Размещено на http://www.allbest.ru/

Державний університет інформаційно-комунікаційних технологій

УДК 621.397.7

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

Забезпечення якості послуг передачі мультимедіа мережами нового покоління

05.12.02 - телекомунікаційні системи та мережі

Анзін Віталій Олегович

Київ - 2011

Дисертацією є рукопис

Робота виконана в Національному університеті кораблебудування ім. адм. С. О. Макарова

Науковий керівник - доктор технічних наук, професор Рябенький Володимир Михайлович, Національний університет кораблебудування ім. адм. С. О. Макарова, завідувач кафедри теоретичної електротехніки та електронних систем

Офіційні опоненти:

доктор технічних наук, професор Смирнов Володимир Сергійович, Державний університет інформаційно-комунікаційних технологій, завідувач кафедри радіоелектронних систем

кандидат технічних наук, старший науковий співробітник Бірюков Микола Леонідович, Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут», доцент кафедри телекомунікаційних систем

Захист відбудеться 19 жовтня 2011 р. о 14 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д26.861.01 Державного університету інформаційно-комунікаційних технологій за адресою: 03110, м. Київ, вул. Солом'янська, 7.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Державного університету інформаційно-комунікаційних технологій (03110, м. Київ, вул. Солом'янська, 7).

Автореферат розісланий 16 вересня 2011 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради доктор технічних наук, доцент Кунах Н.І.

Загальна характеристика роботи

Актуальність роботи. В аспекті розвитку існуючих мереж в мережі наступного та майбутнього покоління (NGN і FGN) відбувається нарощування кількості послуг, що надаються. Даний процес може сприяти виникненню проблем, які пов'язані із гарантуванням рівня якості обслуговування мереж передачі мультимедійної інформації. Особливо гостро такі проблеми відчуваються в системах відеоконференцзв'язку, IPTV (ІР-телебачення), VoD (відео за запитом), цифрового телебачення (DVB), охоронного відеоспостереження та ін. Передплатники цих систем передачі мультимедійної інформації вимагають надання нових послуг, які можуть бути доступними в будь-якому місці, в будь-який час і на будь-якому обладнанні. У той же час розвиток сучасних відеотехнологій призводить не тільки до збільшення кількості мультимедійних послуг, але і до збільшення обсягу мультимедійної інформації, що передається користувачеві. Оскільки серед інших видів інформації, що надається в системах передачі мультимедіа мережами наступного покоління, саме відеоінформація фактично формує більшу частину трафіку в цих мережах, збільшення її обсягу є актуальною проблемою, яка в свою чергу впливає на рівень якості обслуговування.

Основний потік відеоінформації формується відеокамерами. Вже зараз на ринку IP-камер (мережні камери) широко розповсюджені моделі із розподільною здатністю 2600х1950 пікселів (наприклад, AXIS 223M , IQeye 702, AV1300). Сучасні мегапіксельні матриці на базі технології CMOS, що використовуються в IP-камерах, за рахунок більш високої розподільної здатності та вбудованого програмного забезпечення дозволяють отримати цілий ряд нових можливостей. Перш за все, вони дають можливість здійснювати позиціонування (аналогічне роботі поворотного пристрою) та збільшення зображення без застосування будь-яких механічних вузлів та трансфокаторів, що підвищує швидкість та надійність роботи.

Проте висока роздільна здатність сприяє збільшенню обсягу відеопотока, що в свою чергу збільшує вимоги до такого показника, як пропускна здатність каналу зв'язку. Таким чином, дуже гострим стає питання збільшення пропускної здатності, причому існуючі методи вирішення даного питання є неефективними та призводять до втрат можливостей систем передачі мультимедіа. В той же час, зменшення обсягу відеотрафіка шляхом утиснення відеозображення стандартними методами є неприйнятним, оскільки при цьому дуже сильно страждає якість відео, що робить складною його подальшу інтелектуальну обробку та, як наслідок, знижує можливість підтримки нових послуг.

Таким чином, можна виділити наступні проблеми передачі мультимедійної інформації, що пов'язані із переходом до мереж наступного та майбутнього покоління:

- збільшення обсягу відеотрафіка, що викликане такою особливістю переходу до мереж наступного покоління, як значне збільшення кількості мультимедійних послуг, що надаються;

- критичне зниження рівня якості мультимедійної інформації при її утисненні існуючими алгоритмами компресії;

- відсутність ефективних інструментів та методик оцінки якості мультимедіа при його утисненні та передачі мережами наступного покоління в режимі реального часу;

- неможливість інтегрування в одну систему передачі мультимедійних даних IP-відеообладнання різних виробників.

