Влияние ошибок информационных пакетов на качество

УДК 681.3.07
С.С.ЗЕЖИНСКИЙ, Ю.А. ИВАНОВ, М.А.СМЫЧЕК
ВЛИЯНИЕ ОШИБОК ИНФОРМАЦИОННЫХ ПАКЕТОВ НА
КАЧЕСТВО ПОТОКОВОГО ВИДЕО ПРИ ПЕРЕДАЧЕ В СЕТЯХ
БЕСПРОВОДНОГО ДОСТУПА
Оценено влияние пакетных ошибок на визуальное качество видео стандарта Н.264 и разработана
аналитическая модель, объясняющая этот эффект. Показано, что при оценке влияния ошибочных
пакетов на полученное качество необходимо анализировать не только вероятность появления
ошибок, но также их структуру и длину группирования
Показано, что влияние группы ошибок на среднее качество более сильное чем при одиночных
ошибках за счет локальной сосредоточенности ошибок
In this paper the influence of packet errors on visual quality of Н.264 video is studied and the analytical
model explaining this effect is developed.
It is shown that at an estimation of influence of erratic
packets on the received quality it is necessary to analyze not only probability of appearance of errors, but
also their structure and length of grouping. It is shown that influence of group of errors on average quality
stronger, than at single errors at the expense of local errors concentration
Ключевые слова: потоковое видео, ошибочные пакеты, группа ошибок, качество видео, PSNR,
PER, BEL.
Key words: video streaming, packet error, group of error, video quality, PSNR, PER, BEL.
Постановка задачи
Передача потоковых сервисов по
различным средам
(системы
беспроводного доступа, Интернет) - аудио и видео становится все более
популярным. Это стремительное распространение
определяет новую
сложную задачу по поддержанию качества обслуживания потокового видео.
Современные программные решения для передачи потокового видео (напр.
RealPlayer и Windows Media Player) [1, 2] являются разработкой софтверных
гигантов, а потому являются собственностью, и не предусматривают
рассмотрение и изменение глобальных параметров пользователями.
Недостаточная возможность изучения препятствует исследованию в области
передачи видео с возможностью адаптироваться к изменяющимся условиям
сети. Появление формата Н.264/AVC при недостаточной открытости
современных стандартов вещания предвещает увеличение интереса к
потоковому видео [3, 4, 5, 6]. Данный алгоритм сжатия использует
временную корреляцию между кадрами, достигая высоких уровней сжатия.
Однако особенностью передачи в реальном времени является
подверженность даже небольшим ошибкам. Потеря пакета может негативно
1
сказаться на сжатом видео, поскольку ошибки распространяются на
зависимые кадры. Ошибки в исходных кадрах более губительны, чем
зависимые кадры вследствие распространения ошибок и, поэтому
необходимо иметь более высокий уровень их защиты, чем для других данных
битового потока. Одним из решений является добавление избыточности к
более важным частям битового потока, или кодирование более важных
частей потока относительно высоким битрейтом [7, 8, 9, 10]. Было
предложено множество методов для добавления избыточности к битовому
потоку для более эффективного устранения ошибки [11, 12, 13, 14], но они
уменьшают эффективность кодирования.
Одними из важнейших параметров QoS для беспроводных сетей
являются вероятности появления битовых BER (от англ. Bit Error Rate) и
пакетных PER (от англ. Packet Error Rate) ошибок. Для полноценного анализа
влияния ошибок на полученное качество необходимо изучение этих двух
типов ошибок. В [15, 16] было подробно изучено и показано влияние битовой
ошибки на качество видеопотока. В данной статье изучено влияние пакетных
ошибок на визуальное качество видео стандарта Н.264 и разработана
аналитическая модель, объясняющая этот эффект.
Одиночные потери пакетов также как и одиночные битовые ошибки не
способны имитировать канал, подверженный замираниям. Как правило,
ошибки часто являются долговременными, поскольку высокая вероятность
потери пакетов происходит в специфический период передачи, например при
плохом распространении. Затухание передаваемого сигнала приводит к
группированию ошибок. Группой ошибочных пакетов
называют
последовательность пакетов, не полученных или полученных с ошибкой при
передаче по каналу связи в определенный промежуток времени. В связи с
этим введено понятие длины группы ошибок BEL (от англ. Burst Error
Length) [26, 27]. Длина группы ошибок определяется как число от первого до
последнего ошибочного пакета, включительно в определенной группе
ошибок.
