автореферат диссертации по радиотехнике и связи, 05.12.13, диссертация на тему:Влияние ошибок в каналах широкополосных систем беспроводного доступа на качество потокового видео стандарта H.264/AVC

На правах рукописи

ИВАНОВ Юрий Алексеевич

ВЛИЯНИЕ ОШИБОК В КАНАЛАХ ШИРОКОПОЛОСНЫХ СИСТЕМ БЕСПРОВОДНОГО ДОСТУПА НА КАЧЕСТВО ПОТОКОВОГО ВИДЕО СТАНДАРТА Н.264 /ЛУС

Специальность 05.12.13 - Системы, сети и устройства телекоммуникаций

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

3 1 (.¡АР 2011

Пенза 2011

4841578

Работа выполнена в ФГОУ ВПО «Чувашский государственный университет им. И. Н. Ульянова» на кафедре радиотехники и радиотехнических систем.

Научный руководитель - Заслуженный деятель науки РФ

доктор технических наук, профессор Шелухин Олег Иванович.

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Светлов Анатолий Вильевич; доктор технических наук, профессор Смольский Сергей Михайлович.

Ведущая организация - ФГУП НИИ «Платан» с заводом при НИИ

(г. Фрязино, Московская область).

Защита диссертации состоится <ИПреля 2011 г., в 14.00 часов, на заседании диссертационного совета Д 212.186.04 при ГОУ ВПО «Пензенский государственный университет» по адресу: 440026, г. Пенза, ул. Красная, 40.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГОУ ВПО «Пензенский государственный университет». Автореферат размещен на сайте www.pnzgu.ru

Автореферат разослан « » суССЛр^А 2011 г.

Ученый секретарь диссертационного совета доктор технических наук,

профессор В. В. Смогунов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Начиная с внедрения первых коммерческих продуктов в Интернете в 1995 г. наблюдается бурный рост услуг по передаче мультимедийных данных. Основную долю ресурсов при передаче занимают потоковые данные. Привлекательность потоковой передачи данных очевидна: аудио- и видеоматериалы наглядно доносят информацию в легко воспринимаемом виде. Подача материала в видеоформате очень эффективна в торговле, рекламе, при обучении и инструктировании. Для компаний это означает увеличение дохода, большую эффективность и меньшие затраты на доставку информации. Традиционный способ доставки файлов из сети с помощью загрузки недостаточно удобен для аудио- и видеоданных даже с учетом того, что клиентские соединения становятся быстрее. Часто скорости передачи недостаточны для загрузки видеофайлов, размер которых составляет десятки мегабайт. Решение проблемы больших файлов существует вот уже несколько лет: потоковая технология. Сегодня термином «потоковое видео» (streaming video) обозначают технологии сжатия и буферизации данных, которые позволяют передавать видео в реальном времени через сети связи. В последние годы наблюдаются развитие и бурный рост технологий, использующих в качестве транспорта беспроводные технологии широкополосного доступа, которые являются серьезной альтернативой сотовым системам связи.

Это стремительное увеличение определило новую сложную задачу по поддержанию качества обслуживания при трансляции видео. Существенный вклад в разработку цифровых систем сжатия и обработки изображений, а также методов и аппаратуры измерения качества в цифровых телевизионных системах внесли отечественные ученые: В. П. Дворкович, А. В. Дворкович, Ю. Б. Зубарев, С. И. Катаев, М. И. Кривошеев, Б. А. Локшин, В. Н. Безруков, а также зарубежные специалисты: Г. Салливан, С. Винклер, М. Рис, Дж. Вудс, Т. Вайгэнд, А. Таурапис, А. Бовик и др.

Основным недостатком передачи видео по беспроводным сетям является отсутствие достаточной синхронизации между оригинальной последовательностью и декодированной на приемной стороне копией. Из-за агрессивной среды передачи пакеты данных могут претерпевать серьезные искажения или вообще теряться. На сегодняшний день не существует стандартных подходов к определению влияния комплекса ошибок на качество передачи предоставляемых сервисов.

Указанные проблемы в соединении с коммерческим успехом заставляют проводить исследования, направленные на эффективное, стабильное и масштабируемое кодирование и передачу видео по нестабильным сетям, к которым относятся, в частности, беспроводные технологии широкополосного доступа.

Таким образом, исследование влияния ошибок в каналах широкополосного беспроводного доступа на визуальное качество потокового видео является актуальным.

Объект исследования - телекоммуникационные системы.

Предмет исследования - качество услуг, предоставляемых широкополосными системами беспроводного доступа при передаче потокового видео.

Цель работы: оценка влияния ошибок в каналах широкополосного беспроводного доступа на качество потокового видео стандарта Н.264/АУС и разработка рекомендаций по выбору параметров системы обработки и регистрации с целью обеспечения заданного качества восприятия видеоинформации.