Із усіх вищезазначених причин, доцільно доповнити існуючі системи передачі мультимедійної інформації підсистемою, що здатна ефективно вирішувати проблеми, які пов'язані із збільшенням кількості та обсягу мультимедійних послуг, що надаються, та зниженням рівня їх якості. Вирішення даної задачі є актуальною науковою проблемою.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Науково-дослідна робота проводилась у рамках державної теми «Комп'ютеризовані системи керування автономними електростанціями із газодизель-генераторними установками» (№ державної реєстрації 0109U002220), а також договору творчого співробітництва із підприємством «Дельмор» (договір № 1641). Автор приймав участь в вирішенні задач, які пов'язані із обробкою та передачею інформації мережами систем, що розроблялись.

Мета та задачі дослідження. Метою даної роботи є збільшення ефективності надання мультимедійних послуг в мережах нового покоління шляхом підвищення рівня їх якості без зменшення кількості та функціональності.

Для досягнення поставленої мети необхідно вирішити наступні задачі:

- дослідити проблему забезпечення ефективності обраної пропускної здатності мережі сучасними системами передачі мультимедіа, а також ступінь впливу характеристик мережі на якість даних, що передаються;

- вдосконалити математичну модель передачі мультимедійних даних мережами нового покоління, що задовольняла б таким критеріям, як час передачі та максимально можливий обсяг мультимедійної інформації, а також час обробки даних, необхідної для збільшення ефективності їх передачі;

- розробити інструмент, який дозволяє ефективно оцінювати якість відеотрафіка, що передається мережею;

- дослідити методи зменшення обсягу мультимедійної інформації, що дозволяють зберегти її високу якість;

- розробити структуру, алгоритмічне та програмне забезпечення підсистеми прийняття рішень для зменшення обсягу трафіка систем передачі мультимедіа у випадку неможливості забезпечити необхідну пропускну здатність мережного каналу.

Об'єктом дослідження є процеси та параметри телекомунікаційних систем передачі мультимедіа мережами нового покоління, їх вплив на якість мультимедійних послуг, що надаються, а також інструменти аналізу та обробки мультимедійної інформації, що дають можливість зменшити її обсяг без зниження рівня якості.

Предметом дослідження є методи, моделі, алгоритми, за допомогою яких можуть бути оптимізовані параметри телекомунікаційних систем та мереж нового покоління при умові збільшення кількості та обсягу мультимедійних послуг, які ними надаються.

Методи дослідження. Під час дослідження застосовувались наступні методи: комп'ютерне та математичне моделювання, теорія алгоритмів, теорія систем масового обслуговування, методи кодування та утиснення інформації, теорія аналізу відео та вейвлет-перетворень.

Наукова новизна отриманих результатів. В процесі вирішення поставлених задач було отримано наступні наукові результати:

1. Запропонована та обґрунтована нова математична модель передачі мультимедійної інформації, заснована на узагальненій математичній моделі передачі відеоданих та результатах комп'ютерного моделювання мереж передачі мультимедіа.

2. Отримали подальший розвиток основи об'єктивної оцінки якості потокового відео в процесі його обробки та передачі мережами нового покоління.

3. Вперше запропоновано зменшення обсягу мультимедійної інформації за допомогою виділення динамічної складової.

4. Із використанням методу виділення динамічної складової, рекурсивного методу фрагментування зображення, метода арифметичного кодування було запропоновано вирішення проблеми критичного зниження якості мультимедійних послуг при їх утисненні.

5. Вперше запропоновано застосування метода об'ємного дельта-кодування цифрового відеосигналу, заснованого на алгоритмах детекції руху та традиційного дельта-кодування в системах передачі відеоінформації.

Практичне значення та реалізація отриманих результатів полягає в наступному:

1. Розроблено практичні рекомендації для вдосконалення технології математичного та комп'ютерного моделювання мереж цифрового телебачення та відеоспостереження.

2. Дослідження основ об'єктивної оцінки якості потокового відео дозволили розробити програмне забезпечення для комплексної та об'єктивної оцінки якості відеотрафіка, а також модель Simulink, яка дозволяє оцінити якість відеоінформації під час її обробки та передачі мережами нового покоління.

3. Запропонований метод виділення динамічної складової було впроваджено в учбовий процес кафедри теоретичної електротехніки та електронних систем Національного університету кораблебудування ім. адм. С. О. Макарова при вивченні дисципліни «Мікропроцесорні пристрої збору та обробки інформації».

