Влияние ошибок в каналах широкополосных систем беспроводного доступа на качество потокового видео стандарта h.264 /avc

На правах рукописи

ИВАНОВ Юрий Алексеевич

ВЛИЯНИЕ ОШИБОК В КАНАЛАХ ШИРОКОПОЛОСНЫХ СИСТЕМ БЕСПРОВОДНОГО ДОСТУПА НА КАЧЕСТВО ПОТОКОВОГО ВИДЕО СТАНДАРТА H.264 /AVC

Специальность 05.12.13 – Системы, сети
и устройства телекоммуникаций

А в т о р е ф е р а т

диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук

Пенза 2011

Работа выполнена в ФГОУ ВПО «Чувашский государственный университет им. И. Н. Ульянова» на кафедре радиотехники и радиотехнических систем.

Научный руководитель Заслуженный деятель науки РФ

доктор технических наук, профессор

Шелухин Олег Иванович.

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор
Светлов Анатолий Вильевич;

доктор технических наук, профессор
Смольский Сергей Михайлович.

Ведущая организация ФГУП НИИ «Платан» с заводом при НИИ (г. Фрязино, Московская область).

Защита диссертации состоится «21» апреля 2011 г., в 14.00 часов, на заседании диссертационного совета Д 212.186.04 при ГОУ ВПО «Пензенский государственный университет» по адресу: 440026,
г. Пенза, ул. Красная, 40.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГОУ ВПО «Пензенский государственный университет». Автореферат размещен на сайте www.pnzgu.ru

Автореферат разослан «14» марта 2011 г.

Ученый секретарь
диссертационного совета

доктор технических наук,
профессор В. В. Смогунов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Начиная с внедрения первых коммерческих продуктов в Интернете в 1995 г. наблюдается бурный рост услуг по передаче мультимедийных данных. Основную долю ресурсов при передаче занимают потоковые данные. Привлекательность потоковой передачи данных очевидна: аудио- и видеоматериалы наглядно доносят информацию в легко воспринимаемом виде. Подача материала в видеоформате очень эффективна в торговле, рекламе, при обучении и инструктировании. Для компаний это означает увеличение дохода, большую эффективность и меньшие затраты на доставку информации. Традиционный способ доставки файлов из сети с помощью загрузки недостаточно удобен для аудио- и видеоданных даже с учетом того, что клиентские соединения становятся быстрее. Часто скорости передачи недостаточны для загрузки видеофайлов, размер которых составляет десятки мегабайт. Решение проблемы больших файлов существует вот уже несколько лет: потоковая технология. Сегодня термином «потоковое видео» (streaming video) обозначают технологии сжатия и буферизации данных, которые позволяют передавать видео в реальном времени через сети связи. В последние годы наблюдаются развитие и бурный рост технологий, использующих в качестве транспорта беспроводные технологии широкополосного доступа, которые являются серьезной альтернативой сотовым системам связи.

Это стремительное увеличение определило новую сложную задачу по поддержанию качества обслуживания при трансляции видео. Существенный вклад в разработку цифровых систем сжатия и обработки изображений, а также методов и аппаратуры измерения качества в цифровых телевизионных системах внесли отечественные ученые: В. П. Дворкович, А. В. Дворкович, Ю. Б. Зубарев, С. И. Катаев, М. И. Кривошеев, Б. А. Локшин, В. Н. Безруков, а также зарубежные специалисты: Г. Салливан, С. Винклер, М. Рис, Дж. Вудс, Т. Вайгэнд, А. Таурапис, А. Бовик и др.

Основным недостатком передачи видео по беспроводным сетям является отсутствие достаточной синхронизации между оригинальной последовательностью и декодированной на приемной стороне копией. Из-за агрессивной среды передачи пакеты данных могут претерпевать серьезные искажения или вообще теряться. На сегодняшний день не существует стандартных подходов к определению влияния комплекса ошибок на качество передачи предоставляемых сервисов.

Указанные проблемы в соединении с коммерческим успехом заставляют проводить исследования, направленные на эффективное, стабильное и масштабируемое кодирование и передачу видео по нестабильным сетям, к которым относятся, в частности, беспроводные технологии широкополосного доступа.

Таким образом, исследование влияния ошибок в каналах широкополосного беспроводного доступа на визуальное качество потокового видео является актуальным.

Объект исследования – телекоммуникационные системы.

Предмет исследования – качество услуг, предоставляемых широкополосными системами беспроводного доступа при передаче потокового видео.

Цель работы: оценка влияния ошибок в каналах широкополосного беспроводного доступа на качество потокового видео стандарта H.264/AVC и разработка рекомендаций по выбору параметров системы обработки и регистрации с целью обеспечения заданного качества восприятия видеоинформации.

Научные задачи работы:

1) оценка качества потокового видео стандарта H.264 /AVC в системах широкополосного доступа методами имитационного моделирования с помощью разработанного программно-аппаратного комплекса (ПАК) и дополнительного программного обеспечения в среде NS-2 и MatLab Simulink;

2) исследование влияния битовых, пакетных, группирующихся ошибок в каналах беспроводного доступа на качество потокового видео стандарта H.264/AVC экспериментальными методами и методами имитационного моделирования;

3) рекомендации по улучшению качества восприятия потокового видео стандарта H.264/AVC в условиях пространственно-временной неоднородности видеоконтента и нарушения синхронизации видеопоследовательностей при регистрации в условиях воздействия ошибок в канале передачи.

