ИССЛЕДОВАНИЕ ЗАВИСИМОСТИ КАЧЕСТВА ВИДЕОИЗОБРАЖЕНИЯ ОТ ХАРАКТЕРИСТИК КАНАЛА ПЕРЕДАЧИ В СЕТИ GSM

На правах рукописи
КУРАКИН
ОЛЕГ ВАЛЕРЬЕВИЧ
ИССЛЕДОВАНИЕ
ЗАВИСИМОСТИ КАЧЕСТВА ВИДЕОИЗОБРАЖЕНИЯ
ОТ ХАРАКТЕРИСТИК КАНАЛА ПЕРЕДАЧИ
В СЕТИ GSM
Специальность 05.13.13 – Телекоммуникационные системы
и компьютерные сети
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук
Санкт-Петербург
2009
Работа выполнена в Санкт-Петербургском государственном университете
телекоммуникаций им. проф. М.А. Бонч-Бруевича.
Научный
руководитель
доктор технических наук, профессор
Мстислав Аркадьевич Сиверс
Научный
консультант
кандидат технических наук,
Александр Николаевич Волков
Официальные
оппоненты
доктор технических наук, профессор
Роберт Евгеньевич Быков
кандидат технических наук, профессор
Сергей Эдуардович Коганер
Ведущая организация
ФГУП ЛОНИИС
Защита диссертации состоится «____» ________________ 2009 г.
в ______ часов на заседании диссертационного совета Д 219.004.02
при Санкт-Петербургском государственном университете телекоммуникаций
им. проф. М.А. Бонч-Бруевича по адресу: 191186 Санкт-Петербург, наб. реки
Мойки, 61.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета.
Отзыв на автореферат в двух экземплярах, заверенных печатью учреждения, просим направлять по вышеуказанному адресу на имя ученого секретаря
диссертационного совета.
Автореферат разослан «____» _______________ 2009 г.
Ученый секретарь диссертационного совета
кандидат технических наук, доцент
2
В.Х. Харитонов
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность работы. В настоящее время рынок мобильной связи достигает насыщения: по данным аналитических компаний, проникновение мобильной связи в России превышает 100%. На этом фоне расширение спектра предоставляемых оператором услуг и повышение их качества становятся необходимыми факторами в конкурентной борьбе.
Помимо таких распространенных приложений, как видеотелефония и просмотр видеоклипов, услуги на основе передачи видеоизображений могут найти
применение в других сферах деятельности человека, например, в промышленности (мониторинг территорий повышенной опасности, удаленный контроль
газовых и нефтедобывающих вышек, трубопроводов) и видеонаблюдении (контроль опасных участков автодорог, охранные системы и т.п.).
Развитие систем мобильной связи направлено на создание передовых технологий, которые позволяют подготовить базу для реализации таких услуг, как
передача видео. Важным этапом развития мобильной связи является переход к
системам 3-го поколения 3G (3-d Generation). Технологии 3G предусматривают
внедрение услуг, связанных с передачей видеоданных, но требуют развертывания новой сети связи.
В то же время наиболее распространенным стандартом сотовой связи в мире является GSM. Количество абонентов сетей GSM в мире превышает 80% от
общего количества пользователей мобильной связи. Развитием системы GSM
является технология высокоскоростного радиодоступа EDGE. Для внедрения
EDGE в системе GSM требуются незначительные изменения конфигурации сети по сравнению с 3G. Технология EDGE предоставляет возможности по скорости передачи, сопоставимые с 3G, подходящие для организации услуг на основе
передачи видео, что стало отправной точкой исследований, выполненных в
данной работе.
Важным условием конкурентоспособности видеоуслуг является качество
сервиса. Качество приема видеоизображения зависит от многих факторов, в том
числе от типа передаваемой видеоинформации, используемого видеокодека, а
также от характеристик канала передачи. Для оценки влияния этих факторов в
работе используются численные оценки качества видеосигналов.
Ограниченный частотный ресурс, невысокие скорости передачи в мобильной связи вызывают необходимость определения граничных значений требуемой пропускной способности канала для передачи видео нужного качества.
Важным фактором, влияющим на качество видеоизображения, является помеховая обстановка в канале мобильной связи; поэтому необходима оценка ее
влияния на передаваемый видеосигнал. Рассматриваемые в данной работе объекты исследования, в конечном итоге, позволят установить связь между трафиком передачи видеосигнала, качеством передаваемого видеоизображения и скоростью передаваемой информации, а также влияние отдельных частей сети передачи на указанные характеристики.
Таким образом, диссертационная работа, посвящённая исследованию характеристик и показателей качества видеосигналов при передаче по каналам
3
мобильной связи, соответствует современной научной проблематике и является
актуальной.
