Влияние скорости терминала в сети широкополосного беспроводного доступа на качество видео

Влияние скорости терминала в сети широкополосного беспроводного доступа на качество видео

Ключевые слова: Потоковое видео, PSNR, качество видео, скорость, сюжетность видео.

Лебедев И.М.

Постановка задачи

В связи с развитием сетей четвёртого поколения и желанием абонентов получать доступ к видеоматериалам с мобильных устройств, важно выяснить при каких условиях можно говорить о качественной передаче потокового видео на терминал абонента. Как известно, качество воспроизведения видео в определенной степени зависит от сюжета этого видео. При просмотре статичных сюжетов (видеоконференции или новости) важно, в первую очередь, содержание, а при просмотре высокодинамичных видео (спортивные соревнования) необходимо сохранять высокое качество. При этом, важным фактором существенно влияющим на качество принимаемого видео — это скорость перемещения приёмного терминала.

В статье рассматривается задача оценки влияния сюжетность видео на качество принимаемого видео при разным скоростях перемещения приёмного или передающего терминала. Объединение видеопотоков в определенную сюжетную группу позволяет говорить об их сходных характеристиках. Классификация видеосюжета позволит предсказать качество видео с определенной вероятностью.

Сюжет каждого видео клипа может существенно отличаться в зависимости от его динамики (то есть пространственной сложности и временной активности изображения). Видеопоследовательности классифицируются на различные группы, основываясь на пространственном и временном изменении элементов изображения [3]:

Статичная сюжетная группа (ССГ): включает последовательности с небольшой областью наблюдения (например, лицо диктора) на статическом фоне.

Малоподвижная сюжетная группа (МПСГ): видеопоследовательности с непрерывным и однородным изменением изображения (например, художественный фильм).

Высокодинимичния сюжетная группа (ВДСГ): видеопоследовательности, где локальные или глобальные участки изображения изменяются резко и неоднородно (например, спортивные игры).

Для оценки влияния скорости и сюжетности видео использовалась модель беспроводного канала связи ХМтах, построенная в среде Ма^аЬ в приложении ЯтшПпк, а так же модуль для оценки качества видео. Модель беспроводного канала связи ХУппах производит побайтную передачу видео, поданного на вход, через канал с релеевскими замираниями и аддитивным белым гауссовским шумом.

В модели радиоканала используется схема рэлеевских замираний, как наиболее полная и применимая в случае использования в качестве среды передачи тропо- и ионосферы и отсутствия прямой видимости между передающей и принимающей сторонами или плотной городской застройки. Блок имитации рэлеевских замираний выполняет поэлементное наложение на входной сиг-

Рассматривается оценка влияния скорости перемещения терминала и сюжетности на качество видео передаваемого по беспроводным сетям четвёртого поколения методами имитационного моделирования. Для передачи видео использовалась имитационная модель канала ^тах, построенная в приложении Зтиііпк МаІіаЬ, через которую побайтно передавались видеопоследовательности, с возможностью определения ряда параметров, характеризующих качество восприятия потокового видео. Для оценки качества передаваемого видео использовался модуль, вычисляющий пиковое отношение сигнала к шуму (РБЫИ), а также производящий сравнение двух видеоизображений до и после передачи через радиоканал. Для анализа использовались три тестовых видеопоследовательности разных сюжетных групп (Статичная сюжетная группа, Малоподвижная сюжетная группа, Высокодинамичная сюжетная группа), которые передавались в процессе передвижения приёмного устройства с различными скоростями. Показано, что принадлежность передаваемого по беспроводным сетям видео к той или иной сюжетной группе оказывает существенное влияние на воспринимаемое качество. При перемещении терминала об удовлетворительном приеме можно говорить только в случае с видео статичной сюжетной группы.

нал псевдо-случайиой комплексной составляющей, распределенной по закону Рэлея с учетом эффекта Допплера. Генерация псевдо-случайной последовательности происходит с использованием метода Зиггурата, используемого в большинстве случаев функциями Matlab [4].

Перемещение передатчика и приемника относительно друг друга вызывают допплеровские сдвиги сигнальной частоты. Влияние этого эффекта выражается в значении параметра “Спектр Допплера" (Doppler spectrum, англ.). Значение этого параметра выбирается относительно скорости передвижения пользовательского терминала и используемой полосы частот. Главным следствием многолучевого распространения является прием сигналов, прошедших вдоль различных путей и отразившихся разное количество раз. Каждый из этих путей имеет свою длину, а соответственно свою временную задержку и уровень сигнала на входе приемника [5|.

