Содержание к диссертации
Введение
Глава 1 Обоснование необходимости разработки технологии адаптивной передачи видеоинформации по сети ATM 16
1.1 Особенности передачи MPEG видеоданных по сети ATM. 16
1.2 Сглаживание MPEG видеотрафика 24
1.3 Краткий обзор основных алгоритмов сглаживания, использующих буфер получателя 28
1.4 Адаптация структуры MPEG видеотрафика 31
1.5 Задачи диссертационного исследования 36
Выводы 37
Глава 2 Разработка алгоритмов адаптивного сглаживания MPEG видеотрафика, обеспечивающих повышение эффективности использования пропускной способности канала 38
2.1 Постановка задачи 38
2.2 Разработка алгоритма адаптивного сглаживания MPEG видеотрафика по принципу «макрокадров» 45
2.3 Разработка алгоритма адаптивного сглаживания MPEG видеотрафика по принципу «отклонения от середины тоннеля» 47
2.4 Разработка алгоритма адаптивного сглаживания MPEG видеотрафика но принципу «дальнего взгляда» 51
Выводы 68
Глава 3 Разработка алгоритма определения пропускной способности канала сети ATM, требуемой для передачи сглаженного MPEG видеотрафика . 69
3.1 Постановка задачи 69
3.2 Исследование статистических характеристик сглаженного MPEG видеотрафика 72
3.3 Выбор принципа построения модели источника сглаженного видеотрафика 76
3.4 Разработка модели источника сглаженного MPEG видеотрафика 82
3.5 Разработка модели обслуживания сглаженного видеотрафика в узле сети ATM 85
3.6 Алгоритм определения требуемой пропускной способности канала передачи 88
Выводы 89
Глава 4 Оценка адекватности и эффективности разработанных алгоритмов адаптивного сглаживания и определения требуемой пропускной способности канала 90
4.1 Постановка задачи оценки адекватности и эффективности алгоритмов адаптивного сглаживания MPEG видеотрафика 90
4.2 Оценка адекватности алгоритмов адаптивного сглаживания 92
4.3 Оценка эффективности алгоритмов адаптивного сглаживания 96
4.4 Постановка задачи оценки адекватности и эффективности алгоритма определения пропускной способности канала, требуемой для передачи сглаженного видеотрафика ..99
4.5 Оценка адекватности и эффективности алгоритма определения требуемой пропускной способности канала 101
Выводы 105
Заключение 106
- Краткий обзор основных алгоритмов сглаживания, использующих буфер получателя
- Разработка алгоритма адаптивного сглаживания MPEG видеотрафика по принципу «отклонения от середины тоннеля»
- Выбор принципа построения модели источника сглаженного видеотрафика
- Оценка адекватности алгоритмов адаптивного сглаживания
Введение к работе
Актуальность темы. Одной из характерных черт развития современной электросвязи является интеграция телекоммуникационных технологий и технологий обработки информации. Внедрение согласно единой стратегии развития Взаимоувязанной сети связи Российской Федерации широкополосных цифровых сетей с интеграцией служб (Broadband Integrated Digital Networks, B-ISDN) позволит предоставлять пользователям сетей связи широкий спектр разнообразных услуг [ I ]..
В качестве транспортного механизма сетей B-ISDN Международный союз электросвязи (International Telecommunication Union, ITU) рекомендовал использовать технологию асинхронного переноса (Asynchronous Transfer Mode, ATM). Сети B-ISDN, использующие в качестве транспортного механизма технологию ATM; получили название сетей ATM. Использование технологии ATM позволяет обеспечивать заданный уровень качества обслуживания (Quality of Service, QoS) различных видов трафика за счет наличия нескольких категорий обслуживания.
В настоящее время прогнозируется, что мультимедийная нагрузка будет доминирующей в общей нагрузке сетей B-1SDN, а основную составляющую мультимедийной нагрузки будут вносить услуги, связанные с передачей цифровой видеоинформации (видеоданных), такие как видеоконференции, цифровое телевидение высокой четкости (High Definition Digital Television, HDTV) и видео по запросу (Video on Demand, VoD) [13]. Видеоконференции позволяют общающимся абонентам видеть и слышать друг друга на расстоянии, цифровое телевидение - получать и воспроизводить видеоданные с высоким качеством, видео по запросу - интерактивно получать и воспроизводить видеоданные.
Для снижения требований к ресурсам хранения и передачи при реализации этих услуг исходная видеоинформация предварительно подвергается сжатию и кодированию согласно одному из предназначенных для этого стандартов. Наиболее распространенными из имеющихся на сегодняшний день стандартов в этой области являются стандарты, разработанные экспертной группой по движущимся изображениям MPEG (Moving Picture Experts Group). Основной особенностью при компрессии и кодировании видеоинформации согласно этим стандартам является образование в результате кодирования последовательности кадров различной визуальной значимости и размеров (далее - элементарной последовательности): базовых кадров (Intra frames, /-кадры), кадров однонаправленного предсказания (Predictive frames, /'-кадры) и кадров двунаправленного предсказания (Bi-directional frames, Я-кадры). Наибольшей визуальной значимостью и размерами среди всех типов кадров обладают /-кадры, сжатые независимо от других кадров. Р-кадры, создаваемые на основе предыдущего в
последовательности I- или Р-кадра, обладают меньшей визуальной значимостью и размерами. 5-кадры, образуемые на основе двух ближайших /- или Я-кадров - одного предыдущего, другого - последующего в последовательности, обладают наименьшей визуальной значимостью и наименьшими размерами, что позволяет при необходимости отбрасывать их из элементарной последовательности [14]. Для хранения и передачи элементарной последовательности кадров она подвергается программной или транспортной пакетизации с образованием последовательности программных или транспортных пакетов (далее - MPEG видеоданных).
Для сохранения постоянного качества воспроизведения видеоинформации, включающей в себя видеосюжеты различной визуальной сложности, на этапе ее компрессии и кодирования требуется выделять на создание кадров, представляющих сложный видеосюжет, большее число бит; чем на создание однотипных кадров, представляющих простой видеосюжет. Поэтому размеры кадров, представляющих сложный видеосюжет, больше размеров однотипных кадров, представляющих простой..
Ввиду различий в размерах как между однотипными (из-за различий в сложности видеосюжетов), так и между разнотипными (из-за особенностей кодирования) кадрами в элементарной последовательности поток MPEG видеоданных (далее MPEG видеотрафик), передаваемый в реальном масштабе времени, характеризуется значительными колебаниями скорости в пределах 1-10 Мбит/с [15].
