автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.01, диссертация на тему:Разработка алгоритмов обработки информации в системах видеотрансляций по беспроводным сетям

на правах рукописи

САГАТОВ Евгений Собирович

Разработка алгоритмов обработки информации в системах видеотрансляций по беспроводным

сетям

05.13.01 - Системный анализ, управление и обработка информации (технические системы и связь)

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

12 СЕН т

Самара-2013 005532995

005532995

Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Самарский государственный аэрокосмический университет имени академика С.П. Королёва (национальный исследовательский университет)».

Научный руководитель:

доктор технических наук Сухов Андрей Михайлович

Официальные оппоненты:

Коварцев Александр Николаевич, доктор технических наук, профессор, ФГБОУ ВПО «Самарский государственный аэрокосмический университет имени академика С.П. Королева (национальный исследовательский университет)», заведующий кафедрой программных систем.

Пугин Владимир Владимирович, кандидат технических наук, доцент, ФГБОУ ВПО «Поволжский государственный университет телекоммуникаций и информатики», помощник проректора по науке и инновациям, доцент кафедры «Мультисервисные сети и информационная безопасность».

Ведущая организация:

федеральное государственное автономное учреждение «Государственный научно-исследовательский институт информационных технологий и телекоммуникаций» (ФГАУ ГНИИ ИТТ «Информика»).

Защита состоится 4 октября 2013г. в 12:00 на заседании диссертационного совета Д 212.215.07 при федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Самарский государственный аэрокосмический университет имени академика С.П. Королёва (национальный исследовательский университет)» (СГАУ), по адресу: 443086, г. Самара, Московское шоссе, д. 34.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Самарский государственный аэрокосмический университет имени академика С.П. Королёва (национальный исследовательский университет)».

Автореферат разослан 3 сентября 2013 г.

Ученый секретарь диссертационного совета,

доктор технических наук, профессор

Белоконов И.В.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы

Технологии передачи видео в IP сетях используются более 20 лет, но, тем не менее, существует ряд проблем, особенно в беспроводных сетях, препятствующих повсеместному использованию подобных сервисов. Согласно данным Cisco Visual Networking Index ежегодный прирост Интернет трафика на беспроводных устройствах составляет более 250%. К 2013 году его объем увеличится в 66 раз по сравнению с 2008 годом и составит 5,4% от всего IP-трафика в Интернет. К 2013 году различный видео контент будет составлять 64% всей информации, переданной на беспроводные сети в мире.

Отсутствие проводов и привязки к конкретному месту делают мобильный Интернет популярным и удобным. Технологически каналы Интернет доступа в беспроводных сетях позволяют пользоваться большинством сервисов. Но мобильность накладывает свои ограничения в первую очередь на сервисы последнего поколения, такие как приложения реального времени, мультимедиа, Интернет телевещание и т.д. Их внедрение ограничивается качественными параметрами беспроводных сетей: значительным процентом потерь пакетов и большими значениями сетевого джиттера (вариации задержки пакетов). Эти сети малопригодны для передачи данных в режиме реального времени, так как мультимедийный трафик чрезвычайно чувствителен к подобным искажениям. Пакеты потокового видео теряются при передаче по сети, изменяют порядок следования и т.д. На получаемом видеоизображении появляются множественные искажения, происходит рассинхронизация потока, что приводит к искажениям изображения, а иногда и к полной остановке воспроизведения видео.

Анализ системных связей процесса передачи видео (см. рисунок 1) позволяет выявить три фактора, влияющих на итоговое качество видеоизображения: фактор оборудования, фактор сети и фактор восприятия. Множество исследователей, среди которых Z. Wang, М.Н. Pinson, S. Wolf, A.B. Watson, Д.С. Ватолин, работают над методами оценки качества видеоизображения (фактор восприятия). M. Claypool, Р. Calyam, B.B. Прохоров, изучали влияние характеристик сети передачи данных, на качество видео на приемной стороне (т.е связь сетевого фактора и фактора восприятия). W. Tan, A. Zakhor, G. De Los Reyes, J. Robinson и другие в начале века вносили свои предложения в области повышения качества передаваемого видео с помощью избыточности и особых методов распространения видео трафика по сети (влияние сетевого фактора на фактор восприятия). Многие из этих методов в настоящее время уже являются стандартами.

В предшествующих работах не исследовалось одновременное влияние всех трех факторов, как и не была выявлена численная зависимость между различными

параметрами, описывающими каждый из системных компонентов (см. рисунок 1). Такая задача в настоящее время крайне востребована. К примеру, поставщикам 1РТУ необходимо прогнозировать качество видео на стороне клиента, чтобы избежать негативных отзывов клиента и отказа от услуг. Делать это с помощью видео анализаторов очень трудоемко и дорого, но можно судить о качестве видео изображения, зная характеристики сети в момент передачи и параметры кодирования.

1) фактор оборудования

3) фактор восприятия

I Видеокамера

j Сервер цифровых | Беспроводная | _ Пользователь j

• видео потоков

J 1 | компьютер *

мепрерывныидискрегный Кодирование Отправка пакетов Передача Приём пакетов Деджиттерный Декоди- Отображение видеоряд видеоряд видео с видео по сети с видео буфер роаание

Основные переменные для каждого фактора:

1>W,B I PJ,D I Qideal, QMOS I

1 I I I

Рисунок 1 - Системные связи, влияющие на качество передачи видео. На рисунке 1 показаны основные переменные, влияющие на качество связи: W -размер RTP (Real-time Transport Protocol, транспортный протокол реального времени) пакета, Б; I - межпакетный интервал, с; р - процент потери пакетов при прохождении по сети, %; j - сетевой джиттер, с; D - задержка пакетов при прохождении по сети, с; В - пропускная способность канала, Мбит/с; QMos -качество видео на приёмной стороне с точки зрения человеческого восприятия, баллы от нуля до пяти; Qideai - максимальное качество видео для кодека, баллы от нуля до пяти.

В данной работе процесс передачи видео по беспроводной сети исследуется с учетом трех основных факторов: оборудования, сети и восприятия. Это даёт возможность сказать, какая беспроводная сеть лучше или хуже подходит для передачи потокового видео. В работе предлагаются методы повышения качества видео при передаче по беспроводным сетям, реализованные на основе системного анализа трёх факторов: оборудования, сети и восприятия.

Результаты исследования соответствуют следующим пунктам паспорта научной специальности 05.13.01 - Системный анализ, управление и обработка информации (технические системы и связь):

пункту 2 - «Формализация и постановка задач системного анализа, оптимизации, управления, принятия решений и обработки информации», а именно:

Разработан метод расчёта критерия оценки качества передачи видеопотоков по беспроводным сетям, учитывающий параметры кодирования и сетевые характеристики.

Предложен метод дублирования ключевых кадров для повышения качества передачи видео по беспроводным сетям и соответствующий алгоритм дублирования пакетов.