Методы исследования. Теоретические исследования проведены с использованием методов теории информации, теории вероятности, математической статистики, случайных процессов, теории телетрафика, теории массового обслуживания. Экспериментальная часть работы основана на численных методах машинного моделирования и вычислительного эксперимента с использованием языков программирования высокого уровня. Для численного анализа, проведения оценки и промежуточных вычислений применялись программные комплексы MatLab и NS-2. Обработка видеопоследовательностей, оценка качества видеоизображений производились методами имитационного моделирования.

Достоверность научных положений, выводов и практических рекомендаций результатов исследований, полученных автором диссертации, подтверждена строгостью применяемых математических методов, положительными рецензиями на работы, опубликованные в центральной печати, апробацией на научных конференциях, совпадением основных теоретических научных положений с результатами экспериментальных исследований, их повторяемостью и контролируемостью.

Научная новизна и теоретическая значимость работы состоит в следующем:

1. Разработанные алгоритмы оценки качества восприятия потокового видео стандарта H.264/AVC в каналах беспроводного широкополосного доступа на основе обработки экспериментальных данных и разработанной Марковской модели пакетирования ошибок позволили исследовать влияние как одиночных битовых, так и группирующихся ошибок.

2. Выполненные исследования влияния одиночных и группирующихся ошибок передачи на ухудшение качества позволили получить зависимости качества восприятия потокового видео от вероятности возникновения одиночных и статистических характеристик группирования ошибок.

3. Выполненные исследования влияния различных сюжетных групп стандарта H.264/AVC на воспринимаемое качество при передаче по сетям показали, что необходимо учитывать не только качество транслируемого и впоследствии декодируемого видеопотока, но и содержание видеоконтента, зависящее как от параметров кодека, так и статистики ошибок в каналах беспроводного доступа.

Практическая ценность работы и использование ее результатов:

1. Выполнены исследования зависимости качества видео от характеристик широкополосных беспроводных каналов связи, результаты которых могут быть использованы операторами связи при проектировании и эксплуатации различных видеоуслуг.

2. В программных средах MatLab Simulink и NS-2 созданы имитационные системы, позволяющие оценить помехоустойчивость при передаче видео и мультимедийной информации на базе комплексного учета основных особенностей стандарта IEEE 802.16.

3. На основе программной реализации разработанных алгоритмов создан программно-аппаратный комплекс, позволяющий проводить оценку качества потокового видео с учетом помехоустойчивости среды передачи.

4. Разработаны рекомендации по выбору параметров системы обработки и регистрации потокового видео стандарта H.264/AVC как в условиях одиночных битовых ошибок, так и при группировании ошибок в каналах беспроводного широкополосного доступа, что позволило получить количественные оценки эффективности декодирования видео в зависимости от информационных и индивидуальных характеристик кодеков в реальном масштабе времени.

Реализация и внедрение результатов работы.

Полученные результаты диссертационной работы внедрены в ФГУП СНПО «Элерон», о чем свидетельствует соответствующий акт внедрения.

Положения и результаты, выносимые на защиту:

1) численные значения вероятностей одиночных, пакетных и группирующихся ошибок, возникающих в сетях широкополосного беспроводного доступа при передаче потокового видео, позволяющие гарантировать объективное качество в определенном диапазоне;

2) разработанная Марковская модель с девятью состояниями, описывающая процесс пакетирования ошибок в каналах широкополосных систем беспроводного доступа при передаче потокового видео, позволившая оценить качество потокового видео в реальных условиях передачи;

3) увеличение «битрейта» в большей степени сказывается на качестве видеопоследовательностей вида «статичная сюжетная группа» (ССГ), тогда как для видеоизображений с движущимися элементами заметного выигрыша в качестве не наблюдается. Присутствие ошибок с вероятностями BER < 10–4 не влияет на качество декодирования видеопоследовательностей «статичной сюжетной группы», но проявляется в «малоподвижной сюжетной группе» и ярко выражено в «высокодинамичной сюжетной группе»;

4) методы «вставки» нулевых значений и «склейки», которые позволяют оценить полученное качество видео стандарта H.264/AVC различных сюжетных групп в условиях нарушения синхронизации.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались:

• на IV Международной научно-практической конференции «Электронные средства и системы управления. Опыт инновационного развития», Томск, 2007 г.;
• на VI Международной научно-практической конференции «Информационные технологии и математическое моделирование», Томск, 2007 г.;
• на Международной научной конференции по естественнонаучным и техническим дисциплинам, Йошкар-Ола, 2008 г.;
• на ХХI Международной научно-практической конференции «Математические методы в технике и технологиях», Саратов, 2008 г.;
• на VIII Всероссийской научно-технической конференции «Динамика нелинейных дискретных электротехнических и электронных систем», Чебоксары, 2009 г.;
• на IV, V отраслевых научных конференциях-форумах «Технологии информационного общества», Москва, МТУСИ, 2010–2011 гг.;
• на Международном конгрессе «Коммуникационные технологии и сети», Москва, МТУСИ, 2010 г.;
• на ХVIII Международной научно-технической конференции «Информационные средства и технологии», Москва, МЭИ, 2010 г.

