автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.13, диссертация на тему:Исследование зависимости качества видеоизображения от характеристик канала передачи в сети GSM

я

На правах рукописи

U

КУРАКИН ОЛЕГ ВАЛЕРЬЕВИЧ

ИССЛЕДОВАНИЕ ЗАВИСИМОСТИ КАЧЕСТВА ВИДЕОИЗОБРАЖЕНИЯ ОТ ХАРАКТЕРИСТИК КАНАЛА ПЕРЕДАЧИ В СЕТИ GSM

Специальность 05.13.13 - Телекоммуникационные системы и компьютерные сети

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Санкт-Петербург 2009

003467164

Работа выполнена в Санкт-Петербургском государственном университете телекоммуникаций им. проф. М.А. Бонч-Бруевича.

Научный руководитель

Официальные оппоненты

доктор технических наук, профессор Мстислав Аркадьевич Сивере

доктор технических наук, профессор Роберт Евгеньевич Быков

кандидат технических наук, профессор Сергей Эдуардович Коганер

Ведущая организация

ЛОНИИС

Защита диссертации состоится «

м_ .РуШлЛ^ 2009 г. в Ж.

часов на заседании диссертационного совета Д 219.004.02 при Санкт-

Петербургском государственном университете телекоммуникаций им. проф.

М.А. Бонч-Бруевича по адресу: 191186 Санкт-Петербург, наб. реки Мойки, д.

61.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета.

Отзыв на автореферат в двух экземплярах, заверенных печатью учреждения, просим направлять по вышеуказанному адресу на имя ученого секретаря диссертационного совета.

Автореферат разослан « ¿Ы/гес/^гт г.

Ученый секретарь диссертационного совета кандидат технических наук, доцент

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. В настоящее время рынок мобильной связи достигает насыщения: по данным аналитических компаний, проникновение мобильной связи в России превышает 100%. На этом фоне расширение спектра предоставляемых оператором услуг и повышение их качества становятся необходимыми факторами в конкурентной борьбе.

Помимо таких распространенных приложений, как видеотелефония и просмотр видеоклипов, услуги на основе передачи видеоизображений могут найти применение в других сферах деятельности человека, например, в промышленности (мониторинг территорий повышенной опасности, удаленный контроль газовых и нефтедобывающих вышек, трубопроводов) и видеонаблюдешш (контроль опасных участков автодорог, охранные системы и т.п.).

Развитие систем мобильной связи направлено на создание передовых технологий, которые позволяют подготовить базу для реализации таких услуг, как передача видео. Важным этапом развития мобильной связи является переход к системам 3-го поколения 3G (3-d Generation). Технологии 3G предусматривают внедрение услуг, связанных с передачей видеоданных, но требуют развертывания новой сети связи.

В то же время наиболее распространенным стандартом сотовой связи в мире является GSM. Количество абонентов сетей GSM в мире превышает 80% от общего количества пользователей мобильной связи. Развитием системы GSM является технология высокоскоростного радиодоступа EDGE. Для внедрения EDGE в системе GSM требуются незначительные изменения конфигурации сети по сравнению с 3G. Технология EDGE предоставляет возможности по скорости передачи, сопоставимые с 3G, подходящие для организации услуг на основе передачи видео, что стало отправной точкой исследований, выполненных в данной работе.

Важным условием конкурентоспособности видеоуслуг является качество сервиса. Качество приема видеоизображения зависит от многих факторов, в том числе от типа передаваемой видеоинформации, используемого видеокодека, а также от характеристик канала передачи. Для оценки влияния этих факторов в работе используются численные оценки качества видеосигналов.

Ограниченный частотный ресурс, невысокие скорости передачи в мобильной связи вызывают необходимость определения граничных значений требуемой пропускной способности канала для передачи видео нужного качества. Важным фактором, влияющим на качество видеоизображения, является поме-ховая обстановка в канале мобильной связи; поэтому необходима оценка ее влияния на передаваемый видеосигнал. Рассматриваемые в данной работе объекты исследования, в конечном итоге, позволят установить связь между трафиком передачи видеосигнала, качеством передаваемого видеоизображения и скоростью передаваемой информации, а также влияние отдельных частей сети передачи на указанные характеристики.

Таким образом, диссертационная работа, посвященная исследованию характеристик и показателей качества видеосигналов при передаче по каналам

мобильной связи, соответствует современной научной проблематике и является актуальной.

Цели и задачи исследования. Цель диссертационной работы состоит в получении различных параметров качества видеоизображения, необходимых для разработки специальных видеосистем дистанционного видеонаблюдения и т.п. через сеть GSM/EDGE, и их зависимости от характеристик канала передачи. Для достижения поставленной цели в диссертационной работе необходимо решить следующие задачи:

- провести анализ возможностей существующих систем мобильной связи по передаче видеосигналов;

- реализовать видеокодек на программном уровне и исследовать его характеристики;

- получить характеристики зависимости качества видеоизображения от скорости передачи при различных уровнях качества, определить пороговые значения скорости передачи да1шых, необходимые для достижения требуемого качества видеоизображения;

- разработать и реализовать имитационную модель канала передачи сети GSM/EDGE, исследовать характеристики канала передачи;

- исследовать влияние характеристик канала передачи сети GSM/EDGE на качество видеоизображения, определить пороговые значения различных параметров канала, необходимые для достижения нужных показателей качества видеоизображения .

Методы исследования. В работе использованы методы теории случайных процессов, статистического и имитационного моделирования. Для численного анализа, проведения оценки и промежуточных вычислений использовался программный комплекс Matlab.

Обработка видеопоследовательностей и имитационное моделирование процессов передачи видеосигналов, а также оценка качества видеоизображений производились автором с помощью самостоятельно разработанных программ.

Научная новизна. Большинство исследований зависимости качества видеосигналов от характеристик канала передачи в мобильной связи ориентированы на передачу видео в сетях 3-го поколения, например UMTS. Однако в настоящее время сети UMTS обслуживают 10% абонентов существующих сетей GSM/UMTS. В работе выполнены исследования, которые отражают зависимость качества видеосигналов от характеристик канала передачи в действующих сетях GSM, а также приводятся параметры качества видеоизображения, которые могут быть достигнуты при разных уровнях помех в канале.

Основные результаты диссертации, обладающие научной новизной.

1. Предложена реализация специализированных видеоуслуг в существующих сетях GSM/EDGE.

2. Выполнена программная реализация видеокодека MPEG-4 в Matlab.

3. Создана имитационная модель канала передачи сети GSM с технологией EDGE и модуляцией 8-PSK.

4. Определена зависимость показателей качества видеоизображения от характеристик канала передачи сети GSM/EDGE.

5. Получены значения граничных скоростей передачи в канале, необходимые для передачи видеоизображения с разными уровнями качества видео.

6. Определены пороговые значения коэффициента ошибок в канале передачи и соответствующие численные показатели ухудшения качества видеоизображения.

7. Показано, что с увеличением уровня качества видео влияние ошибок передачи на ухудшение качества становится более заметным. Получены соответствующие значения величины ухудшения качества.

8. Определено требуемое отношение сигнал/шум в канале, которое необходимо обеспечивать при передаче видеосигналов в сети GSM/EDGE.

Практическая ценность. Выполненные исследования зависимости качества видео от характеристик канала передачи могут быть использованы операторами связи при проектировании и эксплуатации различных видео-услуг. Результаты работы также могут быть использованы в образовательном процессе высших учебных заведений связи, при написании учебников и учебных пособий, разработке компьютерных систем моделирования процессов передачи видеосигналов в мобильной связи. Полученные характеристики могут быть использованы разработчиками аппаратуры при разработке и проектировании специальных систем видеосвязи.

Достоверность полученных результатов. Достоверность результатов подтверждена большим объемом компьютерных экспериментов с реальными видеосигналами и имеющимися экспериментальными данными для некоторых приложений. Результаты работы были доложены на международном научном симпозиуме, где получили положительную оценку.

