Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Анализ предметной области 11
1.2 Постановка задачи 13
1.3 Масштабируемая последовательность мультимедийных данных
1.3.1 Общие сведения о H.264/SVC 15
1.3.2 Виды масштабируемости 17
1.3.3 Крупнозернистая масштабируемость CGS 21
1.3.4 Среднезернистая масштабируемость MGS 22
1.4 Анализ методов передачи мультимедийных данных в ІР-сетях 23
1.4.1 Классические протоколы передачи мультимедийных потоков... 23
1.4.2 Мультипотоковая передача данных 27
1.5 АНАЛИЗ состояния ИЗУЧАЕМОГО ВОПРОСА 34
1.5.1 Совместная передача мультимедийных данных 35
1.5.2 Одновременная мультипотоковая передача мультимедийных
1.6 Выводы ПО ГЛАВЕ 37
ГЛАВА 2. Мультипотоковая передача мультимедийных
2.1 Структура системы обработки мультимедийных данных в гетерогенной беспроводной компьютерной сети 39
2.1.1 Описание структуры модели 39
2.1.2 Расчет коэффициента потерь пакетов в сети 45
2.1.3 Расчет доступной пропускной способности сети 46
2.1.4 Расчет задержки приема-передачи з
2.1.5 Расчет вариации задержки в сети и размера принимающего буфера 48
2.2 Оценка качества передачи мультимедийных данных 50
2.2.1 Общие сведения об оценке качества мультимедийного потока.. 50
2.2.2 Оценка качества передачи мультимедийного потока на основе QoS 52
2.2.3 Оценка качества передачи мультимедийных данных на основе QoE 53
2.3 Выводы по ГЛАВЕ 56
ГЛАВА 3. Распределение и адаптация масштабируемого мультимедийного потока в беспроводной компьютерной сети 58
3.1 Распределение и адаптация масштабируемого мультимедийного потока в гетерогенной беспроводной компьютерной сети 58
3.2 Алгоритм распределения масштабируемого мультимедийного потока в гетерогенной беспроводной компьютерной сети 60
3.2.1 Начальная фаза 61
3.2.2 Распределение пакетов на потоки 61
3.2.3 Расчет временного интервала для скользящего среднего 64
3.2.4 Расчет значения понижающего коэффициента 65
3.3 Алгоритм адаптации масштабируемого мультимедийного потока в гетерогенной беспроводной компьютерной сети 67
3.4 Выводы по главе 69
ГЛАВА 4. Экспериментальная оценка эффективности передачи мультименийных данных 71
4.1 Экспериментальная установка 71
4.2 Сценарии экспериментов 76
4.3 Трассировочные файлы 80
1.3.1 Структура трейс файлов 80
4.3.1 Формат трассировочных файлов, предоставляющие информацию о размере кадров и их качестве 83
4.4 Методика анализа полученных данных 87
4.4.1 Анализ параметров сети 87
4.4.2 Анализ характеристик QoE 89
4.5 Результаты экспериментов 94
4.5.1 Агрегация пропускной способности 94
4.5.2 Оценка характеристики PSNR 95
4.5.3 Прерывания воспроизведения мультимедийного потока 97
4.5.4 Оценка вариации задержки 98
4.5.5 Оценка задержки приема-передачи 99
4.5.6 Оценка переходов качества 100
4.6 Выводы по главе 101
Заключение 103
Перечень сокращении 104
Список использованных источников 108
- Масштабируемая последовательность мультимедийных данных
- Расчет коэффициента потерь пакетов в сети
- Алгоритм распределения масштабируемого мультимедийного потока в гетерогенной беспроводной компьютерной сети
- Формат трассировочных файлов, предоставляющие информацию о размере кадров и их качестве
Введение к работе
Актуальность темы исследования. Для организации передачи мультимедийных данных в последнее время все чаще используются различные, в том числе беспроводные сети связи. Согласно прогнозу компании Cisco передача мультимедийного контента будет составлять до 80% от передачи всего трафика в глобальной сети к 2019 году.