4. Вирішення проблеми критичного зниження якості мультимедійних послуг при їх утисненні із використанням методу виділення динамічної складової, рекурсивного методу фрагментування зображення, метода арифметичного кодування дало змогу розробити відеодрайвер для мереж систем відеоконференцзв'язку та відеоспостереження компанією «Конус Україна» (офіційний представник в Україні таких світових брендів в галузі систем обробки та передачі відеоінформації, як Vivotek, ITV, XRplus, Avidis, VIT та ін.).

5. Запропонований метод об'ємного дельта-кодування цифрового відеосигналу, заснованого на алгоритмах детекції руху та традиційного дельта-кодування в системах передачі відеоінформації було впроваджено в учбовий процес кафедри теоретичної електротехніки та електронних систем Національного університету кораблебудування ім. адм. С. О. Макарова при вивченні дисципліни «Мікропроцесорні пристрої збору та обробки інформації».

Особистий вклад в розробку наукових результатів. Дисертація є самостійною роботою автора. Автором проаналізована наукова література за даною проблемою, зроблені висновки, сформульовані задачі дослідження. Автором було запропоновано новий підхід до збільшення ефективності надання мультимедійних послуг в мережах наступного покоління; проведено дослідження впливу характеристик мережі на якість відео, що нею передається; розроблена оптимальна математична модель передачі відеоінформації без втрат якості, а також інструмент комплексної об'єктивної оцінки якості відеотрафіка, що було інтегровано в модель Simulink; запропоновано використання детекції руху для виділення динамічної складової із загального відео потоку, подальшого фрагментування отриманих відео зображень рекурсивним методом і арифметичного кодування цих фрагментів.

Планування основних напрямків роботи, обговорення результатів та підготовка публікацій проходили за участі наукового керівника Рябенького Володимира Михайловича.

Апробація результатів дисертації. Основні результати роботи доповідались та обговорювались на VI міжнародній науково-технічній конференції «Сучасні інформаційно-комунікаційні технології» (АР Крим, Ялта - Лівадія, 2010 р.).

Публікації. Основний зміст роботи викладено у 4 статтях фахових видань і 2 тезах доповідей наукових конференцій.

Структура роботи. Дисертаційна робота складається з вступу, 4 розділів, висновків, списку використаних джерел (91 найменування на 10 сторінках) та 2 додатків на 2 сторінках. Загальний обсяг дисертації - 169 сторінок, основний текст дисертації містить 12 таблиць і 62 рисунки.

Основний зміст роботи

У вступі обґрунтована актуальність роботи, сформульовані мета та задачі досліджень. Наведені основні наукові та практичні результати, отримані в процесі виконання роботи.

У першому розділі проаналізовані існуючі проблеми переходу до мереж наступного та майбутнього покоління, розглянуті основні характеристики цих мереж відповідно до рекомендацій ITU-T Y.2001:

- передача, що базується на комутації пакетів;

- розділення функцій керування між можливостями постачальника послуг, встановленням сеансу зв'язку та самою послугою;

- розв'язка функцій надання послуг от функцій передачі та надання відкритих інтерфейсів;

- підтримка широкого спектру послуг, додатків та механізмів, які основані на блоках сервісної побудови;

- широкосмугові можливості, що забезпечують високу якість обслуговування;

- взаємодія із традиційними мережами, що використовують відкриті інтерфейси;

- розповсюджена мобільність;

- необмежений доступ користувачів до різних постачальників послуг;

- різноманітність схем ідентифікації;

- конвергентність послуг між фіксованим та мобільним зв'язком;

- незалежність службових функцій від основних транспортних технологій;

- підтримка усіх можливих технологій «останньої милі»;

- відповідність всім нормативним вимогам таким, як надзвичайні комунікації, безпека, приватність та правомірне впровадження;

Також в даному розділі було розглянуто архітектуру мультимедійної IP підсистеми (IMS), яка вважається основною архітектурою для більшої частини телекомунікаційної промисловості та є базовою для конвергенції Інтернету, бездротових та фіксованих мереж, а також глобальною платформою для доставляння мультимедійних IP послуг в NGN.

У другому розділі розглянуті основи проектування систем передачі мультимедіа, зокрема: систем відеоконференцзв'язку, цифрового телебачення та відео спостереження. Із вищезазначених систем передачі мультимедійної інформації найбільш вимогливими до рівня якості є сучасні цифрові системи відео спостереження, які вирішують наступні задачі:

- перетворення аналогового відеосигналу, що отримується із відеокамери, у цифровий вигляд;

- утиснення відеосигналу, що було цифровано;

- запис, зберігання та передача потокового відео на сервер відео реєстрації;

- інтелектуальна обробка отриманих відеоданих.