пункту 4 - «Разработка методов и алгоритмов решения задач системного анализа, оптимизации, управления, принятия решений и обработки информации», а именно:

Разработан метод и соответствующий алгоритм определения пакетов, несущих информацию ключевых кадров в видеопотоках, закодированных кодеками МРЕО-2, МРЕС-4 и \VMV9.

пункту 5 - «Разработка специального математического и программного обеспечения систем анализа, оптимизации, управления, принятия решений и обработки информации», а именно:

Разработано специализированное программное обеспечение (утилита), позволяющее, исходя из параметров оборудования и характеристик беспроводной сети в момент передачи данных, принимать решение о применении управления передачей информации в виде метода дублирования ключевых кадров.

Объект исследования - система видеотрансляций по беспроводным сетям.

Предмет исследования - процесс передачи видео по беспроводным сетям.

Целью работы является разработка алгоритмов обработки информации для повышения качества передачи видео в системах видеотрансляций по беспроводным сетям.

Для достижения поставленной цели в диссертационной работе решаются следующие задачи:

1. Исследование связей в системе передачи видео через беспроводные сети и выделение влияющих факторов и переменных.

2. Формирование критерия оценки качества передачи видеоизображения с учётом ограничений системы параметрами кодирования и сетевыми характеристиками.

3. Сбор информации о значимых переменных с помощью экспериментального исследования процесса передачи видео по беспроводным сетям.

4. Разработка алгоритмов повышения качества передачи видео и программного комплекса, реализующего указанные алгоритмы.

5. Оценка эффективности применяемых алгоритмов с помощью экспериментального исследования.

Методы исследования

В диссертационной работе для разработки критерия оценки качества передачи видео, сравнения сетей и проверки метода дублирования ключевых кадров используются экспериментальные методы исследования. Для нахождения вероятности переупорядочивания пакетов в сети используются методы теории вероятностей и математической статистики. Для оценки качества видео используются стандарты международного союза электросвязи (1Ти-Я ВТ.500-13).

Основные положения диссертации, выносимые на защиту:

1. Метод расчёта критерия оценки качества передачи видеопотоков по беспроводным сетям, учитывающий параметры кодирования и сетевые характеристики.

2. Метод дублирования ключевых кадров для повышения качества передачи видео по беспроводным сетям и соответствующий алгоритм дублирования пакетов.

3. Метод и алгоритм определения пакетов, несущих информацию ключевых кадров в видеопотоках, закодированных кодеками МРЕО-2, МРЕС-4 и \VMV9.

Научная новизна работы

В диссертации получены следующие научные результаты:

1. Предложен новый метод расчёта критерия оценки качества передачи видеопотоков по беспроводным сетям, учитывающий параметры кодирования и сетевые характеристики.

2. Предложено использовать метод дублирования ключевых кадров для повышения качества передачи видеопотоков по беспроводным сетям.

3. Предложен новый метод определения пакетов, несущих информацию ключевых кадров в видеопотоках, закодированных кодеками МРЕС-2, МРЕв-4 и \VMV9, а также соответствующий алгоритм и программное обеспечение.

Практическая ценность работы

Результаты, полученные в данной диссертационной работе, могут быть использованы для повышения качества вещания сервисов потокового видео в системах Интернет видеотрансляций, могут быть применены для улучшения качества передачи видеоизображения с беспилотных самолетов и спутников, а так же могут применяться провайдерами 1РТУ для прогнозирования качества видеоизображения на стороне пользователя.

Разработана система Интернет видеотрансляций, в которой значительно повышены характеристики устойчивости к сетевым ошибкам.

По итогам работы в СГАУ развернут комплекс Интернет телевещания, а также вещания на мониторы в корпусах университета. Неоднократно проводились прямые трансляции научных мероприятий в СГАУ, а также трансляции для компаний «Радио Самара-Максимум», «Радио Шансон-Самара», ОАО «МегаФон» и других.

Система видеотрансляций внедрена в ОАО «МегаФон», что подтверждается актом внедрения.

Апробация работы

Результаты диссертации докладывались и обсуждались на международной конференции «IEEE IFIP Wireless Days 2011» в г.Ниагара-Фолс, Онтарио, Канада; на международной конференции «IEEE International Symposium on Image/Video Communications over fixed and mobile networks 2010» в г.Рабат, Марокко; на региональной научно-практической конференция «Проблемы передачи информации в телекоммуникационных системах» (г.Волгоград, 2011); на международной конференции с элементами научной школы для молодёжи «Перспективные информационные технологии для авиации и космоса» (г.Самара, 2010); на XVII конференции представителей региональных научно-образовательных сетей «RELARN - 2010» (г.Нижний Новгород - г.Углич); на крупнейшей Европейской международной конференции в области компьютерных сетей «TERENA Networking Conférence 2010» (г. Вильнюс, Литва); на XVII Всероссийской научно-методической конференции «Телематика'2010» (г. Санкт-Петербург); на Всероссийской молодёжной научной конференция с международным участием «X КОРОЛЕВСКИЕ ЧТЕНИЯ» (г.Самара, 2009); на Всероссийской научно-технической конференции «Актуальные проблемы радиоэлектроники и телекоммуникаций» (г.Самара, 2009); на XVI Всероссийской научно-методической конференции «Телематика'2009» (г.Санкт-Петербург); на XVI конференции представителей региональных научно-образовательных сетей «RELARN - 2009» (г.Москва - г.Санкт-Петербург).

Работа была поддержана грантами РФФИ 10-07-09286-моб_з и 12-07-31242-мол_а.

Публикации

По теме диссертации опубликованы 15 работ, четыре из которых в изданиях, рекомендованных ВАК Минобрнауки России. Две статьи на английском языке по итогам докладов сделанных на конференциях IEEE, которые индексируются Scopus (одна в WoS). На работу «Influence of Distortions of Key Frames on Video Transfer in Wireless Networks» в системе Scopus имеется одна международная ссылка (Е. Aguiar and etc., Real-time QoE prédiction for multimédia applications in Wireless Mesh Networks // IEEE Consumer Communications and Networking Conférence. - 2012. - P. 592-596.).

Структура и объём диссертации

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы. Работа изложена на 120 страницах машинного текста, содержащих 56 рисунков и 16 таблиц. Список использованных источников насчитывает 76 наименований.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении показана актуальность выбранной темы диссертации, определены цель и задачи работы, методы исследования, изложены научная новизна и практическая значимость полученных результатов, сформулированы основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе вводятся основные понятия, необходимые для описания процессов передачи цифровых видеопотоков по глобальным и локальным сетям. Рассмотрены особенности передачи цифровых видеопотоков по беспроводным сетям. В частности показано, что в беспроводных сетях характеристики качества значительно хуже, чем в фиксированных сетях. Это затрудняет передачу видеопотоков, так как качество видео на приемной стороне значительно ухудшается.