В настоящее время разработано большое количество моделей, методов и алгоритмов передачи мультимедийных данных в беспроводных компьютерных сетях. Каждая сеть, построенная на основе той или иной технологии передачи данных, обладает определенными характеристиками, удовлетворяющими предъявленным к ним требованиям по передаче того или иного типа трафика. Особую нишу занимает передача мультимедийных данных с малой задержкой (до 1000 мс).
Однако, в настоящее время, беспроводные технологии связи не могут предоставить достаточной пропускной способности канала и малого коэффициента потерь: Wi-Fi сети имеют крайне ограниченную зону покрытия и поддержку конечного пользователя, а мобильные сети до сих пор не могут предложить достаточной пропускной способности для передачи мультимедийных данных. Однако следует заметить, что современный стандарт 4G LTE призван обеспечить высокую скорость передачи данных, но этого все равно недостаточно для постоянно растущего мультимедийного трафика.
Сложность задачи передачи мультимедийных данных высокого качества по каналам беспроводных компьютерных сетей обусловлена следующими факторами:
- переменная и малая пропускная способность;
высокая по сравнению с проводными сетями связи потеря пакетов; большая вариация задержки.
Данные параметры являются динамическими и заранее не известны.
Традиционным решением проблемы переменной пропускной способности, как правило, является подстройка скорости отправления бит мультимедийных данных к доступной пропускной способности сети. Для преодоления проблемы потери пакетов обычно используются следующие группы методов: методы коррекции ошибок (Forward Error Correction, FEC), ретрансляции, маскирование ошибок (error concealment) и помехоустойчивое кодирование. Для сглаживания вариаций задержки, как правило, используют принимающий буфер. Каждая из вышеперечисленных проблем требует отдельного рассмотрения и ставит ряд задач.
Однако в последнее время в научных трудах К. Chebrolu, С. Rao, D. Jurca, P. Frossard, J.Ott, J. Nightingale, A. Ramboli и A.Chan для преодоления ограниченности ресурсов беспроводной компьютерной сети предлагается одновременно использовать ресурсы нескольких беспроводных сетей доступа, объединяя их в единую гетерогенную беспроводную компьютерную сеть. При
таком подходе организуется мультипотоковая передача мультимедийных данных по различным интерфейсам связи.
Анализ публикаций в открытой печати относительно передачи мультимедийных данных в компьютерных сетях с использованием различных сетей доступа показал, что:
отсутствует унифицированная структура мультипотоковой передачи мультимедийного потока данных;
отсутствуют решения, комбинирующие мультипотоковую передачу мультимедийных данных и динамическую адаптацию мультимедийного потока к условиям сети.
Таким образом, задача повышения эффективности передачи мультимедийного потока высокого качества в гетерогенной беспроводной компьютерной сети с использованием нескольких интерфейсов связи, решению которой посвящена диссертация, является актуальной.
Объектом исследования в данной работе является гетерогенная беспроводная компьютерная сеть. Предметом исследования являются процессы передачи мультимедийных данных в гетерогенных компьютерных сетях.
Целью работы является разработка алгоритмов и программных средств повышения эффективности передачи мультимедийных данных в гетерогенной беспроводной компьютерной сети. Предложенный подход позволяет преодолеть ограничения беспроводных компьютерных сетей и повысить эффективность передачи мультимедийных данных: увеличить пропускную способность между отправителем и получателем, снизить потери при передаче, а также улучшить качество принятого мультимедийного потока.
Задачи исследования:
-
Разработать структуру системы, обеспечивающей мультипотоковую передачу мультимедийных данных в гетерогенной беспроводной компьютерной сети.
-
Разработать алгоритм распределения мультимедийного потока (АРММП) в гетерогенной беспроводной компьютерной сети.
-
Разработать алгоритм адаптации масштабируемого мультимедийного потока (ААММП) к изменяющимся характеристикам беспроводной компьютерной сети.
-
Разработать программные средства, реализующие предложенные алгоритмы.
