的網路協定,如RTP、SDP等等,同時也納入了穿越NAT的相關協定,如STUN (Session Traversal Utilities for NAT) / TURN(Traversal Using Relays around NAT) / ICE(Interactive Connectivity Establishment),還有傳遞視訊外的資料的協定,如SCTP(Stream Control Transport Protocol)/ DTLS(Datagram Transport Layer Security),協定的多元性可滿足不同視訊應用需求。系統架構圖如圖1所示,包含了以下模組:

圖1 點對點視訊系統架構

1.前端iOS / Android App:

採用WebRTC library整合帳號認證後台、視訊管理後台跟視訊傳接後台。能擷取手機跟平板上的攝影機影像跟麥克風聲音,來進行即時視訊通話。同時也能透過非視訊資料點對點傳輸來達成監控遠端載具的功能。

2.帳號認證後台:

採用SRP(Secure Password Protocol)認證,密碼在登入時不會透過網路傳遞,降低密碼被竊取的風險。也提供RS256 Public/Private Key認證,可供第三方服務認證。提供了註冊、登入跟忘記重設密碼等功能。

3.視訊管理後台:

提供GraphQL API,讓API使用者能有彈性的選擇後台要回傳的資料,能減少存取API的次數與回傳的資料量。

  • 提供通話紀錄查詢相關的服務。

  • 提供連絡人管理相關的服務。

4. 視訊串接後台:

提供STUN/TURN後台叢集,可整合帳號認證後台,讓認證後的使用者才能使用STUN/TURN服務。

  • STUN: 提供前端App獲取裝置的網路組態。

  • TURN: 提供點對點無法進行時的視訊中繼。

  • Signaling Server: 負責交換互相撥打裝置間的網路組態跟媒體組態來完成WebRTC Signaling。

5. 推播後台:

  • 串接Google FCM / iOS APNS的推播服務來透過背景推播來通知使用者來電。

使用者透過認證平台來註冊跟登入服務,在撥打視訊電話時,撥打方會利用背景推播,讓接收方得知有視訊通話來電。接著雙方便透過視訊串接後台來交換跟溝通雙方的網路跟媒體組態,接下來可以建立點對點的連線來傳遞視訊資料。並依使用者服務需求可提供自動取消通話、通話紀錄(包含發話者、受話者、通話起始時間、通話時間長度等資訊)查詢等進階功能。

 

點對點視訊系統於樂齡陪伴之應用

工研院次世代環境智能計畫,發展我國首創針對高齡銀髮之樂齡生活守護陪伴服務整體解決方案,研發以人為本之樂齡生活應用服務關鍵技術及系統,為長者量身打造具備在地多語口語互動介面的新型智慧載具個人陪伴機(personal companion robot)。整合音訊分析、活動感知、飲食影像檢測等技術,以實現長者情緒關懷、活動力追蹤、飲食紀錄分析、睡眠質量偵測等主動守護陪伴關懷服務,讓無法隨侍在側的子女可以掌握高齡父母的身心與生活狀態,得以適時關心或提供即時協助。該服務協助子女了解父母的日常生活與健康狀況,並適時關心或提供即時協助。實際產出專為老年人口(70歲以上)量身打造且符合使用者需求的新智慧載具,其具備以下特點:

  • 可亦步亦趨隨時陪在父母身邊。

  • 毋需穿戴式或環境式感測器,可觀測高齡父母的生活狀態並即時向子女回報。

  • 可讓遠端子女操作自如,並與父母視訊通話。

圖2 樂齡生活服務系統

工研院點對點視訊系統,提供樂齡生活應用服務系統中子女與長者的溝通話題「與」遠端遙控載具功能,包含以下應用:

  1. 遠端視訊應用:透過智慧載具和雲端系統主動的分析與通知,子女可了解獨居父母最重要的健康與生活作息,從遠端適時對父母噓寒問暖,給予親情的關懷,達到主動陪伴的關懷境界。

  2. 緊急事件處理與載具控制:透過智慧載具影像偵測長者跌倒或是緊急呼救聲。一旦緊急事件發生,便會主動的撥打視訊給子女,子女在接收到緊急通話時,便可以直接的透過視訊畫面來遠端遙控智慧載具。

 

工研院點對點視訊系統 提供多功能整合與多元化服務

隨著社會的高齡化,長者陪伴成了重要的議題。除了透過視訊的噓寒問暖外,關心長者的身心健康及緊急事件發生時的處理更是重要。工研院點對點視訊系統除了提供即時的雙向視訊功能外,結合跌倒偵測和呼救偵測等AI模組可進行緊急事件處理,能在第一時間透過視訊通話通知子女,讓子女能配合視訊畫面遠端遙控智慧載具到長者身邊來關心長者情形並做後續處理。

除了樂齡陪伴應用外,工研院點對點視訊系統也可以整合其他服務來提供多元化的功能。未來此系統將持續推廣應用在其他需要即時通訊功能與控制的場域,例如智慧社區管理,智慧遠端載具監控等應用。

文章轉載自工業技術研究院電腦與通訊月刊