При передаче такого MPEG видеотрафика по каналам с постоянной пропускной способностью их коэффициент использования является весьма низким [16]. В коммерческих сетях, где стоимость аренды каналов зависит от их пропускной способности, низкий коэффициент использования канала ведет к повышению стоимости предоставляемых на его базе услуг, что ограничивает их распространение среди пользователей.
Существенного повышения эффективности использования пропускной способности каналов передачи можно добиться с помощью технологии адаптивной передачи видеоинформации, которая заключается в адаптации передаваемого видеотрафика к характеристикам сети передачи и терминального оборудования [2].
Одним из основных элементов этой технологии является адаптивное «сглаживание» MPEG видеотрафика обеспечивающее уменьшении колебаний его скорости с учетом характеристик сети передачи и терминального оборудования и заключающееся в управлении скоростью видеотрафика на основе совместного использования традиционных подходов к сглаживанию с подходами, основанными на изменении (адаптации) структуры передаваемого видеотрафика [3-5].
Из числа традиционных для сглаживания MPEG видеотрафика могут быть использованы различные подходы, основными из которых являются [17, 18]:
временное мультиплексирование;
статистическое мультиплексирование (агрегирование);
упреждающее направление части видеоданных в буфер получателя для последующего воспроизведения.
Временное мультиплексирование реализуется путем введения буферного устройства на пути видеотрафика. При агрегировании уменьшение колебаний скорости достигается за счет одновременной передачи нескольких видеотрафиков [19]. При упреждающем направлении части видеоданных в буфер получателя уменьшение колебаний скорости достигается за счет передачи части больших по размеру кадров видеоданных в период передачи меньших. Этот подход является, как правило, одним из наиболее выгодных вследствие существенно большего объема и меньшей стоимости буферов получателя по сравнению с буферами сетевых устройств. Однако для проведения эффективного сглаживания с использованием существующих алгоритмов сглаживания, основанных на использовании этого подхода, как правило, требуются большие значения емкости буфера получателя и допустимой задержки воспроизведения [20]. При использовании буферов небольшой емкости и небольших задержках воспроизведения сглаженный видеотрафик сохраняет высокие колебания скорости, а при введении дополнительных ограничений на доступную пропускную способность канала большинство существующих алгоритмов сглаживания вообще не в состоянии обеспечить получателю видеоинформации требуемый им уровень качества обслуживания;
Основными подходами, используемыми для адаптации структуры MPEG видеотрафика, являются изменение разрешения и цветности передаваемого видеоизображения, а также регулирование частоты кадров. Изменение разрешения и цветности передаваемого видеоизображения достигается воздействием на процесс его кодирования.: Наиболее универсальным подходом, реализуемым как кодерами, так и видеосерверами, является регулирование частоты кадров передаваемого видеоизображения, производимое отбрасыванием части кадров из передаваемого потока.
Необходимость адаптивного сглаживания MPEG видеотрафика в условиях ограничений, определяемых характеристиками получателя и канала передачи видеоданных, требует разработки новых алгоритмов адаптивного сглаживания как базовых элементов реализации технологии адаптивной передачи видеоинформации по сетям ATM.
В последнее десятилетие вопросы, связанные с передачей видеоинформации в сетях ATM, рассматривались в работах Б.С. Гольдштейна, Я.С. Дымарского, С.А. Курицына, Н.И. Лычагина, Г.Г. Яновского, W. Feng, J, MacManus, J. Salehi, С. Tryfonas, J. Zhang [6-10, 20-24] и ряда других авторов. Анализ опубликованных результатов исследований показывает, что в этих работах недостаточное внимание было уделено рассмотрению вопросов разработки
элементов технологии адаптивной передачи видеоинформации, которые позволяли бы полнее учитывать ряд характеристик получателя и сети передачи видеоданных (значение доступной пропускной способности канала, размер буфера получателя, величина задержки воспроизведения, объем доступных видеосерверу данных).
Принимая во внимание все возрастающую долю MPEG видеотрафика в общей нагрузке сетей B-ISDN и необходимость уменьшения стоимости соответствующих услуг, задача исследования и разработки элементов технологии адаптивной передачи видеоинформации по сетям ATM является актуальной.
Объект исследования. Объектом исследования диссертационной работы является процесс передачи видеоинформации по сети ATM.
Предмет исследования. Предметом исследования диссертационной работы является технология адаптивной передачи MPEG видеоинформации по сети ATM,
Цель работы. Целью диссертационной работы является повышение эффективности использования пропускной способности каналов сети ATM на основе разработки и применения элементов технологии адаптивной передачи видеоинформации.
Поставленная цель диссертационной работы достигается путем решения следующих основных задач:
Анализ процесса передачи MPEG видеоданных по сети ATM и управления скоростью MPEG видеотрафика.
Разработка алгоритмов адаптивного сглаживания MPEG видеотрафика, основанных на адаптации структуры видеотрафика и его сглаживании и обеспечивающих уменьшение требований к пропускной способности канала и повышение эффективности ее использования.
Исследование статистических характеристик сглаженного видеотрафика, разработка модели его источника и процесса его обслуживания в узле сети ATM.
Разработка алгоритма определения пропускной способности канала, требуемой для передачи сглаженного видеотрафика.
Оценка адекватности и эффективности разработанных алгоритмов.
Методы исследовании. При проведении исследований в диссертационной работе используются методы общей теории связи, теории телетрафика, теории случайных процессов, теории вероятностей, математической статистики, теории массового обслуживания и вычислительной геометрии,-
При анализе структурных особенностей MPEG видеотрафика использовались кодеры и декодеры Elecard 2.0 [25] и анализаторы видеотрафика UMA.2000 [26], Реализация алгоритмов сглаживания произведена на языке программирования Borland C++ Builder 5.0. Для
моделирования процесса передачи сглаженного видеотрафика использован пакет SLAM II с реализацией части функций на языке программирования Borland C++ Builder 5.0. Часть численных расчетов, связанных с обработкой матриц, проведены в пакете MathCAD 2001 Professional. Анализ полученных результатов проводился в пакете STATISTICA 6.0.
Основные результаты работы и их новизна. Основными результатами работы являются разработанные алгоритмы адаптивного сглаживания MPEG видеотрафика и алгоритм определения необходимой пропускной способности для передачи сглаженного видеотрафика.
Новизна предложенных алгоритмов адаптивного сглаживания определяется использованием при адаптивном сглаживании MPEG видеотрафика новых принципов - «макрокадров», «отклонения от середины тоннеля» и «дальнего взгляда», а также возможностью учета ряда параметров видеосистемы. В отличие от известных алгоритмов [20, 22,24, 27-29 и др.], разработанные алгоритмы позволяют учитывать не только размер и заполненность буфера получателя, но и объем и структуру доступных отправителю видеоданных, а также доступную пропускную способность канала передачи, обеспечивая выполнение современных.требований по эффективному использованию пропускной способности каналов и уменьшению стоимости передачи.