-
Разработать методику оценки эффективности передачи мультимедийных
данных, провести экспериментальное исследование разработанных алгоритмов
и их сравнительный анализ с аналогами.
Методы исследования включают в себя методы теории множеств, теории алгоритмов, инженерии программного обеспечения.
Основные положения, выносимые на защиту:
-
Алгоритм распределения мультимедийных данных в гетерогенной беспроводной компьютерной сети, позволяющий повысить доступную пропускную способность сети путем агрегации пропускных способностей сетей гетерогенной беспроводной компьютерной сети.
-
Алгоритм адаптации мультимедийного потока в гетерогенной беспроводной компьютерной сети, позволяющий масштабировать передаваемые мультимедийные данные, снижая потери и повышая качество принятого мультимедийного потока.
-
Методика оценки эффективности передачи мультимедийных данных, позволяющая оценить эффективность разработанных алгоритмов для передачи мультимедийных данных с точки зрения пяти критериев эффективности: агрегируемой пропускной способности сети, прерываний воспроизведения мультимедийного потока, средней вариации задержки при передаче, среднем времени приема-передачи и качества принятых мультимедийных данных.
-
Программные средства, реализующие предложенные алгоритмы и результаты экспериментального сравнения с аналогами.
Научная новизна работы заключается в следующем:
Предложены новые решения, которые позволяют повысить эффективность передачи мультимедийных данных в компьютерных беспроводных сетях. Разработаны новые алгоритмы распределения и адаптации мультимедийного потока в гетерогенной беспроводной компьютерной сети при передаче масштабируемого мультимедийного контента. Совокупная работа разработанных алгоритмов позволяет агрегировать пропускную способность сети, снизить потери, а также улучшить качество мультимедийных данных на принимающей стороне путем мультипотоковой передачи данных с использованием нескольких технологий беспроводной связи и качественной адаптации мультимедийного потока. Предложенный подход позволяет решить проблему ограниченности сетевых ресурсов беспроводных компьютерных сетей.
Практическая значимость работы. Практическая значимость результатов диссертации заключается в следующем:
-
Предложенная структура системы передачи мультимедийного потока обеспечивает мультипотоковую передачу данных по протоколу MPRTP (от англ. Multi-Path Real time Protocol). Предложенная модель является универсальной, поскольку не предполагает применения каких-либо сторонних участников взаимодействия, а протокол MPRTP совместим с широко используемым в настоящее время протоколом RTP (от англ. Real-Time Protocol).
-
Разработанные АРММП и ААММП в гетерогенной беспроводной компьютерной сети позволяют агрегировать пропускную способность сети, снизить уровень потерь и повысить качество восприятия мультимедийных данных на принимающей стороне.
3. Разработанные программные средства, реализующие предложенные алгоритмы, позволяют провести экспериментальное исследование разработанных алгоритмов и предложенной структуры системы.
Достоверность полученных результатов подтверждается полнотой и корректностью теоретических обоснований и результатами экспериментов, проведенных с помощью разработанных в диссертации программ
Апробация работы. По теме диссертации опубликовано 8 научных статей и тезисов докладов, из них 3 в журналах рекомендуемых ВАК. Основные результаты, полученные в ходе работы над диссертацией, были представлены на X Всероссийской научной конференции молодых ученых, аспирантов и студентов «Информационные технологии, системный анализ и управление -ИТСАиУ-2012» (г. Таганрог, 2012), научных семинарах стипендиатов программ «Михаил Ломоносов III» и «Иммануил Кант III» (г. Москва, 2013/2014 и 2015/2016 гг.), Всероссийской научной конференции «Теоретические и методические проблемы эффективного функционирования радиотехнических систем» (Системотехника-2014) (г. Таганрог, 2014), I Всероссийской научно-технической конференции молодых ученых, аспирантов и студентов (г. Ростов-на-Дону, 2015), научной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Проспект свободный - 2015» (г. Красноярск, 2015).