Публикации. По результатам исследований опубликованы 22 печатные работы, девять из них в изданиях, рекомендованных ВАК РФ.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы, включающего 168 наименований. Работа представлена на 163 страницах, содержит 95 рисунков, 14 таблиц и приложения объемом 14 страниц.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы исследования, сформулированы цели и задачи работы, перечислены результаты, полученные в диссертации, определены их практическая ценность и область применения, приведены сведения по оценке достоверности полученных результатов и представлены основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе диссертационной работы выполнен обзор состояния проблемы, существующих решений и технологий передачи видеосигналов мобильным абонентам. Показана целесообразность внедрения услуг передачи потокового видео в существующих сетях на основе широкополосных систем беспроводного доступа. Описаны типы видеоуслуг, которые могут быть реализованы в сетях мобильной связи: мультимедиа-сервис, видеотелефония, видеоконференцсвязь, потоковое видео, а также специальные виды услуг на основе передачи видео в стандарте H.264/AVC.

На примере широкополосных сетей беспроводного доступа стан-дарта WiMAX и используемых при этом протоколов описан механизм передачи и оценки качества потокового видео.

Рассмотрены особенности трансляции потокового видео стандарта H.264 по беспроводным сетям, описаны причины возникновения ошибок в видеоданных, проанализированы их типы и причины влияния на визуальное качество видео. Представлены показатели, характеризующие субъективное и объективное качество восприятия при передаче потокового видео.

На основании анализа проблем, возникающих при передаче потокового видео стандарта H.264/AVC по сетям широкополосного беспроводного доступа, формулируются цель и задачи работы.

Во второй главе изложены результаты оценки качества потокового видео стандарта H.264/AVC при передаче в системах широкополосного доступа методами имитационного моделирования.

С этой целью разработан программно-аппаратный комплекс (ПАК) с модульной структурой, который позволяет изменять по усмотрению пользователя характеристики как системы передачи, так и кодеков, что обеспечивает широкие возможности. Наряду с оценкой таких параметров QoS сети, как коэффициент потерь, задержка и джиттер, в ПАК предусмотрена оценка качества полученного видео, основанная на вычислении показателей PSNR (от англ. Peak Signal-To-Noise Ratio) и MOS (от англ. Mean Opinion Score). Обработка данных осуществлялась в три этапа.

На первом этапе анализируются время приема и отправки каждого пакета с обеих сторон и его тип. В результате появляется запись о типе кадра и времени между переданным и принятым пакетами. Кроме того, файл искаженного видео на приемной стороне восстанавливается путем использования оригинального закодированного видеофайла и информации о потерянных пакетах. После этого видео декодируется для отображения зрителю. На этом этапе возникает обычная проблема оценки качества видео. Показатели качества видео всегда требуют сравнения принятого (возможно, искаженного) и соответствующего исходного кадра. В случае полной потери кадра отсутствует необходимая синхронизация до и после передачи по сети.

На втором этапе обработки эта проблема решается на основе анализа информации о потерях. Синхронизация кадров восстанавливается путем добавления последнего отображенного кадра вместо потерянных. Это позволяет провести дальнейшую покадровую оценку качества.

На третьем этапе для анализа качества декодированного видео используется восстановленный и исходный видеофайл.

По результатам работы ПАК произведена оценка качества потокового видео, передаваемого по сетям произвольной структуры, с помощью получивших широкое распространение параметров PSNR и MOS. Текущая оценка объективного качества видеопотока, полученная на выходе канала связи, вычислена в ПАК с помощью соотношения между компонентами яркости исходного и полученного изображения.

При моделировании беспроводного канала связи необходимо учитывать множество дестабилизирующих факторов среды передачи, таких как наложение аддитивного белого гауссовского шума (AБГШ), многолучевое распространение, замирание сигнала, интерференция и множество других. Невозможно представить сигнал, полученный на приемнике, лишь как исходный сигнал, не искаженный никакими воздействиями среды. Результаты и достоверность работы модели напрямую зависят от построения канала связи, поэтому наиболее важно использование точной модели с приближенными к реальным условиям параметрами.

ПАК позволяет проводить оценку влияния различных типов ошибок, возникающих в реальных сетях, на визуальное качество транслируемого видео. Обеспечить необходимый уровень моделирования ошибок, возникающих в реальных сетях, и получить требуемые характеристики производительности сети оказалось возможным с помощью имитационного комплекса Network Simulator 2 (NS-2).

Для имитационного моделирования системы широкополосного доступа WiMAX, а также основных функциональных блоков системы в среде MatLab Simulink разработано специальное программное обеспечение (ПО). Показано, что гибкая система настроек параметров модели дает возможность изучения и анализа помехоустойчивости системы передачи данных как в регламентированных стандартом 802.16 статичных режимах работы, так и с применением технологий адаптивных модуляции, кодирования и многоантенной передачи при различных внутренних характеристиках системы и величине внешнего воздействия на этапе передачи сигнала через радиоканал.

В третьей главе произведена оценка качества потокового видео стандарта H.264/AVC при передаче в широкополосных сетях беспроводного доступа в условиях битовых BER (от англ. Bit Error Rate) и пакетных PER (от англ. Packet Error Rate) ошибок.