Новизна разработанного алгоритма определения пропускной способности, требуемой для передачи сглаженного видеотрафика, заключается в использовании детерминированных процессов с дискретным временем, модулированных цепью Маркова, для моделирования источника сглаженного видеотрафика и процесса его обслуживания.
Теоретическая значимость результатов: исследований. Использование аппарата вычислительной геометрии в алгоритмах адаптивного сглаживания MPEG видеотрафика позволило формализовать ряд свойств и особенностей сглаживания, ускоряющих его проведение. Используемый подход к моделированию сглаженного видеотрафика с помощью мини-источников может быть предложен в качестве основного при построении других моделей видеотрафика. Разработанные элементы технологии адаптивной передачи видеоинформации являются расширением и дополнением к теории передачи информации в сетях ATM.
Практическая ценность результатов исследований. Результаты работы могут применяться при создании мультимедиа систем, использующих в качестве транспортных сети ATM, в особенности при проектировании и разработке систем, критичных к стоимости предоставляемых услуг.
Разработанные алгоритмы адаптивного сглаживания могут быть применены при реализации услуг, связанных с передачей MPEG видеоданных в условиях ограниченной и непостоянной пропускной способности каналов передачи сети ATM.
Алгоритм определения пропускной способности канала, требуемой для передачи сглаженного видеотрафика, может быть использован для определения минимальной пропускной способности каналов передачи, необходимой для воспроизведения MPEG видеоданных в системах типа «видео по запросу» с минимальным качеством.
Реализация результатов работы. Результаты работы реализованы в ФГУП «НИИ «РУБИН» (Санкт-Петербург) в ОКР «Система ATM», «Основание» и «Интеграл ATM», выполняемых в рамках Федеральных целевых программ. Акты о реализации приведены в приложении.
Апробация работы. Результаты диссертационной работы были представлены на следующих научно-технических конференциях:
LVIH Санкт-Петербургская международная конференция «Региональная информатика -
2002 (РИ-2002)», Санкт-Петербург, 26-28 ноября 2002 г.
2. Международная научно-техническая конференция «Информационные технологии в авиации - 2003 (ITA-2003)», г. Харьков, 29-30 октября 2003 г.
ЗЛІ Международная конференция «Экономика и инфокоммуникации в XXI веке», Санкт-Петербург, 24-29 ноября 2003 г.
4. III Межрегиональная конференция «Информационная безопасность регионов России -
2003 (ИБРР-2003)», Санкт-Петербург, 25-27 ноября 2003 г.
5.III Российская научно-техническая конференция «Новые информационные технологии в системах связи и управления», г. Калуга, 21-22 апреля 2004 г.
6.54, 55, 5б-я научно-технические конференции профессорско-преподавательского состава, научных работников и аспирантов СПбГУТ им. проф. М.А. Бонч-Бруевича, Санкт-Петербург, 2002-2004 гг.
Публикации по теме диссертации. Основные результаты работы опубликованы в 11 печатных работах:
І.Арсланов В.Ф. Алгоритм сглаживания трафика видеоинформации для передачи в сети ATM с сервисом ABR // Труды учебных заведений связи / СПбГУТ. СПб, 2003. №169. С. 31-44.
2.Арсланов В.Ф. Методика расчета параметров сервиса ATM ABR для передачи сглаженного трафика видеоинформации в системе видео по запросу // Радиоэлектронные и компьютерные системы. 2003. Вып.З. С. 85-90.
З.Арсланов В.Ф., Медников Ю.В. Проектирование терминального оборудования для мультисервисных сетей связи // Труды учебных заведений связи / СПбГУТ. СПб, 2002. №168. С. 188-199.
4.Арсланов В.Ф. и др. Многоуровневая статистическая модель передачи VBR MPEG трафика по сети ATM // Перспективы развития российской экономики: межвуз. сб. науч. тр. СПб, 2002. Вып. 4. С. 674-677.
5.Арсланов В.Ф. и др. Модель трафика для видеоконференций // Перспективы развития российской экономики: межвуз. сб. науч. тр. СПб, 2002. Вып. 4. С. 656-658.
б.Арсланов В.Ф. Метод адаптивной передачи MPEG видеоинформации по сети ATM // 56 НТК профессорско-преподавательского состава, научных работников и аспирантов: тез. докл. / СПбГУТ. СПб, 2004. С. 13.
7.Арсланов В.Ф, и др. Анализ технологии адаптивной передачи видеоинформации по сети ATM // III Российская НТК «Новые информационные технологии в системах связи и управления», г. Калуга, 20-22 апр. 2004 г.: мат-лы / КНИИТМУ. Калуга, 2004. Ч. 1. С. 122-124.
8.Арсланов В.Ф. Разработка алгоритмов адаптивного сглаживания MPEG видеотрафика для передачи по сети ATM // Ш Российская НТК «Новые информационные технологии в системах связи и управления», г. Калуга, 20-22 апр. 2004 г.: мат-лы / КНИИТМУ. Калуга, 2004. Ч. 1.С. 125-127.
9.Арсланов В.Ф. и др. Моделирование передачи закодированной видеоинформации в сети ATM // III Межрегиональная конференция «Информационная безопасность регионов России (ИБРР-2003)», Санкт-Петербург, 25-27 нояб.: мат-лы / СПОИСУ. СПб, 2003. ЧЛ. С. 132.
Арсланов В.Ф. и др. Анализ задержек информации при различных способах реализации видеосвязи // VIII Международная конференция «Региональная информатика-2002», Санкт-Петербург, 26-28 нояб.: мат-лы / СПОИСУ. СПб, 2002. ЧЛ. С. 60.
Арсланов В.Ф. и др. Анализ размера буфера компенсации в системах видеосвязи // VIII Международная конференция «Региональная информатика-2002», Санкт-Петербург, 26-28 нояб.:мат-лы/СПОИСУ. СПб, 2002. ЧЛ. С. 80.
Основные положения, выносимые на защиту:
алгоритм адаптивного сглаживания MPEG видеотрафика по принципу «макрокадров»;
алгоритм адаптивного сглаживания MPEG видеотрафика по принципу «отклонения от середины тоннеля»;
алгоритм адаптивного сглаживания MPEG видеотрафика по принципу «дальнего взгляда»;
модель источника сглаженного видеотрафика и его обслуживания;
алгоритм определения пропускной способности канала, требуемой для передачи сглаженного видеотрафика.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и трех приложений.
Работа содержит 143 страницы машинописного текста, включая 60 рисунков. Список литературы содержит 125 источников.