Описаны существующие методы оценки качества видео изображения. Рассмотрены классические пути повышения качества, а также сформулированы задачи проводимого исследования.

Во второй главе изучены системные связи трех основных факторов, которые оказывают влияние на качество видеоизображения на приёмной стороне. Это фактор оборудования, сетевой фактор и фактор человеческого восприятия. Глава посвящена моделированию основных эффектов, влияющих на качество передачи видео. Пакетный поток передается через сеть, испытывая искажения, связанные с сетевым джиттером, определяющим разброс максимального и минимального времени прохождения пакета от среднего, и потерями пакетов в процентном отношении. Основные эффекты, обусловленные сетевым фактором, которые влияют на качество видео, - это нарушение порядка следования пакетов и переполнение деджиттерного буфера на приёмной стороне.

Найдена связь качества принимаемого видео изображения по шкале MOS (Mean Opinion Score, усреднённая экспертная оценка) с характеристиками сети в момент передачи видео. При этом учитываются кодек и параметры кодирования (фактор оборудования), все характеристики сети передачи данных, которые влияют на качество получаемого видео (сетевой фактор, RFC-2544), а также анализируются исходное и полученное видеоизображения с точки зрения восприятия человека (фактор восприятия). Таким образом, в работе анализируются системные связи всех трех факторов.

Сложные взаимосвязи основных параметров, определяющих качество видеоизображения, представлены на рисунке 2, где Кодек - кодек, применяемый для сжатия видео (MPEG-2, MPEG-4 или WMV9); V - скорость потока, Б/с; tbuf -длительность деджиттерного буфера, с; DKF - применение метода дублирования ключевых кадров, включен/выключен; R - разрешение видеокадра, число пикселей

по горизонтали и вертикали; F„ - частота кадров в видеоизображении, кадр/с.

Зависят от оборудования: Кодек W, V, tfa/g DKF, I, Я Fr

Зависят от сети:

PJ.D.B

Зависят от восприятия: Qmos, Qidea!

/ > t

Qmos зависит от: QtJelh Р, j

J k

1. <?,зависит от: Кодек, V

Критерий

1- Qmos-* max {4..5}

2. W—> min{0..1S0}

3. V -» min

4. DKF-~* вы/or.

Рисунок 2 — Выделенные переменные, системные связи и критерии оптимизации.

Оптимальные тип кодека, размер пакета W, разрешение видеокадра R и частота кадров Fr, как правило, заранее известны, найдены экспериментально и в дальнейшем после запуска системы не изменяются. Процент потерь пакетов р, сетевой джиттер j, задержка пакетов D и пропускная способность канала В — случайны, зависят от внешних факторов и не управляемы. Скорость потока V, межпакетный интервал / и максимальное качество видео для кодека Qideai имеют известную зависимость от других переменных. На систему может оказываться управление с помощью изменения длительности деджиттерного буфера tbuf и включения или отключения дублирования ключевых кадров DKF.

Главным критерием является качество видеоизображение на стороне пользователя Qmos■ Оно не должно опускаться ниже четырёх баллов, иначе пользователь будет недоволен. Вторым менее значимым критерием является длительность деджиттерного буфера tbuf, которая должна стремиться к минимуму. Однако если она будет слишком мала, увеличатся потери пакетов из-за сетевого джиттера j и снизится качество видеоизображения на стороне пользователя Qmos, что противоречит первому критерию. Второй критерий актуален в основном для видеоконференций, где общая задержка более 150 мс будет негативно влиять на Qmos (согласно системе оценок GAP (Good, Acceptable, Poor)). Третий критерий заключается в поддержании минимально возможной скорости видеотрансляции V,

при котором будет достигаться максимально возможное качество видеоизображения <2ша1, но при этом после прохождения по сети ()Моз будет максимальным. Четвертый критерий формализует численно, что дублирование ключевых кадров должно быть выключено, до тех пор, пока другими средствами удаётся поддерживать 0МО8 > 4 баллам. Включение дублирования увеличит объём передаваемой информации примерно на 7%, что может негативно сказаться на качестве, если оно и так хорошее. Кроме того уменьшится количество одновременно обслуживаемых пользователей.

Потери пакетов на приемной стороне складываются из потерь пакетов при прохождении видеопотока через сеть и потерь пакетов, обусловленных пакетным джиггером у (вариацией задержки пакетов), то есть в результате нарушения порядка следования пакетов. На приемной стороне видеоплеер проверяет последовательно все номера приходящих пакетов ЯТР потока и, в случае нарушения порядка следования пакетов, в видеоизображении появляются искажения. Пакет с номером N+1 может прийти раньше пакета с номером N в результате изменения маршрута следования пакетов, повторной отправки пакета и других сетевых эффектов. Видеоплеер при получении пакета проверяет его номер. Если номер полученного пакета на единицу больше предыдущего, то из него извлекаются видео данные, в любом другом случае происходит ошибка чтения потока.

Найдем вероятность нарушения порядка следования пакетов в сети, принимая, что задержка подчиняется экспоненциальному закону

где Я - 1 /у - параметр экспоненциального распределения - величина, обратная джиттеру; В - задержка при передаче пакета по сети; £>„,,„ - минимальная задержка для пакета, с.

Для двух пакетов, которые передаются последовательно с временным интервалом где IV - размер пакета, Б; V - скорость видеопотока, бит/с; вероятность нарушения порядка следования пакетов равна

Например, для видеопотока, передаваемого с помощью программного продукта УУеоЬап УЬС (IV= 1356 Б) со скоростью У= 256 Кбит/с между двумя узлами по

(1)

(2)

или

(3)

сети, в которой средний джиттер у = 15 мс, вероятность изменения порядка пакетов равна

pr =

1356

= 0,032 •

(4)

0,015-32768,

На рисунке 3 изображен график вероятности нарушения порядка следования пакетов Ря в зависимости от скорости потока V для значений джиггера у' равных 5, 20, 50 и 100 мс. Как видно из рисунка 3, вероятность нарушения порядка следования пакетов увеличивается с возрастанием скорости видеопотока или с увеличением значения сетевого джиттера.

us с.

0,45

0,35

0,2

MS

>1001"'

— 14 ф>ж

— ' — Pa р20мс

---p«, на*

........PiiMttw

Wvtc»i 356 бейт

V, ибкт/с

Рисунок 3 - Вероятность нарушения порядка следования пакетов PR в зависимости от скорости потока V и сетевого джиттера j.

Для устранения искажений, вызванных сетевым джиттером, на приёмной стороне применяется метод буферизации. В течение определенного периода времени пакеты накапливаются в буфере, где восстанавливается порядок их следования. Этот период называется длительностью деджиттерного буфера tbuf- По мере необходимости кодек на приемной стороне выбирает из буфера необходимый ему пакет в соответствии с нумерацией в RTP (Real-time Transport Protocol, транспортный протокол реального времени) потоке и обрабатывает его, получая на

выходе кадры несжатого видео. Если время доставки пакета превышает длительность деджиттерного буфера tbu/, то пакет считается потерянным.