Ошибки,
вызванные
процессом
передачи,
могут
серьезно
воздействовать на качество потокового видео, поскольку сжатые данные
очень чувствительны к ошибкам, потерям пакетов и к высокой задержке.
Ухудшение видео при передаче по различным сетям может проявиться
многими способами, включая задержку в воспроизведении, блочность
изображения и т.д. Поскольку видеопоток (в большинстве случаев) –
аудиовизуальная среда, могут возникнуть дополнительные проблемы,
связанные с качеством звука и синхронизацией с видео. При оценке качества
необходимо рассматривать различные компоненты:
2
• Качество видео – показатель визуального качества изображения.
• Качество аудио – показатель восприятия звука.
• Аудиовизуальное
(мультимедийное)
качество
–
показатель,
сравнивающий качество изображения, качество звука, и их
синхронизацию.
В дополнение к этим показателем восприятия необходимо рассматривать:
• Качество передачи – показатель сетей связи достоверно
транспортировать видео. Этот показатель отражает способность сети к
обслуживанию, а не качество определенного видеопотока, и не зависит
от типа используемого кодека.
Показатели качества видео могут быть получены с помощью субъективных
или объективных методов [17,18].
Стандарт кодирования Н.264/AVC (или MPEG-4 part 10) не критичен к
потере пакетов даже при трансляции в реальном времени. Этот стандарт
использует intra– и inter–кадровое сжатие с различными типами кадров (I, P и
B). Повторяющиеся участки I, P и B-кадров называют группой кадров GOP
(от англ. Group of Pictures). Выбор GoP влияет на свойства MPEG-видео, как
например размер файла, что в свою очередь влияет на битрейт видеопотока и
на конечное визуальное качество. Успешное декодирование видеопотока с
межкадровой зависимостью зависит в большой степени от успешного
получения исходных кадров (I и P). При трансляции по сетям потеря
определенного пакета может ухудшить качество кадра. Однако большей
проблемой является распространение ошибки на зависимые кадры.
Если использовать только I-кадры, увеличивается необходимый
битрейт, что при передаче по сетям с ограниченной пропускной
способностью снижает
эффективность кодирования, вследствие чего
потоковое видео будет иметь меньшее качество, чем при использовании Bкадров. Увеличивая число P- и B-кадров, качество может быть улучшено при
той же пропускной способности.
Ошибка в I-кадре распространится на все остальные кадры в текущей и
в некоторых кадрах предыдущей GOP (последние B-кадры), вызывая
существенное искажение видеопотока. Ошибка в P-кадре распространится на
все зависимые B-кадры, как показано на рис.1. Кадры B-типа не
используются как исходные для остальных кадров; поэтому не
распространяют ошибки. Искажается только один кадр.
Рис.1. Распространение ошибки при искажении P-кадра в структуре GOP
IBBPBBPBB
3
Возможно смоделировать распространение ошибок, при искажении
различных типов кадров при оценке качества потокового видео. На рис. 2
показано изменение показателя качества PSNR (от англ. Peak Signal-ToNoise Ratio) при воздействии ошибки на различные кадры в пределах GOP.
Показано, что ошибки в исходных I-кадрах наиболее губительны на качество,
чем в остальных типах кадров вследствие распространения ошибки.
Рис.2. Изменение качества кадров в пределах одной GOP при искажении
определенного типа кадра (обведен кругом) в структуре GOP IBBPBBPBB
Поскольку кодеки обрабатывают информацию поблочно, то минимальной
единицей искажения видеопотока в случае воздействия одиночной битовой
ошибки является блок (4х4 или 16х16 в зависимости от кодирования).
Следующей областью распространения ошибки является макроблок и слайс.
При пакетной ошибке наименьшей единицей искажения, как правило,
является слайс, поскольку при передаче он упаковывается в один
транспортный пакет [15, 19]. В [20] было экспериментально показано, что
меньший размер слайса при кодировании существенно повышает качество
изображения при потере пакетов.
