BC/NW 2010, №2 (17):6.2

ВЛИЯНИЕ ОШИБОК В КАНАЛАХ ШИРОКОПОЛОСНЫХ СИСТЕМ БЕСПРОВОДНОГО ДОСТУПА НА КАЧЕСТВО ПЕРЕДАЧИ ПОТОКОВОГО ВИДЕО

Шелухин О.И., Иванов Ю.А.

(Московский технический университет связи и информатики, Россия)

Представлена имитационная модель программно-аппаратного комплекса, предназначенного для передачи и оценки качества видеопотока в широкополосных системах беспроводного доступа. Описаны параметры и функциональные возможности данного комплекса. Приведены численные результаты.

Постановка задачи.

При передаче потокового видео в широкополосных системах беспроводного доступа важно обеспечить пользователю необходимый уровень воспринимаемого качества, что обеспечивается выбором параметров кодирования. Благодаря повышенной компрессии, новейший стандарт видеокодирования H.264/AVC позволяет транслировать видео даже в низкоскоростных сетях без заметного ухудшения качества, что позволяет использовать этот стандарт для видео приложений в беспроводных сетях [1]. Однако при трансляции по беспроводным сетям применение более совершенных методов кодирования не позволяет в полной мере избежать появления характерных искажений видео.

Ниже рассматривается оценка качества потокового видео, передаваемого по сети беспроводной связи, с помощью набора инструментов, имеющего модульную структуру.

Для проведения оценки качества необходимо иметь данные видеофайла до передачи по сети (на передающей стороне) и после приема из сети (на приемной стороне). На передающей стороне необходимыми данными являются: исходное некодированное видео в формате YUV, закодированное видео в формате MPEG-4, а также время отправки и тип каждого отправленного в сеть пакета.

На приемной стороне необходимо получить следующие данные: время приема и тип каждого принятого из сети пакета, закодированное видео (возможно, искаженное) в формате MPEG-4 и декодированное видео в формате YUV для отображения.

Оценка данных производится при сравнении передаваемой информации с принятой. На практике несжатое видео может быть очень большого объема, например 20 Гб для 30-минутного видео, рассчитанного для просмотра на маленьком дисплее карманного компьютера. Поэтому целесообразно передавать только дополнительную информацию в виде файла с записью времени получения каждого пакета. Это удобней, чем передавать передатчику полный (искаженный и декодированный) видео- файл с приемной стороны.

Структура программно-аппаратного комплекса

Обработка данных осуществляется в три этапа.

На первом этапе анализируется 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 чего 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 кадров 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 используются восстановленный и исходный видеофайл.

На рис. 1 представлена структурная схема программно-аппаратного комплекса (ПАК) для оценки качества потокового видео. В схеме отражено взаимодействие между модулями при передаче цифрового видео от источника через сеть связи к зрителю.

Рис. 1. Функциональная схема ПАК

Взаимодействие между модулями ПАК и сетью осуществляется с помощью трасс, содержащих все необходимые данные. Таким образом, для функционирования ПАК необходимы две трассы, исходный видеофайл и декодер. Сеть является просто «черным ящиком» и вводит задержку, потери и, возможно, переупорядочивает пакеты. В качестве имитатора сети выступает программная среда NS-2 [3]. Более подробное описание функциональных модулей ПАК представлено в [2].

Представление исходных данных и подготовка к имитации

Кодирование видеоизображения начинается с преобразования цветового пространства из RGB в YUV (известное также под называнием YCrCb). В типичных изображениях в формате RGB имеется существенная корреляция между цветными компонентами и с точки зрения сжатия этот формат является заведомо избыточным. В стандартах телевизионного вещания используется другое представление изображений, при котором также используются три компоненты сигнала, но при этом эти компоненты не коррелированы друг с другом. Компоненты R, G, B преобразуются в яркостную компоненту Y и две цветоразностные компоненты U и V, формата YUV. Поскольку большая информативность сохраняется в яркостной компоненте, то будет потеряно мало информации, если выполнить прореживание компонент U и V.

В качестве исходных тестовых видеопоследовательностей возможно использовать стандартные тестовые видеоклипы в формате YUV доступные в [4] и рекомендованные для проведения тестовых испытаний организацией IТU [5]. Однако данные видеоклипы ограничены временем воспроизведения вследствие большого размера видеофайла. К сожалению, короткие видеофайлы не позволяют оценить изменение качества при долговременной трансляции видео и получить обширное количество экспериментальных данных. Таким образом, с помощью специального программного обеспечения было записано собственное видео YUV формата (send.yuv) длительностью 30 мин, разрешением 640х480 и скоростью кадров 25 кадр/с.