Для проведения эксперимента использовались три стандартных видеопоследовательности в формате YUV с разрешением CIF (352x288), рекомендованные для проведения тестовьгх испытаний организацией ITU. Исходные последовательности формата YUV кодировались при помощи программы VcDemo и MPEG-2 кодеком.

Hall_cif - Статичная сюжетная группа (CCr).Foreman_cif - Малоподвижная сюжетная группа (МПСГ). Tempete_cif — Высокодинамнчная сюжетная группа (ВДСГ).

Оценки качества изображения

Величина PSNR (peak signal-to-noise ratio) - пиковое отношение сигнала к шуму характеризует соотношение между максимумом возможного значения сигнала и мощностью шума, искажающего значения сигнала. Поскольку многие сигналы имеют широкий динамический диапазон, PSNR обычно измеряется в логарифмической шкале в децибелах. PSNR наиболее часто используется для измерения уровня искажений при сжатии изображений. Проще всего его определить через среднеквадратичное отклонение (CKO, MSE), которое для двух монохромных изображений I и К размера inxn, одно из которых считается зашумленным приближением другого, вычисляется так [1]:

. т— 1 л—1

MSE = ^ ЕЕ i2

«=0 j=О .

PSNR определяется так:

„„„„ /МАХ]\ / MAXi \

psm - loiog,,, (-jjjj-) - 20k>g„, (e) m

где MAXI — эго максимальное значение, принимаемое пикселем изображения. При разрядности пикселя 8 бит, MAXI = 255.

Для цветных изображений с гремя компонентами RGB на пиксель ггрименяется такое же оггределение PSNR, однако MSE считается по всем трем компонентам (и делится на утроенный размер изображения) [2].

Типичные значения PSNR для сжатия изображений лежат в пределах от 30 до 40 дБ. Большему значению PSNR соответствует лучшее качество изображения на фоне шума.

Среда Matlab позволяет работать с несжатыми видео изображениями на любой системе без установленных кодеков. Возможность работы с кодированным видео зависит от установленных в системе кодеков (то есть если прошрыватель воспроизводит видео, то открытие этого формата видео возможно и в среде Matlab).

Для сравнения исходного файла и файла, полученного после передачи через модель радиоканала, использовался модуль для вычисления PSNR. В модель загружается сначала исходный файл, а затем файл, переданный через радиоканал. Предварительно указывается для какого количества кадров производится вычисление PSNR.

В результате чтения одного кадра получается матрица размером Height х Width х 3, элементами которой являются 8-ми битовые целые числа без знака. В результате чтения диапазона из нескольких кадров получается матрица размером Height х Width х 3 х NumOfFrames. Когда кадр загружен, с ним можно работать как с обычной матрицей, а так же применять к нему всевозможные функции для обработки изображений.

Дм определения PSNR определяется среднеквадратическое отклонение MSE между кадрами до (матрица кадра Ml) и после (матрица кадра М2) трансляции.

Далее возможно определить отношение сигнал шум от кадра к кадру. MSE=0 соответствует тому, что кадр был передан без искажении.

Еще одной оценкой качества видео является субъективная оценка MOS. Соответствие качества по шкале от 1 до 5 по MOS условно может быть сопоставлено с PSNR, как показано в табл. 1.

Таблица 1

Значение субъективной оценки MOS в зависимости от величины PSNR

значе- нні; PSNR PSNR< 20dB 20dB<PSN R<25dB 25dB<PSNR< 31dB 3ldB<PSNR< 37dB 37dB<PSNR

Субъек- тивная оценка (MOS) 1 2 3 4 5

менее важный критерий — сюжет видеопотока. Присутствие небольших ошибок не сказывается на видео ССГ при неподвижном терминале. 11ри этом видео М11СГ и ВДСГ даже в этом случае показывает серьёзное ухудшение качества принимаемого видео.

11ри увеличении скорости до 7 км/ч видео ССГ принимается с удовлетворительным качеством, а видео МСПГ и ВДСГ показывают плохие результаты. При дальнейшем увеличении скорости до 15 км/ч качество принимаемого видео ССГ ещё более ухудшается.

Дальнейшие исследования будут направлены на изучение преимуществ, которые может дать использование кодека Н.264 вместо МРЕО-2, а также на вычисление значения отношения С/Ш при котором можно будет достичь высокого качества принимаемого видео любой сюжегной группы при перемещении терминала.