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы, сформулированы цели работы и задачи исследований, перечислены использованные методы исследований, приведены основные полученные результаты, раскрыта их новизна и практическая ценность, показаны возможные области их применений. Перечислены основные положения, выносимые на защиту, приведен список публикации и сведения об апробации результатов работы. .
В первой главе проведен анализ особенностей передачи MPEG видеоданных по сети ATM, проанализированы процессы сглаживания и адаптации структуры MPEG видеотрафика, обоснованы задачи исследования.
Известно, что в основе передаваемых MPEG видеоданных лежит последовательность кадров трех типов: I, Р и В, обладающих различной визуальной значимостью и размерами. Необходимость обеспечения постоянного качества воспроизводимого видеоизображения ведет к тому, что размеры как однотипных, так и разнотипных кадров в последовательности различаются и MPEG видеотрафик, передаваемый в реальном масштабе времени, характеризуется значительными колебаниями скорости в пределах 1-10 Мбит/с.
Такие колебания скорости видеотрафика затрудняют эффективное использование пропускной способности каналов передачи и предопределяют повышение стоимости предоставляемых услуг. Существенное повышение эффективности использования пропускной способности каналов может быть получено при внедрении технологии адаптивной передачи видеоинформации, которая заключается в адаптации передаваемого видеотрафика к характеристикам сети передачи и терминального оборудования.
Базовым элементом этой технологии является адаптивное «сглаживание» MPEG видеотрафика, заключающееся в управлении скоростью видеотрафика с целью уменьшения её колебаний с учетом характеристик сети передачи и терминального оборудования и повышения эффективности использования пропускной способности канала [2, 3]. Управление скоростью MPEG видеотрафика при этом производится за счет совместного использования традиционных подходов к сглаживанию и подходов, основанных на изменении (адаптации) структуры видеотрафика.
Для сглаживания MPEG видеотрафика могут быть использованы различные подходы, основными из которых являются временное мультиплексирование, статистическое мультиплексирование (агрегирование) и упреждающее направление части видеоданных в буфер по-
лучателя для последующего воспроизведения. Последний из подходов является ОДНИМ из наиболее выгодных вследствие существенно большего объема и меньшей стоимости буферов получателя по сравнению с буферами сетевых устройств. Задача сглаживания видеотрафика в этом случае сводится к построению кусочно-линейного графика передачи видеоданных внутри «тоннеля», образуемого графиками функций, определяющих условия переполнения и опорожнения буфера получателя.
Основными подходами, используемыми для адаптации структуры видеотрафика, являются изменение разрешения и цветности передаваемого видеоизображения, а также регулирование частоты кадров. Наиболее универсальным подходом к адаптации структуры видеотрафика, реализуемым как с помощью кодеров, так и с помощью видеосерверов, является регулирование частоты кадров, производимое отбрасыванием части кадров из элементарного потока. Отбрасывание кадров из элементарного потока ведет к ухудшению качества воспроизводимого видеоизображения. При этом степень ухудшения качества различна и зависит как от типа отброшенного кадра, так и от его положения в элементарном потоке кадров.
Для повышения эффективности отбрасывания кадров предлагается адаптацию структуры видеотрафика проводить согласно уровням адаптации, соответствующим определенной частоте кадров и маске их отброса из элементарного потока. Использование уровней адаптации позволяет производить плавное изменение качества воспроизводимого видеоизображения.:
Проведение адаптации структуры MPEG видеотрафика изменяет форму тоннеля, определяющего границы переполнения и опорожнения буфера получателя, делая его «гибким». Учитывая это, задача адаптивного сглаживания MPEG видеотрафика сводится к задаче построения кусочно-линейного графика передачи видеоданных V(t) внутри гибкого тоннеля 7*и определения на его основе «плана передачи видеоданных» R — матрицы, содержащей информацию о динамике изменения скорости видеотрафика и используемого при этом уровня адаптации его структуры.
Вторая глава посвящена разработке алгоритмов адаптивного сглаживания MPEG видеотрафика, основанных на использовании адаптации структуры MPEG видеотрафика и его сглаживании и обеспечивающих уменьшение требований к пропускной способности канала наряду с повышением эффективности ее использования.
Способ построения графика передачи видеоданных V(t) в тоннеле, определяющий способ организации адаптивного сглаживания, существенно зависит от размера его «видимой» части (уровня видимости), отражающего объем доступных отправителю видеоданных. Поэтому разработку алгоритмов адаптивного сглаживания предлагается провести с использованием различных принципов построения графика передачи видеоданных V{t) в зависимости от уровня видимости тоннеля:
принцип «макрокадров» - для малой видимости тоннеля;
принцип «отклонения от середины тоннеля» - для средней видимости;
принцип «дальнего взгляда» - для полной видимости тоннеля.
Исходными данными для всех алгоритмов является последовательность размеров кадров^, где і — номер кадра, размер буфера получателя В, определяющий высоту тоннеля, используемые уровни адаптации структуры видеотрафика Q, общее количество кадров в передаваемых , видеоданных. N, длительность передачи порции видеоданных w и доступная пропускная способность канала С,
Результатом реализации алгоритмов адаптивного сглаживания является матрица R {t, г, Qt D) - план передачи видеоданных, получаемая при определении методами вычислительной геометрии положения графика передачи видеоданных V(i) в гибком тоннеле и содержащая моменты времени ti, соответствующие началу передачи і'-й порции видеоданных, скорости передачи г, и уровни адаптации Qi, а также значение задержки воспроизведения D.
Третья глава посвящена разработке алгоритма определения пропускной способности канала сети ATM, требуемой для передачи сглаженного видеотрафика.
Пропускная способность, требуемая для передачи видеотрафика, сглаженного по принципам «отклонения от середины тоннеля» и «дальнего взгляда», определяется его максимальной скоростью, так как этот видеотрафик характеризуется существенно более длительными участками с постоянной скоростью, чем видеотрафик, сглаженный по принципу «макрокадров».
Значение пропускной способности, требуемое для передачи видеотрафика, сглаженного по принципу «макрокадров», за счет использования емкости буферов узлов сети ATM может быть выбрано ниже значения, соответствующего максимальной скорости видеотрафика. Поэтому актуальной является разработка алгоритма определения пропускной способности только для видеотрафика, сглаженного по принципу «макрокадров».