Окрім того, було проведено комп'ютерне моделювання мережі системи цифрового телебачення (DVB) на базі моделі, що була зібрана в Simulink. Дана модель (рис.1) складається із наступних блоків:

- фізичний інтерфейс вузькополосної передачі (Baseband Physical Interface), який фактично є джерелом відеоданих формату MPEG-2;

- блок обробки даних, що передаються (Transmitter Baseband Processing), який включає в себе: операції згортки, кодування та квадратурно-амплітудної модуляції (64-QAM);

- фільтр косинусної інтерполяції (Square Root Raised Cosine Interpolation Filter), який дозволяє сформувати комплексну послідовність символів та значень згідно вимогам стандарту EN 300 429 ETSI;

- функція додавання комплексного шуму (AWGN Channel), яка задає співвідношення сигнал/шум - 16.5 дБ, що відповідає затвердженій в стандарті EN 300 429 ETSI бітовій помилці (BER);

- фільтр косинусної інтерполяції для даних, що отримуються (Square Root Raised Cosine Rx Decimation Filter), який дозволяє відфільтрувати отримані комплексні послідовності символів;

- блок обробки отриманих даних (Receiver Baseband Processing), який включає в себе: операції зворотної згортки, декодування та демодуляції;

- блоки для відображення зібраної статистики про помилки, що виникли при передачі відеоданих.

Рис. 1. Модель мережі цифрового телебачення в Simulink

В таблиці 1 наведені дані, що були отримані при моделюванні мережі DVB-C при різноманітному об'ємі даних, що передаються. Час модуляції було задано 0.02 с.

На рис.2 наведена статистика помилок, яка була отримана в результаті моделювання мережі цифрового телебачення (DVB) в Simulink при різноманітному об'ємі даних, що передаються.

Із отриманих результатів можна побачити, що вже при потоці 96 Мбіт/с у більшості отриманих пакетів бітова помилка перевищує значення 0.0001, яке є граничним в вимогах стандарту EN 300 429 ETSI.

Таблиця 1. Результати моделювання мережі DVB-C при різноманітному об'ємі даних, що передаються

Потік відеоданих, що передаються	9.6 Мбіт/с	48 Мбіт/с	96 Мбіт/с	480 Мбіт/с	960 Мбіт/с
Кількість помилок	0	56	204	2611	7969
Кількість скоректованих помилок	127	3559	10260	87930	237685
Загальна кількість отриманих біт	187200	912900	1872000	9551904	19151936

Рис. 2. Статистика помилок, яка була отримана в результаті моделювання мережі цифрового телебачення (DVB) в Simulink при різноманітному об'ємі даних, що передаються

Комп'ютерне моделювання було проведено в двох програмних пакетах NetCracker та Opnet, що дозволило отримати об'єктивні результати, які не залежать від особливостей будь-якого програмного пакета. В результаті, було встановлено залежність часової затримки передачі відеоінформації мережею від її об'єму. Графік цієї залежності наведено на рис.3.

пропускний мережа мультимедіа якість



Рис. 3. Залежність часової затримки від об'єму відеоінформації, що передається мережею

У третьому розділі розглянуті методи оцінки та підвищення якості мультимедійної інформації, що передається мережею нового покоління.

До об'єктивних метрик, які дають найефективнішу оцінку якості відео потоку, відносяться: PSNR и SSIM.

PSNR (пікове співвідношення сигналу до шуму) - метрика, що найчастіше використовується на практиці. За суттю вона близька до середньоквадратичної помилки, але більш зручна завдяки логарифмічній шкалі.

(1)

де MAX_I - максимальне значення, що може бути прийняте пік селем зображення, а MSE - середньоквадратичне відхилення, яке для двох монохромних зображень I та K розміром mЧn, одне з яких вважається зашумленим наближенням іншого, обчислюється так:

(2)

SSIM - структурний індекс, який показує схожість муж двома зображеннями. Існуюча система оцінки SSIM складається із трьох частин: яскравісної, контрасної та структурної. Спочатку порівнюється яскравісна складова, яка оцінюється як середня інтенсивність сигналу, та для відеозображення S розміром M x N обчислюється за формулою:

(3)

Далі необхідно середню інтенсивність відняти із сигналу для того, щоб отримати контрасну складову. Оцінкою даної складової є варіація, яка для сигналу обчислюється так:

(4)

Таким чином кінцева оцінка схожості двох відеозображень x та y буде наступною:

(5)

де - функція порівняння яскравісних складових x та y;

- функція порівняння контрасних складових x та y;

- функція порівняння структурних складових x та y;

Функція порівняння яскравісних складових визначається так:

(6)

де - середнє значення x;

- середнє значення y;

- змінна, яка необхідна для стабілізації значення внаслідок незначного знаменника;

L - динамічний діапазон пікселів;

- константа.