Результаты эксперимента

11ри передаче видео использовались следующие параметры модели радиоканала: Длина циклического префикса - 1/16; Отношение энергии бита сигнала к мощности шума - 12 дБ; Пропускная способность канала - 40 МГц; Скорость перемещения приёмного терминала - 0, 7 и 15 км/ч.

В результате проведения эксперимента были получены значения М08 и Р8Ж для файлов разных сюжетных групп при разных скоростях. На основе которых были построены графики зависимости качества гранслируемого видео от скорости перемещения терминала для каждой сюжетной группы отдельно (рис. 1), а так же графики изменения качества видео разных сюжетных групп в зависимости от скорости (рис. 2). Кроме того, по результатам эксперимента были вычислены вероятности приёма видео разных сюжетных групп с определённым значением субъективной оценки для разных скоростей (рис. 3).

-Hall О км/ч -Hall/км/ч -Hall 15 км/ч

S M0S

а) Статичная сюжетная группа

-foreman 0 км/ч -foreman 7 км/ч -foreman 15 км/ч

б). Малоподвижная сюжетная группа

F(PSNR) 120

100

80

60

40

20

-tempde 0 км/ч -lcmp«<e 7 км/ч - tom pete IS км/ч

Выводы

Моделирование показало, что принадлежность передаваемого по беспроводным сетям видео к той или иной сюжетной группе влияет на воспринимаемое качество. Необходимо учитывать не только битрейт и количесво ошибок при передаче, но и другой, не

в) Высокодинамичная сюжетная группа

Рис. 1 Зависимость качества транслируемого видео от скорости для разных сюжетных групп

SLOS-L L# 'шшоэ-i

ad/f oepiA iuaiuoo 'paads 'oapfAjoXijjonb 'y/s/Sd /oap.w Buiiuoajjs зркзм/ву( dnoj6 ad/j juajuoo juaiuaAoiu ji]6j|s luojj oepjA ©sn эм esoo uj X|uo uojjdaoaj Xjopofsj -jds jnoqo >pads oj ajqjssod sj j] pujunai биїлош uaij/уд ‘/|jpnb paAjaojad uo aouan[juj juoc>ij]u6]s soij dnoj6 adX| juajuoo jaijiouo jo auo 04 s>|JOM|au ssapjjM JaAo pajijiusuDJj oapjA jo 6uj -6uo|aqjoij| umol]ssj4| ‘sajDJjuajayjpjD aojAap 6ujAajoajjuaiuaAoiu jossaoojd aiji uj pajjjiusuojj ajaMsaouanbasoap^ -(dnoj6 adXjjuajuoojuaiuaAoyy pjdoy 'dnoj6 ad/j juajuoo 6и]>|р/уд эциэ0 'dnoj6 adXj juajuoo juaiuaAoyy Ji]6j|2) sdnoj6 adXj juajuoo juajayjp luojj saouanbas oapjA jsaj аалц pasn ajaMsjsApuo joj ‘puuDip ojpoj jaAo uojssjiusuoji jayo puo ajojaq sa6oiu] диаіадор ОЛМ ajodiuoo 40Ц1 a|npoiu osp puo (y |4|Sd) °.4D£I s!°|\| °J pu6jg ^oaj 6ицо|порэ a|npoiu pasn sdm Xijpnb oapjA pajjjiusuDJj ajoiujjsa oj_ -oapjA 6u]iuoaj|s jo Xijpnb uojjdao -jad 6ujquosap sjajaiuojod juajayjp a и цар 04 Xijjjqo аці i|j]M 'uojjDDjjddD gyilVW >lu!|nLU!S u! paprujsuoo ' ррош рииоїр XVWIMJ9AO а^Я ^Я Э^Я P9J9jSUDJl 9jaM saouanbas оар]Д •6и]|арош uoj|D|niujs Xq s>|JOM|au ssapjjM uoj|Djaua6 ij|jno.j jaAo pajjjiusuojj Xijpnb oapjA uo paads 6uj|aADJ| pujiujaj puo adX| oapjA juajuoo jo juaiussassD podiuj pajapjsuo^ pojsqy

*WI ЛвРЯа1

xaoMisN ssaDDV ssaiaaiM aNvaavoaa ni noiilivvnviii озаїл jo Ainvno no aaads jo IN3

Zt'tZO ~ '91 010c ‘nwaiOHS н ічзмвігииоя

зіянноиіівг^офни и зияззі>ннхзхоііх}ізігє // >|иі|пш!$ HV'IIVW зі;

-ado я XVWIM виХізо» 0J0H30i/0U0M0dHin іямзхзиз BiiHBaodnirair -oiv ojohhoiiTibxiiivii Kim винэьэиээдо ojoHivivnd lodu ExxogBd!.E<|