Внедрение результатов работы. Результаты диссертационного исследования внедрены в следующих завершенных научно-исследовательских работ, выполненных в рамках совместной программы Минобрнауки РФ и Германской службы академических обменов (DAAD) «Михаил Ломоносов»: НИР «Разработка оптимального механизма вертикального переключения в гетерогенной беспроводной среде» (2014), НИР «Распределение и адаптация трафика мультимедиа в гетерогенных беспроводных сетях, используя технологию масштабируемого видеокодирования» (2016).
Результаты работы внедрены в учебные процессы на кафедре Безопасности информационных технологий Института компьютерных технологий и информационной безопасности Южного федерального университета в дисциплинах «Мультисервисные сети» и «Безопасность сетей ЭВМ», на кафедре речевых информационных систем Университета ИТМО в дисциплине «Многомодальные биометрические системы», а также при выполнении НИР №713554 «Исследование методов и алгоритмов многомодальных биометрических и речевых систем». Результаты работы использованы при выполнении проекта системы телевизионного наблюдения ЗАО «Дорожный центр внедрения» (г. Ростов-на-Дону).
Публикации. По теме диссертации имеется 13 публикаций, из них 8 научных статей и тезисов докладов, 2 отчета о НИР. Получено 3 свидетельства о регистрации программ для ЭВМ.
Объем и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы. Материал изложен на 116 страницах машинописного текста, содержит 33 рисунка и 11 таблиц, список литературы состоит из 80 источников.
Масштабируемая последовательность мультимедийных данных
Как уже было отмечено, передача мультимедийных данных является популярным сервисом в современном мире. В настоящее время наибольшую популярность для передачи мультимедийного контента получили ІР-сети. Согласно прогнозу компании Cisco [38] объем глобального ГР-трафика увеличится почти вдвое в последующие три года. Согласно тому же прогнозу, рост глобального ГР-трафика составит до 23%. К 2019 г. на IP-мультимедийный контент будет приходиться до 80% всего мультимедийного трафика. При этом мультимедийные данные формата HD будут занимать в общем объеме трафика большую долю, чем мультимедийные данные стандартного разрешения (SD).
Объектом исследования в данной работе является гетерогенная беспроводная компьютерная сеть. Предметом исследования являются процессы передачи мультимедийных данных в гетерогенных компьютерных сетях.
В качестве сферы практического применения предложенного решения рассматриваются приложения передачи мультимедийных данных с малой задержкой (от 100 до 1000 мс). Примером, может служить передача мультимедийных данных мобильного пользователя в рамках приложений мобильный репортер, телемедицина в полевых условиях или систем мониторинга различного назначения. Предполагается, что пользователю необходима малая задержка при высоком качестве мультимедийного потока при передаче в беспроводной компьютерной сети.
В основу данной работы легли следующие предположения касательно одновременной мультипотоковой передачи мультимедийных данных: - Агрегация пропускной способности. Агрегация пропускной способности подразумевает одновременное использование пропускных способностей каналов, предложенных различными сетями доступа в гетерогенной беспроводной компьютерной сети. -Распределение нагрузки. Использование нескольких альтернативных сетей доступа позволяет распределить нагрузку на сети доступа. -Повышение качества воспроизведения мультимедийных данных. Благодаря использованию одновременной передачи данных качество принятого мультимедийного потока может быть улучшено. Целью работы является разработка алгоритмов и программных средств распределения мультимедийных данных на потоки передачи и адаптации масштабируемого мультимедийного потока к изменяющимся условиям в гетерогенной беспроводной компьютерной сети. Предложенный подход позволяет преодолеть ограничения беспроводных компьютерных сетей: увеличить пропускную способность путем агрегации пропускной способности нескольких различных сетей доступа между отправителем и получателем, снизить потери при передаче, а также улучшить качество принятого мультимедийного потока. Задачи исследования: а) Разработать структуру системы, обеспечивающей мультипотоковую передачу мультимедийных данных в гетерогенной беспроводной компьютерной сети. б) Разработать алгоритм распределения масштабируемого мультимедийного потока в гетерогенной беспроводной компьютерной сети. в) Разработать алгоритм адаптации масштабируемого мультимедийного потока к изменяющимся характеристикам беспроводной компьютерной сети. г) Разработать программный средства, реализующие предложенные алгоритмы. д) Разработать методику оценки эффективности передачи мультимедийных данных, провести экспериментальное исследование и сравнительный анализ с аналогами. 1.3 Масштабируемая последовательность мультимедийных данных 1.3.1 Общие сведения о H.264/SVC Последовательность мультимедийных данных называется масштабируемой, если отбрасывание некоторых бит потока будет формировать другой подпоток мультимедийной информации для некоторого конечного декодера, а полученный подпоток будет обладать худшими характеристиками, чем исходных поток, но лучшими в условиях оставшегося количества бит в подпотоке [68].