Сюжет видеопотока также может способствовать более раздражающее
ухудшение качества для зрителя при потере пакета. Некоторые искажения,
такие как "блочность" и "замораживание" кадра, намного более заметны в
высокодинамичных видеопоследовательностях (например, спортивные
игры), чем во время статичных сцен (таких как новости) [21].
Аналитическая модель (Анализ распространения ошибки)
Используя особенности распространения искажения в различных типах
кадров, ожидаемое число искаженных кадров (Π) вследствие
распространения ошибки может быть вычислено следующим образом [22]:
M ( Ï ) = p I ⋅ ( N + M − 1) + p P ⋅ π + p B ⋅ 1 (1)
Параметр N определяет интервал I-кадра, и М определяет интервал I- или Pкадров. Значения pI, pP и pB обозначают вероятность появления ошибки в I-,
P- и B-кадрах соответственно. Эти вероятности зависят от полного размера
различных кадров. Число искаженных кадров вследствие ошибки в P-кадре
зависит от его местоположения в GOP, поэтому в (1) использована
переменная π как ожидаемое число искаженных кадров. Если предположить,
что число P -кадров в GOP равно N/M−1 и они искажены однородно,
4
ожидаемое число искаженных кадров (π) может быть вычислено следующим
уравнением:
π=
1
N
−1
M
⋅ (2 M − 1) +
1
N
−1
M
(3M − 1) + ... +
1
N
M − 1).
(2)
N
M
−1
M
(
Если будет искажен последний P-кадр в GOP, то вслед за ним будет
искажено 2(M-1), следующих B-кадров. Если будет искажен второй P-кадр в
GOP, то вслед за ним будет искажено 3(M-1) следующих B-кадров,
последний P-кадр и текущий P кадр, что в конечном итоге приведет к 3M-1
искаженным кадрам вследствие распространения ошибки. При упрощении
(2), ожидаемое число искаженных кадров (π) может быть вычислено как:
2M + N − 2
π =
.
2
(3)
Число B-кадров также влияет на минимальную задержку проигрывания,
поскольку следующие I или P-кадры в последовательности должны прибыть
в приемник, для декодирования двунаправлено закодированных B-кадров.
Наиболее используемой структурой GOP является структура
IBBPBBPBB, обозначаемая как N=9, M=2. Для NTSC DVD рекомендуются
значения N=5,М=3. Для PAL DVD, рекомендуется устанавливать N=4, М=3
[23]. В остальных случаях значения показателя N могут варьироваться в
диапазоне от 5 до 40, M – от 1 до 5 [22]. Значение М=1 обозначает, что Bкадры не используются. Таким образом, ожидаемое число искаженных
кадров вследствие ошибки в P-кадре согласно (3) представлено на рис.3.
Рис.3. Ожидаемое число искаженных кадров, вследствие ошибки в P-кадре
для различных структур GOP
Из рис. 3 видно, что число искаженных кадров зависит от структуры GOP, а
именно от показателей N и M. Наибольшее влияние на число искаженных
кадров оказывает параметр N, как интервал исходных I-кадров, искажение
которых приведет к распространению ошибки по всей GOP. Поскольку число
M не может быть больше N, и оно ограничено целесообразностью
построения структуры группы кадров значением 5, его влияние на число
искаженных кадров также существенно.
Ожидаемое число искаженных кадров (Π) вследствие распространения
ошибки в различных типах кадров для наиболее используемой структуры
GOP IBBPBBPBB, согласно (1) представлено на рис.4.
5
Рис. 4. Ожидаемое число искаженных кадров вследствие распространения
ошибки в различных типах кадров
На рис.4 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 Bкадре, 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 менее 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 создаст 50%, в B –кадре создаст менее 10% искажения всех кадров в
пределах GOP.