Анализ экспериментальных результатов передачи 30-минутного потокового видео стандарта Н.264 по реальной сети WiMAX стандарта IEEE 802.16e с использованием базовой и абонентской станций показал, что среднее качество трансляции видеопотока при перемещении источника приема в условиях города составляет PSNR = 31,58 дБ и соответствует «хорошему» качеству с точки зрения субъективной оценки. При этом во время трансляции «отличное» качество наблюдалось в 32 %, «хорошее» в 12 %, «удовлетворительное» в 40 %, «плохое» и «очень плохое» в 15 % и 1 % кадров соответственно.

Анализ имитации передачи видео через широкополосную беспроводную сеть стандарта IEEE 802.16 со случайными битовыми ошибками в канале показал, что при BER 3105 они практически не влияют на качество принимаемого видео и легко устраняются известными, реализованными в WiMAX способами защиты от ошибок. При BER  4103 потери пакетов в сети достигают максимального значения и приводят к неприемлемому качеству принимаемого видео. Гарантировать объективное превосходное качество видеопотока при передаче по каналу можно при значении вероятности битовой ошибки не более 1104, хорошее качество в диапазоне 1104…4104, удовлетворительное качество в диапазоне 4104…8104, плохое качество в диапазоне 8104… 1103 и очень плохое при BER 1103.

Использование в системах WiMAX кодирования видео H.264/AVC с кодами переменной длины VLC приводит к нарушению синхронизации декодированных видеопоследовательностей и возникновению дополнительного группирования ошибок, влияние которых на декодированное видео значительно сильнее влияния битовых ошибок, поскольку приводит к потере больших сегментов информации.

С целью исследования влияния ошибки информационных пакетов на полученное качество было проведено имитационное моделирование передачи 30-минутного видео через беспроводную сеть со случайными ошибками информационных пакетов в канале. Анализ результатов показал, что на качество видеопотока влияет не только вероятность появления ошибок, но и структура и длина группы ошибок. На рис. 1 показано влияние показателя PER на качество потокового видео и представлены диапазоны значений PER, в границах которых полученное качество максимально.

а)

б) в)

Рис. 1. Значения показателей качества видеопоследовательности
при различных значениях PER беспроводного канала:
а – гистограммы распределения значения PSNR; б – девиация качества
по средним значения PSNR; в – градация качества по значениям MOS

Анализ одиночных ошибок информационных пакетов показал, что при PER 1104 пакетные ошибки не влияют на качество принимаемого видео и легко устраняются известными, реализованными в беспроводных сетях способами защиты от ошибок. При PER 1103 влияние ошибок на качество незаметное и не оказывает раздражающего воздействия при просмотре. При PER 0,1 потери пакетов в сети приводят к неприемлемому качеству принимаемого видео. Гарантировать объективное превосходное качество видеопотока во время передачи по каналу можно при значении вероятности появления пакетной ошибки не более 1103, хорошее качество в диапазоне 1103…3103, удовлетворительное качество в диапазоне 3103…1102, плохое качество в диапазоне 1102…5102 и очень плохое при PER 5102.

Для оценки влияния на качество воспроизведения видео в условиях пакетирования ошибок предложено использовать регулярную (детерминированную) модель – влияние длины группы ошибок BEL (от англ. Burst Error Length) и модель на основе учета реальной статистики потока ошибок с помощью дискретных Марковских цепей.

Результаты имитации передачи потокового видео при изменяющихся значениях PER и BEL показывают, что влияние группы ошибок на среднее качество более сильное за счет локальной сосредоточенности ошибок. Среднее качество видеопоследовательности при этом увеличивается по мере увеличения длины группирования при неизменном значении вероятности появления пакетных ошибок. При длине группирования BEL 60 среднее качество практически идентично качеству оригинального видео. С увеличением PER влияние показателя BEL на качество уменьшается за счет повышения «густоты» одиночных ошибок. Увеличение показателя BEL ведет к увеличению среднего качества видеопоследовательности независимо от показателя PER. Наибольшая динамика изменения PSNR наблюдается при фиксированном значении PER = 1103 и изменяющихся значениях BEL. В остальных случаях динамика не существенна и минимальна при отсутствии группирования ошибок.

Анализ результатов показателей PER и BEL показывает, что для оценки влияния ошибок передачи на полученное качество необходимо проанализировать не только вероятность появления ошибок, но и их структуру и длину группирования.

Наиболее точным способом учета реальных статистических характеристик в канале связи является использование матрицы переходных вероятностей, параметры которой получены в результате измерения статистических характеристик потока ошибок в реальной
сети.

Марковские процессы с необходимым числом состояний достаточно хорошо описывают механизм трансляции видеоинформации.
С увеличением числа состояний Марковской цепи наблюдается меньшая расходимость между реальными и моделируемыми данными, однако при этом увеличивается сложность модели, анализа и обработки данных, полученных с помощью нее. Для оценки влияния характеристик потока ошибок в каналах широкополосного беспроводного доступа при передаче потокового видео на основе экспериментально полученных данных в главе разработана Марковская модель пакетирования ошибок с девятью состояниями.

Результаты имитации пакетирования ошибок с помощью Марковских цепей и сравнение их с измеренными в реальных каналах беспроводного доступа показывают целесообразность использования ее для имитации передачи потокового видео в различных сетях в структуре ПАК.

Среднее качество видеопоследовательностей при имитации Марковской модели пакетирования ошибок соответсвует среднему качеству имитации одиночных пакетных ошибок с показателем PER от 3103 до 1102. При этом длина группы ошибок в зависимости
от показателя PER указанного диапазона может достигать значения
BEL 10.