В диссертационной работе было использовано масштабируемый мультимедийный поток стандарта ISO/IEC 14496-10 (расширение G) или H.264/SVC [22], позволяющего передавать в одном потоке несколько подпотоков мультимедийных данных различного качества.
По сравнению с немасштабируемыми стандартами кодирования мультимедийных данных (MPEG-4 Visual, Н.263, H.264/AVC) H.264/SVC является достаточно гибким и мощным инструментом кодирования.
В [68] был проведен сравнительный анализ эффективности кодирования мультимедийных данных с немасштабируемыми кодеками, упомянутыми ранее, и кодеком стандарта H.264/SVC. Было показано, что кодеки H.264/AVC [23] и H.264/SVC сжимают примерно одинаково, но лучше, чем Н.263 и MPEG-4 Visual. Однако эксперимент также показал, что Н.264 и H.264/SVC обладают примерно одинаковым уровнем качества согласно характеристике PSNR [11]. Но H.264/SVC обеспечивает три типа масштабируемости, чем достигается наибольшая эффективность кодирования [12].
Стандарт H.264/SVC позволяет достичь высоких степеней сжатия за счет использования пространственной и временной избыточности в кадрах. Обработке подлежат только те элементы изображения, которые изменились по сравнению с аналогичными элементами предыдущего кадра как показано на рисунке 1.
Расчет коэффициента потерь пакетов в сети
В рамках диссертационного исследования была рассмотрена структура системы обработки масштабируемого мультимедийного потока между пользователями гетерогенной беспроводной компьютерной сети. В основу положено предположение, что устройства пользователей оборудованы несколькими интерфейсами связи. Также предполагается, что один пользователь передает масштабируемый мультимедийный поток другому пользователю, используя различные интерфейсы связи.
Данная работа направлена на обработку мультимедийного потока с малой задержкой (от 100 мс до 1000 мс). Следует заметить, что под задержкой понимается задержка транспортировки мультимедийного потока, что является одной из составляющих частей общей задержки видео (т.е. времени, необходимого для всего жизненного цикла передачи видео, начиная с начала кодирования мультимедийного потока на отправляющей стороне и заканчивая его декодированием на принимающей стороне).
В общем случае общая задержка передачи мультимедийных данных состоит из следующих компонентов: время обработки на отправляющей стороне (захват, кодирование и пр.), время транспортировки (передача потока в сеть) и время обработки на принимающей стороне (демуплексирование, декодирование и пр.)
Для реализации мультипотоковой передачи данных в данной работе рассматривается структура системы, которая способна поддерживать мультипотоковую передачу и обработку данных. Мультипотоковая передача данных подразумевает одновременную передачу данных через несколько интерфейсов связи. Мультипотоковая передача данных позволяет преодолеть ограничения беспроводных компьютерных сетей доступа для передачи мультимедийного потока, повышая пропускную способность гетерогенной беспроводной компьютерной сети путем агрегации пропускных способностей входящих в нее сетей доступа и снизить количество возможных потерь. Таким образом, система должна удовлетворять следующим требованиям: -поддерживать одновременную передачу и обработку мультимедийных данных по нескольким интерфейсам связи; - обеспечивать распределение пакетов данных приложения на потоки передачи данных; - обеспечивать мониторинг состояния передаваемых потоков данных.