В основе алгоритма лежит использование модели источника сглаженного видеотрафика и процесса его обслуживания в узле сети ATM. Узел сети ATM представляется буферным накопителем, обслуживаемым с постоянной скоростью. Уровень потерь ячеек определяется переполнением буферного накопителя. Источник последовательности размеров макрокадров сглаженного видеотрафика представляется группой одинаковых мини-источников с двумя состояниями, соответствующими низкой и высокой скоростям генерации ячеек. Пере--ходы между состояниями мини-источников определяются цепью Маркова. Параметрами модели являются количество мини-источников, вероятности переходов из состояния с низкой скоростью в состояние с высокой скоростью генерации ячеек и наоборот, а также значения низкой и высокой скоростей генерации ячеек. Значения параметров модели источника опре-
деляются на основе статических характеристик последовательности размеров реальных макрокадров сглаженного видеотрафика. Генерируемая с помощью предложенной модели источника последовательность является одной из реализаций детерминированного процесса, модулированного цепью Маркова (Markov Modulated Deterministic Process, MMDP).
Процесс обслуживания сглаженного видеотрафика в узле сети ATM можно рассматривать, используя систему массового обслуживания вида MMDP/D/1/K. Анализ функционирования системы MMDP/D/1/K позволил получить выражение для определения требуемой пропускной способности канала передачи.
Искомый алгоритм определения требуемой пропускной способности канала для передачи сглаженного видеотрафика включает в себя последовательное определение статистических характеристик реального сглаженного видеотрафика, определение значений параметров модели источника сглаженного видеотрафика и определение требуемой пропускной способности согласно выражению, полученному из анализа системы MMDP/D/1/K.
Четвертая глава посвящена оценке адекватности и эффективности разработанных алгоритмов адаптивного сглаживания и определения пропускной способности канала. Оценка проводилась с применением реальных последовательностей размеров кадров видеофильмов, использованных ранее рядом исследователей при решении различных задач, связанных с передачей MPEG видеотрафика.
Реализация разработанных алгоритмов адаптивного сглаживания показала, что данные алгоритмы обеспечивают выполнение основных задач сглаживания: отсутствие переполнения и опорожнения буфера получателя в процессе передачи MPEG видеоданных, уменьшение уровня колебаний скорости видеотрафика и повышение эффективности использования пропускной способности канала, что позволило сделать вывод об адекватности разработанных алгоритмов. Значения коэффициентов использования пропускной способности канала, полученные при применении разработанных алгоритмов адаптивного сглаживания: по принципам «макрокадров», «отклонения от середины тоннеля» и «дальнего взгляда», превысили значения коэффициентов, полученных при реализации других известных алгоритмов сглаживания, использующих для построения планов передачи аналогичные объемы видеоданных. Требования к пропускной способности каналов при этом уменьшились, что позволило сделать вывод об эффективности предложенных алгоритмов.
Оценка адекватности и эффективности разработанного алгоритма определения пропускной способности канала, требуемой для передачи сглаженного видеотрафика, проведена путем сравнения значений пропускной способности, полученных с его помощью, с экспериментально полученными значениями и значениями, полученными с помощью двух других известных алгоритмов оценки пропускной способности (основанных на аппроксимации гис-
тограммы размеров кадров нормальным распределением и на «эффективном» назначении
пропускной способности).
Значения пропускной способности, полученные с помощью разработанного алгоритма, лишь незначительно отличались от экспериментально полученных данных и точнее значений, полученных при использовании двух других указанных алгоритмов, что подтвердило адекватность и эффективность разработанного алгоритма определения пропускной способности, требуемой для передачи сглаженного видеотрафика
В заключении приведены основные результаты диссертационной работы и намечены направления дальнейших исследований.
т В приложениях рассмотрены особенности MPEG видеоданных и технологии ATM, а
также приведены акты о внедрении результатов работы.
»
Краткий обзор основных алгоритмов сглаживания, использующих буфер получателя
Вид графика передачи видеоданных, полученного с помощью этого алгоритма, имеет вид нити, натянутой в тоннеле. Динамика изменения скорости видеотрафика до и после сглаживания с использованием алгоритма OS приведена на рисунке 1.10.6.
Алгоритм RCBS (rate-constrained bandwidth smoothing — сглаживание по ограниченной пропускной способности) позволяет строить график передачи, используя только нижнюю границу тоннеля FKK7K(t) [44, 45]. График передачи видеоданных, построенный с помощью этого алгоритма, лежит настолько близко к нижней границе тоннеля, насколько это позволяет заданное значение максимальной скорости сглаженного видеотрафика г (рисунок 1.10.в).. При построении графика передачи видеоданных с использование данного алгоритма просматриваются все размеры кадров, начиная с последнего. Кадр, размер которого превышает размер, определенный заданной максимальной скоростью передачи г, разбивается на части, передаваемые заранее в буфер получателя для последующего воспроизведения..
Алгоритм On-Off (включено-выключено) для заданного максимального значения скорости сглаженного трафика г позволяет строить график передачи с чередующимися участками On и Off. На участках On видеоданные передаются с постоянной скоростью, соответствующей заданной скорости г, а на участках Off видеоданные не передаются (рисунок 1 ЛО.г) [46]. В качестве недостатков алгоритма следует отметить использование пропускной способности канала передачи только в периоды On.
Основным принципом алгоритма CRTT (constant rate transmission and transport — передача с постоянной скоростью) является передача всех видеоданных получателю с постоянной скоростью [20]. Использование подобного принципа ведет к необходимости передачи большой части видеоданных в буфер получателя до начала воспроизведения и, следовательно, требует большого размера буфера. получателя. Так, для передачи видеофильма «StarWars», закодированного согласно стандарту MPEG-1, при использовании этого алгоритма требуется буфер размером 23 Мб.
Алгоритм PCRTT (piecewise constant rate transmission and transport — частичная передача с постоянной скоростью) явился развитием алгоритма CRTT [20]. График передачи видеоданных согласно этому алгоритму строится с использованием всего лишь одной границы РнижСО. Время воспроизведения видеоданных делится на интервалы фиксированной длительности. Соединяя прямыми отрезками точки пересечения границ временных интервалов с нижней границей тоннеля ниж(0» строится кусочно-линейный график. Сдвигая его вверх по оси ординат до тех пор, пока он не перестанет пересекать FHH5K(f), получают искомый график передачи видеоданных. Величина сдвига плана передачи по оси ординат определяет размер задержки воспроизведения и минимальный объем его буфера. Сглаженный с использованием этого алгоритма видеотрафик изменяет свою скорость через фиксированные промежутки времени (рисунок І.ІО.д).
Алгоритм PCRTT-DP (PCRTT с использованием динамического программирования) явился развитие алгоритма PCRTT [47]. Алгоритм перебирает различные варианты графиков передачи видеоданных, полученных с помощью алгоритма PCRTT и различающихся расположением границ линейных участков, выбирая график передачи с минимальным значением заданного параметра оптимизации (рисунок І.ІО.е). Данный алгоритм характеризуется высокой вычислительной сложностью.