Рассмотрим статистические параметры, характеризующие качество
декодируемых видеопоследовательностей, которые могут быть оценены по
результатам измерений. В частности, возможно вычисление отношения между
числом потерянных пакетов p и полученных кадров f. При подсчете числа
кадров f можно предположить, что если качество кадра (например, PSNR) будет
ниже определенного порогового значения, то кадр считается «потерянным»
[24]. В результате число полученных кадров f можно выразить как f0 (1 – φ), где
φ – вероятность «потерянных» кадров; f0 – число кадров в исходном битовом
потоке в кадрах в секунду (например, 30 кадр/с). Вероятность потерянных
кадров φ является суммой условных вероятностей [17]:
ϕ = ∑ P ( f i )P( F | f i ),
i
(4)
где i – тип кадра (I, P и B); F – событие, которое характеризует «потерю»
кадра при снижении качества ниже определенного порога; fi – событие,
характеризующее передачу кадра i-го типа; P(fi) – априорная вероятность,
которая может определяться для каждого типа кадров непосредственно из
битового потока данных.
Можно оценить условную вероятность P( F | f i ) для каждого типа кадров
fi . Если предположить, что при потере одного пакета теряется и кадр (или
эффект потери одного пакета заметен на следующих кадрах), то кадр
считается пустым или «бесполезным». В этом случае условная вероятность
P(F | I ) является случайной переменной Бернулли, прямо пропорциональной
6
числу успешно доставленных видеокадров. Аналогично можно определить
условную вероятность P(F | I ) для каждого I-кадра. Условная вероятность
P(F | I ) является вероятностью того, что кадр I-го типа не будет успешно
декодирован в приемнике и оценивается по формуле.
P(F | I ) = 1 − (1 − p) Si ,
(5)
где Si – среднее число пакетов в I-кадре.
Условные вероятности для P- и B-кадров немного сложнее и требуют
понимания межкадровой зависимости. Каждый P-кадр зависит от
предшествующих I- или P-кадров, и каждый B-кадр зависит от двух
окружающих (соседних) кадров (ближайшие два I- или P-кадра). Таким
образом,
успешное
декодирование
P-кадров
зависит
от
всех
предшествующих I- или P-кадров, а успешное декодирование B-кадров
зависит от успешного декодирования всех окружающих кадров, что
подразумевает успешное декодирование предшествующих и следующих Iили P-кадров. Эти зависимости выражаются в следующем виде:
NP
1
P( F | P ) =
NP
∑ (1 − (1 − p)
1
P( F | B ) ≤
NP
NP
S I + kS P
(6)
),
k =1
∑ (1 − (1 − p)
S I + ( k +1) S P + S B
). (7)
k =1
Здесь SP – среднее число пакетов в P-кадре; NP – число P-кадров в GOP; SB –
число пакетов в B-кадре. Эти выражения можно упростить, переписав их в
виде
(
)
(1 − p) SI
P(F | P ) = 1 −
1 − (1 − p) SP NP , (8)
SP
N P (1 − (1 − p) )
(1 − p) SI +SP +SB
1 − (1 − p) SP NP . (9)
P(F | B ) ≤ 1 −
SP
N P (1 − (1 − p) )
(
)
Используя уравнения (4), (5), (8), и (9), можно получить выражение для φ. На
рис. 5 представлены значения φ для структуры IBBPBBPBB и значений р =
10-3 ; Np = 2; SI , SP , SB = от 1 до 50 (с шагом 10).
Рис. 5. Вероятность потерянных кадров при различном числе пакетов в кадре
Таким образом, имея значения NP, SI , SP , SB и f0 , можно оценить и
число полученных кадров f = f0(1 – φ).
Анализ рис. 5 показывает, что значение φ для указанных значений NP,
SI , SP , SB зависит от р и лежит в диапазоне от 0,03 до 0,7 при р = 10-2, от 0,003
7
до 0,128 при р = 10-3, от 0,0003 до 0,0138 при р = 10-4, что соответствует
получению 3 – 70%, 0,3 – 12,8% и 0,03 – 1,38% неискаженных кадров
соответственно. Наибольшее влияние оказывают число пакетов в I- и Pкадрах, вследствие природы распространения ошибки в зависимых кадрах.
Результаты эксперимента
С целью исследование влияния пакетной ошибки на полученное качество
было проведено имитационное моделирование передачи 30-минутного видео
через беспроводную сеть со случайными пакетными ошибками в канале.
Характеристики используемой видеопоследовательности представлены в
табл. 1.