Для описания модели рассмотрим гетерогенную беспроводную компьютерную сеть, состоящая из P каналов между отправителем S и получателем R для передачи данных, по которым отправляется P потоков данных, и P каналов для передачи сервисной информации. Связь между S и R представим как соединения пар ГР-адресов. Примем, что каждый канал р ЕР независим от других и характеризуется квартетом параметров качества обслуживания QoS: доступной пропускной способностью потока 0р, коэффициентом потерь в потоке Lp, вариацией задержки в потоке р и задержкой приема-передачи Dp. Обеспечение данных параметров для передачи мультимедийных данных являются ключевой проблемой: пропускная способность должна быть достаточной для передачи мультимедийного потока с высокой кадровой скоростью, количество потерь должно сводится к минимуму, задержка приема-передачи и вариация задержки должны быть меньше, чем допустимая задержка на стороне получателя. В случае, если хотя бы один параметр будет неудовлетворительным, деградирует качество мультимедийных данных на принимающей стороне. Функционально работу модели можно представить, как показано на рисунке 13. Работу модели можно описать следующим образом [7]. На стороне отправителя поступает мультимедийный поток V, который кодируется кодеком масштабируемого видео на к Є К уровней и разбивается на X пакетов для передачи. Размер каждого пакета не превышает размер MTU (Maximum Transmission Unit), исключая дефрагментацию пакетов.
Алгоритм распределения масштабируемого мультимедийного потока в гетерогенной беспроводной компьютерной сети
В рамках работы был проведен ряд предварительных экспериментов для определения оптимального значения т. Результаты эксперимента представлены в разделе 3.2.3.
Основываясь на информации о потерях и доступной пропускной способности сети АРММП рассчитывает скорость отправления бит данных Ч для каждого потока р.
Скорость отправления бит данных Ч для потока р вычисляется как отношение скользящего среднего пропускной способности Ар для каждого потока р за время т к средней агрегируемой пропускной способности гетерогенной беспроводной сети /? =-YjpepPp, помноженной на еще нераспределенную кадровую скорость мультимедийного потока (у — 4і ) [7, 22], т.е. Р (т) где у(т) - средняя кадровая скорость в промежуток времени т, 4і - суммарная скорость отправления бит мультимедийных данных для всех потоков: Ч7 = Yjpep p (13) Таким образом, вычисляются скорости отправления бит мультимедийных данных для всех доступных потоков.
В случае возникновения потерь на потоке р Є Р алгоритм распределяет данные на 20 процентов меньше, чем рассчитано, используя понижающий коэффициент f. Так алгоритм распределяет меньше данных на потоки с потерями, и больше данных на потоки без потерь. Значение коэффициента f получено в работе эмпирически и равно 0,8. Обоснование значения понижающего коэффициента приведено в разделе 3.2.4 настоящей работы.
В случае если возникли потери на всех интерфейсах связи вызывается алгоритм адаптации масштабируемого мультимедийного потока для понижения качества отправляемых мультимедийных данных. В случае, если потерь на потоках не наблюдается, также вызывается алгоритм адаптации, но уже для повышения качества мультимедийного потока, если оно возможно. Детальное описание алгоритма адаптации приведено в разделе 3.3.
Следует заметить, что алгоритм распределения назначает пакеты на потоки, начиная с того, у которого минимальная доступная пропускная способность. Это сделано для того, чтобы получить информацию о всех потоках, в том числе и о потоках с потерями. На псевдокоде АРММП можно представить в следующем виде: Входные параметры: Lp - коэффициент потерь пакетов для потока р Входные параметры:Ар - скользящее среднее пропускной способности для потока V Входные параметры:у - кадровая скорость мультимедийного потока для уровня к Входные параметры:А - средняя агрегируемая пропускная способность гетерогенной беспроводной сети
Входные параметры: - общая скорость отправления бит мультимедийных данных Входные параметры-. р - скорость отправления бит мультимедийных данных для потока р Входные параметры :ук - кадровая скорость мультимедийного потока для уровня
Интервал пересчета распределения информации Поскольку перерасчет распределения информации на потоки АРММП при получении каждого пакета RTCP RR внесет дополнительные временные задержки, необходимо определить интервал работы алгоритма. Основываясь на идее расчета RTCP интервала в [76] и идеи, рассмотренной в [72], вычислим интервал пересчета распределения информации на потоки как: Isch = а t, 0,5 а 1,5, где а - случайная величина, которая позволяет предотвратить синхронизацию нескольких отправителей, использующих для отправления один и тот же интерфейс; t - интервал между RTCP пакетами.