В четвертой главе осуществлена разработка рекомендаций
по улучшению качества восприятия потокового видео стандарта
H.264 /AVC в условиях пространственно-временной неоднородности видеоконтента и нарушения синхронизации при регистрации.

Проведен анализ влияния потери пакета на качество видео Н.264 и предложено аналитическое выражение, позволяющее рассчитать вероятность потери кадров в видеопоследовательности со структурой GOP IBBPBBPBB в виде

где SI, SP, SB – среднее число пакетов в I-, P-, B-кадрах соответственно; p – вероятность появления ошибки, определяемая для каждого типа кадров непосредственно из битового потока данных.

Показано, что с увеличением вероятности появления ошибки в исходных кадрах (I и P) увеличивается и общее число искаженных кадров, в отличие от незначительного влияния вероятности появления искажения в B-кадре, что соответствует свойству зависимых кадров. Наибольшее изменение наблюдается при увеличении значения всех вероятностей от p = 0,01 до p = 0,1. При этом изменение pI на один порядок приводит к увеличению общего числа искаженных кадров на один порядок. Влияние pP во всех случаях равно 0,5. Влияние pB во всех случаях незначительное и меньше 0,1. Это позволяет сделать вывод, что в структуре IBBPBBPBB вероятность искажения в диапазоне от 0,01 до 0,1 в I-кадре создаст 100 % вероятность искажения, в
P-кадре – 50 %, в B-кадре – менее 10 % искажения всех кадров в пределах GOP.

Найдены численные значения вероятности потерянных кадров для структуры IBBPBBPBB при изменении числа пакетов одного кадра от 1 до 50, которые зависят от р и лежат в диапазоне от 0,03 до 0,7 при р = 102, от 0,003 до 0,128 при р = 103, от 0,0003 до 0,0138 при
р = 104, что соответствует потере 3…70 %, 0,3…12,8 % и 0,03…1,38 % кадров соответственно. Наибольшее влияние оказывает число пакетов в I- и P-кадрах вследствие природы распространения ошибки в зависимых кадрах. Так, увеличение количества пакетов на 10 приводит к увеличению значения на 0,05 при р = 102, на 0,01 при
р = 103, на 0,001 при р = 104, что соответствует потере 5, 1 и 0,1 % кадров при каждом увеличении. При этом увеличение числа пакетов
B-кадра оказывает меньшее влияние на, значение которого равно 0,02 при р = 102, 0,005 при р = 103, 0,0005 при р = 104, соответствует потере 2, 0,5 и 0,05 % кадров при каждом увеличении.

Показано, что различные сюжетные группы по-разному влияют на воспринимаемое качество при передаче по сетям. Рекомендуется учитывать не только качество транслируемого и впоследствии декодируемого видеопотока на прикладном (битрейт) и сетевом (BER) уровне, но и сюжет видеопотока. Так, в условиях передачи по сети с малой вероятностью появления ошибок (BER = 10–6, BER = 10–5) при минимальном значении битрейта (128 кбит/с) сохраняется приемлемое качество видеопотока, соответствующее MOS > 3 для всех типов сюжета. При этом увеличение битрейта в большей степени сказывается на качестве видеопоследовательностей статичной сюжетной группы (ССГ), тогда как для видеоизображений с движущимися элементами («Малоподвижная сюжетная группа» МПСГ и «Высокодинамичная сюжетная группа» ВДСГ) заметного выигрыша в качестве не наблюдается. Присутствие небольших ошибок (BER = 10–4) не влияет на качество декодирования видеопоследовательностей ССГ, но проявляется в МПСГ и ярко выражено в ВДСГ. Это позволяет судить о способности декодера исправлять небольшие ошибки только в условиях статичного изображения. Увеличение числа ошибок до BER = 10–3 сказывается на декодировании видеопоследовательностей всех сюжетных групп. При этом ССГ и МПСГ демонстрируют удовлетворительное, а ВДСГ – плохое качество с точки зрения субъективной оценки. Таким образом, приемлемым числом ошибочных битов и, следовательно, порогом с точки зрения качества, при котором воспринимаемое пользователями изображение остается приемлемым, является BER = 10–4 для всех типов сюжета.

Передача видео по беспроводным сетям подразумевает возможное отсутствие синхронизации между оригинальной последовательностью и декодированной на приемной стороне копией, поскольку из-за нестабильной среды передачи пакеты данных могут претерпевать серьезные искажения или, более того, потеряться.

Анализ экспериментальных данных показал, что оценка качества рассинхронизированных видеопоследовательностей с помощью традиционного ПО приводит к некорректным результатам вычислений и не отражает истинное значение PSNR. Так, значение погрешности F(PSNR) при вычислении с помощью традиционного ПО увеличивается от 0,3 до 0,5 для ССГ и МПСГ, от 0,35 до 0,45 для ВДСГ при увеличении процента потерь. Математическое ожидание и дисперсия погрешности F(PSNR) при оценке видео с помощью традиционного ПО имеют наибольшие значения, что подтверждает некорректные и неприемлемые для оценки качества результаты в условиях рассинхронизации.

Разработано ПО, учитывающее эти особенности и позволяющее оценить параметры качества в случае пропадания одного или нескольких кадров в видеопоследовательности. На рис. 2 представлены результаты оценки качества видеопоследовательностей с помощью традиционного и разработанного ПО.