Функція порівняння контрасних складових визначається наступним образом:

(7)

де - варіація x;

- варіація y;

- змінна, яка необхідна для стабілізації значення внаслідок незначного знаменника;

- константа.

Функція порівняння контрасних складових визначається за формулою:

(8)

де .

Підставляючи (6), (7) и (8) у (5), отримаємо оцінку SSIM:

(9)

Суть розробленого інструмента комплексної об'єктивної оцінки полягає в реалізації обчислення об'єктивних метрик PSNR та SSIM на мові програмування Matlab. На рис.4 наведено модель Simulink, на базі якої було реалізовано даний інструмент.

Рис. 4. Інструмент комплексної об'єктивної оцінки якості відео, реалізований в Matlab та інтегрований в модель Simulink

Таблиця 2. Отримані середні значення метрик відеозображень

Алгоритм утиснення	Ступінь утиснення	Середнє значення PSNR, dB	Середнє значення SSIM
H.264	2	40.43	0.9862
MJPEG	2	28.74	0.7042
MPEG-4	3	34.7	0.9488
MPEG-4	20	29.04	0.2619
H.264	100	28.93	0.2331

За допомогою розробленого інструменту було проведено ряд експериментів, задачею яких було порівняння існуючих алгоритмів утиснення відеоінформації H.264, MPEG-4 и MJPEG із різноманітними ступенями утиснення. Результати цих експериментів наведені в таблиці 2.

За загальноприйнятою системою діапазон PSNR від 20 до 40 дБ відповідає суб'єктивній оцінці «medium» («добре»), а значення вище 40 дБ - «high» («відмінно»). Діапазон значень SSIM лежить межах від 0 до 1 та відображає ступінь схожості двох відеопотоків.

Даний інструмент дає комплексну об'єктивну оцінку якості мультимедійної інформації, що передається. Отримана оцінка має високий ступінь наближеності до суб'єктивної. Значною перевагою даного інструменту є зручність його застосування для оцінки результатів аналізу, обробки мультимедійних даних, а також моделювання їх передачі мережами нового покоління в Simulink.

Четвертий розділ повністю присвячено методам зменшення об'єму мультимедійної інформації, що передається мережею, без втрат її якості.

У першу чергу в цьому розділі було запропоновано метод виділення динамічної складової, ідея якого в тому, що у вхідному відео потоці відбувається визначення сегментів зображення, на яких відбуваються зміни. Далі ці зміни виділяються в окремий потік. Таким чином, об'єм відеотрафіку на виході даного методу буде значно зменшений за рахунок відсутності статичних сегментів.

Окрім динамічної складової вхідного потоку, на виході отримується службова інформація, що несе в собі координати областей, в яких було зафіксовано зміни. Визначення цих областей відбувається шляхом порівняння поточного відеозображення із базовим. Потік базових відеозображень формується їх виділенням через певний інтервал .

В результаті отриманий потік буде мати наступний вигляд:

(10)

де - ширина відеозображення;

- висота відеозображення;

- глибина кольору кожного пікселя;

- частота кадрів в секунду;

- сумарний коефіцієнт відмінності двох кадрів, який є величиною, зворотною до ступеня кореляції.

Аналіз виразу (10) показує, що навіть при мінімальному інтервалі потік на виходу буде зменшений у 2,2 рази.

Даний метод було реалізовано на мові програмування Matlab, та за допомогою отриманої реалізації було проведено ряд експериментів, які показали, що цей метод дійсно дозволяє зменшити об'єм вхідного потоку мультимедійних даних мінімум в 2,2 рази. При цьому якість відео залишається відмінною.

Рис. 5. Графіки залежності метрик а) PSNR та б) SSIM від часу симуляції моделі Simulink

На рис.5 наведені графіки, що показують оцінку якості відеопотоку, отриманого застосуванням методу виділення динамічної складової. Мінімальне значення PSNR складає 40 дБ (відповідає рівню якості «відмінно»). Значення SSIM взагалі майже на всьому проміжку часу моделювання близькі до 1. Мінімальна схожість між вхідним та вихідним потоком за даною метрикою склала 92 %. Середні показники для PSNR и SSIM склали відповідно 59,82 дБ та 99,2 %.