Личный вклад автора. Теоретические выводы и рекомендации, содержащиеся в диссертации, получены автором самостоятельно.

Реализация результатов работы. Результаты работы внедрены в практическую эксплуатационно-техническую деятельность ОАО «Гипросвязь», «Электропроект» и в учебный процесс Санкт-Петербургского государственного университета телекоммуникаций им. проф. М.А. Бонч-Бруевича, используются в научных разработках пакетов учебных программ и при постановке лабора-торно-практических курсов, что подтверждено соответствующими актами внедрения.

Апробация результатов и публикации. Основные результаты работа докладывались на международном телекоммуникационном симпозиуме «Мобильная связь». Материалы, отражающие основное содержание и результаты диссертационной работы, опубликованы в материалах научно-технических конференций и отраслевых журналах - всего в пяти работах, в том числе в трех изданиях из перечня ведущих рецензируемых научных журналов и изданий, рекомендованных ВАК Минобрнауки России.

Основные положения, выносимые на защиту. Основные научные результаты, которые получены лично автором, включены в диссертацию и выносятся на защиту.

1. Для передачи видеоизображения с уровнем качества V0 (малоподвижная видеотелефония) необходимо обеспечить граничное значение скорости передачи в канале 32 кбит/с, для уровня качества VI (видеотелефония) - 128 кбит/с, для уровня качества V2 (видеоконференция) - 256 кбит/с.

2. При коэффициенте ошибок в канале BER более 10"3 значение оценки качества видеоизображения PSNR снижается до нуля. При BER в канале 10*4, значение оценки качества PSNR снижается на 3... 12 дБ по сравнению с исходным, оценка ухудшения качества VQM составляет от 30 до 70%. При BER в канале 10"5 и менее значение оценки PSNR снижается не более чем на 1 ...2 дБ.

3. С повышением пространственного разрешения и подвижности видеоизображения увеличивается чувствительность качества к ошибкам передачи в канале GSM/EDGE. При коэффициенте ошибок Ю-4 ухудшение оценки качества PSNR при уровне качества V0 составляет 3 дБ, а при уровне качества V2 -12 дБ.

4. При передаче видеосигналов в сети GSM/EDGE необходимо обеспечивать отношение сигнал/шум в канале не менее 15 дБ.

Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения, 5 глав, заключения, списка литературы, включающего 87 наименований, и приложений. Работа содержит 172 страницы текста, 60 рисунков и 38 таблиц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы исследования, сформулированы цели и задачи работы, перечислены результаты, полученные в диссертации, определена практическая ценность и область применения результатов, приведены сведения по оценке достоверности полученных результатов и представлены основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе диссертационной работы выполнен обзор состояния проблемы, существующих решений и технологий передачи видеосигналов мобильным абонентам. Представлена целесообразность внедрения услуг передачи видео в существующих сетях GSM. Описаны типы видеоуслуг, которые могут быть реализованы в сетях мобильной связи: мультимедиа-сервис, видеотелефония, видеоконференцсвязь, потоковое видео, а также специальные виды услуг на основе передачи видео, такие как видеонаблюдение в охранных системах и удаленный мониторинг газовых и нефтедобывающих вышек, контроль трубопроводов и т.п.

Рассмотрены возможности систем мобильной связи по передаче видеосигналов, и определен выбор сетей GSM с технологией EDGE. Выбран видеокодек MPEG-4, алгоритмы которого будут использованы в работе для видеокомпрессии. Подробно рассмотрены уровни качества видеоизображения и методы его оценки, Согласно рекомендациям ITU-T определены три уровня качества видеоуслуг в мобильной связи: V0 (малоподвижное видео, разрешение 176x144), VI (видеотелефония, разрешение 176x144), V2 (видеоконференцсвязь, разрешение 352x288). Выбраны стандартизованные алгоритмы оценки качества ви-

деоизображения - PSNR (Peak Signal to Noise Ratio) и VQM (Video Quality Metric).

Согласно рекомендациям 3GPP определены характеристики канала передачи, которые могут оказывать влияние на качество видеосигнала, и подлежат исследованию в работе. Выбрана методика оценки влияния канала на качество видеоизображения.

Сделаны выводы об актуальности установления связи между трафиком передачи видеосигнала, качеством передаваемого видеоизображения и скоростью передаваемой информации, а также влияния характеристик канала передачи сети GSM на показатели качества видеоизображения.

Во второй главе рассматривается степень необходимости использования видеокодека при передаче видео в сети GSM. Сформирована модель системы передачи видеосигналов по каналу передачи данных GSM с технологией EDGE.

Выполнен анализ возможности передачи видеоданных без использования видеокодека. Показано, что требования по скорости передачи некомпрессиро-ванного видеосигнала несопоставимы с возможностями канала передачи данных сети GSM - даже при самом низком уровне качества V0, требуемая скорость передачи достигает 3 Мбит/с.

Выполнены расчеты, позволяющие оценить эффективность видеокодека. Показано, что для эффективной передачи видеоданных в сетях мобильной связи необходимо использовать систему видеокомпрессии, позволяющую снизить требуемую скорость передачи видео в среднем до 30-50 раз. При использовании видеокодека требуемая скорость передачи видео с уровнем качества, достаточным для большинства услуг, не превышает 500 кбит/с. Таким образом, требования к скорости передачи в канале при использовании систем видеокомпрессии значительно снижаются. Возможности существующих систем мобильной связи по скорости передачи оказываются достаточными для передачи компрессированного видеосигнала.

Сделаны выводы о необходимости определения зависимости качества видеоизображения от скорости передачи, для чего нужно выполнить исследование характеристик видеокодека с использованием нескольких типов стандартных видеопоследовательностей с разными уровнями качества.

В третьей главе на программном уровне в среде Matlab реализован видеокодек в соответствии со стандартом MPEG-4, который позволяет установить зависимость между качеством передаваемого видеоизображения и скоростью передачи. Модель видеокодека использована в дальнейшем для исследования зависимости качества видеоизображения от характеристик канала передачи.

Ядром программной реализации видеокодера является подпрограмма еп-codeBlock.m, выполняющая все операции кодирования с компрессией блоков изображения 8x8 пикселей в несколько этапов.

1. Дискретное косинусное преобразование. Для ускорения вычислительных процессов при выполнении ДКП над большим количеством матриц одинакового размера в программе использован быстрый метод вычисления ДКП, заключающийся в использовании ДКП-матрицы Т размерностью 8x8 пикселей, которая рассчитывается по формуле:

~7=гпри и = 0, 0<,v£N-l

(D

. — С05я(2ц + 1^,при lSaStf-l, 0 ^ V < N -1,

^JV 2N

где jV=8.

Результатом произведения ДКП-матрицы Г и матрицы 8x8 блока пикселей BLOCK, TBLOCK будет матрица размерностью 8^8, столбцы которой содержат результат выполнения одномерного ДКП над столбцами матрицы BLOCK.

Для выполнения двумерного ДКП необходимо полученную матрицу умножить на транспонированную ДКП-матрицу:

DCTBlock = Т ■ BLOCK • Т\ (2)

где Т' - транспонированная ДКП-матрица (столбцы матрицы Т' равны строкам матрицы Т).

В результате выполнения ДКП преобразования получаем матрицу ДКП-коэффициентов, DCTBlock, над которой производятся последующие операции.

2. Квантование. Согласно верификационной модели MPEG-4 квантование в режиме I-VOP и P-VOP производится по-разному:

а) квантование ДКП-коэффициентов в режиме I-VOP. В режиме I-VOP ДКП-коэффициенты квантуются раздельно: DC-коэффициент с координатами (1,1) квантуется с использованием делителя dcjcaler, а остальные, АС-коэффициенты квантуются с использованием INTRA-матрицы квантования. Определение величины делителя dc scaler производится на основе значения параметра квантования данного макроблока QP (см. таблицу).