Научные задачи работы:

1) оценка качества потокового видео стандарта Н.264 /АУС в системах широкополосного доступа методами имитационного моделирования с помощью разработанного программно-аппаратного комплекса (ПАК) и дополнительного программного обеспечения в среде N8-2 и Ма&аЬ ЭтиПпк;

2) исследование влияния битовых, пакетных, группирующихся ошибок в каналах беспроводного доступа на качество потокового видео стандарта Н.264/АУС экспериментальными методами и методами имитационного моделирования;

3) рекомендации по улучшению качества восприятия потокового видео стандарта Н.264/АУС в условиях пространственно-временной неоднородности видеоконтента и нарушения синхронизации видеопоследовательностей при регистрации в условиях воздействия ошибок в канале передачи.

Методы исследования. Теоретические исследования проведены с использованием методов теории информации, теории вероятности, математической статистики, случайных процессов, теории телетрафика, теории массового обслуживания. Экспериментальная часть работы основана на численных методах машинного моделирования и вычислительного эксперимента с использованием языков программи-

рования высокого уровня. Для численного анализа, проведения оценки и промежуточных вычислений применялись программные комплексы Ма&аЬ и N8-2. Обработка видеопоследовательностей, оценка качества видеоизображений производились методами имитационного моделирования.

Достоверность научных положений, выводов и практических рекомендаций результатов исследований, полученных автором диссертации, подтверждена строгостью применяемых математических методов, положительными рецензиями на работы, опубликованные в центральной печати, апробацией на научных конференциях, совпадением основных теоретических научных положений с результатами экспериментальных исследований, их повторяемостью и контролируемостью.

Научная новизна и теоретическая значимость работы состоит в следующем:

1. Разработанные алгоритмы оценки качества восприятия потокового видео стандарта Н.264/АУС в каналах беспроводного широкополосного доступа на основе обработки экспериментальных данных и разработанной Марковской модели пакетирования ошибок позволили исследовать влияние как одиночных битовых, так и группирующихся ошибок.

2. Выполненные исследования влияния одиночных и группирующихся ошибок передачи на ухудшение качества позволили получить зависимости качества восприятия потокового видео от вероятности возникновения одиночных и статистических характеристик группирования ошибок.

3. Выполненные исследования влияния различных сюжетных групп стандарта Н.264/АУС на воспринимаемое качество при передаче по сетям показали, что необходимо учитывать не только качество транслируемого и впоследствии декодируемого видеопотока, но и содержание видеоконтента, зависящее как от параметров кодека, так и статистики ошибок в каналах беспроводного доступа.

Практическая ценность работы и использование ее результатов:

1. Выполнены исследования зависимости качества видео от характеристик широкополосных беспроводных каналов связи, результаты которых могут быть использованы операторами связи при проектировании и эксплуатации различных видеоуслуг.

2. В программных средах MatLab Simulink и NS-2 созданы имитационные системы, позволяющие оценить помехоустойчивость при передаче видео и мультимедийной информации на базе комплексного учета основных особенностей стандарта IEEE 802.16.

3. На основе программной реализации разработанных алгоритмов создан программно-аппаратный комплекс, позволяющий проводить оценку качества потокового видео с учетом помехоустойчивости среды передачи.

4. Разработаны рекомендации по выбору параметров системы обработки и регистрации потокового видео стандарта H.264/AVC как в условиях одиночных битовых ошибок, так и при группировании ошибок в каналах беспроводного широкополосного доступа, что позволило получить количественные оценки эффективности декодирования видео в зависимости от информационных и индивидуальных характеристик кодеков в реальном масштабе времени.

Реализация и внедрение результатов работы.

Полученные результаты диссертационной работы внедрены в ФГУП СНПО «Элерон», о чем свидетельствует соответствующий акт внедрения.

Положения и результаты, выносимые на защиту:

1) численные значения вероятностей одиночных, пакетных и группирующихся ошибок, возникающих в сетях широкополосного беспроводного доступа при передаче потокового видео, позволяющие гарантировать объективное качество в определенном диапазоне;

2) разработанная Марковская модель с девятью состояниями, описывающая процесс пакетирования ошибок в каналах широкополосных систем беспроводного доступа при передаче потокового видео, позволившая оценить качество потокового видео в реальных условиях передачи;

3) увеличение «битрейта» в большей степени сказывается на качестве видеопоследовательностей вида «статичная сюжетная группа» (ССГ), тогда как для видеоизображений с движущимися элементами заметного выигрыша в качестве не наблюдается. Присутствие ошибок с вероятностями BER < Ю-4 не влияет на качество декодирования видеопоследовательностей «статичной сюжетной группы», но проявляется в «малоподвижной сюжетной группе» и ярко выражено в «высокодинамичной сюжетной группе»;