Цели и задачи исследования. Цель диссертационной работы состоит в
получении различных параметров качества видеоизображения, необходимых
для разработки специальных видеосистем дистанционного видеонаблюдения и
т.п. через сеть GSM/EDGE, и их зависимости от характеристик канала передачи.
Для достижения поставленной цели в диссертационной работе необходимо
решить следующие задачи:
 провести анализ возможностей существующих систем мобильной связи
по передаче видеосигналов;
 реализовать видеокодек на программном уровне и исследовать его характеристики;
 получить характеристики зависимости качества видеоизображения от
скорости передачи при различных уровнях качества, определить пороговые
значения скорости передачи данных, необходимые для достижения требуемого
качества видеоизображения;
 разработать и реализовать имитационную модель канала передачи сети
GSM/EDGE, исследовать характеристики канала передачи;
 исследовать влияние характеристик канала передачи сети GSM/EDGE на
качество видеоизображения, определить пороговые значения различных параметров канала, необходимые для достижения нужных показателей качества видеоизображения.
Методы исследования. В работе использованы методы теории случайных
процессов, статистического и имитационного моделирования.
Для численного анализа, проведения оценки и промежуточных вычислений
использовался программный комплекс Matlab.
Обработка видеопоследовательностей и имитационное моделирование
процессов передачи видеосигналов, а также оценка качества видеоизображений
производились автором с помощью самостоятельно разработанных программ.
Научная новизна. Большинство исследований зависимости качества видеосигналов от характеристик канала передачи в мобильной связи ориентированы на передачу видео в сетях 3-го поколения, например UMTS. Однако в
настоящее время сети UMTS обслуживают 10% абонентов существующих сетей GSM/UMTS. В работе выполнены исследования, которые отражают зависимость качества видеосигналов от характеристик канала передачи в действующих сетях GSM, а также приводятся параметры качества видеоизображения,
которые могут быть достигнуты при разных уровнях помех в канале.
Основные результаты диссертации, обладающие научной новизной.
1. Предложена реализация специализированных видеоуслуг в существующих сетях GSM/EDGE.
2. Выполнена программная реализация видеокодека MPEG-4 в Matlab.
3. Создана имитационная модель канала передачи сети GSM с технологией EDGE и модуляцией 8-PSK.
4
4. Определена зависимость показателей качества видеоизображения от
характеристик канала передачи сети GSM/EDGE.
5. Получены значения граничных скоростей передачи в канале, необходимые для передачи видеоизображения с разными уровнями качества видео.
6. Определены пороговые значения коэффициента ошибок в канале передачи и соответствующие численные показатели ухудшения качества видеоизображения.
7. Показано, что с увеличением уровня качества видео влияние ошибок
передачи на ухудшение качества становится более заметным. Получены соответствующие значения величины ухудшения качества.
8. Определено требуемое отношение сигнал/шум в канале, которое необходимо обеспечивать при передаче видеосигналов в сети GSM/EDGE.
Практическая ценность. Выполненные исследования зависимости качества видео от характеристик канала передачи могут быть использованы операторами связи при проектировании и эксплуатации различных видео-услуг. Результаты работы также могут быть использованы в образовательном процессе
высших учебных заведений связи, при написании учебников и учебных пособий, разработке компьютерных систем моделирования процессов передачи видеосигналов в мобильной связи. Полученные характеристики могут быть использованы разработчиками аппаратуры при разработке и проектировании специальных систем видеосвязи.
Достоверность полученных результатов. Достоверность результатов
подтверждена большим объемом компьютерных экспериментов с реальными
видеосигналами и имеющимися экспериментальными данными для некоторых
приложений. Результаты работы были доложены на международном научном
симпозиуме, где получили положительную оценку.
Личный вклад автора. Теоретические выводы и рекомендации, содержащиеся в диссертации, получены автором самостоятельно.
Реализация результатов работы. Результаты работы внедрены в практическую эксплуатационно-техническую деятельность ОАО «Гипросвязь-СПб»,
ООО «Связь-Электро-проект» и в учебный процесс Санкт-Петербургского государственного университета телекоммуникаций им. проф. М.А. Бонч-Бруевича,
используются в научных разработках пакетов учебных программ и при постановке лабораторно-практических курсов, что подтверждено соответствующими
актами внедрения.
Апробация результатов и публикации. Основные результаты работы докладывались на международном телекоммуникационном симпозиуме «Мобильная связь». Материалы, отражающие основное содержание и результаты
диссертационной работы, опубликованы в материалах научно-технических
конференций и отраслевых журналах – всего в пяти работах, в том числе в трех
изданиях из перечня ведущих рецензируемых научных журналов и изданий, рекомендованных ВАК Минобрнауки России.