В первую очередь необходимо закодировать исходный видеофайл в формат H.264 (файл видеопотока). Далее происходит упаковка видеопотока в MP4-контейнеры для дальнейшей транспортировки по протоколу UDP (от англ. User Datagram Protocol). После кодирования исходного видео получают MP4-файл.

Поскольку необходимо оценить качество видео передаваемого через сеть, то нужно создать «запасной» декодированный YUV файл из только что созданного mpeg-4 файла, чтобы по нему оценивать качество видео передаваемого по сети, исключая влияние кодека. Таким образом, возможно оценить влияние беспроводной сети на полученное визуальное качество, исключая при этом потери при кодировании и декодировании.

Чтобы иметь возможность производить имитацию необходимо создать файл видеотрассы, который содержит информацию о номере кадра его типе, размере и о количестве сегментов при котором кадр разделяется на пакеты. В файле видеотрассы содержатся следующие данные: номер кадра, тип кадра, размер и число сегментов при разделении кадра на пакеты. Данная видеотрасса подается на вход имитатора сети, где и происходит передача и прием видеоданных.

В результате передачи видео по сети необходимо получить файлы трасс передачи (табл. 2) и приема (табл. 3), которые содержат в себе следующие данные пакетов: время передачи /приема, уникальный идентификатор id (от англ. identifiers) и размер. Эти две трассы используются для определения потерянных в сети пакетов. В итоге будут получены файлы отправленных и полученных пакетов, в которых содержится подробная информация о времени отправки со стороны передатчика и времени получения со стороны приемника.

Установка моделирования и имитация передачи по беспроводной сети

ПАК позволяет производить имитацию передачи видеоданных по беспроводной сети тремя возможными способами:

1. Имитация битовой ошибки. Имитация передачи по беспроводному каналу c моделью "аддитивного белого Гауссовского шума" AWGN (от англ. Adaptive White Gaussian Noise). При имитации определенный бит в последовательности искажается (инвертируется) с заданной вероятностью. Используемое значение вероятности описывают показателем количества ошибочных битов BER (от англ. Bit Error Rate).

2. Имитация пакетной ошибки. Можно производить ручное удаление UDP пакетов из файла трассы приема. Это позволяет исследовать работу кодека и проанализировать изменение визуального качества при потере пакетов. При этом приемный и неискаженный файл можно получить при передаче по "идеальному" каналу с неограниченной полосой пропускания и отсутствием задержки и затем вручную удалить определенные пакеты.

3. Имитация ошибок, возникающих при передаче по реальным сетям.

Моделирование ошибок, возникающих в реальных сетях возможно изучить с помощью программной среды NS-2. Один из возможных вариантов имитации сети стандарта IEEE 802.11b показан на рис. 2.

Рис. 2. Топология сети

Особенностью представленной имитации беспроводной сети является оценка передачи видеопотока без и с учетом влияния фонового трафика. Используется два типа фонового трафика – FTP и CBR. FTP трафик передается по TCP протоколу со скоростью передачи данных 512 кб/сек. CBR трафик передается по UDP протоколу со скоростью передачи данных 256 кб/сек. Пропускная способность между видео сервером и базовой станцией равна 2 Мб/сек и с задержкой 10 мс.

Интеграция имитируемой сети в ПАК осуществляется с помощью агентов. Агент MyTrafficTrace используется для вычисления типа и размера кадра видеотрассы, генерируемого программой mp4trace. Кроме того, этот агент разбивает видеокадры на пакеты и отправляет их на уровень UDP в соответствующее время, согласно параметрам настройки пользователя, определенным при моделировании. По существу, MyUDP является агентом UDP. Этот объект записывает в файл отправляемой трассы время передачи каждого пакета, id пакета, и размер полезной нагрузки пакета. Агент MyUDPSink – агент приема пакетов фрагментированных кадров, отправленных MyUDP. Этот агент записывает время, id пакета и размер полезной нагрузки каждого полученного пакета в файл трассы приема.

Таким образом, независимо от типа проведенной имитации на основе полученных данных о времени отправки и принятия пакетов производится вычисление потерь пакета/кадра и задержки/джиттера. Для вычисления этих данных необходимо три трассы: видеотрасса, трасса приема и трасса передачи.

Вычисление потерь и оценка полученного качества видео

Вычислить потери при рассмотрении доступности уникального id пакета весьма легко. С помощью видеотрассы каждому пакету назначается тип. Каждый пакет этого типа, не включенный в трассу приемника, считается потерянным. Потеря кадра вычисляется при рассмотрении любого кадра, если один из его пакетов был потерян. Если первый пакет кадра теряется, то кадр считается потерянным, поскольку видеодекодер не сможет декодировать кадр, у которого отсутствует первая часть. Оценку полученных трасс производит модуль оценки трассы. Далее восстановленный файл необходимо декодировать в yuv формат.