При разработке алгоритмов распределения и адаптации масштабируемого мультимедийного потока был проведен ряд предварительных экспериментов для нахождения временного интервала для скользящего среднего, который используется для расчета пропускной способности сети. В рамках диссертационного исследования было проведено 30 экспериментов с использованием различных трассировочных файлов ограничения пропускной способности сети. Очевидно, что размер т не влияет значительно на вычисление данного значения, как показано на рисунке 20. Таким образом, в рамках исследования было выбрано т = 10 с.
При разработке АРММП использован понижающий коэффициент, с помощью которого алгоритм понижает количество информации, распределяемой на поток. Перед оценкой эффективности предложенного решения был проведен ряд предварительных экспериментов для нахождения значения понижающего коэффициента f. При этом оценивались доля потерь и доля переходов качества при передаче масштабируемой последовательности мультимедийных данных. Результаты сравнения представлены на рисунке 21.
Под долей потерь понимается отношение количества потерь групп кадров к общему количеству групп кадров в последовательности мультимедийных данных. Доля переходов качества означает отношение количества групп кадров, которое было получено с другим уровнем качества к общему числу групп кадров последовательности мультимедийных данных.
В таблице 1 представлены среднее значение доли потерь и среднее значение доли переходов качества для всех проведенных в рамках диссертационного исследования экспериментах, а также их стандартное среднеквадратичное отклонение.
Из рисунка 21 и таблицы 1 следует, что при одинаковом количестве потерь использование понижающего коэффициента равного 0,8 позволяет получить меньшее количество переходов качества. Большое количество переходов ведет к неудовлетворенности пользователя. Однако же использование уровней улучшения видео улучшает качества последовательности мультимедийных данных [29, 57].
Формат трассировочных файлов, предоставляющие информацию о размере кадров и их качестве
Поясним коротко особенности вышеуказанных характеристик кадров, содержащихся в трассировочных файлах [70]. Характеристика времени воспроизведения кадра Пусть п,п = 0,1,2, ,N — 1 характеризует номер кадра в порядке воспроизведения. Также пусть Л означает период воспроизведения кадра в секундах, что является обратно пропорциональной характеристикой частоты воспроизведения кадров (кадровая скорость). В настоящее время большая часть мультимедийных последовательностей имеют кадровую скорость 30 кадров/с (или 25 кадров/с), что соответствует Д= 33,33 мс (или Д= 40 мс). Примем, что нулевой кадр п = 0 воспроизводится в момент времени ноль, тогда ап,п = 0,1,2, , /V — 1 характеризует момент времени, когда должен быть воспроизведен кадр п. Следует заметить, что оп дает общую длительность мультимедийных данных до момента воспроизведения кадра п — 1, включая его, т.е. ап = пА. Характеристика размера кадра Пусть Хп,п = 0,1,2, ...,7V — 1 характеризует размер закодированного кадра п. Причем Хп содержит только закодированную информацию уровня VCL без учета нагрузки инкапсуляции пакетов от уровня NAL. Характеристика качества кадра Характеризуя качество кадра, необходимо заметить, что для его оценки предложено использовать трассировочные файлы искажений для каждой из последовательностей мультимедийных данных. Тогда пусть Q , п = 0,1,2, ...,N — 1 характеризует PSNR (в Дб) кадра по компоненту яркости кадра п в трассировочном файле искажения, в то время как QH и Q% характеризуют кадр по компонентам цветности (U и V). Тогда искажение качества Q (d),n = 0,1,2, ...N — 1,d = 1,2, ...,g означает замену компонента PSNR кадра п + d кадром п.