Основные положения, выносимые на защиту. Основные научные результаты, которые получены лично автором, включены в диссертацию и выносятся на защиту.
5
1. Для передачи видеоизображения с уровнем качества V0 (малоподвижная
видеотелефония) необходимо обеспечить граничное значение скорости передачи в канале 32 кбит/с, для уровня качества V1 (видеотелефония) – 128 кбит/с,
для уровня качества V2 (видеоконференция) – 256 кбит/с.
2. При коэффициенте ошибок в канале BER более 10–3 значение оценки качества видеоизображения PSNR снижается до нуля. При BER в канале 10–4,
значение оценки качества PSNR снижается на 3...12 дБ по сравнению с исходным, оценка ухудшения качества VQM составляет от 30 до 70%. При BER в канале 10–5 и менее значение оценки PSNR снижается не более чем на 1...2 дБ.
3. С повышением пространственного разрешения и подвижности видеоизображения увеличивается чувствительность качества к ошибкам передачи в
канале GSM/EDGE. При коэффициенте ошибок 10–4 ухудшение оценки качества PSNR при уровне качества V0 составляет 3 дБ, а при уровне качества V2 –
12 дБ.
4. При передаче видеосигналов в сети GSM/EDGE необходимо обеспечивать отношение сигнал/шум в канале не менее 15 дБ.
Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения, 5 глав, заключения, списка литературы, включающего 87 наименований, и приложений.
Работа содержит 172 страницы текста, 60 рисунков и 38 таблиц.
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обоснована актуальность темы исследования, сформулированы цели и задачи работы, перечислены результаты, полученные в диссертации,
определена практическая ценность и область применения результатов, 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. Представлена целесообразность внедрения услуг передачи видео в существующих сетях GSM. 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, такие как видеонаблюдение в охранных системах и
удаленный мониторинг газовых и нефтедобывающих вышек, контроль трубопроводов и т.п.
Рассмотрены возможности систем мобильной связи по передаче видеосигналов, и определен выбор сетей GSM с технологией EDGE. Выбран видеокодек
MPEG-4, алгоритмы которого будут использованы в работе для видеокомпрессии. Подробно рассмотрены уровни качества видеоизображения и методы его
оценки. Согласно рекомендациям ITU-T определены три уровня качества видеоуслуг в мобильной связи: V0 (малоподвижное видео, разрешение 176×144),
V1 (видеотелефония, разрешение 176×144), V2 (видеоконференцсвязь, разрешение 352×288). Выбраны стандартизованные алгоритмы оценки качества ви6
деоизображения – PSNR (Peak Signal to Noise Ratio) и VQM (Video Quality
Metric).
Согласно рекомендациям 3GPP определены характеристики канала передачи, которые могут оказывать влияние на качество видеосигнала, и подлежат
исследованию в работе. Выбрана методика оценки влияния канала на качество
видеоизображения.
Сделаны выводы об актуальности установления связи между трафиком передачи видеосигнала, качеством передаваемого видеоизображения и скоростью
передаваемой информации, а также влияния характеристик канала передачи сети GSM на показатели качества видеоизображения.
Во второй главе рассматривается степень необходимости использования
видеокодека при передаче видео в сети GSM. Сформирована модель системы
передачи видеосигналов по каналу передачи данных GSM с технологией EDGE.
Выполнен анализ возможности передачи видеоданных без использования
видеокодека. Показано, что требования по скорости передачи некомпрессированного видеосигнала несопоставимы с возможностями канала передачи данных сети GSM – даже при самом низком уровне качества V0, требуемая скорость передачи достигает 3 Мбит/с.
Выполнены расчеты, позволяющие оценить эффективность видеокодека.
Показано, что для эффективной передачи видеоданных в сетях мобильной связи необходимо использовать систему видеокомпрессии, позволяющую снизить
требуемую скорость передачи видео в среднем до 30–50 раз. При использовании видеокодека требуемая скорость передачи видео с уровнем качества, достаточным для большинства услуг, не превышает 500 кбит/с. Таким образом, требования к скорости передачи в канале при использовании систем видеокомпрессии значительно снижаются. Возможности существующих систем мобильной связи по скорости передачи оказываются достаточными для передачи компрессированного видеосигнала.
Сделаны выводы о необходимости определения зависимости качества видеоизображения от скорости передачи, для чего нужно выполнить исследование характеристик видеокодека с использованием нескольких типов стандартных видеопоследовательностей с разными уровнями качества.
В третьей главе на программном уровне в среде Matlab реализован видеокодек в соответствии со стандартом MPEG-4, который позволяет установить
зависимость между качеством передаваемого видеоизображения и скоростью
передачи. Модель видеокодека использована в дальнейшем для исследования
зависимости качества видеоизображения от характеристик канала передачи.