Таким образом, краткий анализ основных существующих алгоритмов сглаживания, использующих упреждающее направление части видеоданных в буфер получателя, показывает, что рассмотренные алгоритмы сглаживания используют лишь незначительное число параметров, характеризующих сеть передачи и терминальное оборудование. Так, рассмотренные алгоритмы сглаживания при наличии ограничений на доступную пропускную способность канала передачи либо вообще не обеспечивают возможности проведения сглаживания (алгоритмы МСВА, OS, On-Off), либо требуют для этого наличия буфера большого размера и введения значительной задержки воспроизведения (RCBS, CRTT, PCRTT, PCRTT-DP). Кроме того, рассмотренные алгоритмы не содержат механизмов, позволяющих адаптировать сглаженный видеотрафик к характеристикам сети передачи и терминального оборудования, что существенным образом ограничивает их использование и не отвечает современным требованиям эффективного использования пропускной способности каналов. Механизмом, позволяющим воздействовать на характеристики сглаженного MPEG видеотрафика с учетом характеристик сети передачи и терминального оборудования, является адаптации его структуры [2, 3, 5].
Адаптация структуры видеотрафика к характеристикам сети передачи и терминального оборудования может быть проведена с использованием различных воздействий на видеотрафик. Основными внешними условиями, к которым необходимо адаптировать структуру видеотрафика, являются уровень потерь ячеек в сети и пропускная способность канала передачи.
Адаптация структуры видеотрафика к уровню потерь ячеек в сети передачи может быть произведена выбором типа используемого потока MPEG видеоданных. При высоких уровнях потерь ячеек в сети целесообразно использование транспортного потока, как более защищенного. При небольших уровнях потерь (что в целом характерно для сетей ATM) эффективнее использование программного потока. Оценка эффективности использования программного и транспортного потоков MPEG для передачи по сети ATM проведена в приложении Б.
Основным способом адаптации структуры MPEG видеотрафика к уровню доступной. пропускной способности канала сети ATM является использование многоуровневой передачи видеоинформации, В основе многоуровневой передачи видеоинформации лежит тот факт, что линейное увеличение количества выделяемых бит в единицу времени на кодирование (скорости кодирования) исходного видеоизображения не ведет к линейному улучшению визуального качества воспроизводимого видеоизображения [48]. Каждому фиксированному значению приращения скорости кодирования AR. соответствуют различные, все уменьшающиеся значения изменения искажений AD (рисунок 1.11).
Это позволяет во всем диапазоне скоростей кодирования выделить несколько уровней, соответствующих различным уровням визуального качества воспроизводимого видеоизображения, создавая для одного и того же видеоизображения несколько «сортов» видеоданных, характеризующихся различной скоростью видеотрафика и представляющих исходное видеоизображения с различным визуальным качеством («сортовая схема»). Другим методом является создание видеоданных с иерархичной компонентной структурой, позволяющей каждому компоненту видеоданных уточнять видеоизображение, представляемое нижележащими компонентами видеоданных («кумулятивная схема») [49, 50]. Подобные схемы позволяют производить многоуровневую передачу видеоинформации, при которой в зависимости от уровня доступной пропускной способности канала сети ATM выбирается либо необходимый «сорт» видеоданных («сортовая схема»), либо количество необходимых компонентов для передачи («кумулятивная схема»).
Разработка алгоритма адаптивного сглаживания MPEG видеотрафика по принципу «отклонения от середины тоннеля»
В случае, если значение пропускной способности канала С недостаточно для передачи текущего макрокадра в течение длительности одной группы кадров, производятся перестроение тоннеля Т и адаптация структуры макрокадра согласно уровням, приведенным в таблице 1 .4, до тех пор, пока значение С не станет достаточным для его передачи: (блоки 6, 7, 9, II). Передача видеоданных производится в соответствии с получаемым планом Л (блоки 10, 12,13).
Основными достоинствами алгоритма адаптивного сглаживания по принципу «макрокадров» являются относительно невысокая вычислительная сложность и возможность проведения сглаживания видеотрафика с использованием небольшого объема видеоданных, содержащихся в одной группе кадров. Эти достоинства алгоритма позволяют использовать: его при сглаживании видеотрафика в реальном масштабе времени.
Одним из важных вопросов при реализации этого алгоритма является определение минимальной пропускной способности канала, требуемой для передачи сглаженного видеотрафика. Выбор пропускной способности на уровне, достаточном для передачи наибольшего макрокадра, является нерациональным и ведет к низкому коэффициенту использ ования пропускной способности канала. Для определения минимального значения пропусісиой способности, требуемой для передачи сглаженного видеотрафика, необходима разработка соответствующего алгоритма.
Алгоритм адаптивного сглаживания по принципу «макрокадров» позволяет производить адаптивное сглаживание MPEG видеотрафика, используя лишь текущий ма крокадр, состоящий из одной группы кадров. Использование столь небольшого объема вид оданнЬ1Х не позволяет значительно уменьшать колебания скорости видеотрафика.
В основу алгоритма адаптивного сглаживания по принципу «отклонения от середины тоннеля» предлагается положить использование графика передачи видеоданных «ізо звеньями, количество которых равно количеству групп кадров GoP в передаваемых MPE J видеоданных, и вершинами, временные координаты которых соответствуют границам секций, образуемых длительностями воспроизводимых получателем групп кадров.
В отличие от алгоритма по принципу «макрокадров» в процессе построе: ия графика передачи видеоданных наклон звена в текущей секции выбирается равным накп онУ звена в предыдущей секции, если это не ведет к нарушению равенства (2.15). В проти: зном случае наклон звена в текущей секции выбирается с помощью коэффициента g, опредс тяющего отклонение от среднего межграничного, согласно (2.15), наклона внутри тоннеля (принцип «отклонения от середины тоннеля»).
Алгоритм адаптивного сглаживания по принципу «отклонения от середины тоннеля» изображен на рисунке 2.10. Исходными данными алгоритма являются последовательность размеров кадров несглаженного видеотрафика/, состоящая из 2 -w элементов, размер буфера В и значение пропускной способности канала С.
Построение графика передачи видеоданных начинается из вершины Ао(0, В/2), расположенной в середине тоннеля (блок 1).