Существуют два типа методов оценки качества цифрового видео, а именно субъективные и объективные. Субъективная оценка качества всегда опирается на впечатление зрителя, но является чрезвычайно дорогостоящей, очень трудоемкой и требует специального оборудования. Традиционно субъективное качество видео определяется путем экспертной оценки и подсчетом среднего балла MOS, имеющего значения от 1 до 5 (шкала ITU), где 1 – наихудшее, а 5 – наилучшее полученное качество видео.

Объективное качество видео обычно измеряется пиковым отношением сигнала к шуму PSNR. Показатель PSNR является традиционной метрикой, позволяющей сравнить любые два изображения. Оценка объективного качества полученного видеопотока в ПАК вычисляется модулем PSNR. Результатом будут значения PSNR, вычисленные между исходными и искаженными кадрами (рис. 5). Значения MOS вычисляются из показателя PSNR.

Анализ полученных результатов

В результате проведенния имитаций было оценено воздействие различных типов ошибок и условий передачи по сети на полученное качество видео.

На рис. 3 представлены значения субъективного и объективного качества при передаче видеопотока по каналу AWGN с различными значениями BER. Выявлены значения минимальной и максимальной битовой ошибки с точки зрения влияния на воспринимаемое качество видеопотока.

На рис. 4 представлены результаты оценки качества полученного видео при потере пакета. Показаны гистограммы распределения значения PSNR.

На рис. 5 показано влияние фонового трафика включенного в сеть и изменение вследствие этого качества видеопотока. Показано, что включение фонового трафика в сеть вносит дополнительные искажение в визуальное качество видео. Различные параметры сети, источников FTP- и CBR-трафика, а также их комбинации определенным образом влияют на полученное визуальное качество.

Анализируя результаты передачи потокового видео по имитируемым беспроводным cетям с учетом различных типов ошибок можно сделать следующие выводы:

1) При имитации беспроводного канала с моделью AWGN число битовых ошибок BER ≤ 3•10^-5 не влияет на качество видеопотока. При BER ≥ 4•10^-3 потери пакетов в сети достигают максимального значения и составляют не менее 99,9%.

2) Можно гарантировать объективное превосходное качество видеопотока при передаче по каналу с вероятностью появления битовой ошибки не более 1•10^-4, хорошее качество в диапазоне от 1•10^-4 до 4•10^-4, удовлетворительное качество в диапазоне от 4•10^-4 до 8•10^-4, плохое качество в диапазоне от 8•10^-4 до 1•10^-3 и очень плохое при более 1•10^-3.

3) Среднее качество трансляции видеопотока по имитируемой беспроводной сети подверженной искажениям сопоставима имитации беспроводного канала с моделью AWGN при
BER = 5•10^-4.

4) Гистограммы распределения значений PSNR как при имитации, так и при трансляции по имитируемой сети Wi-Fi в общем случае имеют двухгорбую форму. Один из максимумов характеризует значение PSNR видеопотока при отсутствии ошибок (декодер способен исправить битовые ошибки при их незначительном количестве в кадре). Второй максимум характеризует ухудшение PSNR вследствие большого числа искаженных видеокадров в моменты замираний (декодер неспособен исправить большое количество битовых ошибок). По мере увеличения числа ошибок этот максимум возрастает за счет уменьшения второго. В процессе передачи, в зависимости от уровня ошибок значения того или иного максимума возрастает. Если ошибками в канале связи можно пренебречь распределение PSNR имеет один максимум.

Таким образом, показано, что программно-аппаратный комплекс позволяет проводить имитацию и проверку полученного качества видеопотока при передаче по беспроводным сетям с различными характеристиками. Кроме того ПАК позволяет проводить оценку влияния определенных типов ошибок, возникающих в реальных сетях, на визуальное качество транслируемого видео. Показаны основные способы объективной и субъективной оценки качества.

Найдено, что при BER ≤ 3•10^-5 битовые ошибки не влияют на качество принимаемого видео и легко устраняются известными, реализованными в Wi-Fi способами защиты от ошибок. При BER ≥ 4•10^-3 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 величине вероятности битовой ошибки не более 1•10^-4, хорошее качество в диапазоне 1•10^-4 ….. 4•10^-4, удовлетворительное качество в диапазоне 4•10^-4 …… 8•10^-4, плохое качество в диапазоне 8•10^-4 …… 1•10^-3 и очень плохое при BER ≥ 1•10^-3.

Литература

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

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

3. http://www.isi.edu/nsnam/ns/ns-documentation.html

4. http://trace.eas.asu.edu

5. ITU-R Recommendation BT.802.–1 Test pictures and sequences for subjective assessments of digital codecs converging signal produced according to Recommendation ITU-R BT.601.