Подальша робота полягала в тому, що разом із отриманим методом виділення динамічної складової було реалізовано метод рекурсивного фрагментування та метод арифметичного кодування. Сукупність цих методів дозволила отримати методику зменшення об'єму відеотрафіку без втрат якості. Отримана таким чином максимальна ступінь утиснення склала близько 15 разів, що було підтверджено рядом експериментів та практичною реалізацією розробленої методики.

На наступному етапі роботи було дано оцінку ефективності розробленої методики. Для цього по-перше було визначено залежність часу обробки вхідного відеопотоку від кількості операцій, необхідних для її виконання. Ця залежність наступна:

(11)

де f - тактова частота процесора, а Q - кількість операцій, необхідних алгоритму для обробки потоку кадрів. Із врахуванням виразу (10) було отримано наступний вираз для визначення Q:

(12)

де , , - деякі коефіцієнти, що показують вірогідність обробки певних умов алгоритму.

Підставляючи вираз (12) у (11), можна отримати обмеження для мінімальної необхідної частоти процесора. Наприклад, для обробки відеопотоку із роздільною здатністю 320 х 240 пікселів та частотою кадрів - 4 кадри в секунду, можна застосувати навіть 32-розрядний мікроконтролер із тактовою частотою ядра - 66 МГц, що було підтверджено практичною реалізацію даної методики на базі мікроконтролера серії AT32UC3A3 виробництва Atmel.

Далі було при більш детальному аналізі існуючих методів утиснення було зроблено висновок, що їх основна проблема полягає у тому, що вони фактично розглядають відеопоток як набір двовимірних сигналів. Ідея розробленого методу об'ємного дельта-кодування полягає в тому, щоб розглядати відеопоток як тривимірну модель. В такому випадку на результат кодування не буде впливати контрастність зображення, що відбувається при застосуванні звичайного дельта-кодування.

Цей метод також було реалізовано на мові програмування Matlab, як альтернатива методу виділення динамічної складової.

Рис. 6. Експериментальні значення метрики PSNR для кожного кадру відеопотоку, що аналізується, утисненого із застосуванням методу об'ємного дельта-кодування

Рис. 7. Експериментальні значення метрики SSIM для кожного кадру відеопотоку, що аналізується, утисненого із застосуванням методу об'ємного дельта-кодування

Використання методу об'ємного дельта-кодування в запропонованій методиці зменшення об'єму мультимедійної інформації дозволяє збільшити максимальний ступінь утиснення до 16 разів при значно менших втратах якості. Результати оцінки якості відеопотока, отриманого із застосуванням цього методу наведені на рис. 6 та рис. 7.

Якщо порівняти дані результати із результатами оцінки якості відеопотоку, отриманого із застосуванням методу виділення динамічної складової, то можна побачити, що мінімальне значення метрики PSNR піднялось із рівня 41 дБ до 48.5 дБ, а розкид значень скоротився із 7 дБ до 1 дБ, що є наслідком незалежності ефективності методу об'ємного дельта-кодування від характеристик відеопотоку (яскравості, контрастності, тощо).

Висновки

1. Аналіз існуючих рішень задачі зменшення обсягу мультимедійної інформації показав їх неефективність, оскільки великий ступінь утиснення, який вони забезпечують, безпосередньо впливає на зниження рівня якості мультимедійних даних (при суттєвому ступені утиснення в 20 разів і вище оцінка об'єктивної метрики PSNR знаходиться на рівні 30 дБ, що відповідає загальноприйнятій суб'єктивній оцінці «добре»). В той же час існуючі алгоритми зменшення обсягу мультимедійної інформації без втрат якості дозволяють зберегти високий рівень якості, але вони мають невеликий ступінь утиснення (не більше 10 разів).

2. Дослідження передачі потокового відео мережами нового покоління із використанням фільтрів DirectShow показали, що при однакових значеннях мережних характеристик їх вплив на якість відеотрафіку буде неоднорідним. Зокрема, при однаковому ступені втрат даних при передачі (1 % від загального обсягу), втрати відеозображення можуть бути від 1 % до 20 % . Даний факт зумовлений неоднорідністю даних (при помилці в таблицях кодів або квантування інші дані у відеопотоці значення втрачають взагалі), що формують відеотрафік.