После построения тоннеля на глубину видимости (блок 3) определяются максимальная и минимальная скорости передачи порций видеоданных в тоннеле г тшах, Лмтіп со гласно выражениям (2.13) и (2.14) (блок 4). Выбор скорости передачи текущей порции видеоданных п производится согласно фрагменту алгоритма на рисунке 2.9. После этого производится определение положения следующей вершины At графика передачи видеоданных (блок 5). Задержка воспроизведения D определяется из условия сохранения постоянной скорости передачи первой порции (блоки 7, 8). Адаптация структуры порций видеоданных производится аналогично алгоритму по принципу «макрокадров» (блоки 6, 9,. 11, 13). Передача видеоданных осуществляется согласно получаемому плану R (блоки 12,14, 15). Минимальный размер буфера В, требуемый для сглаживания видеотрафика для заданных длительностей передачи порций w и пропускной способности канала С, определяются возможностью построения графика передачи видеоданных T\t) внутри тоннеля высотой В. Пример графика передачи V(t), построенного с помощью алгоритма адаптивного сглаживания по принципу «отклонения от середины тоннеля» для первых 400 с видеофильма «Агент 007» при значениях С = 1 Мбит/с, = 0, = 4сиЯ = 1,92 Мб, приведен на рисунке 2.11. При наличии у отправителя больших объемов видеоданных у него появляется возможность прогнозировать динамику потребления пользователем видеоданных на более длительном периоде времени. Это позволяет построить план передачи видеоданных, обеспечивающий передачу более сглаженного видеотрафика и более высокую эффективность использования пропускной способности канала, нежели при использовании алгоритмов адаптивного сглаживания по принципу «макрокадров» и «отклонения от середины тоннеля». Построение графика передачи видеоданных в этом случае производится внутри тоннеля заранее известной формы. С целью снижения требований к пропускной способности канала и повышения коэффициента его использования, а также для обеспечения плавности изменения качества видеоизображения построение графика передачи видеоданных V(t) производится исходя из следующих требований к его виду: - количество линейных участков (звеньев), составляющих график передачи V(t), должно быть минимально возможным в данном тоннеле; - звено, обладающее максимальным наклоном среди всех звеньев, составляющих V(t), должно иметь минимальный наклон среди аналогичных звеньев любых других графиков передачи, возможных в данном тоннеле; - звено, обладающее минимальным наклоном среди всех звеньев, составляющих V(t), должно иметь максимальный наклон среди аналогичных звеньев любых других графиков передачи, возможных в данном тоннеле. Построение графика передачи видеоданных V(i), удовлетворяющего перечисленным требованиям, предлагается производить следующим образом: 1. Разбить тоннель на М равных секций, соответствующих длительностям групп кадров GoP. 2. Проложить с линии старта прямолинейный путь (линия «дальнего взгляда») в тоннеле на самое дальнее возможное расстояние в направлении линии финиша до пересечения с одной из границ тоннеля. 3. Из каждой точки пересечения полученной линии «дальнего взгляда» с границами секций («точки взгляда») провести новые линии дальнего взгляда в тоннеле в направлении линии финиша. 4. Из проведенных линий дальнего взгляда выбрать ту, конец которой ближе остальных приближается к линии финиша. Точку взгляда, из которой проведена эта линия («точку дальнего взгляда») принять в качестве вершины графика передачи V(t). 5. Повторять п.п. 3, 4 до достижения линии финиша (рисунок 2.12).
Выбор принципа построения модели источника сглаженного видеотрафика
Ввиду того, что видеосюжеты кодируемого видеоизображения обладают близкой степенью визуальной сложности, размеры соседних макрокадров обладают некоторой зависимостью. Временная зависимость между размерами макрокадров в последовательности отражается функцией автокорреляции A(w), представляющей собой зависимость коэффициента корреляции между размерами макрокадров от времени, разделяющего эти кадры, называемого также временным лагом: где w - автокорреляционный интервал (лаг), макрокадров; п - номер макрокадра.
Рассматривая последовательное изменение размеров макрокадров во времени как стохастический процесс, следует отметить, что стохастические процессы можно классифицировать как независимые, зависимые в узком диапазоне времени (Short Range Dependence, SRD) и зависимые в широком диапазоне времени (Long Range Dependence, LRD) [52]. Автокорреляционная функция для независимых процессов имеет нулевое значение для всех положительных лагов (обратное неверно). Быстрое убывание автокорреляционной функции отражает свойство SRD, а медленное — LRD. Считается, что последовательность обладает свойством LRD, если автокорреляционная функция A(w) w при w—»оо, где Н"— значение параметра Херста [53, 54],
При аппроксимации реальной автокорреляционной функции многие исследователи придерживаются мнения о необходимости достижения схожести с ней на всем диапазоне ее изменения, требуя тем самым отражения как свойства SRD, так и свойства LRD [55-58]. Однако ряд других авторитетных исследователей полагают преувеличенным мнение о существенном значении свойства LRD при оценке требуемой пропускной способности, размеров буферных устройств и уровня потерь видеотрафика в сети ATM [59-61]. Принимая во внимание дополнительно тот факт, что рассматриваемые последовательности являются последовательностями макрокадров, при аппроксимации автокорреляционной функции основным, критерием схожести в данном случае целесообразно принять схожесть в диапазоне малых лагов, отражающую свойство SRD - зависимости в узком диапазоне времени.
Учитывая вышесказанное, автокорреляционные функции последовательностей размеров макрокадров сглаженного MPEG видеотрафика могут быть аппроксимированы функцией.
В таблице 3.4 приведены значения коэффициентов а для различных последовательностей размеров макрокадров. Необходимо отметить, что подобное представление автокорреляционной функции является приближенным и возможно лишь при рассмотрении последовательности размеров макрокадров сглаженного видеотрафика. В случае рассмотрения последовательности размеров кадров несглаженного MPEG видеотрафика подобное представление недопустимо ввиду наличия сильных зависимостей между размерами кадров.
Таким образом, последовательность размеров макрокадров сглаженного видеотрафика может быть описана пятью статистическими характеристиками: Д V, ц, а, а. Такими же статистическими характеристиками должна обладать числовая последовательность, генерируемая математической моделью источника последовательности размеров макрокадров сглаженного видеотрафика. Для ее разработки требуется рассмотреть существующие подходы к моделированию видеотрафика и определить принцип построения модели. При этом, учитывая быстрое убывание функции автокорреляции последовательности размеров макрокадров сглаженного видеотрафика, основное внимание необходимо уделить моделям, способным отражать свойство SRD.
Начиная с начала 90-х годов в специальной литературе уделялось большое внимание разработке моделей источников различных видов трафика, в том числе видеотрафика. Резюмируя ряд работ, посвященных разработке и классификации моделей источников видеотрафика [63-65], из ряда моделей, способных отражать свойство зависимости в узком диапазоне времени SRD, можно выделить две основные категории: модели, основанные на цепях Маркова (модели On-Off [66], ГРР [67, 68], ММРР [62, 69, 70], D-BMAP [71], MMFF [72], MMDP [73], ММВР [74] и др.); модели, основанные на авторегрессионных процессах (модели AR(p) [75, 76], DAR(p) [62, 77], ARMA(p,q) [78, 79], ARIMA(p,q) [80], TES [81-84], PAR [85] и др.). В моделях, основанных на цепях Маркова, источник видеотрафика имеет несколько состояний, каждое из которых соответствует определенному набору значений параметров потока (процесса) генерации. В качестве процессов генерации могут выступать любые известные процессы (равномерный, Бернулли, Пуассона, авторегрессионый и т.п.). Переходы источника из состояния в состояние соответствуют изменению значений параметров процесса генерации и определяются цепью Маркова.