QP 1 ...4 5 ... 8 9 ... 24 25 ... 31

dc scaler 8 2Qp Qp + 8 2Qp -16

АС-коэффициенты ДКП квантуются с разными уровнями квантования с использованием параметра квантования С?Р:

• / ч Р-О? ас + (ас) ■ —

дАС =-2— (3)

2.дР к >

\6-DCTBlock

где ас --, Ж/-ЩТкА-матрица квантования,р = 0.1, д =- 4.

Результатом этой процедуры является матрица РАС квантованных АС-коэффициентов ДКП.

Каждый элемент матрицы коэффициентов ДКП (ЮСТВЬск) делят на соответствующий ему элемент ЮТКА-матрицы квантования.

Квантование ОС-коэффициента ДКП производится простым делением этого коэффициента ОСТВ1оск{ 1,1) на величину делителя ¿с_5са1ег:

дВС = ОСТВ1оск(\,Х)1 (¡сясакг. (4)

Полученные квантованный DC-коэффициент и матрица квантованных АС-коэффициентов QAC формируют матрицу квантованных ДКП-коэффициеигов кодируемого в I-VOP режиме блока Qblock, значения которой округляют до ближайшего целого числа. Величина DC-элемента матрицы Qblock ограничивается значениями от 1 до 255, а остальных АС-коэффициентов от -127 до 127;

б) квантование ДКП-коэффициентов в режиме P-VOP. В режиме P-VOP все ДКП-коэффициенты квантуются с использованием параметра квантования QP:

= (5)

и 2 QP v '

\6-DCTBlock ... ТХГГ_А где ас --—-, W] - IMTRA-матрица квантования.

Результатом квантования является матрица QAC.

Каждый элемент матрицы коэффициентов ДКП (DCTBlock) делят на соответствующий ему элемент INTER-матрицы квантования.

Далее формируется матрица квантованных ДКП-коэффициентов кодируемого в P-VOP режиме блока Qblock, значения которой равны округленным до ближайшего целого числа значениям матрицы QAC. Величина каждого элемента матрицы Qblock ограничена значениями от -127 до 127.

3. Сканирование и кодирование. Матрица квантованных ДКП-коэффициентов Qblock размером 8x8 элементов преобразуется в одномерный вектор ZBlock, содержащий 64 элемента. Такое преобразование выполняется сканированием матрицы квантованных ДКП-коэффициентов и последующей записью полученных значений. Для этого используется подпрограмма zigzag.m, результатом выполнения которой является вектор ZBlock, который содержит все квантованные ДКП-коэффициенты блока, стоящие в порядке сканирования. Вектор отсканированных квантованных ДКП-коэффициентов ZBlock поступает на обработку в подпрограмму VLC.m, где производится двоичное кодирование квантованных коэффициентов и формирование структуры потока видеоданных.

Для исследования и тестирования видеосистемы в работе выбраны и описаны восемь рекомендованных ITU тестовых видеопоследовательностей. Видеокомпрессия вносит специфические искажения в передаваемое видеоизображение. Методами объективных оценок ухудшения качества видео PSNR и VQM определена степень влияния видеокомпрессии на качество при разных коэффициентах сжатия.

Результаты проведенных исследований показывают, что характеристики системы видеокомпрессии существенно зависят от содержания видеоматериала, подвергнутого обработке, а также от уровня качества кодируемого видеосигнала. Определено, что степень сжатия может достигать 65 раз при уровне качества V0,36 раз при уровне качества VI и 30 раз при уровне качества V2.

Для каждого уровня качества видео V0, VI, V2 выполнено исследование зависимости качества видеоизображения от скорости передачи видеоданных с использованием тестовых видеопоследовательностей, имеющих разные сюже-

ты съемки, пространственное разрешение и количество движений и деталей в сценах.

б)

Рис. 1. Зависимость качества видеоизображения от скорости передачи: а - уровень качества V0, б - уровень качества VI

На рис. 1 представлены примеры полученных характеристик зависимости качества видеоизображения от скорости передачи видеосигнала при разных уровнях качества видео. Графики отражают изменение качества видеоизображения для каждой тестовой видеопоследовательности («Акийо», «Клэр», «Видеонаблюдение здания» и т.д.). Полученные результаты позволяют определить граничные значения скорости передачи, при которых ухудшение качества видеоизображения незначительно: для V0 - 32 кбит/с, VI - 128 кбит/с и V2 - более 256 кбит/с.

Реализация видеокодека MPEG-4 в среде Matlab позволяет использовать его для последующих исследований, в том числе влияния характеристик канала передачи на качество передаваемого видеосигнала.

В четвертой главе разработана имитационная модель канала передачи сети GSM в Matlab и выполнено исследование характеристик канала.

Как известно, распространение радиоволн в сетях мобильной связи в общем случае отличается многолучевым распространением, вызываемым переотражениями и рассеянием. Канал характеризуется потерями на трассе распространения радиоволны, различного рода шумами, помехами, медленными и быстрыми замираниями вследствие многолучевого распространения. Для описания медленных замираний используются логнормальная модель распределения. Для борьбы с медленными замираниями и затуханием сигнала в GSM используется адаптивная регулировка мощности передатчиков. Быстрые замирания сигнала вызваны многолучевым распространением радиоволн. Для устранения влияния быстрых замираний в системах GSM на приемной стороне использует-

8

ся адаптивный эквалайзер. Эквалайзер позволяет существенно снизить влияние многолучевости, и методы реализации эквалайзера широко известны. В данной работе влияние быстрых замираний сигнала не рассматривается и предполагается, что медленные замирания компенсируются адаптивной регулировкой мощности.

Для описания физического канала в данной работе выбрана модель канала с шумом. Источниками эквивалентного шума в мобильной сети GSM могут быть:

■ тепловой шум - собственный шум, порождаемый приемником,

■ внутриканальные помехи, источниками которых могут быть как соседние БС, работающие на одинаковых частотах, так и разного рода внешние источники помех.

Эквивалентный шум можно описать как гауссовский случайный процесс с нулевым средним. Модель канала с шумом можно представить как сумму случайной переменной, определяющей шум, и сигнала канала связи:

z = а + п. (6)

где а - сигнал в канале связи, и - случайная переменная, выражающая гауссовский шум.

Гауссовский канал с дискретным входным алфавитом добавляет шум ко всем передаваемым символам. Так как шум - это гауссовская случайная переменная с нулевым средним и дисперсией орезультирующую функцию плотности вероятности принятой случайной величины z при условии передачи символа Uk можно записать для всех z в виде:

Ж K) = -4=exp[-i(^)2], (7)

GV2л I CT

гдек= 1,2, ...,М.

Для моделирования шума применима модель белого аддитивного гауссов-ского шума (Additive White Gaussian Noise, AWGN), в которой шум независимо воздействует на каждый переданный символ.

Как известно, спектральная плотность мощности белого шума является постоянной для всего диапазона частот:

<?„(/) А (8)

Для оценки уровня шума используется отношение энергии символа Е, к

ß

спектральной плотности мощности шума No---.

К

В процессе исследований, при определении зависимости вероятности ошибок на бит от отношения сигнал/шум в канале, на вход имитационной модели канала подключается блок генерации случайной последовательности битов (Bernoulli Binary Generator), имитирующий передачу компрессированных видеоданных (рис. 2).

На выходе канального декодера подключается блок измерения вероятности ошибок на бит, позволяющий оценить зависимость коэффициента ошибок от

отношения сигнал/шум в физическом канале, изменяемом на каждом итерационном этапе измерений.

Рис. 2. Имитационная модель канала передачи сети GSM/EDGE

Для эффективной передачи видеосигнала требуется высокая скорость передачи информации при большой помехозащищенности канала. Использование моделируемых каналов сети GSM/EDGE позволяет обеспечить скорость передачи данных от 22,4 до 256 кбит/с.