Рассчитаем длительность деджиттерного буфера. Для распределения (1) должно выполняться условие F(tbuj) = 1 -pj, где pj - это требуемый процент потерь пакетов, обусловленных неравномерностью их доставки.

Из уравнения (1) следует:

huf = -j ln Pj ■ (5)

Prasad Calyam (Прасад Калям) разделил весь трафик на хороший, удовлетворительный и плохой в зависимости от значений сетевых переменных: потерь пакетов р и джиттера j. Для отличного, удовлетворительного и плохого значений по системе GAP (Good, Acceptable, Poor) в диссертации рассчитаны численные значения деджиттерного буфера, которые сведены в таблицу 1.

Таблица 1 - Длительность деджиттерного буфера для типов трафика по системе оценок GAP

№ Тип трафика Значения у, мс Значения р, % Величина деджиттерного буфера tbuf, мс

1 Хороший 20 0,5 139

2 Удовлетворительный 50 1,5 291

3 Плохой 150 10 587

Приведём список переменных для каждого из факторов:

• Межпакетный интервал исходного сигнала А/[/„], соответствует фактору оборудования.

• Сетевой джиттер j и потери пакетов р, соответствует сетевому фактору.

• Качество визуального сигнала (фактор восприятия) в процессе его передачи по сети описывается по шкале MOS (ITU-R ВТ.500-13), где Qmos качество принимаемого сигнала.

При передаче видео по сети качество связи ухудшается в зависимости от характеристик сетевого соединения, описанных в методике паспортизации пакетных сетей RFC-2544:

Qmos=<P(D,PJ,B), (6)

где В - доступная полоса пропускания сети, D — задержка при передаче пакета по сети.

В сетях ISDN процент потерь пакетов не превышает 10~б, а сетевой джиттер меньше 1мкс. В этих сетях качество видео не зависит от удалённости точек, между

которыми проводится сеанс связи, то есть качество видео не зависит от задержки пакетов Див дальнейшем она учитываться не будет.

Пропускная способность канала В не оказывает существенного влияния на качество видеопотока, если не происходит перегрузки канала связи. Перегрузки каналов связи не входят в область исследования данной диссертационной работы.

Используя линейное приближение, качество передаваемого видео можно описать следующим образом:

QMos=Qùiea,-ap-Pj> (7)

где Qideai - максимальное качество видео для данного кодека, баллы от нуля до пяти; а, р - коэффициенты модели, которые следует определять экспериментально. Введение коэффициентов а и /? позволяет сравнивать сети и кодеки по их численным значениям.

В третьей главе разработан план эксперимента, по которому закодированные кодеками MPEG-2, MPEG-4 и WMV9 видеопотоки пересылаются через сеть Интернет и беспроводную сеть стандарта 3G, Wi-Fi или WiMAX. В результате в точке приема записывается полученное видео без перекодирования (как есть), а также сетевой трафик в момент трансляции.

Обосновано использование субъективного метода оценки качества видео SAMVIQ (Subjective Assessment Methodology for Video Quality, субъективная методология оценки качества видео) для расчёта качества видео в момент ошибки при передаче по беспроводной сети. Объективные методы оценки в данном случае не применимы, так как не соответствуют человеческому восприятию.

В диссертации разработана методика анализа полученных в результате экспериментов данных: видеофайлов и записей сетевого трафика. Основная проблема анализа состоит в синхронизации видеоряда и сетевых данных с тем, чтобы правильно описать ухудшение качества видео. Необходимо понимать, какие сетевые характеристики соответствуют ошибкам на видео. '

Для этого, с помощью программы VirtualDub находится кадр, предшествующий искаженному кадру, а также время его отображения. Аналогично находится последний искаженный кадр. Таким образом, определяется длительность искажения в кадрах и по времени.

Программа Wireshark распознает пакеты видеотрансляции как RTP/UDP. Для этого типа пакетов Wireshark имеет встроенный анализатор, в котором выделены места, где были потеряны пакеты. Сравнивая момент потери пакетов с началом искажения видеоряда, легко добиться синхронизации данных.

В результате найдена оценка субъективного качества видео QMos в зависимости от процента потерь пакетов р и сетевого джиггера j раздельно для ошибок, затрагивающих ключевой кадр и не затрагивающих.

В диссертации рассчитаны коэффициенты линейного приближения ак, /?*, aw, /Г для кодеков MPEG-2, MPEG-4 и WMV9 в сетях 3G, Wi-Fi и WiMAX (см. таблицы 2-4).

Таблица 2 - Значения коэффициентов модели в сети Wi-Fi (уравнение 7)

№ Кодек Qideal к а * К' а ßW

1 MPEG2 4,2±0,2 0,11±0,03 15±4 0,06±0,02 10±4

2 DivX 4,7±0,2 0,25±0,05 15±5 0,17±0,02 10±3

3 WMV9 4,7±0,2 0,25±0,11 20±8 0,16±0,6 10±3

Таблица 3 - Значения коэффициентов модели в сети 3G

№ Кодек Qideal к а ft W а ßW

1 MPEG2 4,2±0,2 0,12±0,02 10±2 0,06±0,01 5±1

2 DivX 4,7±0,2 0,22±0,05 13±5 0,12±0,05 8±3

3 WMV9 4,7±0,2 0,32±0,1 15±5 0,22±0,08 10±3

Таблица 4 - Значения коэффициентов модели в сети WiMAX

№ Кодек Qideal к а ßk W а ß*

1 MPEG2 4,2±0,2 - 0,2±0.1 15±0,5

2 DivX 4,7±0,2 0,5±0,3 30±1 0,3±0,1 15±0,5

3 WMV9 4,7±0,2 - - 0,3±0,1 15±0,5

В диссертации проанализированы качественные характеристики беспроводных сетей и установлено, что для передачи видео лучше всего подходят сети WiMAX, а 3G сети малопригодны для этих целей.

Показано, что искажение ключевых кадров оказывает значительно большее влияние на качество видео, чем искажение неключевых кадров. Было предложено для значительного повышения качества видеоизображения при передаче в беспроводной сети выполнить два обязательных условия по модернизации схемы связи:

1) обеспечить на сервере потокового видео дублирование пакетов, содержащих информацию ключевых кадров;

2) модернизировать проигрыватель на приемной стороне с тем, чтобы автоматически отбрасывать дублирующие RTP-пакеты.

Кроме того, период между ключевыми кадрами не должен превышать двух секунд.