•g’V aaaiiaadv “Y‘J| яохвнэц “V'Ol яонвяц “н о шпющ 'С

Tt’-t’f J ~ 91 ‘£°N 010Z ‘1ЧИЭ1ЭИЭ

II ІЯЗМЗІШКОМ OI4IIIIOIItlL4vdo(|)MII II 3HM33hHHX3XOd ШЭ1Г£ // IVВ13Э

ічіянноитів.чннлічкохзігзх wiint/oaoduaoo on nhBl'od.in ояхззьвм єн озггіія олояомошіі MHXSudaxxedBx xmiiioivoda-oinionioHBdi.o -odu зинкні/д {|'V iihhiiojj “V'Ol яонвяц “ІГО ннх.йгзщ >

'969-S89 Э ~ '8 і ‘I |"ЛГ 010с ‘d,llv И1чнцэни1гэн // XVW!/V\ BuXiaof OJoiirotiodiiMg хкхээ xi4HDOi;ouoModimi я JAV/Wc'H шхівігнвіз одігия о.іояомоі.оіі оя.і.з -эьк.м вн ходито зинкінгд *V‘OI яонвяц *'Ц'

-ни и 3HM33hiiHX3xodxM3i/£ // яхпг.хЬ xnHXBdBuuB-OHKivBdiodu

OI’UIIOKOU 3 ХКХЭЭ ХІЯННОітвМІІІїХіЧІМОМЗІГЗХ Я ОЭГИЯ OJOHONOXOU HhBi:3d3ll ВЯХЗЭЬВМ ВМНЭПО V(>| ЯОНВЯЦ “Ц () ничлімщ "і

~ >“ЛГ ‘S'1 ‘600с ‘пкэхзиэ и іязмоїш -ком 3miHoiniBivdo<|)HH и OHN.iaiillHX'OIodlNOLX // хкхээ ХІМНІ.'ОЯ -oduaag я JAS/JAV/t^c'H Bxdetrimxa оэгня BiiuBflodinroNoir вя -хээьвм имндпо вяисохзі^ ‘у'.і яліїніпміїр “v'OI яонвяц I

ssv

h/ИУ (J 9IUJ0<J0>IJ (П

h/rtXOJietLWJi h/ЛИ 0 J?U-dJOj I h/W<0|CH«

Rdvu:daiH|'

нэжиасоизн чхічд ireHHixdax MiHHwawdu іядохь ‘oiMiL'oxoomi озі/иа ojogoiir Bivnndn охоннэяхээьвм кинэкэиээдо кіnr Ri.'KiiBMom.'Bd Hodi.uvEdiui имшшамЕИЭН MHHSHBdxoo ndu охь ‘іґояіча яіві.'лт опжок BinicuodmrsL'oiv квхвіяi;And оц

xnx3odoM3 xmts.Ed ndu ихзонхзжоїз xo

ИХЗОМІІЗИЯВ!. Я ОЗІ,'ІІЯ OJOI\3\dni.'3HBdx ОЯХЗЭЬВ» -J ‘311,1

h ny (і чшэос/о.чэ (a

‘MuuXdi И01ИЭЖ01Л ион -ьихвхэ озігия э звііХігз я о.ччігох 4i.ndoaoi онжоїч aivaiidu ivoH4ir3xndoH.Loi.raor/X до oi4i.3odo.43 иогпчігодзн ончі.'зі.ин -яіхЬ оэ BirBHHwdai. иинэтэтсЬи ndu зжвг ‘ічохє iidu

BiiH3iii3iM3d3u XKX3odo.M3 хіяніїиитаі udii ічояхззіївм ivnnnpi;3i;3dno з оэНия Bi\3ndn яхзонхвогізд ‘fanj

h/nn і/ чш.ихіо.ч.і (и

ь/им s] aiadwai

h/WKSI013dUJ3lB

h/w« si apduiSi-#-h/WHSTHfttJJJOl #-

h/ny і чшэск/охэ (g

SOW s

h/WM і JJOfllUOJ-•\jtm £UtiudJ0j—

h/WX І 9ШЛОСІОИЛ (O

h/tVH 0 ЯШ.КХІО.Ч.І (D

к/ти L vi  h/WN і ЦЄШО.ОІ  yfrt* I ||PH

hfmQ»]adiua\—9-

hfm 0 ueuwjoj—•— hfm ОПРИ-*-

021 lUNSdlJ

уаіззГлзо ojoHHontivwdooHH Икиоігонхзі