С использованием программного пакета Matlab созданы имитационные модели каналов передачи данных системы GSM/EDGE, позволяющие в динамическом режиме моделировать процессы передачи данных. Путем имитационного моделирования получены экспериментальные характеристики зависимости вероятности ошибок на бит от отношения сигнал/шум в канале.

Результаты выполненных исследований показывают, что значения BER<10~3 получаются при отношении сигнал/шум в канале системы GSM/EDGE >14 дБ, а для получения коэффициента ошибок BER<10~6 необходимое отношение сигнал/шум более 18 - 20 дБ.

Созданные имитационные модели каналов GSM/EDGE использованы для дальнейшего исследования влияния помеховой обстановки в канале связи на передаваемый компрессированный видеосигнал и определения зависимости качества передаваемого видеосигнала от характеристик канала.

В пятой главе выполнено исследование влияния характеристик канала передачи на качество видеоизображения.

Исследования выполнены в три этапа с использованием реализованного в Matlab видеокодека MPEG-4 и имитационной модели канала сети GSM/EDGE:

1) компрессия, декомпрессия и последующая оценка качества видеоизображения на выходе видеодекодера с помощью оценок РБЫЯ и УС>М при «идеальном» канале передачи без ошибок передачи;

2) компрессия, передача компрессированных видеоданных по имитированному «реальному» каналу с ошибками, декомпрессия и последующая оценка качества видеоизображения, подверженного влиянию ошибок передачи;

3) анализ и сравнение величины деградации качества видеоизображения, полученной на этапе 1, и величины деградации качества при передаче компрессированного видеосигнала через канал с ошибками, найденной на этапе 2, для каждого уровня качества видео.

По результатам исследования получена зависимость оценки качества видеоизображения от вероятности ошибок на бит ВЕК в канале передачи для разных уровней качества видео (рис. 3). Определены пороговые значения ВЕК в канале передачи и соответствующие численные показатели ухудшения качества видеоизображения.

Выполненные исследования показывают, что ошибки передачи в канале оказывают разное воздействие на ухудшение качества передаваемого видеоизображения в зависимости от уровня качества видео. С увеличением уровня качества видео, повышением пространственного разрешения и подвижности видеоизображения увеличивается чувствительность качества видеосигнала к ошибкам передачи в канале.

Показано, что при уровне ВЕЯ в канале более 10~3 видеоизображение на каждом уровне качества претерпевает сильные искажения, значение оценки Р8№1 падает вплоть до нуля, ухудшение качества У(}М достигает 100%. Искажения выражаются в потере больших частей видеокадра, возникают ошибочные блоки изображения.

Если уровень ошибок ВЕЯ в канале составляет 10^, ошибки передачи приводят к заметным искажениям изображения. Степень ухудшения качества зависит от уровня качества видео. Оценка РБКШ снижается на 3 дБ - при уровне качества видео У0, на 5 дБ - при уровне качества VI и на 12 дБ - при уровне качества У2. Оценка ухудшения качества УСМ составляет от 30 до 70%.

Когда коэффициент ошибок в канале ВЕК 10~5 и менее, влияние ошибок передачи на качество видеоизображения становится почти незаметным. При уровне качества малоподвижного видео У0 - качество видео не ухудшается. При уровне качества видеотелефонии VI - оценка качества РБЫК. снижается на 1 дБ. При уровне качества видеоконференции У2 - качество видеоизображения ухудшается на 2 дБ. При таком уровне ошибок передачи видеоизображение претерпевает незначительные искажения, которые выражаются в редком возникновении малых ошибочных блоков изображения, незаметных для пользователя.

-4-V0(QaF(17«Sxl44>,

Jinpetfcj •»••VKQOF tl?fi*144J. 7.$ пфо/с) V2 (OP (352x289.

10 napw/c)

a)

V« (QCX? (176*144).

5 (spo^c)

VI <QOF (176x144). 7,5 одров/с)

-й-V2 (OF (352x28?). 10 BIpe»/i)

6)

Рис. 3. Зависимость качества видеоизображения от ВЕЯ в канале передачи: а - изменение оценки РЭ>П1 в зависимости от ВЕЛ, б - изменение оценки У<ЗМ

На рис. 4 представлены примеры полученных характеристик зависимости качества видеоизображения от отношения сигнал/шум в канале при разных уровнях качества видеосервиса. Исследования показали, что отношение сигнал/шум в канале GSM/EDGE, минимально необходимое для передачи видеоизображений, составляет 15 дБ.

а)

-♦-VO(QCF (176x1«), 5хвдро»/с)

•■S" VI (QCT (WxSM). 7,5 ПЛрж/с)

■«fr-V2(OF (352X288], 10 одрж/с)

б)

Рис. 4. Зависимость качества видеоизображения от отношения с/ш в канале передачи: а - изменение оценки PSNR от E/No, б - изменение оценки VQM

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертационной работе получены следующие основные результаты, по которым могут быть сделаны соответствующие выводы.

1. Обеспечиваемые современными технологиями мобильной связи скорости передачи позволяют предложить пользователям услуги с передачей видеоизображений. Теоретически достижимая максимальная скорость передачи в сетях GSM/EDGE - до 473,6 кбит/с, а в сетях 3-го поколения мобильной связи с использованием технологии HSDPA - 14,4 Мбит/с. Однако скорости передачи в реальных условиях по ряду причин оказываются существенно ниже: около 250 кбит/с для сетей GSM/EDGE и 2,5 Мбит/с для сетей 3-го поколения.

2. Следовательно, для передачи видеоизображений по каналам связи необходимо сжатие передаваемого сигнала, и одним из перспективных методов компрессии видеосигналов является MPEG-4.

3. Определены уровни качества видео, при которых возможна организация видеоуслуг в сетях мобильной связи, а также методы и алгоритмы объективной оценки качества видеоизображения для использования в исследованиях: PSNR (Peak Signal to Noise Ratio) и VQM (Video Quality Metrics).

13

4. На программном уровне реализован видеокодек в соответствии со стандартом MPEG-4, что позволяет установить зависимость между качеством передаваемого видеоизображения и скоростью передачи, а также исследовать влияние характеристик канала передачи на качество видеосигнала.

5. Для каждого уровня качества видео-сервиса выполнено исследование зависимости качества видеоизображения от скорости передачи. Качество видеоизображения измерялось с помощью объективных оценок PSNR и VQM. С использованием полученных результатов определены граничные значения скорости передачи, при которых ухудшение качества видеоизображения является приемлемым: для уровня качества V0 (малоподвижная видеотелефония) - 32 кбит/с, для уровня качества VI (видеотелефония) - 128 кбит/с, для уровня качества V2 (видеоконференция) - 256 кбит/с.

6. Создана имитационная модель канала передачи системы GSM/EDGE, позволяющая в динамическом режиме моделировать процессы передачи видеоинформации.

7. Путем имитационного моделирования получены экспериментальные характеристики зависимости вероятности ошибок на бит от отношения сигнал/шум в канале.

8. Исследовано влияние характеристик радиоканала сети GSM/EDGE на качество передаваемого видеосигнала. Путём имитационного моделирования определены пороговые значения вероятности ошибок на бит в канале передачи и соответствующие численные показатели ухудшения качества видеоизображения. При уровне ошибок BER в канале более 10~3 - значение оценки качества видеоизображения PSNR падает до нуля. При уровне BER в канале 10"4 - влияние ошибок передачи приводит к заметным искажениям изображения, значение оценки PSNR падает на 3 - 12 дБ по сравнению с исходным, оценка ухудшения качества VQM составляет от 30 до 70%. При уровне BER в канале 10" и менее - влияние ошибок канала на видеоизображение становится практически незаметным, значение оценки PSNR снижается не более чем на 1 - 2 дБ.