Ядром программной реализации видеокодера является подпрограмма encodeBlock.m, выполняющая все операции кодирования с компрессией блоков
изображения 8×8 пикселей в несколько этапов.
1. Дискретное косинусное преобразование. Для ускорения вычислительных
процессов при выполнении ДКП над большим количеством матриц одинакового размера в программе использован быстрый метод вычисления ДКП, заключающийся в использовании ДКП-матрицы T размерностью 8×8 пикселей, которая рассчитывается по формуле:
7



Tu ,v  


1
, при u  0, 0  v  N  1
N
2
(2u  1)v
cos
, при 1  u  N  1, 0  v  N  1,
N
2N
(1)
где N=8.
Результатом произведения ДКП-матрицы T и матрицы 8×8 блока пикселей
BLOCK, T·BLOCK будет матрица размерностью 8×8, столбцы которой содержат
результат выполнения одномерного ДКП над столбцами матрицы BLOCK.
Для выполнения двумерного ДКП необходимо полученную матрицу
умножить на транспонированную ДКП-матрицу:
(2)
DCTBlock  T  BLOCK  T ',
где T’ – транспонированная ДКП-матрица (столбцы матрицы Т’ равны строкам
матрицы Т).
В результате выполнения ДКП преобразования получаем матрицу ДКПкоэффициентов, DCTBlock, над которой производятся последующие операции.
2. Квантование. Согласно верификационной модели MPEG-4 квантование
в режиме I-VOP и P-VOP производится по-разному:
а) квантование ДКП-коэффициентов в режиме I-VOP. В режиме I-VOP
ДКП-коэффициенты квантуются раздельно: DC-коэффициент с координатами
(1,1) квантуется с использованием делителя dc_scaler, а остальные, ACкоэффициенты квантуются с использованием INTRA-матрицы квантования.
Определение величины делителя dc_scaler производится на основе значения
параметра квантования данного макроблока QP (см. таблицу).
QP
dc_scaler
1…4
8
5…8
2Qp
9 … 24
Qp + 8
25 … 31
2Qp – 16
AC-коэффициенты ДКП квантуются с разными уровнями квантования с
использованием параметра квантования QP:
p  QP
ac  sign(ac) 
q
QAC 
,
(3)
2  QP
16  DCTBlock
где ac 
, WI – INTRA-матрица квантования, p = 0.1, q = 4.
WI
Результатом этой процедуры является матрица QAC квантованных ACкоэффициентов ДКП.
Каждый элемент матрицы коэффициентов ДКП (DCTBlock) делят на соответствующий ему элемент INTRA-матрицы квантования.
Квантование DC-коэффициента ДКП производится простым делением этого коэффициента DCTBlock(1,1) на величину делителя dc_scaler:
QDC  DCTBlock (1,1) / dc _ scaler .
(4)
8
Полученные квантованный DC-коэффициент и матрица квантованных ACкоэффициентов QAC формируют матрицу квантованных ДКП-коэффициентов
кодируемого в I-VOP режиме блока Qblock, значения которой округляют до
ближайшего целого числа. Величина DC-элемента матрицы Qblock ограничивается значениями от 1 до 255, а остальных AC-коэффициентов от – 127 до 127;
б) квантование ДКП-коэффициентов в режиме P-VOP. В режиме P-VOP
все ДКП-коэффициенты квантуются с использованием параметра квантования
QP:
ac
(5)
QAC 
,
2  QP
16  DCTBlock
где ac 
, WN – INTER-матрица квантования.
WN
Результатом квантования является матрица QAC.
Каждый элемент матрицы коэффициентов ДКП (DCTBlock) делят на соответствующий ему элемент INTER-матрицы квантования.
Далее формируется матрица квантованных ДКП-коэффициентов кодируемого в P-VOP режиме блока Qblock, значения которой равны округленным до
ближайшего целого числа значениям матрицы QAC. Величина каждого элемента матрицы Qblock ограничена значениями от – 127 до 127.
3. Сканирование и кодирование. Матрица квантованных ДКПкоэффициентов Qblock размером 8×8 элементов преобразуется в одномерный
вектор ZBlock, содержащий 64 элемента. Такое преобразование выполняется
сканированием матрицы квантованных ДКП-коэффициентов и последующей
записью полученных значений. Для этого используется подпрограмма zigzag.m,
результатом выполнения которой является вектор ZBlock, который содержит
все квантованные ДКП-коэффициенты блока, стоящие в порядке сканирования.