Таблица. 1 Характеристики закодированного видео
Формат
mp4
Кодек
H.264
Битрейт
Постоянный
1150
кбит/с
Частота кадров
25
Разрешение
640х480
Тип GOP
IBBPBBРВВ
Для проведения моделирования закодированный видеопоток был разбит на
RTP/UDP-пакеты с помощью инструментов программно-аппаратного
комплекса [18]. Имитация пакетной ошибки при передаче по беспроводному
каналу производилась путем удаления пакетов из файла трассы приема [25].
Это позволило исследовать и проанализировать изменение визуального
качества при потере пакетов. При этом приемный и неискаженный файл
трассы приема был получен при передаче по "идеальному" каналу с
неограниченной полосой пропускания и отсутствием задержки с помощью
программной среды NS-2 [28], а затем производилось случайное удаление
пакетов, согласно параметрам PER и BEL. Оценка качества производилась с
помощью показателей PSNR и MOS, вычисленных с помощью инструментов
программно-аппаратного комплекса [18].
Влияние пакетной ошибки. На рис. 6 показано влияние показателя PER на
качество потокового видео.
Показаны диапазоны значений PER, в границах которых полученное
качество было максимальным, т.е. практически равнялось исходному, и
минимальным. Показано, что при PER ≤ 1*10-4 ошибка не влияет на
полученное качество и может быть легко устранена декодерами и
8
существующими способами защиты от ошибок. Дальнейшее изменение
качества носит ступенчатый (последовательный) характер и уменьшается при
увеличении PER. На рис. 6, в показана стандартная девиация качества по
средним значениям PSNR вычисленная по формуле
'
=
S PSNR
1 N −1 ⎛
∑ ⎜ PSNR
N − 1 n=0 ⎝
2
n
′⎞
− PSNR ⎟
⎠ (10)
Эмпирические значения PER переходов от приемлемого качества к плохому,
согласно таблице соответствия PSNR и MOS, представлены в табл. 2.
Таблица. 2 Соответствие показателей качества и PER
PSNR, дБ
Более 37
31 – 37
25 – 31
20 – 25
Менее 20
MOS, %
81 – 100
61 – 80
41 – 60
21 – 40
0 – 20
PER
Менее 1*10-3
1*10-3 – 3*10-3
3*10-3 – 1*10-2
1*10-2 – 5*10-2
Более 5*10-2
Качество по шкале ITU
5 Прекрасное
4 Хорошее
3 Удовлетворительное
2 Плохое
1 Очень плохое
Ухудшение изображения
Незаметно
Заметно,
но
не
раздражает
Слегка раздражает
Раздражает
Сильно раздражает
Анализируя результаты передачи потокового видео по имитируемой
беспроводной с заданной вероятностью пропадания пакетов сети можно
сделать следующие выводы:
1) При имитации беспроводного канала число пакетных ошибок PER ≤
1*10-4 не влияет на качество видеопотока. При PER ≤ 1*10-3 влияние
ошибок на качество незаметное и не оказывает раздражающего
воздействия при просмотре. При PER ≥ 0,1 потери пакетов в сети
оказывают наихудшее влияние на визуальное качество.
2) Можно гарантировать объективное превосходное качество видеопотока
при передаче по каналу с вероятностью появления пакетной ошибки не
более 1*10-3, хорошее качество в диапазоне от 1*10-3 до 3*10-3,
удовлетворительное качество в диапазоне от 3*10-3 до 1*10-2, плохое
качество в диапазоне от 1*10-2 до 5*10-2 и очень плохое при более 5*102
.
-4
3) Гистограммы распределения значений PSNR при PER ≤ 6*10 в общем
случае имеют двухгорбую форму. Один из максимумов характеризует
значение PSNR видеопотока искаженных кадров вследствие потери
"своих" пакетов. Второй максимум характеризует ухудшение PSNR
зависимых кадров (как правило, их количество больше). По мере
увеличения числа ошибок один из максимумов возрастает за счет
уменьшения второго.
