WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 | 3 | 4 | 5 |
Вестник Самарского государственного аэрокосмического университета № 2 (26) 2011 г.

УДК 004.773.5 ПОВЫШЕНИЕ КАЧЕСТВА ИНТЕРНЕТ ВИДЕОПОТОКОВ МЕТОДОМ ДУБЛИРОВАНИЯ КЛЮЧЕВЫХ КАДРОВ © 2011 Е. С. Сагатов, А. М. Сухов Самарский государственный аэрокосмический университет имени академика С. П. Королёва (национальный исследовательский университет) В настоящей работе исследуются технологические решения по повышению качества потокового видео в беспроводных сетях. Исследуются специально разработанные программы, которые позволяют дублировать пакеты видеопотоков. Проведено тестирование потокового видео с дублированием всех кадров, только ключевых кадров и без дублирования. Эксперименты показали, что наилучший результат обеспечивает технология дублирования пакетов, составляющих ключевой кадр. В работе найдены коэффициенты для наиболее популярных кодеков, которые описывают зависимость качества видео от потерь пакетов и вариации задержек.

Беспроводные сети, субъективная оценка качества видео, процент потерь пакетов, вариация задержки пакетов, сетевой джиттер, RTP-поток.

Введение ным процентом потерь пакетов и большими значениями вариации задержки паМобильность человека предполагает кетов. Подробная информация о градацимгновенное подключение к сети Интернет ях качества сетевого соединения при пеиз любой точки и в любое время. Техноредаче видео приведена в [2, 3].

логические решения для обеспечения моРанее в работе [4] рассматривалась бильности могут предоставить беспропроблема адаптации современных алговодные сети различных стандартов, которитмов кодирования и передачи видео для рые окружают современного человека побеспроводных сетей, таких, как 3G, Wi-Fi всюду. В большом городе мы постоянно и WiMAX [5], а также для других сетей с находимся в зоне действия сразу нескольплохими характеристиками качества. Быких сетей различных поколений: Wi-Fi, ла сделана попытка найти и сравнить чис3G и WiMAX. В развлекательных ценленную зависимость качества видеоизобтрах, магазинах, ресторанах и отелях ражения от сетевых параметров. Указаночень часто данная услуга предоставляетная зависимость описывалась простой мося совершенно бесплатно в рекламных делью, что позволило использовать для целях.

сравнения качества полученного видео Отсутствие проводов и привязки к численные значения коэффициентов и опконкретному месту делают мобильный ределить наиболее существенные фактоИнтернет невероятно популярным и эксры, а также сопоставить между собой разпоненциально растущим год от года [1].

личные кодеки. При этом учитывались Технологически каналы доступа в Интерразличия между искажениями, которые нет в таких сетях позволяют без проблем вносят повреждения ключевых и промепользоваться большинством сервисов. Но жуточных кадров.

мобильность накладывает свои ограничеВ настоящей работе реализуется исния в первую очередь на сервисы последследовательская программа, намеченная в него поколения, такие, как приложения [4], где было предложено несколько путей реального времени, сетевое мультимедиа, по улучшению качества видео в беспроИнтернет телевещание и т.д. Их внедреводных сетях. Проанализировано влияние ние ограничивается качественными парадублирования пакетов на качество полуметрами беспроводных сетей: значитель Управление, вычислительная техника и информатика чаемого видео и возможность резервиро- с постоянным битрейтом 256 кбит/с. Данвания информации, которую несут ключе- ная последовательность использовалась вые кадры. для тестирования видео [11].

В работе проведено сравнение качеПланирование эксперимента ственных характеристик основных бесДля нахождения значений коэффипроводных сетей передачи данных, таких, циентов из уравнения (1) был разработан как Wi-Fi, 3G и WiMAX. Также исследуи проведён ряд экспериментов [4]. Закоется влияние дублирования пакетов RTPдированные кодеками MPEG-4 (DivX), потока на качество получаемого видео.