Рис. 2. Значения PSNR видеопоследовательности Foreman, вычисленные традиционным (без потерянных кадров) и разработанным ПО
(при потере кадров № 5055):
а – соответствие значений; б – вычисление значений традиционным ПО
до и после удаления; в – фактическое вычисление значений
(наблюдается «склейка» значений вместо потерянных кадров);
г – вставка «нулевых» значений вместо потерянных кадров

При оценке качества рассинхронизированных видеопоследовательностей с помощью предложенного ПО она достоверна при использовании как обычных результатов («склейка» значений вместо потерянных кадров), так и вставки «нулевых» значений. Небольшое различие в функциях распределения наблюдается при «склейке» значений вместо потерянных кадров. Независимо от процента потерянных кадров показатель F(PSNR) достигает значения не более 0,2 для ССГ, 0,3 для МПСГ и 0,1 для ВДСГ. Наибольшее различие функции распределения от оригинальной показывает способ вставки «нулевых» значений. С повышением процента потерянных пакетов разница в показаниях существенно увеличивается. Так, для всех сюжетных групп F(PSNR) увеличивается на значение не менее 0,05 и равняется 0,25 для ССГ, 0,35 для МПСГ и 0,2 для ВДСГ соответственно. Таким образом, наиболее приемлемым способом оценки рассинхронизирования видеопоследовательностей при небольшом количестве потерянных пакетов (менее 10 %) с точки зрения погрешности является способ «склейки» значений. Способ «вставки» нулевых значений может быть рекомендован при большем количестве потерянных кадров либо при необходимости восстановления числа значений PSNR, как в оригинальной видеопоследовательности. При этом в качестве «нулевых» значений рекомендуется использовать средние значения PSNR.

Анализ результатов имитации показал, что различные сюжетные группы по-разному влияют на полученное качество видеопоследовательности в условиях рассинхронизации. Например, показатель PSNR ССГ характеризуется небольшим изменением (гистограмма имеет бимодальную форму с шириной 8 дБ), PSNR МПСГ – большим изменением (гистограмма имеет бимодальную форму с шириной 14 дБ), PSNR ВДСГ – наибольшим изменением (гистограмма имеет бимодальную форму с шириной 24 дБ). Это в свою очередь влияет на диапазон значений PSNR, в котором присутствуют погрешности F(PSNR). Наибольший диапазон имеют МПСГ и ВДСГ, он составляет 25 дБ (от 20 до 45 дБ). На рис. 3 представлены гистограммы значений F(PSNR) различных сюжетных групп.

Рис. 3. Гистограммы распределения погрешностей F(PSNR)
для различных классов видеопоследовательностей

Анализ средних значений и дисперсий погрешности F(PSNR) показывает, что использование метода «склейки» более выгодно.
Так, с увеличением числа потерянных кадров показатель средних значений для ССГ увеличивается с 0,11 до 0,12, для МПСГ и ВДСГ уменьшается с 0,22 до 0,21 и с 0,14 до 0,12 соответственно. Дисперсия при этом изменяется незначительно. В случае малого числа потерянных кадров (1 %) средние значения погрешности F(PSNR) при использовании метода вставки «нулевых» значений имеют наименьшие значения (0,09, 0,2 и 0,13), а при методе «склейки» – наибольшие (0,11, 0,22 и 14).

Таким образом, для оценки качества видеопотоков различных сюжетных групп в условиях рассинхронизации рекомендуется использовать разработанное ПО. При небольшом количестве потерянных кадров (около 1 %) рекомендуется использовать метод «вставки» нулевых значений, в остальных случаях – метод «склейки», позволяющий достоверно и с наименьшими погрешностями оценить качество полученного видеосюжета. Показано, что эффективность разработанного ПО будет зависеть от положения удаляемого кадра в видеопоследовательности, и будет выражаться как

где N – общее количество кадров в видеопоследовательности; x – номер удаляемого кадра.

В приложении к диссертации приведено описание ПО для имитационного моделирования систем широкополосного доступа WiMAX в среде NS-2, MatLab Simulink и оценки качества видео в условиях рассинхронизации.

Разработанный ПАК был использован ФГУП «СНПО "Элерон"» при проведении испытаний на радиационную стойкость комплекса средств для обеспечения безопасности при осуществлении работ в зоне аварии с радиационным фактором и дистанционного видеонаблюдения радиационной обстановки. В частности, было оценено качество видео при дистанционном видеонаблюдении радиационной обстановки «Ладога» и получены численные значения ошибок в условиях воздействия радиации и их влияние на качество транслируемого по беспроводным каналам связи видео, о чем свидетельствует соответствующий акт внедрения.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ

1. Оценка влияния битовых ошибок, возникающих в реальных широкополосных сетях беспроводного доступа при передаче потокового видео стандарта H.264/AVC, с помощью имитационного моделирования показала, что при BER 3105 битовые ошибки не влияют на качество принимаемого видео и легко устраняются известными, реализованными в беспроводных сетях способами защиты от ошибок. При BER 4103 потери пакетов в сети достигают максимального значения и приводят к неприемлемому качеству принимаемого видео. Гарантировать объективное превосходное качество видеопотока при передаче по каналу можно при значении вероятности битовой ошибки не более 1104, хорошее качество в диапазоне 1104…4104, удовлетворительное качество в диапазоне 4104…8104, плохое качество в диапазоне 8104…1103 и очень плохое при BER  1103.
2. Оценка влияния пакетных ошибок, возникающих в реальных широкополосных сетях беспроводного доступа при передаче потокового видео стандарта H.264/AVC, с помощью имитационного моделирования показала, что при PER  1104 пакетные ошибки не влияют на качество принимаемого видео и легко устраняются известными, реализованными в WiMAX, способами защиты от ошибок. При PER 1103 влияние ошибок на качество незаметное и не оказывает раздражающего воздействия при просмотре. При PER  0,1 потери пакетов в сети приводят к неприемлемому качеству принимаемого видео. Гарантировать объективное превосходное качество видеопотока при передаче по каналу можно с вероятностью появления пакетной ошибки не более 1103, хорошее качество в диапазоне 1103…3103, удовлетворительное качество в диапазоне 3103…1102, плохое качество в диапазоне 1102…5102 и очень плохое при PER 5102.
3. Оценка влияния группирующихся ошибок в каналах широкополосного беспроводного доступа при передаче потокового видео стандарта H.264/AVC на основе экспериментально полученных данных и разработанной Марковской модели пакетирования ошибок с девятью состояниями показала, что в реальной сети среднее качество видеопоследовательности значительно ухудшается по сравнению со средним качесвом с одиночными ошибками.
4. Рекомендовано учитывать не только качество транслируемого и впоследствии декодируемого видеопотока, но и содержание видеоконтента, зависящее как от параметров кодека, так и статистики ошибок в каналах беспроводного доступа. Показано, что различные сюжетные группы стандарта H.264/AVC по-разному влияют на воспринимаемое качество при передаче по сетям. Так, в условиях передачи по сети с малой вероятностью появления ошибок (BER = 10–6, BER  = 10–5) при минимальном значении битрейта (128 кбит/с) сохраняется приемлемое качество видеопотока, соответствующее MOS > 3 для всех типов сюжета. При этом увеличение битрейта в большей степени сказывается на качестве видеопоследовательностей «статичной сюжетной группы», тогда как для видеоизображений с движущимися элементами заметного выигрыша в качестве не наблюдается. Присутствие небольших ошибок (BER = 10–4) не влияет на качество декодирования видеопоследовательностей «статичной сюжетной группы», но проявляется в «малостатичной сюжетной группе» и ярко выражено в «высокодинамичной сюжетной группе».
5. Для оценки качества видеопотоков стандарта H.264/AVC различных сюжетных групп в условиях нарушения синхронизации целесообразно использовать разработанное программное обеспечение, с помощью которого (при количестве потерянных кадров не более 1 %) предложено применять метод «вставки» нулевых значений, а в остальных случаях – метод «склейки», что позволяет с наименьшими погрешностями оценить полученное качество видеопотока.

публикации по теме диссертации

Публикации в изданиях, рекомендованных ВАК РФ

1. Иванов, Ю. А. Оценка качества передачи потокового видео в сетях связи с помощью программно-аппаратных средств / Ю. А. Иванов // Электромагнитные волны и электронные системы. – 2010. – № 3. – Т. 15. – С. 13–19.

2. Иванов, Ю. А. Влияние ошибок на качество потокового видео стандарта H.264/AVC в широкополосных сетях беспроводного доступа WiMAX / О. И. Шелухин, Ю. А. Иванов // Нелинейный мир. – 2010. – № 11. – Т. 8. – С. 685–696.

3. Иванов, Ю. А. Оценка качества потокового видео стандарта H.264/AVC при передаче в нестабильных каналах связи широкополосных сетей беспроводного доступа 4G / Ю. А. Иванов // Вестник Чувашского университета. – 2010. – № 3. – C. 268–278.

4. Иванов, Ю. А. Имитационные модели беспроводных сетей в структуре программно-аппаратного комплекса для оценки качества видеопотока / Ю. А. Иванов, В. С. Пряников // Вестник Чувашского университета. – 2010. – № 3. – C. 260–268.

5. Иванов, Ю. А. Оценка взаимного влияния Internet и видео- трафиков при передаче в стандарте DVB/IP/MPEG-4 гибридным сетям спутниковой связи / А. С. Пастухов, Ю. А. Иванов // Вестник Чувашского университета. – 2008. – № 2. – С. 160–169.

6. Иванов, Ю. А. Влияние помехоустойчивости широкополосных систем беспроводного доступа на качество передачи потокового видео / О. И. Шелухин, Ю. А. Иванов // Электронный журнал «Радиоэлектроники». – 2010. – № 9. – URL: http://jre.cplire.ru/alt/sep10/5/text. pdf (дата обращения 04.10.2010).

7. Иванов, Ю. А. Влияние пространственно-временных характеристик потокового видео на качество передачи по беспроводным телекоммуникационным сетям / О. И. Шелухин, Ю. А. Иванов, А. В. Понкин // Электротехнические и информационные комплексы и системы. – 2010. – № 3. – Т. 6. – С. 34–42.

8. Иванов, Ю. А. Разработка программного обеспечения для имитационного моделирования системы широкополосного доступа WiMAX в среде MATLAB Simulink / О. И. Шелухин, Ю. А. Иванов, К. А. Ненахов, А. В. Арсеньев // Электротехнические и информационные комплексы и системы. – 2010. – № 3. – Т. 6. – С. 23–33.