В четвёртой главе рассматривается проблема ухудшения качества потокового видео при передаче через беспроводные сети. Показано, что метод перезапроса потерянных пакетов, используемый в TCP протоколе, неприменим для передачи потокового видео, и для этих целей может использоваться только UDP/RTP протокол. Метод адаптации скорости потока к доступной пропускной способности Интернет-соединения значительно повышает нагрузку на сервер вещания, но при

этом, используя только этот метод, получить приемлемое качество видео затруднительно. Ещё одним методом повышения качества видео при передаче является доработка кодеков таким образом, чтобы при потерях пакетов качество видео снижалось меньше, но большинство популярных кодеков пока таких доработок не имеют. Имеются и другие методы, такие как метод прямой коррекции ошибок в видеопотоке или группового вещания, применение которых нецелесообразно в беспроводных компьютерных сетях.

Для оценки эффективности метода дублирования ключевых кадров в рамках диссертации разработана утилита, которая встраивается в цепочку промежуточных сетевых драйверов (см. рисунок 4) операционной системы Microsoft Windows и реализует алгоритмы по дублированию и отбрасыванию пакетов и выявлению в них ключевых кадров.

Рисунок 4 - Иерархия сетевых драйверов Windows.

Разработанная утилита встраивается в цепочку промежуточных фильтров и получает все исходящие пакеты от приложений после обработки драйверами протоколов, но до передачи драйверам сетевых адаптеров, как показано на рисунке 5.

Рисунок 5 - Положение утилиты в цепочке сетевых драйверов.

Такое расположение позволяет дублировать все исходящие пакеты, зная их тип, размер и другую служебную информацию, с которой они будут переданы в сеть. Благодаря этому утилита может выделять ИГР пакеты и ключевые кадры в них из общего числа исходящих пакетов.

Блок схема алгоритма дублирования пакетов, содержащих 'информацию ключевых кадров, приведена на рисунке 6. На указанном рисунку сокращение КК -это ключевой кадр.

Рисунок 6 - Блок-схема алгоритма дублирования пакетов, содержащих ключевые

кадры.

Принципиальная схема функционирования утилиты приведена на рисунке 7. Очередь отправляемых

Приложения

j пакетов

4вНШ1Н1Н1}*

я

«{ЭДШНШ!}-

Дубликатор/ отбрасыватель пакетов

Оригинал

Сеть

полученных пакетов

Рисунок 7 - Принципиальная схема функционирования разработанной утилиты.

В работе проводится экспериментальная проверка метода дублирования ключевых кадров для повышения качества передачи видео по беспроводным сетям. В процессе эксперимента видео передаётся по сети Wi-Fi тремя способами: без дублирования пакетов, с дублированием только пакетов, содержащих ключевые кадры, и с дублированием всех пакетов видеопотока. Для этого, в диссертации разработана методика по выявлению ключевых кадров в пакетах видеопотока, закодированного кодеком MPEG-2, MPEG-4 или WMV9. Вначале необходимо удостовериться, что пакет содержит RTP данные. Для этого проверяется тип пакета - IP, протокол - UDP, заголовок RTP пакета. Если все проверки пройдены, то в теле RTP пакета в цикле проверяются все элементарные потоки на наличие ключевого кадра. Индикатор ключевого кадра для кодека WMV9 приведен на рисунке 8.

« ISO/ÏEC 13Я-1 РГО-0х4б С«: • Header : 0x4-4044 30 EHPÊC2 PC» Analysis] Adaptation Field Length: 7

: Индикатор видео ■ . потока WMV9

iAaaption field : Packetized Elementary prefix: 000001

novoi

Qxat

■ : so,

OlhO 01c0 oido 01e0

Индикатор ключе-cor о кэдрэ с сидсо потоке WMV9.

1 ?ый байт блока PES данных.

Рисунок 8 - Индикатор ключевого кадра для кодека WMV9. Результаты проведения эксперимента сведены в таблицу 5. Таблица 5 - Ухудшение качества видео при разных вариантах дублирования для сети Wi-Fi

№ Кодек Без дублирования С дублированием ключевых кадров С полным дублированием

1 MPEG-2 0,7 0,3 1,0

2 MPEG-4 1,2 0,4 1,5

3 WMV9 1,2 0,4 1,5

В результате проведенных экспериментов выявлено, что дублирование ключевого кадра увеличивает объём передаваемой информации всего на 7%, но ухудшение качества видео на приемной стороне сокращается в три раза. Дублирование всех пакетов видеопотока, как правило, даёт худший результат, чем без дублирования вообще. Это вызвано двукратным увеличением загрузки сети, что приводит к нелинейному росту процента потерь пакетов.

Теоретические разработки данной диссертации реализованы в созданном и эксплуатируемом комплексе Интернет-трансляций, который был внедрён в рабочий процесс ОАО «МагаФон» (имеется акт внедрения), Регионального Интернет канала «ХомякТВ» и ОАО НПЦ «Интернет ТВ». На рисунке 9 показана принципиальная схема реализованной системы Интернет-телевещания.

Сервер видео

Рисунок 9 - Принципиальная схема системы Интернет-телевещания.

Основные результаты работы

1) Проведён анализ системы передачи видео через беспроводные сети и выделены влияющие на качество передачи видео факторы, переменные и связи.

2) Предложен новый метод расчёта критерия оценки качества передачи видеопотоков по беспроводным сетям, учитывающий параметры кодирования и сетевые характеристики.

3) В диссертационной работе получена информация о значимых переменных с помощью экспериментального исследования процесса передачи видео по беспроводным сетям.

4) Предложено использовать метод дублирование ключевых кадров для повышения качества передачи видеопотоков по беспроводным сетям.

5) Предложен новый метод определения пакетов, несущих информацию ключевых кадров в видеопотоках, закодированных кодеками MPEG-2, MPEG-4 и WMV9. Л

6) В рамках диссертации для-чметода дублирования пакетов, несущих информацию ключевых кадров, быЛи разработаны алгоритм и программное обеспечение.

7) В результате экспериментальной проверки, эффективность применения указанных методов и алгоритмов была "подтверждена.

СПИСОК РАБОТ, ОПУБЛИКОВАННЫХ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

Публикации в ведущих, рецензируемых научных журналах и изданиях, определённых Высшей аттестационной-'комиссией:

1. Сагатов Е.С. Повышение качества Интернет видео потоков методом дублирования ключевых кадров [Текст] / Е.С. Сагатов, A.M. Сухов // Вестник Самарского государственного аэроксгрмического университета имени академика С.П. Королёва (национального исследовательского университета). - Самара: СГАУ, 2011. - № 2 (26). - С. 260-269. v

2. Sagatov E.S. Duplication of Key frames of Video Streams in Wireless Networks [Text] / E.S. Sagatov, A.M. Sukhov // IFIP Wireless Days 2011. - Canada, Niagara-Falls, 2011. - Accession Number: WC>S:000200564200035. - ISSN: 2156-9711. - DOI: 10.1109/WD.2011.6098170. - P. 1-5. %

3. Сагатов Е.С. Особенности видеотрафика в беспроводных сетях [Текст] / Е.С. Сагатов, A.M. Сухов, А.А. Семенов // Телекоммуникации. - М.: Наука и технологии, 2011. -№ 8. -С. 2-10.