4) методы «вставки» нулевых значений и «склейки», которые позволяют оценить полученное качество видео стандарта H.264/AVC различных сюжетных групп в условиях нарушения синхронизации.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались:

- на IV Международной научно-практической конференции «Электронные средства и системы управления. Опыт инновационного развития», Томск, 2007 г.;

- на VI Международной научно-практической конференции «Информационные технологии и математическое моделирование», Томск, 2007 г.;

- на Международной научной конференции по естественнонаучным и техническим дисциплинам, Йошкар-Ола, 2008 г.;

- на XXI Международной научно-практической конференции «Математические методы в технике и технологиях», Саратов, 2008 г.;

- на VIII Всероссийской научно-технической конференции «Динамика нелинейных дискретных электротехнических и электронных систем», Чебоксары, 2009 г.;

- на IV, V отраслевых научных конференциях-форумах «Технологии информационного общества», Москва, МТУ СИ, 2010-2011 гг.;

- на Международном конгрессе «Коммуникационные технологии и сети», Москва, МТУ СИ, 2010 г.;

- на XVIII Международной научно-технической конференции «Информационные средства и технологии», Москва, МЭИ, 2010 г.

Публикации. По результатам исследований опубликованы 22 печатные работы, девять из них в изданиях, рекомендованных ВАК РФ.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы, включающего 168 наименований. Работа представлена на 163 страницах, содержит 95 рисунков, 14 таблиц и приложения объемом 14 страниц.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы исследования, сформулированы цели и задачи работы, перечислены результаты, полученные в диссертации, определены их практическая ценность и область применения, 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. Показана целесообразность внедрения услуг передачи потокового видео в существующих сетях на основе широкополосных систем беспроводного доступа. Описаны типы видеоуслуг, которые MOiyr быть реализованы в сетях мобильной связи: мультимедиа-сервис, видеотелефония, видеоконференцсвязь, потоковое видео, а также специальные виды услуг на основе передачи видео в стандарте H.264/AVC.

На примере широкополосных сетей беспроводного доступа стандарта WiMAX и используемых при этом протоколов описан механизм передачи и оценки качества потокового видео.

Рассмотрены особенности трансляции потокового видео стандарта Н.264 по беспроводным сетям, описаны причины возникновения ошибок в видеоданных, проанализированы их типы и причины влияния на визуальное качество видео. Представлены показатели, характеризующие субъективное и объективное качество восприятия при передаче потокового видео.

На основании анализа проблем, возникающих при передаче потокового видео стандарта H.264/AVC по сетям широкополосного беспроводного доступа, формулируются цель и задачи работы.

Во второй главе изложены результаты оценки качества потокового видео стандарта H.264/AVC при передаче в системах широкополосного доступа методами имитационного моделирования.

С этой целью разработан программно-аппаратный комплекс (ПАК) с модульной структурой, который позволяет изменять по усмотрению пользователя характеристики как системы передачи, так и кодеков, что обеспечивает широкие возможности. Наряду с оценкой таких параметров QoS сети, как коэффициент потерь, задержка и джиттер, в ПАК предусмотрена оценка качества полученного видео, основанная на вычислении показателей PSNR (от англ. Peak Signal-To-Noise Ratio) и MOS (от англ. Mean Opinion Score). Обработка данных осуществлялась в три этапа.

На первом этапе анализируются время приема и отправки каждого пакета с обеих сторон и его тип. В результате появляется запись о типе кадра и времени между переданным и принятым пакетами. Кроме того, файл искаженного видео на приемной стороне восстанавливается путем использования оригинального закодированного ви-

деофайла и информации о потерянных пакетах. После этого видео декодируется для отображения зрителю. На этом этапе возникает обычная проблема оценки качества видео. Показатели качества видео всегда требуют сравнения принятого (возможно, искаженного) и соответствующего исходного кадра. В случае полной потери кадра отсутствует необходимая синхронизация до и после передачи по сети.

На втором этапе обработки эта проблема решается на основе анализа информации о потерях. Синхронизация кадров восстанавливается путем добавления последнего отображенного кадра вместо потерянных. Это позволяет провести дальнейшую покадровую оценку качества.

На третьем этапе для анализа качества декодированного видео используется восстановленный и исходный видеофайл.

По результатам работы ПАК произведена оценка качества потокового видео, передаваемого по сетям произвольной структуры, с помощью получивших широкое распространение параметров PSNR и MOS. Текущая оценка объективного качества видеопотока, полученная на выходе канала связи, вычислена в ПАК с помощью соотношения между компонентами яркости исходного и полученного изображения.

При моделировании беспроводного канала связи необходимо учитывать множество дестабилизирующих факторов среды передачи, таких как наложение аддитивного белого гауссовского шума (АБГШ), многолучевое распространение, замирание сигнала, интерференция и множество других. Невозможно представить сигнал, полученный на приемнике, лишь как исходный сигнал, не искаженный никакими воздействиями среды. Результаты и достоверность работы модели напрямую зависят от построения канала связи, поэтому наиболее важно использование точной модели с приближенными к реальным условиям параметрами.