MPEG-2 и Windows Media Video 9 видеоДополнительно проведены эксперименты файлы пересылались в виде RTP-потока с на мобильном WiMAX стандарта 802.16e помощью VideoLan VLC [12] на ноутбук, оператора Yota, а также проанализироваподключённый к беспроводной сети станны данные для кодека WMV. Анализ удадарта Wi-Fi, WiMAX или 3G. На ноутбуке лось выполнить благодаря тому, что новая проводилась запись получаемого видео с версия VirtualDub позволяет выявлять помощью VideoLan VLC в файл, паралключевые кадры в видеопотоках WMV.

лельно записывался сетевой трафик на Предпосылки для моделирования уровне пакетов при помощи сетевого При передаче видео по сети качество сниффера Wireshark [13]. Таким образом, связи ухудшается [6, 7] в зависимости от по полученному видеоизображению можхарактеристик сетевого соединения. Каче- но установить качество видео по шкале ство передаваемого видео измеряется по MOS, а по сетевым логам – параметры сешкале MOS [8] и может быть описано тевого соединения. При анализе видео использовались утилиты VirtualDub [14], универсальной функцией Qmos( p, j, D, B) Avisynth [15] и VQMT[16] для нахожде[9], в которой ния Qideal.

p – процент потерь пакетов, %;

j Все записанные в ходе эксперимен – сетевой джиттер (вариация задержтов видеофрагменты и сетевой трафик ки ) в момент ошибки, сек.;

D QMOS – качество принимаемого видео, опубликованы на сайте компании НПЦ «Интернет ТВ» [11].

баллы от одного до пяти;

Для эксперимента был подготовлен B – доступная ширина канала, Мбит/с.

один видеоряд с различными типами изоВ работе [10] было показано, что для бражения: статичное, со слабым движенификсированной скорости видеопотока доем, с быстрым движением, с изменением статочно рассмотреть только члены разяркости. Затем видеоряд был закодирован ложения, описывающие линейную завис использованием кодеков MPEG-симость от двух переменных – процента (DivX), MPEG-2 и Windows Media Video потерь пакетов и сетевого джиттера:

9. При этом установлены следующие паQmos = Qideal - p - j (1), раметры видео:

где разрешение картинки – 320 x 240 пикQideal – максимальное качество видео селей;

частота кадров – 24 кадр/с.;

для данного кодека, баллы от нуля до пябитрейт – 256 кбит/с;

ти;

качество – максимальное.

, – коэффициенты модели, котоДля проведения экспериментов исрые следует определять экспериментальпользовались сегменты сети следующих но.

операторов связи: Мегафон Самара (3G), Для проведения исследований была Билайн Самара (3G), Метромакс Самара выбрана единая видеопоследовательность.

(стационарный WiMAX) и Yota СанктОна обрабатывалась кодеками MPEG-Петербург (мобильный WiMAX).

(DivX), MPEG-2 и Windows Media Video Вестник Самарского государственного аэрокосмического университета № 2 (26) 2011 г.

Эксперименты на 3G сетях операто- для кодеков MPEG-2, MPEG-4 (DivX), ров Мегафон и Билайн проводились на WMV9. В таблицу 1 сведены значения для оборудовании стандарта UMTS, которое сети Wi-Fi; в таблицу 2 – для 3G; в таблиповсеместно эксплуатируется данными цу 3 – для WiMAX. В таблицах используоператорами.

ются следующие обозначения:

k Коэффициенты модели – коэффициент при потерях на ключевых кадрах, значения которых выПолученные в результате экспериражены в процентах;

ментов данные были обработаны по метоk дике, описанной в [4]. Все ошибки, как на – коэффициент при сетевом джитуровне видео, так и на сетевом уровне бытере, измеренный в секундах;

ли проанализированы и найдено субъек- w w и – коэффициенты модели для тивное качество видео QMOS в зависимоотрезков видео, на которых нет потерь на сти от процента потерь пакетов p и сетеключевых кадрах.