Вектор отсканированных квантованных ДКП-коэффициентов ZBlock поступает
на обработку в подпрограмму VLC.m, где производится двоичное кодирование
квантованных коэффициентов и формирование структуры потока видеоданных.
Для исследования и тестирования видеосистемы в работе выбраны и описаны восемь рекомендованных ITU тестовых видеопоследовательностей. Видеокомпрессия вносит специфические искажения в передаваемое видеоизображение. Методами объективных оценок ухудшения качества видео PSNR и VQM
определена степень влияния видеокомпрессии на качество при разных коэффициентах сжатия.
Результаты проведенных исследований показывают, что характеристики
системы видеокомпрессии существенно зависят от содержания видеоматериала,
подвергнутого обработке, а также от уровня качества кодируемого видеосигнала. Определено, что степень сжатия может достигать 65 раз при уровне качества V0, 36 раз при уровне качества V1 и 30 раз при уровне качества V2.
Для каждого уровня качества видео V0, V1, V2 выполнено исследование
зависимости качества видеоизображения от скорости передачи видеоданных с
использованием тестовых видеопоследовательностей, имеющих разные сюже9
ты съемки, пространственное разрешение и количество движений и деталей в
сценах.
40
40
35
39
38
30
Пожилая леди
25
Акийо
20
Видеонаблюдение
здания
Пожилая леди
36
VQM, %
PSNR, дБ
37
Акийо
35
Видеонаблюдение
здания
34
Клэр
15
Клэр
33
Граничное
значение скорости
передачи, 32 кбит\с
32
31
Граничное
значение скорости
передачи, 32 кбит\с
10
5
30
0
0
20
40
60
80
100
120
140
160
180
200
220
240
260
280
40
60
80
100
120
140
160
180
200
220
240
260
280
300
Скорость передачи, кбит/с
Скорость передачи, кбит/с
32 кбит/c
20
300
32 кбит/c
a)
40
40
39
35
38
30
Контейнерное
судно
36
VQM, %
PSNR, дБ
37
35
34
Продавец
товаров
33
Контейнерное
судно
25
20
Продавец
товаров
15
32
31
30
0
50
100
150
200
250
300
350
400
450
500
Граничное
значение
скорости
передачи, 128
кбит\с
10
5
0
50
100
150
200
250
300
350
400
450
500
Скорость передачи, кбит/с
Скорость передачи, кбит/с
Граничное
значение
скорости
передачи, 128
кбит\с
128 кбит/c
128 кбит/c
б)
Рис. 1. Зависимость качества видеоизображения от скорости передачи:
а – уровень качества V0, б – уровень качества V1
На рис. 1 представлены примеры полученных характеристик зависимости
качества видеоизображения от скорости передачи видеосигнала при разных
уровнях качества видео. Графики отражают изменение качества видеоизображения для каждой тестовой видеопоследовательности («Акийо», «Клэр», «Видеонаблюдение здания» и т.д.). Полученные результаты позволяют определить
граничные значения скорости передачи, при которых ухудшение качества видеоизображения незначительно: для V0 – 32 кбит/с, V1 – 128 кбит/с и V2 – более 256 кбит/с.
Реализация видеокодека MPEG-4 в среде Matlab позволяет использовать
его для последующих исследований, в том числе влияния характеристик канала
передачи на качество передаваемого видеосигнала.
В четвертой главе разработана имитационная модель канала передачи сети GSM в Matlab и выполнено исследование характеристик канала.
Как известно, распространение радиоволн в сетях мобильной связи в общем случае отличается многолучевым распространением, вызываемым переотражениями и рассеянием. Канал характеризуется потерями на трассе распространения радиоволны, различного рода шумами, помехами, медленными и
быстрыми замираниями вследствие многолучевого распространения. Для описания медленных замираний используются логнормальная модель распределения. Для борьбы с медленными замираниями и затуханием сигнала в GSM используется адаптивная регулировка мощности передатчиков. Быстрые замирания сигнала вызваны многолучевым распространением радиоволн. Для устранения влияния быстрых замираний в системах GSM на приемной стороне ис10
пользуется адаптивный эквалайзер. Эквалайзер позволяет существенно снизить
влияние многолучевости, и методы реализации эквалайзера широко известны.
В данной работе влияние быстрых замираний сигнала не рассматривается и
предполагается, что медленные замирания компенсируются адаптивной регулировкой мощности.
Для описания физического канала в данной работе выбрана модель канала
с шумом. Источниками эквивалентного шума в мобильной сети GSM могут
быть:
 тепловой шум – собственный шум, порождаемый приемником,
 внутриканальные помехи, источниками которых могут быть как соседние
БС, работающие на одинаковых частотах, так и разного рода внешние источники помех.