4. Сагатов Е.С. Базовые принципы Интернет телевидения / Е.С. Сагатов, A.M. Сухов // Дистанционное и виртуальное обучение. - М.: Современная гуманитарная академия, 2011,-С.21-3 8.

Публикации по итогам выступлений на ведущих рецензируемых международных конференциях по темедиссертации. индексируемые Scopus:

5. Sagatov E.S. Influence of Distortions of Key Frames on Video Transfer in Wireless Networks [Text] / E.S. Sagatov;-A.M. Sukhov, P. Calyam // IEEE International Symposium on Image/Video Communications over fixed and mobile networks. -Marocco, Rabat, 2010.-DOI: 10.1109/I&VC.2010.5656258.-P. 1-4.

Другие публикации по теме диссертации:

6. Сагатов Е.С. Улучшение качества видео в беспроводных сетях путем дублирования ключевых кадров [Текст] // Проблемы передачи информации в телекоммуникационных системах. - Волгоград, 2011. - С. 47-52.

7. Сагатов Е.С. Пути повышения качества передачи видео в беспроводных сетях [Текст] // Перспективные информационные технологии для авиации и космоса (ПИТ-2010). - Самара:СГАУ, 2010. - С. 273-277.

8. Сагатов Е.С. Технология прямых Интернет видео трансляций [Текст] // XVII конференция представителей региональных научно-образовательных сетей «RELARN - 2010». - 2010. - С. 65-66.

9. Sagatov Е. Quality of VVoIP applications in wireless networks [Text] / E. Sagatov // TERENA networking conference. - Vilnius, Lithuania, 2010. - 1 p.

10. Сагатов Е.С. Качество видео в беспроводных сетях WiFi, 3G, WiMAX [Текст] / Сагатов Е.С., Сухов A.M. // Сборник статей участников Всероссийского конкурса научных работ студентов и аспирантов «Телематика'2010»: телекоммуникации, веб-технологии, суперкомпьютинг. - Спб., 2010. - С. 51-56.

11. Сагатов Е.С. Организация видеотрансляции реального времени через Интернет [Текст] // Всероссийская молодёжная научная конференция с международным участием «X КОРОЛЕВСКИЕ ЧТЕНИЯ». - Самара, 2009. - С. 319.

12. Сагатов Е.С. Автоматизированная корректировка качества передачи видео в беспроводных сетях [Текст] // Актуальные проблемы радиоэлектроники и телекоммуникаций. - Самара, 2009. - С. 7 -12.

13. Сагатов Е.С. Моделирование особенностей передачи видео в беспроводных сетях [Текст] // Труды XVI Всероссийской научно-методической конференции «Телематика'2009». - Спб., 2009. - С. 300-301.

14. Сагатов Е.С. Качество передачи видео в беспроводных сетях [Текст] / Сагатов Е.С., Сухов A.M. // Конференция представителей региональных научно -образовательных сетей «RELARN - 2009». - 2009. - С. 66-70.

15. Астраханцева М.А. Исследование качества передачи видео в беспроводных сетях [Текст] / Астраханцева М.А., Макаров М.А., Сагатов Е.С. // Перспективные информационные технологии в научных исследованиях, проектировании и обучении (ПИТ 2012). - Самара: Издательство Самарского научного центра РАН, 2012.-С. 7-9.

Подписано в печать 03.09.2013г. Заказ № 1118 Формат 60x84/16. Объём 2 усл. печ. л. Тираж 100 экз. Отпечатано с готового оригинал-макета 445010, г.Тольятти, ул. Советская 78, оф. 9

Министерство образования и науки Российской Федерации Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Самарский государственный аэрокосмический университет имени академика С.П. Королева (национальный исследовательский университет)»

Разработка алгоритмов обработки информации в системах видеотрансляций по беспроводным сетям

05.13.01 - Системный анализ, управление и обработка информации (технические

системы и связь)

на правах рукописи

04201361950

Сагатов Евгений Собирович

Диссертация на соискание учёной степени кандидата технических наук

Научный руководитель: д.т.н. Сухов А.М.

Самара-2013

СОДЕРЖАНИЕ

ПЕРЕЧЕНЬ СОКРАЩЕНИЙ.....................................................................................4

ВВЕДЕНИЕ.....................................................................................................................7

ГЛАВА 1. АНАЛИЗ ПОДСИСТЕМЫ ВИДЕОТРАНСЛЯЦИЙ, КАК ЭЛЕМЕНТА ГЛОБАЛЬНОЙ СЕТИ ПЕРЕДАЧИ ДАННЫХ...........................19

1.1 Основные величины, описывающие передачу видео в компьютерных сетях............................................................................................................................19

1.2 Особенности передачи цифрового видео в беспроводных сетях...........23

1.3 Поиск путей повышения качества принимаемого видео........................25

1.4 Формулировка задач исследования.............................................................28

Выводы к главе 1.......................................................................................................29

ГЛАВА 2. СИСТЕМНЫЙ АНАЛИЗ ПРОЦЕССА ПЕРЕДАЧИ ВИДЕО ПО БЕСПРОВОДНЫМ СЕТЯМ.....................................................................................31

2.1 Основные этапы передачи видео по сети....................................................31

2.2 Эффект нарушения порядка следования пакетов.....................................38

2.3 Расчет длительности деджитерного буфера...............................................44

2.4 Зависимость качества видео от характеристик сети...............................48

2.5 Выбор оптимальной скорости потока видеотрансляции........................51

2.6 Выводы к главе 2..............................................................................................54

ГЛАВА 3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ПРОВЕРКА РЕЗУЛЬТАТОВ СИСТЕМНОГО АНАЛИЗА ПРОЦЕССА ПЕРЕДАЧИ......................................55

3.1 Цели и задачи экспериментального исследования..................................55

3.2 Обоснование выбора метода оценки качества видео..............................57

3.3 Схемы экспериментов в беспроводных сетях............................................75

3.4 Методика анализа полученных данных.....................................................79

3.5 Расчет коэффициентов линейного приближения......................................86

3.6 Качественные характеристики беспроводных сетей................................88

3.7 Выводы к главе 3..............................................................................................90

ГЛАВА 4. ДУБЛИРОВАНИЕ КЛЮЧЕВЫХ КАДРОВ.......................................91

4.1 Пути улучшения качества передаваемого видео.....................................91

4.2 Алгоритм улучшения качества передаваемого видео.............................94

4.3 Идентификация ключевых кадров в RTP видеопотоке............................98

4.4 Оценка эффективности процесса дублирования пакетов.....................103

4.5 Результаты эксперимента по дублированию пакетов............................104

4.6 Область применения исследований...........................................................107

Выводы к главе 4.....................................................................................................109

ЗАКЛЮЧЕНИЕ.........................................................................................................111

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ...........................................113

ПЕРЕЧЕНЬ СОКРАЩЕНИЙ

3G — Third generation (третье поколение) 4G - Fourth generation (четвёртое поколение) СВЧ - Сверхвысокая частота