3. Запропоноване вирішення задачі ефективної об'єктивної оцінки якості відеотрафіку дало змогу кількісно оцінити ефективність застосування для вирішення задачі зменшення обсягу мультимедійної інформації існуючих алгоритмів компресії, а також порівняти їх із запропонованим в дисертаційній роботі варіантом вирішення даної задачі. Окрім того, перевагою розробленого інструменту є його зручність для оцінки результатів аналізу, обробки та передачі відеоданих в режимі реального часу.

4. Запропонована в даній роботі методика зменшення обсягу мультимедіа виявилась ефективною, що підтверджено рядом експериментів та практичною реалізацію при розробці відеодрайвера. Максимальний ступінь утиснення відеоінформації було отримано близько 16 разів (в 1,5 рази більше за існуючі вирішення задачі утиснення відео без втрат якості). При цьому мінімальне значення метрики PSNR склало 48,5 дБ (відповідає рівню якості «відмінно»), а метрики SSIM - 99,2 %.

5. Розрахунок ефективності алгоритму запропонованої методики показав можливість застосування для її реалізації мікроконтролерів загального користування. Практична реалізація підтвердила розрахункові засади. Для обробки запропонованою методикою відеопотоку із роздільною здатністю відеозображення 320 х 240 пікселів та частотою кадрів - 4 кадри в секунду виявилось достатньо застосування мікроконтролеру серії AT32UC3A3 виробництва Atmel із тактовою частотою ядра - 66 МГц.

Основний зміст роботи викладено у таких публікаціях

1. Рябенький В. М., Анзин В. О., Головко А. В., Иващенко К. П. Исследование характеристик видеотрафика в сетях видеонаблюдения // Вестник ХНТУ. - 2009. - №1 (34). - С. 411-415.

2. Рябенький В. М., Анзин В. О. Модель комплексной объективной оценки качества видео в Simulink // Журнал «Проблеми інформаційних технологій». - 2009. - №6. - С. 123-129.

3. Рябенький В. М., Анзин В. О. Математическая модель передачи по сети видео с высоким разрешением // Вестник ХНТУ. - 2010. - №2 (38). - С. 309-313.

4. Рябенький В. М., Анзин В. О. Уменьшение объема потока видеоданных методом выделения динамической составляющей // Вестник ХНТУ. - 2010. - №2 (38). - С. 314-318

5. Рябенький В. М., Анзин В. О. Методика уменьшения объема видеотрафика в сетях систем видеонаблюдения // Збірник тез VI Міжнародної науково-технічної конференції «Сучасні інформаційно-комунікаційні технології». - COMINFO'2010-Livadia. - К: ДУІКТ, 2010. - С. 170-172.

6. Рябенький В. М., Анзин В. О. Обеспечение высокого качества видео, передаваемого по сетям систем видеонаблюдения // Збірник тез VI Міжнародної науково-технічної конференції «Сучасні інформаційно-комунікаційні технології». - COMINFO'2010-Livadia. - К: ДУІКТ, 2010.- С. 172-174.

Анотація

Анзін В. О. Забезпечення якості послуг передачі мультимедіа в мережах нового покоління. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.12.02 - телекомунікаційні системи та мережі. - Державний університет інформаційно-комунікаційних технологій. - Київ, 2011.

Проведено аналіз особливостей побудови мереж наступного та майбутнього покоління, а також аналіз існуючих задач, пов'язаних із переходом від традиційних мереж до мереж наступного та майбутнього покоління. Також було зроблено огляд існуючих досліджень та методів вирішення даних задач, були виявлені та обґрунтовані їх недоліки, запропоновані і розроблені власні методи вирішення проблем передачі мультимедійної інформації мережами наступного покоління.

Основним результатом, отриманим в даній роботі, є розробка метода об'ємного дельта-кодування, суть якого в тому, щоб застосовувати принципи дельта-кодування не на площині (всередині зображення), а між ними. В даному випадку контрастність зображення не буде ніяк відображатись на ефективності кодування. Даний метод було також реалізовано на мові програмування Matlab та положено в основу запропонованої методики зменшення обсягу мультимедійної інформації без зниження її якості.

Ключові слова: мережі наступного покоління, мультимедійна інформація, рівень якості обслуговування, потокове відео, утиснення інформації, кодування, мережі майбутнього покоління.

Аннотация

Анзин В. О. Обеспечение качества услуг передачи мультимедиа в сетях нового поколения. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.12.02 - телекоммуникационные системы и сети. - Государственный университет информационно-коммуникационных технологий. - Киев, 2011.