Эквивалентный шум можно описать как гауссовский случайный процесс с
нулевым средним. Модель канала с шумом можно представить как сумму случайной переменной, определяющей шум, и сигнала канала связи:
z  a  n.
(6)
где a – сигнал в канале связи, n – случайная переменная, выражающая гауссовский шум.
Гауссовский канал с дискретным входным алфавитом добавляет шум ко
всем передаваемым символам. Так как шум – это гауссовская случайная переменная с нулевым средним и дисперсией σ2, результирующую функцию плотности вероятности принятой случайной величины z при условии передачи символа uk можно записать для всех z в виде:
1
1 z  uk 2
(7)
p ( z | uk ) 
exp[ (
) ],
2 
 2
где k = 1, 2, …, M.
Для моделирования шума применима модель белого аддитивного гауссовского шума (Additive White Gaussian Noise, AWGN), в которой шум независимо
воздействует на каждый переданный символ.
Как известно, спектральная плотность мощности белого шума является постоянной для всего диапазона частот:
N
(8)
Gn ( f )  0 .
2
Для оценки уровня шума используется отношение энергии символа Es к
E
спектральной плотности мощности шума N0 – S .
N0
В процессе исследований, при определении зависимости вероятности ошибок на бит от отношения сигнал/шум в канале, на вход имитационной модели
канала подключается блок генерации случайной последовательности битов
(Bernoulli Binary Generator), имитирующий передачу компрессированных видеоданных (рис. 2).
На выходе канального декодера подключается блок измерения вероятности
ошибок на бит, позволяющий оценить зависимость коэффициента ошибок от
11
отношения сигнал/шум в физическом канале, изменяемом на каждом итерационном этапе измерений.
Рис. 2. Имитационная модель канала передачи сети GSM/EDGE
Для эффективной передачи видеосигнала требуется высокая скорость передачи информации при большой помехозащищенности канала. Использование
моделируемых каналов сети GSM/EDGE позволяет обеспечить скорость передачи данных от 22,4 до 256 кбит/с.
С использованием программного пакета Matlab созданы имитационные
модели каналов передачи данных системы GSM/EDGE, позволяющие в динамическом режиме моделировать процессы передачи данных. Путем имитационного моделирования получены экспериментальные характеристики зависимости вероятности ошибок на бит от отношения сигнал/шум в канале.
Результаты выполненных исследований показывают, что значения
BER<103 получаются при отношении сигнал/шум в канале системы
GSM/EDGE >14 дБ, а для получения коэффициента ошибок BER<106 необходимое отношение сигнал/шум более 18 – 20 дБ.
Созданные имитационные модели каналов GSM/EDGE использованы для
дальнейшего исследования влияния помеховой обстановки в канале связи на
передаваемый компрессированный видеосигнал и определения зависимости качества передаваемого видеосигнала от характеристик канала.
В пятой главе выполнено исследование влияния характеристик канала передачи на качество видеоизображения.
Исследования выполнены в три этапа с использованием реализованного в
Matlab видеокодека MPEG-4 и имитационной модели канала сети GSM/EDGE:
12
1) компрессия, декомпрессия и последующая оценка качества видеоизображения на выходе видеодекодера с помощью оценок PSNR и VQM при «идеальном» канале передачи без ошибок передачи;
2) компрессия, передача компрессированных видеоданных по имитированному «реальному» каналу с ошибками, декомпрессия и последующая оценка
качества видеоизображения, подверженного влиянию ошибок передачи;
3) анализ и сравнение величины деградации качества видеоизображения,
полученной на этапе 1, и величины деградации качества при передаче компрессированного видеосигнала через канал с ошибками, найденной на этапе 2, для
каждого уровня качества видео.
По результатам исследования получена зависимость оценки качества видеоизображения от вероятности ошибок на бит BER в канале передачи для разных уровней качества видео (рис. 3). Определены пороговые значения BER в
канале передачи и соответствующие численные показатели ухудшения качества
видеоизображения.
Выполненные исследования показывают, что ошибки передачи в канале
оказывают разное воздействие на ухудшение качества передаваемого видеоизображения в зависимости от уровня качества видео. С увеличением уровня
качества видео, повышением пространственного разрешения и подвижности
видеоизображения увеличивается чувствительность качества видеосигнала к
ошибкам передачи в канале.
Показано, что при уровне BER в канале более 103 видеоизображение на
каждом уровне качества претерпевает сильные искажения, значение оценки
PSNR падает вплоть до нуля, ухудшение качества VQM достигает 100%. Искажения выражаются в потере больших частей видеокадра, возникают ошибочные блоки изображения.