СГАУ — Самарский государственный аэрокосмический университет ТВ - Телевидение

ЭВМ - Электронная вычислительная машина

ADSL - Asymmetric Digital Subscriber Line (асимметричная цифровая абонентская линия)

ASF - Advanced Streaming Format (усовершенстованный формат потокового вещания)

AVC - Advanced Video Coding (усовершенствованное кодирование видео) CDMA - Code Division Multiple Access (множественный доступ с кодовым разделением)

DECT - Digital Enhanced Cordless Telecommunication (улучшенная цифровая переносная связь)

DV - Digital Video (цифровое видео)

EBU - European Broadcasting Union (Европейский вещательный союз)

EDGE - Enhanced Data rates for GSM Evolution (повышенная скорость передачи

для развития GSM)

FEC - Forward Error Correction (прямая коррекция ошибок)

GAP - Good, Acceptable, Poor (хороший, приемлемый, плохой)

GPRS - General Packet Radio Service (пакетная радиосвязь общего пользования)

GSM - Global System for Mobile Communications (глобальная система мобильной

связи)

HDTV - High-Definition Television (телевидение высокой чёткости)

HTTP - HyperText Transfer Protocol (протокол передачи гипертекста)

ICQ — служба мгновенного обмена сообщениями в сети Интернет

IDEF0 - Integration Definition for Function Modeling (встроенные определения для

функционального моделирования)

IEEE - Institute of Electrical and Electronics Engineers (институт инженеров по электротехнике и электронике)

IGMP - Internet Group Management Protocol (протокол управления группами Интернета)

IMT-MC - International Mobile Telecommunications, Multi-Carrier (международная

мобильная связь, мультиполосная)

IP — Internet Protocol (Интернет протокол)

IPTV - Internet Protocol Television (телевидение в IP сетях)

IRC - Internet Relay Chat (ретранслируемый чат для сети Интернет)

ISDN - Integrated Services Digital Network (цифровая сеть с интеграцией служб)

ITU - International Telecommunication Union (международный союз электросвязи)

ITU-R - ITU Radiocommunication Sector (сектор радиосвязи Международного

союза электросвязи)

ITU-T - ITU Telecommunication Standardization Sector (сектор стандартизации электросвязи)

LTE - Long Term Evolution (долговременное развитие) MOS - Mean opinion score (усреднённая экспертная оценка)

MPEG - Moving Picture Experts Group (экспертная группа по движущемуся изображению)

MPEG-TS - MPEG Transport Stream (транспортный поток MPEG)

MSU - Moscow State University (Московский государственный университет)

OSI - Open Systems Interconnection (взаимодействие открытых систем)

PPPoE - Point-to-point protocol over Ethernet (протокол взаимодействия двух

станций поверх сети Эзернет)

QVGA - Quarter Video Graphics Array (четверть видеографической матрицы) RFC - Request for Comments (запрос комментариев) RGB - Red, Green, Blue (красный, зеленый, синий)

RTP - Real-time Transport Protocol (транспортный протокол реального времени) RTSP - Real Time Streaming Protocol (потоковый протокол реального времени)

SAMVIQ - Subjective Assessment Methodology for Video Quality (субъективная методология оценки качества видео)

TCP - Transmission Control Protocol (протокол усправления передачей) TD-CDMA - Time-division - CDMA (CDMA с разделением по времени) TD-SCDMA - Time Division Synchronous CDMA (CDMA с разделением по времени и синхронизацией)

UDP - User Datagram Protocol (протокол пользовательских датаграмм)

UMTS - Universal Mobile Telecommunications System (универсальная мобильная

телекоммуникационная система)

UWC - Universal Wireless Communications (универсальная беспроводная связь)

VFW - Video for Windows (видео для Виндоус)

VLC - VideoLAN Client (клиент ВидеоЛан)

VoIP - Voice over IP (передача голоса no IP)

VPN - Virtual Private Network (виртуальная частная сеть)

VQMT - Video Quality Measurement Tool (утилита для измерения качества видео) WCDMA - Wideband Code Division Multiple Access (широкополосный множественный доступ с кодовым разделением)

WiMAX - Worldwide Interoperability for Microwave Access (международное взаимодействие для микроволнового доступа) WMV - Windows Media Video (Виндоус медиа видео)

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы

В настоящее время сетевые технологии проникают во все сферы деятельности человека. В глобальной системе передачи данных — Интернет реализуются следующие функции:

1. Web-страницы;

2. Уо1Р-телефония;

3. Чаты: ICQ, IRC и т.п.;

4. Передача электронных писем;

5. Видеосервисы;

6. и др.

Технологии передачи видео в IP сетях используются давно, но, тем не менее, существует ряд проблем препятствующих повсеместному использованию таких сервисов. В настоящей работе ставится задача расширения функциональности глобальной системы передачи данных без нарушения ее целостности. В частности, ставится задача создания подсистемы видеотрансляций, по своим характеристикам не уступающей специализированым телевизионным системам.

На рисунке 1 изображена иерархическая структура глобальной системы передачи данных и её подсистем. В диссертационной работе предлагается дополнить существующую подсистему видеотрансляций разработанными в данной диссертации подсистемой дублирования пакетов и подсистемой оптимизации скорости видеопотока, а так же методами оптимизации для подсистемы деджиттерного буфера.

Согласно данным Cisco Visual Networking Index ежегодный прирост Интернет трафика на беспроводных устройствах составляет более 250%. К 2013 году его объем увеличится в 66 раз по сравнению с 2008 годом и составит 5,4% от всего IP-трафика в Интернет. К 2013 году различный видеоконтент будет составлять 64% всей информации, переданной на беспроводные сети в мире.

Рисунок 1 — Основные элементы глобальной системы передачи данных.

Отсутствие проводов и привязки к конкретному месту делают мобильный Интернет невероятно популярным и экспоненциально растущим год от года. Технологически каналы доступа в Интернет в таких сетях позволяют без проблем пользоваться большинством сервисов. Но мобильность накладывает свои ограничения в первую очередь на сервисы последнего поколения, такие как приложения реального времени, сетевое мультимедиа, Интернет телевещание и т.д. Их внедрение ограничивается качественными параметрами беспроводных сетей: значительным процентом потерь пакетов и большими значениями вариации задержки пакетов (сетевым джиттером). Эти сети малопригодны для

передачи данных в режиме реального времени, так как мультимедийный трафик чрезвычайно чувствителен к подобным искажениям. Пакеты потокового видео теряются при передаче по сети, изменяют порядок следования из-за значительной вариации задержек пакетов. На получаемом видеоизображении появляются множественные цветные пятна, происходит рассинхронизация потока, что приводит к искажениям изображения, а иногда и к полной остановке воспроизведения видео.