Влияние длины группы ошибок. Для изучения влияния длины группы
ошибок на полученное качество повторено имитационное моделирование
9
передачи 30-минутного видео через беспроводную сеть при значениях PER
от 1*10-3 до 5*10-2, поскольку в этом диапазоне наблюдается визуальное
изменение качества. Имитация группирования пакетных ошибок при
передаче по беспроводному каналу производилась путем случайного
удаления группы пакетов из файла трассы приема с заданным значением
BEL. При этом, например, значение BEL = 100 означает, что общее
случайное число подряд удаленных пакетов за один раз не превышает 100.
Кроме того, общее количество ошибочных (удаленных) пакетов в
видеопоследовательности во всех экспериментах при PER = const
сохранялось одинаковым, независимо от значения BEL. На рис. 7 показано
влияние показателя BEL на качество потокового видео на примере PER =
1*10-3.
Анализируя результаты передачи потокового
видео по имитируемой
беспроводной сети с заданной величиной группирования ошибочных пакетов
можно сделать следующие выводы:
1) При PER ≤ 1*10-3 влияние одиночных пакетных ошибок на качество
незначительно и не оказывает раздражающего воздействия при
просмотре.
2) Гистограммы распределения значений PSNR имеют двухгорбую
форму. Один из максимумов характеризует
значение PSNR
видеопотока искаженных кадров вследствие потери "своих" пакетов.
Второй максимум характеризует ухудшение PSNR зависимых кадров
(как правило, их количество больше). По мере увеличения величины
BEL один из максимумов уменьшается, поскольку число зависимых
кадров также уменьшается, тогда как второй максимум остается
неизменным. Это объясняется тем, что при одиночных
рассредоточенных по всей видеопоследовательности ошибках число
искаженных кадров велико за счет распространения ошибок на
зависимые кадры.
3) Увеличение длины группирования ошибок ведет к увеличению
среднего качества видеопоследовательности.
4) Влияние группы ошибок на качество более сильное за счет локальной
сосредоточенности
ошибок.
Однако
среднее
качество
видеопоследовательности при этом увеличивается по мере увеличения
длины группирования при неизменном значении вероятности
появления пакетных ошибок.
5) При значении BEL ≥ 60 среднее качество практически идентично
оригинальному видео.
10
Взаимосвязь показателей PER и BEL. Среднее качество экспериментальной
видеопоследовательности при различных показателях PER и BEL показано
на рис. 8.
Рис. 8. Значения показателей качества видеопоследовательности при PER =
1*10-3 и различных значениях BEL беспроводного канала
Таким образом, показано, что при оценке влияния ошибочных пакетов на
полученное качество необходимо анализировать не только вероятность
появления ошибок, но также их структуру и длину группирования. Кроме
того можно сделать следующие выводы:
1) Увеличение длины группирования ошибок ведет к увеличению
среднего качества видеопоследовательности. Это происходит за счет
ухудшения качества небольшого участка видео, где сосредоточена
группа ошибок, тогда как при одиночных ошибках ухудшение качества
видео может наблюдаться во всей видеопоследовательности;
2) При увеличении длины группы ошибочных пакетов BEL ≤ 6 изменение
качества незначительное и идентично влиянию одиночных пакетных
ошибок (BEL = 1);
3) При BEL ≥ 60 среднее качество практически идентично оригинальному
(PSNR< 90 дБ). Логично предположить, что значение BEL у более
длинных видеопоследовательностей при том же среднем значении
качества может иметь большее значение.
4) Наибольшая динамика изменения PSNR = 60 дБ наблюдается в двух
случаях: при фиксированном значении PER = 1*10-3 и изменяющихся
значениях BEL; при BEL ≥ 80 и изменяющихся значениях PER. В
остальных случаях динамика не существенна и минимальна при
отсутствии группирования ошибок (BEL = 1).
5) С увеличением PER влияние показателя BEL на качество уменьшается
за счет увеличения "густоты" одиночных 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 также их
структуру и длину группирования. Наиболее реалистичным и точным
способом моделирования статистики ошибок в канале связи является
использование данных вероятностей, полученных из реальной сети.
Таким образом, показано, что на качество видеопотока влияет не только
вероятность появления ошибок, но также структура и длина группы ошибок.