Если уровень ошибок BER в канале составляет 10–4, ошибки передачи приводят к заметным искажениям изображения. Степень ухудшения качества зависит от уровня качества видео. Оценка PSNR снижается на 3 дБ – при уровне качества видео V0, на 5 дБ – при уровне качества V1 и на 12 дБ – при уровне качества V2. Оценка ухудшения качества VQM составляет от 30 до 70%.
Когда коэффициент ошибок в канале BER 10–5 и менее, влияние ошибок
передачи на качество видеоизображения становится почти незаметным. При
уровне качества малоподвижного видео V0 – качество видео не ухудшается.
При уровне качества видеотелефонии V1 – оценка качества PSNR снижается на
1 дБ. При уровне качества видеоконференции V2 – качество видеоизображения
ухудшается на 2 дБ. При таком уровне ошибок передачи видеоизображение
претерпевает незначительные искажения, которые выражаются в редком возникновении малых ошибочных блоков изображения, незаметных для пользователя.
13
40
35
30
PSNR, дБ
25
V0 (QCIF (176x144),
5 кадров/с)
20
V1 (QCIF (176x144),
7,5 кадров/с)
15
V2 (CIF (352x288),
10 кадров/с)
10
5
0
1,0E-02
-5
1,0E-03
1,0E-04
1,0E-05
1,0E-06
-10
BER
a)
100
90
80
VQM, %
70
V0 (QCIF (176x144),
5 кадров/с)
60
50
V1 (QCIF (176x144),
7,5 кадров/с)
40
V2 (CIF (352x288),
10 кадров/с)
30
20
10
0
1,0E-02
1,0E-03
1,0E-04
1,0E-05
1,0E-06
BER
б)
Рис. 3. Зависимость качества видеоизображения от BER в канале передачи:
а – изменение оценки PSNR в зависимости от BER, б – изменение оценки VQM
На рис. 4 представлены примеры полученных характеристик зависимости
качества видеоизображения от отношения сигнал/шум в канале при разных
уровнях качества видеосервиса. Исследования показали, что отношение сигнал/шум в канале GSM/EDGE, минимально необходимое для передачи видеоизображений, составляет 15 дБ.
14
40
35
30
PSNR, дБ
25
V0 (QCIF (176x144),
5 кадров/с)
20
V1 (QCIF (176x144),
7,5 кадров/с)
15
10
V2 (CIF (352x288),
10 кадров/с)
5
0
14,0
-5
14,5
15,0
15,5
16,0
16,5
17,0
17,5
18,0
-10
Es/No, дБ
a)
100
90
80
VQM, %
70
V0 (QCIF (176x144),
5 кадров/с)
60
V1 (QCIF (176x144),
7,5 кадров/с)
50
40
V2 (CIF (352x288),
10 кадров/с)
30
20
10
0
14,0
14,5
15,0
15,5
16,0
16,5
17,0
17,5
18,0
Es/No, дБ
б)
Рис. 4. Зависимость качества видеоизображения от отношения с/ш в канале передачи:
а – изменение оценки PSNR от Es/N0, б – изменение оценки VQM
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В диссертационной работе получены следующие основные результаты, по
которым могут быть сделаны соответствующие выводы.
1. Обеспечиваемые современными технологиями мобильной связи скорости передачи позволяют предложить пользователям услуги с передачей видеоизображений. Теоретически достижимая максимальная скорость передачи в сетях GSM/EDGE – до 473,6 кбит/с, а в сетях 3-го поколения мобильной связи с
использованием технологии HSDPA – 14,4 Мбит/с. Однако скорости передачи в
реальных условиях по ряду причин оказываются существенно ниже: около 250
кбит/с для сетей GSM/EDGE и 2,5 Мбит/c для сетей 3-го поколения.
2. Следовательно, для передачи видеоизображений по каналам связи
необходимо сжатие передаваемого сигнала, и одним из перспективных методов
компрессии видеосигналов является MPEG-4.
3. Определены уровни качества видео, при которых возможна организация видеоуслуг в сетях мобильной связи, а также методы и алгоритмы объективной оценки качества видеоизображения для использования в исследованиях:
PSNR (Peak Signal to Noise Ratio) и VQM (Video Quality Metrics).
15
4. На программном уровне реализован видеокодек в соответствии со
стандартом MPEG-4, что позволяет установить зависимость между качеством
передаваемого видеоизображения и скоростью передачи, а также исследовать
влияние характеристик канала передачи на качество видеосигнала.
5. Для каждого уровня качества видео-сервиса выполнено исследование
зависимости качества видеоизображения от скорости передачи. Качество видеоизображения измерялось с помощью объективных оценок PSNR и VQM. С
использованием полученных результатов определены граничные значения скорости передачи, при которых ухудшение качества видеоизображения является
приемлемым: для уровня качества V0 (малоподвижная видеотелефония) – 32
кбит/с, для уровня качества V1 (видеотелефония) – 128 кбит/с, для уровня качества V2 (видеоконференция) – 256 кбит/с.
