Design and optimization of protection strategies based on the pro-MPEG COP3 codes for time-sensitive multimedia streams

Durante los ultimos anos, la cantidad de servicios relacionados con la transmision de video que se proporcionan a traves de redes IP ha ido aumentando de manera continua. El motivo principal de este incremento es la serie de ventajas que este tipo de redes presentan: ubicuidad, integracion y sincronizacion sencillas entre servicios, aumento de la capacidad de interaccion, etc. Sin embargo, las redes IP no constituyen un buen medio por el que distribuir video. Por ello, para aumentar su fiabilidad se emplean tipicamente mecanismos de gestion de la calidad de servicio (QoS), en particular en entornos de transmision centralizados en el servidor y donde el servicio presenta condicionantes temporales fuertes. En estos escenarios, los codigos de proteccion uniforme Pro-MPEG COP3 se emplean de forma habitual, debido a su capacidad para lidiar con rafagas de errores y su baja complejidad. Sin embargo, su eficacia decrece al empeorar las condiciones del canal de comunicacion. Por otro lado, las estrategias de proteccion que tienen en cuenta la importancia desigual de los distintos elementos que componen el flujo de video suelen obtener mejores resultados. Por contra, suelen ser notablemente mas complejos que los codigos Pro-MPEG COP3. En esta tesis se exploran estrategias que permitan mejorar la eficacia de los codigos Pro-MPEG COP3 sin comprometer su sencillez y conservando su funcionamiento basico. Las estrategias propuestas representan la generalizacion y optimizacion de dichos codigos, entre otras formas posibilitando que puedan proveer proteccion desigual al flujo de paquetes de datos. En primer lugar se proponen dos extensiones a los codigos Pro-MPEG COP3 estandar. La primera de ellas permite utilizar hasta tres niveles de profundidad de entrelazado para incrementar su adaptabilidad a las condiciones del canal de comunicacion y la decorrelacion de errores. La segunda es un marco de actuacion de baja complejidad para la proteccion desigual de la informacion que permite distribuir los recursos disponibles entre diferentes grupos de paquetes en funcion de la relevancia de estos. Para ello, el metodo propuesto permite usar no solo una matriz de generacion por bloque de proteccion, como ocurre en el estandar, sino varias matrices con distintas dimensiones, lo que permite emplear distintas tasas de codigo a paquetes de distinta importancia. A continuacion se presente un procedimiento para la optimizacion de la seleccion de las configuraciones mas apropiadas en funcion de las caracteristicas especificas del sistema dentro del marco de proteccion desigual descrito anteriormente. Esta estrategia de proteccion se basa en la hibridacion de dos metaheuristicas comunes: recocido simulado (simulated annealing -SA-) y busqueda tabu (tabu search -TS-). Los procedimientos internos de ambas estrategias han sido modificados para encajar en las caracteristicas del escenario de proteccion de la transmision considerado, para asi posibilitar la obtencion de soluciones suboptimas en entornos en los que se imponen limitaciones temporales especialmente duras. Esta estrategia toma a su entrada una medida de la importancia de los paquetes que componen una ventana de observacion, los valores de los parametros que definen el comportamiento del canal y la cantidad de recursos disponibles, y encuentra en tiempo real configuraciones de proteccion cercanas a la optima, en terminos de numero de matrices a utilizar y sus dimensiones. Finalmente presentamos un modelo de distorsion sencillo pero que tiene en cuenta un contexto muy amplio de cada uno de los paquetes considerados. El modelo propuesto estima la contribucion de cada paquete a la distorsion total esperada que se introduce en la secuencia presentada al usuario. Esta contribucion, que representa la relevancia real del paquete, se obtiene empleando caracteristicas de alto nivel del flujo de video codificado y del comportamiento del canal de comunicacion. El valor final no solo tiene en cuenta la degradacion que provocaria la perdida de este paquete y la probabilidad de que esto ocurra, sino que tambien considera el efecto que la posible perdida de paquetes en cuadros/tiras de referencia tiene en la capacidad de distorsion del paquete en cuestion. ABSTRACT In the recent years, an ever-increasing portion of the services related to video data transmission are supplied through IP networks, as they present numerous advantageous characteristics: ubiquity, easy service integration and synchronization, a far higher possibility for interactivity and many more. However, IP networks are not particularly well suited for video distribution. Thus, QoS management mechanisms are commonly employed to increase their reliability, particularly in server-driven, time-sensitive transmission scenarios. In these scenarios, the Pro-MPEG COP3 codes are commonly used, due to their capability to deal with packet loss bursts and to their very low complexity. However, their performance decreases with the packet loss rate. On the other hand, protection strategies that are aware of the uneven relevance of the different packets in the video data stream typically provide better performance, since they are capable of better distributing and using the available protection resources. However, their complexity usually exceeds that of the Pro-MPEG COP3 codes. This thesis examines strategies to improve the performance of the Pro-MPEG COP3 codes without compromising their simplicity and preserving their encoding and decoding procedures. These strategies aim at a generalization and optimization of these codes, through, among other ways, enabling that they can be used to protect unequally the data packet stream. First, we propose two extensions to the standard Pro-MPEG COP3 codes. The first one is an equal error protection (EEP) scheme that allows the use of up to three interleaving depths to boost further channel adaptation and error decorrelation. The second one is a low-complexity unequal error protection (UEP) framework that allows to allocate unequally the available protection resources among different sets of data packets regarding their relevance. To do that, the proposed approach enables the use of not only one, as in the standard Pro-MPEG COP3 codes, but a number of matrices of dissimilar dimensions per protection block. The use of this extension allows to apply uneven code rates to unevenly important data units. Then, we present a procedure for optimizing the selection of suitable configurations to protect data when using the proposed UEP framework. This optimization strategy is based on the hybridization of two very well known metaheuristics: simulated annealing (SA) and tabu search (TS), whose core procedures are modified to fit the characteristics of the considered scenario, and so find near-optimal solutions when strict time restrictions apply. This strategy takes as input the importance of the video data packets and the available resources, and finds in real time near-optimal configurations to protect them, in terms of number of matrices to be used and their dimensions. Finally, we introduce a full-context-aware, yet lightweight distortion model. The proposed approach estimates the contribution of any given video packet to the resulting overall expected distortion of the sequence, and thus, its actual relevance, by taking into account upper-level characteristics of the encoded video streams and the behavior of the communication channel. This contribution is estimated considering not only the image degradation that its loss will potentially introduce in the sequence and the likelihood of this event occurring, but also the effect that the potential loss of data in reference frames/slices have on the actual importance of that packet.