Однако, следует отметить, что подобная схема позволяет оценить характеристику PSNR только в рамках группы кадров. В случае, если потеряны все кадры в рамках группы кадров предполагается, что возникла ситуация прерывания воспроизведения мультимедийного потока на принимающей стороне. В рамках данной работы мы рассматриваем компонент яркости Q% характеристики PSNR кадра, поскольку человеческое зрение наиболее чувствительно к данному компоненту.
На основе информации, имеющейся на стороне отправителя и получателя, показанной в разделе 4.2, возможно получить статистику о средней вариации задержки при передаче, среднем времени приема-передачи, количестве потерь для каждого из потоков, а также о среднем размере PSNR мультимедийных данных и о количестве переходов качества. Данные параметры характеризуют эффективность передачи мультимедийных данных в данной работе. Далее описан процесс анализа полученных данных и расчет необходимых параметров.
Анализ характеристик QoS осуществляется на основе текстовых файлов, полученных в ходе эксперимента и описанных в разделе 4.2. Задержка приема-передачи Задержка приема-передачи вычисляется согласно алгоритму, приведенному в разделе 2.1.4 в соответствии с формулой (6). Данный параметр вычисляется автоматически в ходе эксперимента и доступен в файле статистики на стороне отправителя. После проведения эксперимента возможно определить среднюю задержку приема передачи для всего сеанса связи для каждого из потоков: уМ птп -=г— Lim=l ир I) 88 где m Є М - количество записей в файле статистики, р Є Р - номер потока. Вариация задержки
Вариация задержки также вычисляется автоматически в ходе эксперимента согласно формуле (7). Информация о вариации задержки также содержится в файле статистики. Средняя вариация задержки для всего сеанса связи для каждого из потоков рассчитывается как: уМ т-тп у bm=isp где ж Є М - количество записей в файле статистики, р Є Р - номер потока. Количество потерь
В рамках диссертационного исследования принято для оценки качества предлагаемого решения использовать потери группы кадров. Влияние потерь единичных пакетов сглаживается механизмом компенсации потерь стандарта H.264/SVC, тогда как потеря группы кадров приведет к остановке воспроизведения мультимедийного потока на принимающей стороне на некоторое время. Так при передаче мультимедийной последовательности с кадровой скоростью 30 кадров/с и группой кадров GoP=16 остановка воспроизведения будет равна 0,5(3) с.
В рамках диссертационного исследования оценивалась доля потерь групп кадров по отношению к общему числу групп кадров в последовательности мультимедийных данных для каждого из потоков. Количество потерянных групп кадров вычисляется на основе данных файла о принятых пакетах и файла о переданных пакетах. 4.4.2 Анализ характеристик QoE Анализ характеристики PSNR Для вычисления PSNR мультимедийных данных на принимающей стороне был разработан алгоритм расчета характеристик PSNR. Расчет ведется для компоненты яркости характеристики PSNR. На основе данного алгоритма были разработаны и имплементированы скрипты на языках bash, awk, а также программа на языке C++, анализирующие текстовые файлы отправленных и полученных пакетов. Блок схема разработанного алгоритма, а также взаимосвязь шагов алгоритма с предложенными скриптами и программой представлена на рисунке 27.
В рамках данной работы для оценки результатов используются трассировочные файлы, описанные в разделе 4.3, вместо реальной последовательности мультимедийных данных. Благодаря этому довольно легко вычислить характеристику PSNR. Входными данными для алгоритма анализа PSNR являются: — информация о принятых пакетах Хп в рамках каждого из кадров п Є N, содержащаяся в текстовом файле получателя; — информация об отправленных пакетах Хп в рамках каждого из кадров п Є N, содержащаяся в текстовом файле отправителя. Далее дадим описание разработанного алгоритма. После завершения приема мультимедийного потока, алгоритм анализа PSNR считает количество принятых пакетов Хп в рамках каждого из кадров п Е N.