6. Создана имитационная модель канала передачи системы GSM/EDGE,
позволяющая в динамическом режиме моделировать процессы передачи видеоинформации.
7. Путем имитационного моделирования получены экспериментальные
характеристики зависимости вероятности ошибок на бит от отношения сигнал/шум в канале.
8. Исследовано влияние характеристик радиоканала сети GSM/EDGE на
качество передаваемого видеосигнала. Путём имитационного моделирования
определены пороговые значения вероятности ошибок на бит в канале передачи
и соответствующие численные показатели ухудшения качества видеоизображения. При уровне ошибок BER в канале более 103 – значение оценки качества
видеоизображения PSNR падает до нуля. При уровне BER в канале 10–4 – влияние ошибок передачи приводит к заметным искажениям изображения, значение
оценки PSNR падает на 3 – 12 дБ по сравнению с исходным, оценка ухудшения
качества VQM составляет от 30 до 70%. При уровне BER в канале 10–5 и менее
– влияние ошибок канала на видеоизображение становится практически незаметным, значение оценки PSNR снижается не более чем на 1 – 2 дБ.
9. Определено, что ошибки передачи оказывают разное воздействие на
ухудшение качества передаваемого видеоизображения в зависимости от уровня
качества видео. Показано, что с увеличением уровня качества видеоизображения влияние ошибок передачи на качество становится более заметным. Например, при уровне BER в канале 10–4 – ухудшение оценки качества PSNR при
уровне качества V0 составляет 3 дБ, а при уровне качества V2 – 12 дБ. С повышением пространственного разрешения и подвижности видеоизображения увеличивается чувствительность качества видео к ошибкам передачи в канале.
10. Выполнено исследование влияния помеховой обстановки в канале на
качество видеоизображения. Определены допустимые значения отношения
сигнал/шум в канале при передаче видеосигналов с разным качеством. При передаче видеосигналов минимально допустимое отношение сигнал/шум в канале
передачи GSM/EDGE – 15 дБ.
11. На основе полученных результатов можно утверждать, что в существующих сетях GSM/EDGE возможна реализация видеоуслуг, не требующих
высокого качества изображения. Каналы сети GSM/EDGE можно использовать
16
для передачи видеоизображений при мониторинге территорий повышенной
опасности, удаленном контроле газовых и нефтедобывающих вышек, трубопроводов, видеонаблюдении, контроле опасных участков автодорог, в охранных системах и др. При организации видео-сервиса необходимо подбирать параметры системы видеокомпрессии с учетом требуемого уровня качества видео. Для снижения искажений изображения, вносимых каналом передачи, нужно обеспечивать уровень помех не ниже допустимого, что достигается при частотно-территориальном планировании.
12. Полученные в работе рекомендации используются при проектировании специальных видеосистем и применяются в учебном процессе.
ПУБЛИКАЦИИ
1. Куракин, О.В. Оценка возможностей стандарта GSM для передачи изображений
/ О.В. Куракин, М.А. Сиверс // Мобильные системы. – 2002. – № 2. – С. 22 – 25 (из перечня
ведущих рецензируемых научных журналов и изданий, рекомендованных ВАК Минобрнауки России).
2. Куракин, О.В. Использование 8-PSK модуляции в технологии EDGE / О.В. Куракин
// Труды учебных заведений связи. – 2003. – № 169. – С. 90 – 100.
3. Куракин, О.В. Передача видео по каналам GSM в реальном времени / О.В. Куракин,
М.А. Сиверс // Мобильные системы. – 2006. – № 2. – С. 24 – 28 (из перечня ведущих рецензируемых научных журналов и изданий, рекомендованных ВАК Минобрнауки России).
4. Куракин, О.В. Оценка влияния характеристик канала передачи на показатели качества видеоизображения в мобильной связи / О.В. Куракин // Международный телекоммуникационный симпозиум «Мобильная связь»: тез. докл. / Санкт-Петербургское отделение международной академии связи. – СПб, 2007. – С. 19 – 29.
5. Куракин, О.В. Оценка качества видеоизображения при передаче в сети GSM / О.В.
Куракин // Научно-технические ведомости СПбГПУ. – 2008. – № 6. – С. 23 –27 (из перечня
ведущих рецензируемых научных журналов и изданий, рекомендованных ВАК Минобрнауки России).
17
Подписано к печати 23.03.2009
Объем 1 печ. л. Тираж 80 экз. Зак. 8
Тип. СПбГУТ. 191186 СПб, наб. р. Мойки, 61
18