Три фактора влияют на итоговое качество видеоизображения: фактор оборудования, фактор сети и фактор восприятия. Множество исследователей, среди которых Z.Wang и A.C. Bovik [1][2][3][4][5], М.Н. Pinson и S. Wolf [6][7][8][9], A.B. Watson [10][11][12][13][14], Д.С. Ватолин [15][16][17][18], работают над методами оценки качества видеоизображения на приемной стороне. M. Claypool [19], P. Calyam [20][21][22][23], B.B. Прохоров, изучали влияние характеристик сети передачи данных, на качество видео на приемной стороне. W. Tan [24][25], A. Zakhor [24][26][25][27][28], G. De Los Reyes [29], J. Robinson [30] и другие в начале века вносили свои предложения в области повышения качества передаваемого видео с помощью избыточности и особых методов распространения видеотрафика по сети. Многие из этих методов в настоящее время уже являются стандартами.

В предшествующих работах не исследовалось одновременное влияние всех трех факторов, как и не была выявлена численная зависимость между различными параметрами, описывающими каждый из системных компонентов. Такая задача в настоящее время крайне востребована. Например, поставщикам услуг IPTV необходимо представлять качество видео у клиента, чтобы избежать негативных отзывов клиента и отказа от услуг. Делать это с помощью видео анализаторов дорого, так как данный способ требует значительных вычислений, но можно говорить о качестве видеоизображения, зная характеристики сети в момент передачи и параметры кодирования.

В данной работе процесс передачи видео по беспроводной сети исследуется с учетом трех основных факторов: оборудования, сети и восприятия. Это даёт

возможность сказать, какая беспроводная сеть лучше или хуже подходит для передачи потокового видео. В работе предлагаются методы повышения качества видео и предсказания его на приёмной стороне по параметрам сети и оборудования.

Результаты исследования соответствуют следующим пунктам паспорта научной специальности 05.13.01 - Системный анализ, управление и обработка информации (технические системы и связь):

пункту 2 - «Формализация и постановка задач системного анализа, оптимизации, управления, принятия решений и обработки информации», а именно:

Разработан метод расчёта критерия оценки качества передачи видеопотоков по беспроводным сетям, учитывающий параметры кодирования и сетевые характеристики.

Предложен метод дублирования ключевых кадров для повышения качества передачи видео по беспроводным сетям и соответствующий алгоритм дублирования пакетов.

пункту 4 - «Разработка методов и алгоритмов решения задач системного анализа, оптимизации, управления, принятия решений и обработки информации», а именно:

Разработан метод определения пакетов, несущих информацию ключевых кадров в видеопотоках, закодированных кодеками МРЕв-2, МРЕО-4 и \VMV9.

пункту 5 - «Разработка специального математического и программного обеспечения систем анализа, оптимизации, управления, принятия решений и обработки информации», а именно:

Разработано специализированное программное обеспечение (утилита), позволяющее, исходя из параметров оборудования и характеристик беспроводной сети в момент передачи данных, принимать решение о применении управления передачей информации в виде метода дублирования ключевых кадров.

Объект исследования - система видеотрансляций по беспроводным сетям. Предмет исследования - процесс передачи видео по беспроводным сетям.

Целью работы является разработка алгоритмов обработки информации для повышения качества передачи видео в системах видеотрансляций по беспроводным сетям.

Для достижения поставленной цели в диссертационной работе решаются следующие задачи:

1. Исследование связей в системе передачи видео через беспроводные сети и выделение влияющих факторов и переменных.

2. Формирование критерия оценки качества передачи видеоизображения с учётом ограничений системы параметрами кодирования и сетевыми характеристиками.

3. Сбор информации о значимых переменных с помощью экспериментального исследования процесса передачи видео по беспроводным сетям.

4. Разработка алгоритмов повышения качества передачи видео и программного комплекса, реализующего указанные алгоритмы.

5. Оценка эффективности применяемых алгоритмов с помощью экспериментального исследования.

Методы исследования

В диссертационной работе для разработки математической модели зависимости качества видео от параметров сети, сравнения сетей и проверки метода дублирования ключевых кадров используются экспериментальные методы исследования. Для нахождения вероятности переупорядочивания пакетов в сети используются методы теории вероятностей и математической статистики. Для оценки качества видео используются стандарты международного союза электросвязи [51].

Основные положения диссертации, выносимые на защиту:

1. Метод расчёта критерия оценки качества передачи видеопотоков по беспроводным сетям, учитывающий параметры кодирования и сетевые характеристики.

2. Метод дублирования ключевых кадров для повышения качества передачи видео по беспроводным сетям и соответствующий алгоритм дублирования пакетов.

3. Метод и алгоритм определения пакетов, несущих информацию ключевых кадров в видеопотоках, закодированных кодеками МРЕв-2, МРЕО-4 и \VMV9.

Научная новизна работы

В диссертации получены следующие научные результаты:

1. Предложен новый метод расчёта критерия оценки качества передачи видеопотоков по беспроводным сетям, учитывающий параметры кодирования и сетевые характеристики.

2. Предложено использовать метод дублирования ключевых кадров для повышения качества передачи видеопотоков по беспроводным сетям.

3. Предложен новый метод определения пакетов, несущих информацию ключевых кадров в видеопотоках, закодированных кодеками МРЕО-2, МРЕО-4 и WMV9, а также соответствующий алгоритм и программное обеспечение.

Практическая ценность работы

Результаты, полученные в данной диссертационной работе, могут быть использованы для повышения качества вещания сервисов потокового видео в системах Интернет видеотрансляций, могут быть применены для улучшения качества передачи видеоизображения с беспилотных самолетов и спутников, а так же могут применяться провайдерами 1РТУ для прогнозирования качества видеоизображения на стороне пользователя.

Разработана система Интернет видеотрансляций, в которой значительно повышены характеристики устойчивости к сетевым ошибкам.

По итогам работы в СГАУ развернут комплекс Интернет телевещания, а также вещания на мониторы в корпусах университета. Неоднократно проводились прямые трансляции научных мероприятий в СГАУ, а также трансляции для компаний «Радио Самара-Максимум», «Радио Шансон-Самара», ОАО «МегаФон» и других.

Система видеотрансляций внедрена в ОАО «МегаФон», что подтверждается актом внедрения.

Апробация работы

Результаты диссертации докладывались и обсуждались на:

— международной конференции «IEEE IFIP Wireless Days 2011» в г.Ниагара-Фолс, Онтарио, Канада;

— международной конференции «IEEE International Symposium on Image/Video Communications over fixed and mobile networks 2010» в г.Рабат, Марокко;

— региональной научно-практической конференция «Проблемы передачи информации в телекоммуникационных системах» (г.Волгоград, 2011);

— международной конференции с элементами научной школы для молодёжи «Перспективные информационные технологии для авиации и космоса» (г.Самара, 2010);

— XVII конференции представителей региональных научно-образовательных сетей «RELARN — 2010» (г.Нижний Новгород - г.Углич);

— кру