вого джиттера j. По этим данным были вычислены значения коэффициентов и Таблица 1. Значения коэффициентов модели в сети Wi-Fi k k w w Qideal № Кодек 1 MPEG2 4,2±0,2 0,11±0,03 15±4 0,06±0,02 10±2 DivX 4,7±0,2 0,25±0,05 15±5 0,17±0,02 10±3 WMV9 4,7±0,2 0,25±0,11 20±8 0,16±0,6 10±Таблица 2. Значения коэффициентов модели в сети 3G k k w w Qideal № Кодек 1 MPEG2 4,2±0,2 0,12±0,02 10±2 0,06±0,01 5±2 DivX 4,7±0,2 0,22±0,05 13±5 0,12±0,05 8±3 WMV9 4,7±0,2 0,32±0,1 15±5 0,22±0,08 10±Таблица 3. Значения коэффициентов модели в сети WiMAX k k w w Qideal № Кодек 1 MPEG2 4,2±0,2 – – 0,2±0.1 15±0,2 DivX 4,7±0,2 0,5±0,3 30±1 0,3±0,1 15±0,3 WMV9 4,7±0,2 – – 0,3±0,1 15±0,Заметим, что потери пакетов для обусловлены потерями пакетов и только приведённых в таблицах значений коэф- на 20% сетевым джиттером (вариацией фициентов измеряются в процентах, а не в задержки).

абсолютных долях. Сетевой джиттер дол- Особенности трафика в беспроводных жен быть выражен в секундах, а не в мил- сетях лисекундах. Обобщённые показатели качества При анализе данных было установ- сетей по шкале GAP [3] сведены в табл. 4.

лено, что потери качества видео на 80% Таблица 4. Значения качества сетей по методу GAP Средний процент Средний сетевой Оценка № Сеть потерь пакетов, % джиттер, мс GAP 1 Wi-Fi 6 (Poor) 20 (Acceptable) Poor 2 3G >10 (Poor) 35 (Acceptable) Poor 3 Мобильный WiMAX 0,2 (Good) 15 (Good) Good Управление, вычислительная техника и информатика Сети WiMAX по своим характери- и, следовательно, являются более пригодстикам сопоставимы с фиксированными ными для передачи видео в реальном вресетями стандарта Ethernet. В эксперимен- мени. Технологии Wi-Fi пригодны для петах, проведённых в сети фиксированного редачи видео в реальном времени только WiMAX, процент потерь всегда был бли- при непосредственной близости от точки зок к 0%, а вариация задержки порядка 19 доступа. При отдалении на несколько демс даже в тестах, проведённых при боль- сятков метров качество видео значительно шом конкурирующем трафике. По дан- ухудшается. 3G сети показали самые плоным [3], такой тип трафика по системе хие результаты, и без доработки проGAP относится к хорошему (Good). граммного и аппаратного обеспечения Мобильный стандарт WiMAX ха- клиент, вероятней всего, будет не удовлерактеризуется низким процентом потери творён качеством получаемого видео.

пакетов 0,1 – 0,2%. Джиттер и пропускная Дублирование пакетов способность соединения зависят от уровРанее в работе [4] были сформулиня сигнала, который на модемах операторованы предложения по значительному ра Yota выражается по четырёхбалльной повышению качества видеоизображения шкале. При четырёх баллах доступная при передаче в беспроводной сети:

пропускная способность входящего и ис1) модернизировать проигрыватель ходящего каналов измеряется несколькина приёмной стороне с тем, чтобы автомами мегабитами в секунду, а средний тически отбрасывать дублирующиеся джиттер составляет величину порядка RTP-пакеты;

4 мс. При ухудшении сигнала до двух бал2) обеспечить на сервере потокового лов пропускная способность снижается до видео дублирование пакетов, содержащих сотен килобит в секунду, а средний джитинформацию ключевых кадров.