9. Иванов, Ю. А. Результаты имитационного моделирования системы широкополосного доступа WiMAX в среде MATLAB Simulink / О. И. Шелухин, Ю. А. Иванов, К. А. Ненахов, А. В. Арсеньев // Электротехнические и информационные комплексы и системы. – 2010. – № 4. – Т. 6. – С. 28–34.

Публикации в других изданиях

10. Иванов, Ю. А. Некоторые проблемы сжатия и передачи видео в реальном времени в беспроводных сетях / Ю. А. Иванов // Электротехнические и информационные комплексы и системы. – 2009. – № 1. – Т. 5. – С. 62–64.

11. Иванов, Ю. А. Анализ работы буфера при передаче видео / А. С. Пастухов, Ю. А. Иванов, В. С. Пряников // Сборник научных трудов молодых ученых и специалистов. – Чебоксары : Изд-во Чуваш. ун-та, 2007. – С. 23–25.

12. Иванов, Ю. А. Исследование алгоритмов обслуживания очередей при передаче видео / Ю. А. Иванов // Научному прогрессу – творчество молодых : сб. материалов. междунар. науч. конф. : в 3 ч. Йошкар-Ола : Марийский гос. техн. ун-т, 2008. – Ч 3. – С. 26–27.

13. Иванов, Ю. А. Методика оценки качества декодирования видео стандарта H.264/AVC/SVC в беспроводных сетях / Ю. А. Иванов, С. А. Лукьянцев // Электротехнические и информационные комплексы и системы. – 2009. – № 4. – Т. 5. – С. 35–48.

14. Иванов, Ю. А. Структура и помехоустойчивость систем беспроводного доступа с OFDM / Ю. А. Иванов, И. А. Невструев // Электротехнические и информационные комплексы и системы. – 2009. –
№ 3. – Т. 5. – С. 25–29.

15. Иванов, Ю. А. Сравнительный анализ алгоритмов обслуживания очередей и их влияние на качество передачи видеотрафика /
Ю. А. Иванов, А. С. Пастухов, А. С. Булгар // Электротехнические и информационные комплексы и системы. – 2008. – № 1, 2. – Т. 4. – С. 78– 87.

16. Иванов, Ю. А. Оценка передачи видео и Интернет в стандарте DVB/IP/MPEG-4 по гибридным сетям спутниковой связи / А. С. Пас-тухов, Ю. А. Иванов, Е. В. Горовенко // Математические методы в технике и технологиях (ММТТ-21) : сб. тр. ХХI Междунар. науч.-практ. конф. : в 10 т. / под общ. ред. В. С. Балакирева. – Саратов : Саратов. гос. техн. ун-т, 2008. – Т. 7. Секции 9, 14. – С. 237–239.

17. Иванов, Ю. А. Оценка вероятности битовых ошибок в системах связи 4G / А. С. Пастухов, Ю. А. Иванов, С. И. Малышев // Электротехнические и информационные комплексы и системы. – 2009. –
№ 4. – Т. 5. – С. 28–34.

18. Иванов, Ю. А. Оценка качества передачи потокового видео в телекоммуникационных сетях с помощью программно-аппаратных средств / О. И. Шелухин, Ю. А. Иванов // Электротехнические и информационные комплексы и системы. – 2009. – № 4. – Т. 5. – С. 48–56.

19. Иванов, Ю. А. Анализ алгоритмов обработки интерактивной видеоконференцсвязи в системах беспроводного доступа / О. И. Шелухин, Ю. А. Иванов, А. В. Арсеньев // Электротехнические и информационные комплексы и системы. – 2009. – № 2. – Т. 5. – С. 17–26.

20. Иванов, Ю. А. Влияние ошибок в каналах широкополосных систем беспроводного доступа на качество передачи потокового видео / О. И. Шелухин, Ю. А. Иванов // Информационные средства и технологии : сб. тр. XVIII Междунар. науч.-техн. конф. – М. : МЭИ, 2010. –Т. 2. – С. 136–146.

21. Иванов, Ю. А. Влияние синхронизации потоков при оценке качества видеоконтента в системах видеонаблюдения / О. И. Шелухин, Ю. А. Иванов // Телекоммуникационные и вычислительные системы : тр. междунар. науч.-техн. конф. – М. : МТУСИ, 2010. – С. 206.

22. Иванов, Ю. А. Влияние пакетных ошибок в каналах беспроводных сетей на качество воспроизведения в системах видеонаблюдения / О. И. Шелухин, Ю. А. Иванов // Телекоммуникационные и вычислительные системы : тр. междунар. науч.-техн. конф. – М. : МТУСИ, 2010. – С. 222.

Научное издание

Иванов Юрий Алексеевич

ВЛИЯНИЕ ОШИБОК В КАНАЛАХ ШИРОКОПОЛОСНЫХ СИСТЕМ БЕСПРОВОДНОГО ДОСТУПА НА КАЧЕСТВО ПОТОКОВОГО ВИДЕО СТАНДАРТА H.264 /AVC

Специальность 05.12.13 – Системы, сети
и устройства телекоммуникаций

Редактор Е. П. Мухина

Корректор Ж. А. Лубенцова

Компьютерная верстка М. Б. Жучковой

Подписано в печать 11.03.2011.

Формат 60841/16. Усл. печ. л. 1,4.

Тираж 100. Заказ № 131.

__________________________

Издательство ПГУ

440026, Пенза, Красная, 40.