9. Определено, что ошибки передачи оказывают разное воздействие на ухудшение качества передаваемого видеоизображения в зависимости от уровня качества видео. Показано, что с увеличением уровня качества видеоизображения влияние ошибок передачи на качество становится более заметным. Например, при уровне BER в канале Ю-4 - ухудшение оценки качества PSNR при уровне качества V0 составляет 3 дБ, а при уровне качества V2 - 12 дБ. С повышением пространственного разрешения и подвижности видеоизображения увеличивается чувствительность качества видео к ошибкам передачи в канале.

10. Выполнено исследование влияния помеховой обстановки в канале на качество видеоизображения. Определены допустимые значения отношения сигнал/шум в канале при передаче видеосигналов с разным качеством. При передаче видеосигналов минимально допустимое отношение сигнал/шум в канале передачи GSM/EDGE - 15 дБ.

11. На основе полученных результатов можно утверждать, что в существующих сетях GSM/EDGE возможна реализация видеоуслуг, не требующих высокого качества изображения. Каналы сети GSM/EDGE можно использовать

для передачи видеоизображений при мониторинге территорий повышенной опасности, удаленном контроле газовых и нефтедобывающих вышек, трубопроводов, видеонаблюдении, контроле опасных участков автодорог, в охранных системах и др. При организации видео-сервиса необходимо подбирать параметры системы видеокомпрессии с учетом требуемого уровня качества видео. Для снижения искажений изображения, вносимых каналом передачи, нужно обеспечивать уровень помех не ниже допустимого, что достигается при частотно-территориальном планировании.

12. Полученные в работе рекомендации используются при проектировании специальных видеосистем и применяются в учебном процессе.

ПУБЛИКАЦИИ

1. Куракин, О.В. Оценка возможностей стандарта GSM для передачи изображений

/ О.В. Куракин, М.А. Сивере // Мобильные системы. - 2002. - № 2. - С. 22 - 25 (из перечня ведущих рецензируемых научных журналов и изданий, рекомендованных ВАК Минобрнау-ки России).

2. Куракин, О.В. Использование 8-PSK модуляции в технологии EDGE / О.В. Куракин //Труды учебных заведений связи. - 2003. -№ 169. - С. 90 - 100.

3. Куракин, О.В. Передача видео по каналам GSM в реальном времени / О.В. Куракин, М.А. Сивере // Мобильные системы. - 2006. - № 2. - С. 24 - 28 (из перечня ведущих рецензируемых научных журналов и изданий, рекомендованных ВАК Минобрнауки России).

4. Куракин, О.В. Оценка влияния характеристик канала передачи на показатели качества видеоизображения в мобильной связи / О.В. Куракин // Международный телекоммуникационный симпозиум «Мобильная связь»: тез. докл. / Санкт-Петербургское отделение международной академии связи. - СПб, 2007. - С. 19 - 29.

5. Куракин, О.В. Оценка качества видеоизображения при передаче в сети GSM / О.В. Куракин // Научно-технические ведомости СПбГПУ. - 2009. - № 6. - С. 23 -27 (из перечня ведущих рецензируемых научных журналов и изданий, рекомендованных ВАК Минобрнауки России).

Подписано к печати 23.03.2009 Объем 1 пвч. л. Тираж 80 экз. Зак. В Тип. СПбГУТ. 191186 СПб, наб. р. Мойки, 61

ГЛОССАРИЙ.

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. Видеосигналы в каналах мобильной связи.

1.1 .Целесообразность внедрения услуги передачи видео в существующих сетях GSM.

1.2. У слуги на основе передачи видео.

1.2.1. Мультимедиа сервис.

1.2.2. Видеоконференцсвязь.

1.2.3. Видеотелефония.

1.2.4. Потоковое видео (видео по запросу).

1.2.5. Специфические применения услуг на основе передачи видео.

1.3.Передача видео в мобильной связи.

1.3.1. Возможности существующих систем мобильной связи по передаче видеосигналов.

1.3.1.1. Особенности формирования сигнала в технологии EDGE.

1.3.2. Возможности систем 3G по передаче видео.

1.4.Принципы сжатия видео на примере MPEG4/simple profile.

1.4.1. Режим I-VOP.

1.4.2. Режим P-VOP.

1.5.Уровни качества видео и методы его оценки.

Выводы.

ГЛАВА 2. Оценка степени необходимости использования видеокодека при передаче видео.

2.1. Возможность передачи видео в существующих сетях GSM.

2.2. Анализ возможности передачи видеоданных без использования видеокодера.

2.3. Анализ возможности передачи компрессированного видеосигнала.

Выводы.

ГЛАВА 3. Реализация видеокодека и исследование его характеристик.

3.1. Тестовые видеопоследовательности.

3.2. Реализация видеокодека в Matlab 7.0.

3.3. Исследование характеристик видеокодека.

3.3.1. Зависимость качества от скорости передачи. Уровень качества

3.3.2. Зависимость качества от скорости передачи. Уровень качества

3.3.3. Зависимость качества от скорости передачи. Уровень качества

Выводы.

ГЛАВА 4. Имитационная модель канала передачи сети GSM. Исследование характеристик канала.

4.1. Общие положения.

4.2. Постановка задачи.

4.3. Имитационная модель канала.

4.3.1. Имитационная модель канала data E-TCH/F28.8.

4.3.2. Имитационная модель канала data E-TCH/F32.0.

4.3.3. Имитационная модель канала EGPRS Packet data block type 9.

4.4. Результаты имитационного моделирования канала в Matlab.

Выводы.

ГЛАВА 5. Исследование влияния характеристик канала передачи на качество видеоизображения.

5.1. Общие положения.

5.2. Имитационное моделирование процесса передачи видеоданных.

5.3. Влияние характеристик канала передачи на качество видеоизображения.

Выводы.

Актуальность работы. В настоящее время рынок мобильной связи достигает насыщения: по данным аналитических компаний, проникновение мобильной связи в России превышает 100%. На этом фоне расширение спектра предоставляемых оператором услуг и повышение их качества становятся необходимыми факторами в конкурентной борьбе.

Помимо таких распространенных приложений, как видеотелефония и просмотр видеоклипов, услуги на основе передачи видеоизображений могут найти применение в других сферах деятельности человека, например, в промышленности (мониторинг территорий повышенной опасности, удаленный контроль газовых и нефтедобывающих вышек, трубопроводов) и видеонаблюдении (контроль опасных участков автодорог, охранные системы и т.п.). . Развитие систем мобильной связи направлено на создание передовых технологий, которые позволяют подготовить базу для реализации таких услуг, как передача видео. Важным этапом развития мобильной связи является переход к системам третьего поколения 3G (3-d Generation). Технологии 3G предусматривают внедрение услуг, связанных с передачей видеоданных, но требуют развертывания новой сети связи.

В то же время наиболее распространенным стандартом сотовой связи в мире является GSM. Количество абонентов сетей GSM в мире превышает 80% от общего количества пользователей мобильной связи [1]. Развитием системы GSM является технология высокоскоростного радиодоступа EDGE. Для внедрения EDGE в системе GSM требуются незначительные изменения конфигурации сети по сравнению с 3G. Технология EDGE предоставляет возможности по скорости передачи, сопоставимые с 3G, подходящие для организации услуг на основе передачи видео, что стало отправной точкой исследований, выполненных в данной работе.

Важным условием конкурентоспособности видео-услуг является качество сервиса. Качество приема видеоизображения зависит от многих факторов, в том числе от типа передаваемой видеоинформации, используемого видеокодека, а также от характеристик канала передачи. Для оценки влияния этих факторов в работе используются численные оценки качества видеосигналов.