Анализ одиночных ошибок показал, что при PER ≤ 1*10-4 пакетные ошибки
не влияют на качество
принимаемого видео и легко устраняются
известными, реализованными в беспроводных сетях способами защиты от
ошибок. При PER ≤ 1*10-3 влияние ошибок на качество незаметное и не
оказывает раздражающего воздействия при просмотре. При PER ≥ 0,1 потери
11
пакетов в сети приводят к неприемлемому качеству принимаемого видео.
Гарантировать объективное превосходное качество видеопотока при
передаче по каналу с вероятностью появления пакетной ошибки не более
1*10-3, хорошее качество в диапазоне 1*10-3 … 3*10-3, удовлетворительное
качество в диапазоне 3*10-3 … 1*10-2, плохое качество в диапазоне 1*10-2 …
5*10-2 и очень плохое при более 5*10-2.
Для оценки влияния на качество воспроизведения видео в условиях
пакетирования
ошибок
предложено
использовать
регулярную
(детерминированную) модель - влияние группы ошибок BEL. Показано, 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
оригинальному видео. С увеличением PER влияние показателя BEL на
качество уменьшается за счет увеличения "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 =
1*10-3 и изменяющихся значениях BEL; при BEL ≥ 80 и изменяющихся
значениях PER. В
остальных случаях динамика не существенна и
минимальна при отсутствии группирования ошибок.
Для оценки качества видео в условиях пакетирования ошибок в
реальных условиях необходимо исследовать
реальное распределение
пакетирования ошибок в канале связи.
Список литературы:
[1] http://www.microsoft.com/windows/mediaplayer
[2] http:/www.real.com
[3] Chiariglione L. MPEG-4 FAQs. Technical report, ISO/IEQ JTC1/SC29/WG11,
July 1997.
[4] http:/www.divxnetworks.com
[5] International Organization for Standardization. Overview of the MPEG-4
Standard, December 1999.
[6] International Organization for Standartisation, Atlantic City. Information
Technology - Generic Coding of Audio-Visual Objects, Part 2: Visual, October
1998. ISO/IEC JTC 1/SC 29/WG 11 N 2502 FDIS 14496-2.
[7] Albanese A., Blomer J., Edmonds J., Luby M., Sudan M. Priority encoding
transmission. In Proc. 35th Ann. IEEE Symp. on Foundations of Computer
Science, pages 604–612, November 1994.
[8] Heinzelman W. Application-Specific Protocol Architectures for Wireless
Networks. PhD thesis, Massachusetts Institute of Technology, June 2000.
[9] Normura M., Fujii T., Ohta N. Layered packet loss protection for variable
rate coding using DCT. In Proceedings of International Workshop on Packet
12
Video, September 2008.
[10] Shimamura K., Hayashi Y., Kishino F. Variable bitrate coding capable of
compensating for packet loss. In Proceedings of Visiual Communications and
Image Processing, pages 991–998, November 2008.
[11] Bolot J., Turletti T. Adaptive error control for packet video in the Internet. In
Proceedings of International Conference on Internet Protocols, September 1996.
[12] Bolot J., Turletti T. Experience with control mechanisms for packet video in
the internet. SIGCOMM Computer Communication Review, 28(1), January 1998.
[13] Su X., Wah B. Multi-description video streaming with optimized
reconstruction-based DCT and neural-network compensations. IEEE
Transactions on Multimedia, 3(3), May 2001.
[14] Wah B., Su X., Lin D. A survey of error-concealment schemes for
real-time audio and video transmissions over the Internet. In Proc. Int’l
Symposium on Multimedia Software Engineering, pages 17–24, Taipei, Taiwan,
December 2000
[15] Иванов Ю.А. Оценка качества потокового видео стандарта H.264 /AVC
при передаче в нестабильных каналах связи широкополосных сетей
беспроводного доступа 4G, Вестник Чувашского университета, №1, 2010
[16] Шелухин О.И., Иванов Ю.А., Арсеньев А.В. Влияние ошибок на качество
передачи потокового видео стандарта H.264 /AVC в широкополосных сетях
беспроводного доступа WIMAX // Электротехнические и информационные
комплексы и системы, 2010, т.6, №3
[17] Иванов Ю.А., Лукьянцев С.А. Методика оценки качества декодирования
видео
стандарта
H.264/AVC/SVC
в
беспроводных
сетях
//
Электротехнические и информационные комплексы и системы, 2009, т.5, №4,
С.35–48.