тер становится величиной порядка 31 мс и Кроме того, было установлено, что сильно возрастает в период ухудшения пакеты в 3G и WiMAX-сетях теряются связи. В зоне уверенного приёма такой равномерно, а в Wi-Fi сетях – сразу груптип трафика по системе GAP относится к пами в случайно распределённые временхорошему (Good) [3].

ные интервалы. Некоторое оборудование Поскольку качественные характери3G сетей самостоятельно дублирует пакестики сетей WiMAX достаточно высоки, ты RTP-потоков, исходящих от базовой то даже большие значения коэффициентов станции. Такой подход приводит к значи и не влияют на качество связи.

тельному ухудшению качества связи, Ухудшение качества связи по шкале MOS поддерживаемой RTP/UDP протоколами.

колеблется в диапазоне от 0,3 до 0,4 и В рамках проверки идей по улучшепревышает оценку «хорошо». В то же нию качества видео была разработана время меньшие значения коэффициентов утилита, позволяющая:

для сетей Wi-Fi и 3G при учёте низкого 1. отбрасывать дублирующие пакекачества связи дают значительное (до 2 – ты на приёмной стороне;

2,5 баллов) ухудшение качества связи 2. по запросу дублировать либо все (табл. 1 – 4). Следует отметить, что на кадры видео, либо только ключевые.

практике в сети WiMAX, по сравнению с Реализация данной утилиты была 3G и Wi-Fi сетями, наблюдается большее осуществлена в операционной системе отклонение от линейной зависимости знаWindows при помощи Windows Driver Deчений коэффициентов и при малых velopment Kit.

значениях процента потерь пакетов p и Иерархия сетевых драйверов Winсетевого джиттера j.

dows [17] показана на рис. 1.

Сети WiMAX показали лучшие характеристики по сравнению с Wi-Fi и 3G Вестник Самарского государственного аэрокосмического университета № 2 (26) 2011 г.

Рис. 1. Иерархия сетевых драйверов Windows Рис. 2. Определение ключевого кадра в WireShark Управление, вычислительная техника и информатика Разработанная утилита встраивается то, что кадр ключевой, то пакеты, обрав цепочку промежуточных фильтров и по- зующие кадр, могут дублироваться.

лучает все исходящие пакеты от прилоВлияние ключевых кадров жений после обработки драйверами проРазработанная утилита была испольтоколов, но до передачи драйверам сетезована для проверки гипотезы о том, что вых адаптеров. Такое расположение подублирование ключевого кадра приведёт к зволяет дублировать все исходящие пакезначительному улучшению качества виты по их типу, размеру и другой служебдео. Для этого была проведена серия эксной информации, с которой они будут пепериментов, план которых изображён на реданы в сеть. Также утилита сможет вырисунке 3. Утилита была установлена как делять RTP-пакеты и ключевые кадры из на сервере, так и на клиенте в беспроводобщего числа исходящих пакетов. Утилиной локальной сети стандарта Wi-Fi (IEEE та анализирует поля 1 и 3, как показано на 802.11g). Каждый фрагмент видео, закорис. 2, определяет требуемый тип пакета дированный одним из кодеков MPEG-2, (UDP) и проверяет, относится ли пакет к MPEG-4 (DivX) или WMV9, передавался четвёртой версии протокола IP. Затем через локальную сеть трижды: первый раз проверяется наличие и корректность RTPбез дублирования, второй раз с дублирозаголовка (поле 5). Ключевые кадры хаванием только ключевых кадров, третий рактеризуются определённым типом зараз с дублированием всех пакетов. На писей в полях 6 и 7, которые различаются приёмной стороне дублирующие кадры для кодеков MPEG-2, MPEG-4 (DivX) и отбрасывались, а видео записывалось, и WMV. Если формат записей указывает на затем анализировалось его качество по шкале MOS.

Pages:     || 2 | 3 | 4 | 5 |



© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.