Ограниченный частотный ресурс, невысокие скорости передачи в мобильной связи вызывают необходимость определения граничных значений требуемой пропускной способности канала для передачи видео нужного качества. Важным фактором, влияющим на качество видеоизображения, является помеховая обстановка в канале мобильной связи; поэтому необходима оценка ее влияния на передаваемый видеосигнал. Рассматриваемые в данной работе объекты исследования, в конечном итоге, позволят установить связь между трафиком передачи видеосигнала, качеством передаваемого видеоизображения и скоростью передаваемой информации, а также влияние отдельных частей сети передачи на указанные характеристики.

Таким образом, диссертационная работа, посвященная исследованию характеристик и показателей качества видеосигналов при передаче по каналам мобильной связи, соответствует современной научной проблематике и является актуальной.

Цели и задачи исследования. Цель диссертационной работы состоит в получении различных параметров качества видеоизображения, необходимых для разработки специальных видеосистем дистанционного видеонаблюдения и т.п. через сеть GSM/EDGE, и их зависимости от характеристик канала передачи.

Для достижения поставленной цели в диссертационной работе необходимо решить следующие задачи:

- провести анализ возможностей существующих систем мобильной связи по передаче видеосигналов;

- реализовать видеокодек на программном уровне и исследовать его характеристики;

- получить характеристики зависимости качества видеоизображения от скорости передачи при различных уровнях качества, определить пороговые значения скорости передачи данных, необходимые для достижения требуемого качества видеоизображения;

- разработать и реализовать имитационную модель канала передачи сети GSM/EDGE, исследовать характеристики канала передачи;

- исследовать влияние характеристик канала передачи сети GSM/EDGE на качество видеоизображения, определить пороговые значения различных параметров канала, необходимые для достижения нужных показателей качества видеоизображения.

Методы исследования. В работе использованы методы теории случайных процессов, статистического и имитационного моделирования.

Для численного анализа, проведения оценки и промежуточных вычислений использовался программный комплекс Matlab.

Обработка видеопоследовательностей и имитационное моделирование процессов передачи видеосигналов, а также оценка качества видеоизображений производились автором с помощью самостоятельно разработанных программ.

Научная новизна. Большинство исследований зависимости качества видеосигналов от характеристик канала передачи в мобильной связи ориентированы на передачу видео в сетях 3-го поколения, например, UMTS. Однако в настоящее время сети UMTS обслуживают 10% абонентов существующих сетей GSM/UMTS. В работе выполнены исследования, которые отражают зависимость качества видеосигналов от характеристик канала передачи в действующих сетях GSM, а также приводятся параметры качества видеоизображения, которые могут быть достигнуты при разных уровнях помех в канале.

Основными результатами диссертации, обладающими научной новизной, являются:

1. Предложена реализация специализированных видео-услуг в существующих сетях GSM/EDGE.

2. Выполнена программная реализация видеокодека MPEG-4 в Matlab.

3. Создана имитационная модель канала передачи сети GSM с технологией EDGE и модуляцией 8-PSK.

4. Определена зависимость показателей качества видеоизображения от характеристик канала передачи сети GSM/EDGE.

5. Получены значения граничных скоростей передачи в канале, необходимые для передачи видеоизображения с разными уровнями качества видео.

6. Определены пороговые значения коэффициента ошибок в канале передачи и соответствующие численные показатели ухудшения качества видеоизображения.

7. Показано, что с увеличением уровня качества видео влияние ошибок передачи на ухудшение качества становится более заметным. Получены соответствующие значения величины ухудшения качества.

8. Определено требуемое отношение сигнал/шум в канале, которое необходимо обеспечивать при передаче видеосигналов в сети GSM/EDGE.

Практическая ценность. Выполненные исследования зависимости качества' видео от характеристик канала передачи могут быть использованы операторами связи при проектировании и эксплуатации различных видео-услуг. Результаты работы также могут быть использованы в образовательном процессе высших учебных заведений связи, при написании учебников и учебных пособий, при разработке компьютерных систем моделирования процессов передачи видеосигналов в мобильной связи. Полученные характеристики могут быть использованы разработчиками аппаратуры при разработке и проектировании специальных систем видеосвязи.

Достоверность полученных результатов. Достоверность результатов подтверждена большим объемом компьютерных экспериментов с реальными видеосигналами и имеющимися экспериментальными данными для некоторых приложений. Результаты работы были доложены на международном научном симпозиуме, где получили положительную оценку.

Личный вклад автора. Теоретические выводы и рекомендации, содержащиеся в диссертации, получены автором самостоятельно.

Реализация результатов работы. Результаты работы внедрены в практическую эксплуатационно-техническую деятельность ОАО «Гипросвязь», «Электропроект» и в учебный процесс Санкт-Петербургского государственного университета телекоммуникаций им. проф. М. А. Бонч-Бруевича, используются в научных разработках пакетов учебных программ и при постановке лабораторно-практических курсов, что подтверждено соответствующими актами внедрения.

Апробация результатов и публикации. Основные результаты работы докладывались на международном телекоммуникационном симпозиуме «Мобильная связь». . Материалы, отражающие основное содержание и результаты диссертационной работы, опубликованы в материалах научно-технических конференций и отраслевых журналах — всего в пяти работах, в том числе в трех изданиях из перечня ведущих рецензируемых научных журналов и изданий, рекомендованных ВАК Минобрнауки России.

Основные положения, выносимые на защиту. Основные научные результаты, которые получены лично автором, включены в диссертацию, и выносятся на защиту:

1. Для передачи видеоизображения с уровнем качества V0 (малоподвижная видеотелефония) необходимо обеспечить граничное значение скорости передачи в канале 32 кбит/с, для уровня качества VI (видеотелефония) — 128 кбит/с, для уровня качества V2 (видеоконференция) - 256 кбит/с.

2. При коэффициенте ошибок в канале BER более 10" значение оценки качества видеоизображения PSNR снижается до нуля. При BER в канале 10"4, значение оценки качества PSNR снижается на 3.12 дБ по сравнению с исходным, оценка ухудшения качества VQM составляет от 30 до 70%. При BER в канале 10"5 и менее значение оценки PSNR снижается не более чем на 1.2 дБ.

3. С повышением пространственного разрешения и подвижности видеоизображения увеличивается чувствительность качества к ошибкам передачи в канале GSM/EDGE. При коэффициенте ошибок 10"4 ухудшение оценки качества PSNR при уровне качества V0 составляет 3 дБ, а при уровне качества V2 — 12 дБ.

4. При передаче видеосигналов в сети GSM/EDGE необходимо обеспечивать отношение сигнал/шум в канале не менее 15 дБ.

Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы, включающего 87 наименований, и приложений. Работа содержит 172 страницы текста, 60 рисунков и 38 таблиц.

Выводы

1. Основным ограничением для уровня качества видео-сервиса является скорость передачи. По результатам исследования каждому уровню качества сопоставлены граничные значения скорости передачи: для уровня качества V0 — 32 кбит/с, для уровня качества VI - 128 кбит/с, для уровня качества V2 — 256 кбит/с.

2. Путём имитационного моделирования определены пороговые значения вероятности ошибок на бит в канале передачи и численные показатели ухудшения качества видеоизображения. При уровне ошибок BER в канале более 10" значение оценки качества видеоизображения PSNR падает вплоть до нуля. При уровне BER в канале 10"4 влияние ошибок передачи приводит к заметным искажениям изображения, значение оценки PSNR падает на 3. 12 дБ по сравнению с исходным, оценка ухудшения качества VQM составляет от 30 до 70%. При уровне BER в канале 10"5 и менее, влияние ошибок канала на видеоизображение становится практически незаметным, значение оценки PSNR падает на 1.2 дБ.

3. Степень воздействия ошибок на ухудшение качества передаваемого видеоизображения зависит от уровня качества видео. Показано, что с увеличением уровня качества видео-сервиса влияние ошибок передачи на качество видеоизображения становится более заметным. Например, при BER в канале равном 10~4, ухудшение оценки качества PSNR при уровне качества V0 составляет 3 дБ, а при уровне качества V2 — 12 дБ.