Наиболее простой моделью, основанной на цепях Маркова, является модель On-Off [66]. Источник видеотрафика имеет два состояния «On» (Включено) и «Off» (Выключено). Нахождению источника в состоянии «On» соответствует генерация заявок (ячеек, пакетов и т.п.) с фиксированной скоростью. При переходе источника в состояние «Off» генерация прекращается (рисунок 3.4).
Средние значения времен нахождения в каждом из состояний равны 1/а для состояния «On» и 1/р для состояния «Off» соответственно. Параметрами модели являются скорость генерации в состоянии «On» и вероятности переходов а и (3.
Модель ГРР (Interrupted Poisson Process - пуассоновскии процесс с прерываниями) предполагает аналогичный модели On-Off вид источника. Отличием модели ГРР является то, что в активном состоянии источник вместо равномерного генерирует пуассоновскии процесс с интенсивностью Я (рисунок 3.5).
Оценка адекватности алгоритмов адаптивного сглаживания
Нахождение построенных графиков передачи видеоданных внутри тоннелей является подтверждением исключения переполнения и опорожнения буфера получателя в процессе передачи видеоданных.
Таким образом, разработанные алгоритмы адаптивного сглаживания позволяют уменьшить колебания скорости видеотрафика и требования к пропускной способности канала, повысить коэффициент ее использования, а также обеспечить отсутствие переполнения и опорожнения буфера получателя в процессе передачи видеоданных. Все это позволяет сделать вывод об адекватности разработанных алгоритмов адаптивного сглаживания MPEG видеотрафика.
Как было указано в постановке задачи, оценка эффективности алгоритмов адаптивного сглаживания производится на основе сравнения значений требуемой пропускной способности канала и коэффициентов ее использования, получаемых при использовании разработанных алгоритмов адаптивного сглаживания, со значениями показателей, получаемых при использовании других известных алгоритмов сглаживания, использующих аналогичные объемы видеоданных для построения планов передачи. Для определения коэффициента использования пропускной способности канала при передаче сглаженного видеотрафика положим, что видеотрафик передается по каналу постоянной пропускной способности, выбираемой на уровне соответствующем максимальной скорости сглаженного видеотрафика. Коэффициент использования пропускной способности канала в этом случае определяется отношением средней скорости сглаженного видеотрафика к его максимальной скорости.
В качестве алгоритмов сглаживания, применяемых для оценки эффективности разработанных алгоритмов адаптивного сглаживания, ит использующих аналогичные объемы видеоданных при построении планов передачи, были выбраны алгоритм сглаживания «по группам кадров» [91], алгоритм по принципу «средней скорости» [92] и алгоритм «оптимального сглаживания» [22]. Перечисленные алгоритмы сглаживания используют для построения планов передачи объемы видеоданных аналогичные объемам, используемым алгоритмами адаптивного сглаживания по принципам «макрокадров», «отклонения от середины тоннеля» и «дальнего взгляда» соответственно.
Алгоритм сглаживания «по группам кадров» предполагает передачу видеоданных в течение длительности группы кадров (GoP) со скоростью, соответствующей среднему по GoP размеру кадра. Алгоритм сглаживания по принципу «средней скорости» использует для построения плана передачи объем видеоданных, существенно больший объема, содержащегося в одной GoP, Передача видеоданных производится порциями со скоростью, выбираемой из условия прохождения графика передачи видеоданных в середине тоннеля. Алгоритм «оптимального сглаживания» использует для построения плана передачи весь объем видеоданных. План передачи видеоданных строится из условия обеспечения минимума колебаний скорости сглаженного видеотрафика. График передачи видеоданных, построенный с использованием этого алгоритма, имеет вид нити, натянутой внутри тоннеля от линии старта до линии финиша.
В результате реализации алгоритмов для различных последовательностей размеров кадров и построения соответствующих планов передачи видеоданных, были получены значения требуемой пропускной способности канала и коэффициентов ее использования, достигаемые при передаче сглаженного видеотрафика. Значения требуемой пропускной способности канала и коэффициентов ее использования канала для различных последовательностей размеров кадров при использовании различных алгоритмов сглаживания приведены в таблицах 4.3 и 4.4, где аббревиатуры алгоритмов «GoP», «СС» и «ОС» означают соответственно использование алгоритмов сглаживания «по группам кадров», по принципу «средней скорости» и «оптимального сглаживания», а аббревиатуры «МК», «ОСТ» и «ДВ» означают соответственно использование алгоритмов адаптивного сглаживания по принципам «макрокадров», «отклонения от середины тоннеля» и «дальнего взгляда».
Размер буфера получателя при проведении сглаживания для всех алгоритмов был выбран равным 1 Мб.
В результате анализа данных, приведенных в таблицах 4.3 и 4.4, было определено, что значения коэффициентов использования пропускной способности канала, полученные при применении разработанных алгоритмов адаптивного сглаживания по принципам «макрокадров», «отклонения от середины тоннеля» и «дальнего взгляда», в среднем на 24.2, 30.6 и 30.1% соответственно превысили значения коэффициентов, полученные при реализации других известных алгоритмов сглаживания, использующих для проведения сглаживания аналогичные объемы видеоданных. Требования к пропускной способности каналов при этом уменьшились в среднем на 19.6, 9.6 и 8.1% соответственно, что свидетельствует об эффективности предложенных алгоритмов.
Одним из элементов адаптивного сглаживания, определяющим эффективность разработанных алгоритмов адаптивного сглаживания и обеспечивающим снижение требований к пропускной способности канала наряду с повышением коэффициента ее использования, является адаптация структуры видеотрафика. Использование адаптации структуры видеотрафика при проведении сглаживания сопровождается отбрасыванием части 5-кадров из общего потока кадров, что ухудшает качество воспроизводимого видеоизображения. Степень ухудшения качества видеоизображения может быть оценена количеством отброшенных 5-кадров.
В качестве примера, иллюстрирующего эту особенность адаптивного сглаживания, на рисунке 4.4 показаны зависимости коэффициента использования пропускной способности канала U и количества отброшенных -кадров Z от уровня доступной пропускной способности канала С. Графики построены при размере буфера получателя 1 Мб для последовательности размеров кадров «Star Wars».