Произведен анализ особенностей построения сетей следующего и будущего поколения, а также анализ существующих задач, связанных с переходом от традиционных сетей к сетям нового и будущего поколения. Также был сделан обзор существующих исследований и методов решения данных задач, были выявлены и обоснованы их недостатки, предложены и разработаны собственные методы решения проблем передачи мультимедийной информации по сетям следующего поколения.

В ходе выполнения работы было произведено компьютерное моделирование сетей передачи мультимедийной информации в двух программных пакетах NetCracker и Opnet, что позволило получить объективные результаты, не зависящие от особенностей какого-либо программного пакета. В результате данного моделирования и усовершенствования существующей математической модели передачи видеоданных по сети была предложена математическая модель передачи мультимедиа по сетям нового поколения. Кроме того, была получена оценка влияния сетевых характеристик на качество передаваемого видеотрафика.

Исследования передачи потокового видео по компьютерным сетям с использованием фильтров DirectShow показали, что при одинаковых значениях сетевых характеристик, их влияние на качество передаваемого видео будет неоднозначным. Это обуславливается тем, что видеоинформация обычно передается в сжатом виде, а в некоторых алгоритмах компрессии существуют ключевые данные, потеря которых приведет и к потере всей информации, связанной с ними.

Также в работе было произведено исследование методов оценки и повышения уровня качества мультимедийной информации, передаваемой по сетям нового поколения. Основным результатом данного исследования стала разработка инструмента комплексной объективной оценки качества передаваемых данных. Особенностью разработанного инструмента является то, что он интегрирован в модель Simulink, что позволяет моделировать сети обработки и передачи мультимедиа с оценкой потерь уровня качества в реальном времени.

Проведенные посредством разработанного инструмента оценки качества видеотрафика эксперименты по сравнению существующих алгоритмов сжатия видеоинформации показали, что наиболее эффективным оказывается кодек H.264, который позволяет получить максимальную степень сжатия в 100 раз и при этом уровень качества сжатого видео оказывается выше, чем при аналогичном сжатии кодеками MPEG-4 и MJPEG. Однако при сжатии в 10-20 раз у всех видеокодеков, для которых проводилась оценка, наблюдается весьма критическое снижение уровня качества, что зачастую делает невозможным их применение в условиях высокого уровня качества обслуживания в сетях передачи мультимедиа.

Основным результатом, полученным в данной работе, является разработка методики уменьшения объема передаваемой мультимедийной информации без снижения уровня качества. В основу данной методики легли разработанный в данном диссертационном исследовании метод объемного дельта-кодирования, метод рекурсивного фрагментирования и метод арифметического кодирования с использованием процедуры нормализации. Суть разработанного метода объемного дельта-кодирования заключается в том, чтобы применять принципы дельта-модуляции не на плоскости (внутри изображения), а между ними. В данном случае контрастность изображений не будет никак сказываться на эффективности кодирования.

Результаты экспериментов по сжатию видеопотока разработанной методикой показали ее эффективность. Максимальная степень сжатия, полученная в данной работе, составила около 16 раз. При этом уровень качества видео не опускается ниже оценки «отлично». Минимальное значение метрики PSNR (пиковое соотношение сигнал/шум) составило 48,5 дБ.

Практическая реализация данной методики показала возможность ее применения на базе микроконтроллера серии AT32UC3A3 производства Atmel с тактовой частотой ядра процессора - 66 МГц.

Ключевые слова: сети следующего поколения, мультимедийная информация, уровень качества обслуживания, потоковое видео, сжатие информации, кодирование, сети будущего поколения.

Summary

Anzin V. O. The multimedia services quality providing in the next generation networks. - Manuscript.

This dissertation is aimed at competition of the scientific degree of The Candidate of Technical sciences of the specialty 05.12.02 - telecommunication systems and networks. - State university of telecommunication and informational technologies. - Kyiv, 2011.

The analysis of the construction features of next and future generations, as well as analysis of existing problems associated with the transition from traditional networks to next and future generation networks are held in the work. The review of these problems existing research and methods of their resolving, the discovery and justification these methods disadvantages, the proposition and development of own methods that resolve the problem of multimedia transmission over next generation networks are made in the research.

The main result of the work is developed volume delta coding method. The idea of this method is to apply delta coding method between the pictures, but not inside them. In this case, the contrast ratio does not appear on the coding efficiency. This method was also implemented in Matlab programming language and it became the basis of the proposed methodic of reducing the multimedia data volume without reducing its quality.

Key words: next generation networks, multimedia, quality of service, stream video, information compression, coding, future generation networks.

Размещено на Allbest.ru