4. Выполнено исследование влияния помеховой обстановки в канале на качество видеоизображения. При передаче видеосигналов минимально допустимое отношение сигнал/шум в канале GSM/EDGE составляет 15 дБ.

163

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертационной работе получены следующие основные результаты, по которым могут быть сделаны соответствующие выводы:

1. Обеспечиваемые современными технологиями мобильной связи скорости передачи позволяют предложить пользователям услуги с передачей видеоизображений. Теоретически достижимая максимальная скорость передачи в сетях GSM/EDGE — до 473,6 кбит/с, а в сетях 3-го поколения мобильной связи, с использованием технологии HSDPA — 14,4 Мбит/с. Однако скорости передачи в реальных условиях по ряду причин оказываются существенно ниже: около 250 кбит/с для сетей GSM/EDGE и 2,5 Мбит/с для сетей 3-го поколения.

2. Поэтому для передачи видеоизображений по каналам связи необходимо сжатие передаваемого сигнала, и одним из перспективных методов компрессии видеосигналов является MPEG-4.

3. Определены уровни качества видео, при которых возможна организация видео-услуг в сетях мобильной связи, а также методы и алгоритмы объективной оценки качества видеоизображения для использования в исследованиях: PSNR (Peak Signal to Noise Ratio) и VQM (Video Quality Metrics).

4. На программном уровне реализован видеокодек в соответствии со стандартом MPEG-4, что позволяет установить зависимость между качеством передаваемого видеоизображения и скоростью передачи, а также исследовать влияние характеристик канала передачи на качество видеосигнала.

5. Для каждого уровня качества видео-сервиса выполнено исследование зависимости качества видеоизображения от скорости передачи. Качество видеоизображения измерялось с помощью объективных оценок PSNR и VQM. С использованием полученных результатов определены граничные значения скорости передачи, при которых ухудшение качества видеоизображения является приемлемым: для уровня качества V0 (малоподвижная видеотелефония) - 32 кбит/с, для уровня качества VI (видеотелефония) — 128 кбит/с, для уровня качества V2 (видеоконференция) — 256 кбит/с.

6. Создана имитационная модель канала передачи системы GSM/EDGE, позволяющая в динамическом режиме моделировать процессы передачи видеоинформации.

7. Путем имитационного моделирования получены экспериментальные характеристики зависимости вероятности ошибок на бит от отношения сигнал/шум в канале.

8. Выполнено исследование влияния характеристик радиоканала сети GSM/EDGE на качество передаваемого видеосигнала. Путём имитационного моделирования определены пороговые значения вероятности ошибок на бит в канале передачи и соответствующие численные показатели ухудшения качества о видеоизображения. При уровне ошибок BER в канале более 10" значение оценки качества видеоизображения PSNR падает до нуля. При уровне BER в канале 10"4 влияние ошибок передачи приводит к заметным искажениям изображения, значение оценки PSNR падает на 3.12 дБ по сравнению с исходным, оценка ухудшения качества VQM составляет от 30 до 70%. При уровне BER в канале 10"5 и менее, влияние ошибок канала на видеоизображение становится практически незаметным, значение оценки PSNR снижается не более чем на 1.2 дБ.

9. Определено, что ошибки передачи оказывают разное воздействие на ухудшение качества передаваемого видеоизображения в зависимости от уровня качества видео. Показано, что с увеличением уровня качества видеоизображения влияние ошибок передачи на качество становится более заметным. Например, при уровне BER в канале 10"4 ухудшение оценки качества PSNR при уровне качества V0 составляет 3 дБ, а при уровне качества V2 — 12 дБ. С повышением пространственного разрешения и подвижности видеоизображения увеличивается чувствительность качества видео к ошибкам передачи в канале.

10. Выполнено исследование влияния помеховой обстановки в канале на качество видеоизображения. Определены допустимые значения отношения сигнал/шум в канале при передаче видеосигналов с разным качеством. При передаче видеосигналов минимально допустимое отношение сигнал/шум в канале передачи GSM/EDGE — 15 дБ.

11. На основе полученных результатов можно утверждать, что в существующих сетях GSM/EDGE возможна реализация видео-услуг, не требующих высокого качества изображения. Каналы сети GSM/EDGE можно использовать для передачи видеоизображений при мониторинге территорий повышенной опасности, удаленном контроле газовых и нефтедобывающих вышек, трубопроводов, видеонаблюдении, контроле опасных участков автодорог, в охранных системах и др. При организации видео-сервиса необходимо подбирать параметры системы видеокомпрессии с учетом требуемого уровня качества видео. Для снижения искажений изображения, вносимых каналом передачи, нужно обеспечивать уровень помех не ниже допустимого, что достигается при частотно-территориальном планировании.

12. Полученные в работе рекомендации используются при проектировании специальных видеосистем и применяются в учебном процессе.

1. Аналитическая компания "Advanced Communications & Media Management Consulting and Market Research" Электронный ресурс.: статистический отчет о количестве пользователей, 2008 — . - Режим доступа: http://www.acm-consulting.com/data/ACM Jun08stat eng.zip

2. Аналитическая компания "World Cellular Information Service" Электронный ресурс.: статистический отчет о количестве пользователей, 2008 . - Режим доступа: www.wcisdata.com. - Загл. с экрана.

3. ETSI TR 102 493. Guidelines for the use of Video Quality Algorithms for Mobile Applications.

4. ITU-T Recommendation F.720. Videotelephony services — General.

5. CCIR Recommendation 601. Encoding parameters of digital television for studios.

6. Куракин, O.B. Использование 8-PSK модуляции в технологии EDGE / O.B. Куракин // Труды учебных заведений связи. СПб. : СПбГУТ, 2003. — №169.

7. Schell, S.V. Implementation Effects on GSM's EDGE Modulation / S.V. Schell // Tropian, Inc. 2000.

8. Mashhour, A. Technical feature, understanding offset 8-PSK modulation for GSM EDGE / A. Mashhour // Microwave journal. 2002. - №3.14. 3GPP TS 05.04. Modulation.

9. Кузнецов, M.A. Современные технологии и стандарты подвижной связи / М.А. Кузнецов, А. Е. Рыжков. СПб. : Линк, 2006.

10. ITU-T Recommendation Н.261. CODEC for audio-visual services at p x 64 Kbps.

11. ITU-T Recommendation H.263. Video coding for low bit rate communication.

12. ISO/IEC 11172. Coding of moving pictures and associated audio for digital storage media at up to about 1.5 Mbps.

13. Ряхин, А. Видеостандарт MPEG / А. Ряхин // Журн. 625. 1996. - №6.

14. Глассман, К. MPEG это просто! / К. Глассман // Журн. 625. - 2000. - №3.

15. ITU-T Recommendation Н.262. Generic coding of moving pictures and associated audio, Part 2: Video.

16. ISO/IEC JTC1/SC29/WG11 N3908. MPEG-4 Video Verification Model version 18.0.

17. ISO/IEC JTC1/SC29/WG11 N2724. MPEG-4 Applications.

18. ITU-T Recommendation F.700. Framework Recommendation for multimedia services.25. 3GPP TS 23.107. Quality of Service (QoS) concept and architecture.

19. ITU-T Recommendation P.910. Subjective video quality assessment methods for multimedia applications.

20. Wolf, S. Video Quality Measurement Techniques / S. Wolf, M. Pinson // NT1A Report 02-392.-2002.

21. Ohm, J. Bildsignalverarbeitung fuer multimedia-systeme. / J. Ohm. // Skript. — 1999.

22. VQEG. Final report from the Video Quality Experts Group on the validation of objective models of video quality assessment.

23. ITU-T Recommendation J.247. Objective perceptual multimedia video quality measurement in the presence of a full reference.