[18] Шелухин О.И., Иванов Ю.А. Оценка качества передачи потокового видео
в телекоммуникационных сетях с помощью программно-аппаратных средств
// Электротехнические и информационные комплексы и системы, 2009, т.5,
№4, С.48–56.
[19] Wenger S. H.264/AVC Over IP, IEEE Transactions On Circuits And Systems
for Video Technology, 13, no. 7, pp. 645 – 656, Jul. 2003.
[20] Information and Communication Technologies "ADAMANTIUM” // D4.4 PQoS Models and Adaptation Mechanisms www.ict-adamantium.eu
[21] Шелухин О.И., Иванов Ю.А., Понкин А.В. Влияние пространственновременных характеристик потокового видео на качество передачи по
беспроводным телекоммуникационным сетям // Электротехнические и
информационные комплексы и системы, 2010, т.6, №3
[22] Huszak A., Imre S. Analysing GOP Structure and Packet Loss Effects on Error
Propagation in MPEG–4 Video Streams // 4th International Symp. on
Communications, Control and Signal Processing, ISCCSP 2010, Limassol, Cyprus,
March 2010
[23] http://kanst.mediatory.ru/index.files/cce.htm
13
[24] Feamster N. and Balakrishnan H., Packet Loss Recovery for Streaming
Video, 12th International Packet Video Workshop, Apr. 2002. Sect. C (3), JulySeptember 2008, pp. 9-16.
[25] Иванов Ю.А., Пряников В.С. Имитационные модели беспроводных сетей
в структуре программно-аппаратного комплекса для оценки качества
видеопотока // Вестник Чувашского университета, №1, 2010
[26] John J. Lemmon, Wireless link statistical bit error model, NTIA Report. 02394, U.S. Department of Commerce, June 2002
[27] Cornaglia B., Spini M. New statistical model for burst error distribution //
European Transactions on Telecommunications, Torino – Italy, John Wiley &
Sons, 1996
[28] http://www.isi.edu/nsnam/ns/ns-documentation.html
INFLUENCE OF INFORMATION PACKETS RECEPTION ERRORS ON
QUALITY OF STREAMING VIDEO AT THE TRANSMISSION IN WIRELESS
NETWORKS
In this paper the influence of packet errors on visual quality of Н.264 video is
studied and the analytical model explaining this effect is developed.
Single packet loss as well as single-bit errors are not able to adequately
simulate the channel affected by fadings. As a rule, errors often are long-time as
the high probability of packets loss happens in specific phase of transmission, for
example at the bad propagation. Damping of a transmittable signal leads to
grouping of errors. Group of error packets is the sequence of the packets not
received or received with an error by transmission on communication path in a
certain time interval. In this regard, the concept of errors group length BEL is
introduced, which is defined as number from the first to the last error packet
inclusively in certain group of errors.
Research of influence of a packet error on the received quality was carried
out by simulation modeling of transmission of 30-minute video through a wireless
network with casual burst errors in the channel.
Packet error simulation was performed by manually deleting UDP packets
from the reception data file, allowing to explore and analyze the visual quality
change when packet loss.
At the same time received and undistorted file can be obtained in the transmission
on the "ideal" channel with unlimited bandwidth and no delay by means of NS-2
software, and then manually remove packets according to certain scenario. Quality
14
estimation was carried out by means of indicators PSNR and MOS, calculated by
using the hardware and software tools.
It is shown that at an estimation of
influence of erratic packets on the received quality it is necessary to analyze not
only probability of appearance of errors, but also their structure and length of
grouping.
It is shown that influence of group of errors on average quality stronger, than
at single errors at the expense of local errors concentration. Average quality of
video sequence thus increases in process of magnification of grouping length at
invariable value of burst errors appearance probability. At grouping length BEL ≥
60 average quality is almost identical to original video.
The magnification of index BEL leads to magnification of video sequence
average quality irrespective of an index of burst errors probability. It is shown that
for an estimation of video quality in the conditions of errors batching in actual
practice it is necessary to research real allocation of errors batching in
communication path.
15