24. Куракин, O.B. Оценка возможностей стандарта GSM для передачи изображений / O.B. Куракин, М.А. Сивере // Мобильные системы. 2002. — №2.

25. ITU-R Recommendation BT.802-1. Test pictures and sequences for subjective assessments of digital codecs conveying signals produced according to Recommendation ITU-R BT.601.

26. Дьяконов, В. MATLAB 6: учебный курс / В. Дьяконов. СПб. : Питер, 2001.

27. Куракин, О.В. Передача видео по каналам GSM в реальном времени / О.В. Куракин, М.А. Сивере // Мобильные системы. — 2006. — №2.

28. Chen, W.H. A fast computational algorithm for the discrete cosine transform / W.H. Chen, C.H. Smith, S.C. Fralick // IEEE Trans. Commun. 1977.38. 3GPP TS 05.03. Channel coding.39. 3GPP TS 05.02. Multiplexing and multiple access on the radio path.

29. Proakis, J.G. Digital Communications / J.G. Proakis. McGraw-Hill, 2001.

30. Qureshi, S. U. H. Adaptive Equalization / Qureshi, S. U. H. // Proceedings of the IEEE. 1985. - vol.73. - №9.

31. Forney, G. D. The Viterby Algorithm / G. D. Forney // Proceedings of the IEEE. 1978. -vol.61. -№3.

32. Halonen, T. GSM, GPRS and EDGE Performance: Evolution towards 3G/UMTS / T. Halonen, J. Romero, J. Melero.

33. Куракин, О.В. Оценка качества видеоизображения при передаче в сети GSM / О.В. Куракин // Журн. «Научно-технические ведомости СПбГПУ». — 2009. №6.

34. ETSITS 100 573. Physical layer on the radio path; General description.

35. Winkler S. Video Quality Evaluation for Mobile Applications / S. Winkler, F. Dufaux. // Audiovisual Communications Laboratory and Signal Processing. Swiss Federal Institute of Technology.

36. Hoo, E.Y. A New Approach for Evaluating the Error Probability in the Presence of the Intersymbol Interference and Additive Gaussian Noise / E.Y. Hoo, Y.S. Yeh // Bell Syst. Tech. J. 1970. - vol. 49.

37. Shimbo, O. Performance of M-ary PSK Systems on Gaussian Noise and Intersymbol Interference / O. Shimbo, R.J. Fang, M. Celebiter // IEEE Trans. Inf. Theory. 1973. -vol. IT19.

38. Greenwood, D. Characterization of Mobile Radio Channels/ D. Greenwood, L. Hanzo. — London. : pentech Press, 1994.

39. Andersen, J.B. Propagation Measurements and Models for Wireless Communications Channels / J.B. Andersen, T.S. Rappaport, S. Yoshida // IEEE Communication Magazine. 1995. - vol. 33.

40. Viterby, AJ. Principles of Digital Communication and Coding / A.J. Viterby, J.K. Omura. New York: McGraw-Hill, 1979.

41. Lee, C.C. Signal-to-interference calculations for modern TDMA cellular communication systems / C.C. Lee, R. Steele // IEE Proc.Communication. — 1995. — vol. 142.

42. Furuskar, A. EDGE: Enhanced Data Rates for GSM and TDMA/136 Evolution / A. Furuskar, S. Mazur, F.H. Muller // IEEE. 1999.

43. Dunlop, J. Estimation of the Performance of Link Adaptation in Mobile Radio / J. Dunlop // Proc. IEEE. 1994.

44. Goldsmith, A. Adaptive Coded Modulation for Fading Channels / A. Goldsmith, S. G. Chua // IEEE Trans. Commun. 1998. - vol. 46. - №5.

45. Chuang, J. EDGE Compact and EDGE Classic Packet Data Performance / J. Chuang, Sh. Timiri // AT&T. 2001.

46. ETSI Technical doc SMG2 WPB 108/98. EDGE Evaluation of 8-PSK.59. 3GPP TS 26.135. Terminal Display and Camera Characteristics for H.324 Narrow-band Video Telephony.

47. ITU-T SG9. Methodologies For Video Quality Assessment On Networks In Operation.

48. Baina, J. Equipment and Strategies for Signal Quality Monitoring for Digital Television Networks / J. Baina, G. Goudezeune // Proceedings of SMPTE Journal. — 1999.

49. Bretillon, P. Method for image quality monitoring on digital television networks Bretillon / P.J. Baina, M. Jourlin, G. Goudezeune // SPIE. 1999.

50. Webster, A. An objective video quality assessment system based on human perception / A. Webster, C.T. Jones et al. // SPIE. 1993. - Vol. 1913.

51. Lauterjung, J. The integration of a Quality-of-Service channel inserter and extractor in a test and measurement instrument / J. Lauterjung // Munich: International Workshop on Quality of Service for Digital Television. 1999.

52. Bretillon, P. Quality monitoring of broadcast audio and video signals / P. Bretillon, J. Baina // Munich: International Workshop on Quality of Service for Digital Television. — 1999.

53. ITU-R Recommendation BT.500-10. Methodology for the subjective assessment of the quality of the television picture.

54. Frodigh, M. Future Generation Wireless Networks / M. Frodigh, S. Parkvall, C. Roobol, P. Johansson // IEEE Personal Communications. 2001. - Vol. 8. —№5.

55. Velez, F.J. Mobile Broadband Services: Classification, Characterisation and Deployment Scenarios / F.J. Velez, L.M. Correia // IEEE Communications Magazine. -2002.-Vol 40.-№.4.

56. Holma, H. WCDMA for UMTS / H. Holma, A. Toskala. Chichester: John Wiley & Sons, 2001.

57. The UMTS Third Generation Market Structuring the Service Revenue Opportunities. - London: UMTS Forum, 2000. - Report No. 9.

58. Gringeri, S. Robust Compression and Transmission of MPEG-4 Video / S. Gringeri, R. Egorov, K. Shuaib, A. Lewis, B. Basch // In Proceedings ACM Multimedia. 1999.

59. Tan, W. Real-time Internet Video Using Error Resilient Scalable Compressionand TCP-friendly Trannsport Protocol / W. Tan, A. Zakhor // IEEE Transactions on Multimedia. 1999.

60. ITU-R Recommendation BT.500-8. Methodology for the subjective assessment of the quality of television pictures.

61. Nemethova, O. Quality Assessment for H.264 Coded Low-Rate and low-Resolution Video Sequences / O. Nemethova, M. Ries, E. Siffel, M. Rupp // Proc. of Conf. on Internet and Inf. Technologies (CUT). 2004. - pp. 136-140.

62. Seyler, A.J. Detail perception after scene changes in television image presentations / A.J. Seyler, Z.L. Budrikis // IEEE Trans, on Information Theory. -1965.-Vol. 11.-No. l.-p. 31

63. Pearson, D. Viewer response to time-varying video quality / D. Pearson // Proc. of SPIE Human and Electronic Imaging III. 1998. - vol. 3299.

64. ANSI Tl.801.03. American National Standard for Telecommunications: Digital Transport of One-Way Video Signals. Parameters for Objective Performance Assessment.

65. Winkler, S. Digital Video Quality: vision models and metrics / S. Winkler // Chichester: John Wiley & Sons Ltd, 2005.

66. Pinson, M.H. Comparing subjective video quality testing methodologies / M.H. I Pinson, S. Wolf // Proceedings of SPIE Video Communications and Image Processing. 2003. - №2.

67. Hanjalic, A. Content-Based Analysis of Digital Video / A. Hanjalic. Kluwer Academic Publishers, 2004.

68. Nemethova, O. Test Equipment for Time-Variant Subjective Perceptual Video Quality Testing with Mobile Terminals / O. Nemethova, M. Ries, A. Dantcheva, S. Fikar, M. Rupp // Proc. of International Conference on Human Computer Interaction. -Phoenix, 2005.