ПАК позволяет проводить оценку влияния различных типов ошибок, возникающих в реальных сетях, на визуальное качество транслируемого видео. Обеспечить необходимый уровень моделирования ошибок, возникающих в реальных сетях, и получить требуемые характеристики производительности сети оказалось возможным с помощью имитационного комплекса Network Simulator 2 (NS-2).

Для имитационного моделирования системы широкополосного доступа WiMAX, а также основных функциональных блоков системы

в среде MatLab Simulink разработано специальное программное обеспечение (ПО). Показано, что гибкая система настроек параметров модели дает возможность изучения и анализа помехоустойчивости системы передачи данных как в регламентированных стандартом IEEE 802.16 статичных режимах работы, так и с применением технологий адаптивных модуляций, кодирования и многоантенной передачи при различных внутренних характеристиках системы и величине внешнего воздействия на этапе передачи сигнала через радиоканал.

В третьей главе произведена оценка качества потокового видео стандарта H.264/AVC при передаче в широкополосных сетях беспроводного доступа в условиях битовых BER (от англ. Bit Error Rate) и пакетных PER (от англ. Packet Error Rate) ошибок.

Анализ экспериментальных результатов передачи 30-минутного потокового видео стандарта Н.264 по реальной сети WiMAX стандарта IEEE 802.1 бе с использованием базовой и абонентской станций показал, что среднее качество трансляции видеопотока при перемещении источника приема в условиях города составляет PSNR = 31,58 дБ и соответствует «хорошему» качеству с точки зрения субъективной оценки. При этом во время трансляции «отличное» качество наблюдалось в 32 %, «хорошее» в 12 %, «удовлетворительное» в 40%, «плохое» и «очень плохое» в 15 % и 1 % кадров соответственно.

Анализ имитации передачи видео через широкополосную беспроводную сеть стандарта IEEE 802.16 со случайными битовыми ошибками в канале показал, что при BER < 3-10-5 они практически не влияют на качество принимаемого видео и легко устраняются известными, реализованными в WiMAX способами защиты от ошибок. При BER > 4-Ю-3 потери пакетов в сети достигают максимального значения и приводят к неприемлемому качеству принимаемого видео. Гарантировать объективное превосходное качество видеопотока при передаче по каналу можно при значении вероятности битовой ошибки не более МО"4, хорошее качество в диапазоне 1-10"4...4-10"4, удовлетворительное качество в диапазоне 4-10~4...8-10~4, плохое качество в диапазоне 8-10-4... 1-10~3и очень плохое при BER> 1-Ю"3.

Использование в системах WiMAX кодирования видео H.264/AVC с кодами переменной длины VLC приводит к нарушению синхронизации декодированных видеопоследовательностей и возникновению дополнительного группирования ошибок, влияние которых на деко-

дированное видео значительно сильнее влияния битовых ошибок, поскольку приводит к потере больших сегментов информации.

С целью исследования влияния ошибки информационных пакетов на полученное качество было проведено имитационное моделирование передачи 30-минутного видео через беспроводную сеть со случайными ошибками информационных пакетов в канале. Анализ результатов показал, что на качество видеопотока влияет не только вероятность появления ошибок, но и структура и длина группы ошибок. На рис. 1 показано влияние показателя PER на качество потокового видео и представлены диапазоны значений PER, в границах которых полученное качество максимально.

Номер эксперцмешв

б) в) Рис. 1. Значения показателей качества видеопоследовательности

при различных значениях PER беспроводного канала: а - гистограммы распределения значения PSNR; б - девиация качества по средним значения PSNR; в - градация качества по значениям MOS

Анализ одиночных ошибок информационных пакетов показал, что при PER < МО"4 пакетные ошибки не влияют на качество принимаемого видео и легко устраняются известными, реализованными в беспроводных сетях способами защиты от ошибок. При PER < 1-10""3 влияние ошибок на качество незаметное и не оказывает раздражающего воздействия при просмотре. При PER > 0,1 потери пакетов в сети приводят к неприемлемому качеству принимаемого видео. Гарантировать объективное превосходное качество видеопотока во время передачи по каналу можно при значении вероятности появления пакетной ошибки не более 1-Ю"3, хорошее качество в диапазоне 1-10~3...3-10~3, удовлетворительное качество в диапазоне 3-10~3... МО-2, плохое качество в диапазоне Ы0~2...5Ю~2и очень плохое при PER> 5-Ю-2.

Для оценки влияния на качество воспроизведения видео в условиях пакетирования ошибок предложено использовать регулярную (детерминированную) модель - влияние длины группы ошибок BEL (от англ. Burst Error Length) и модель на основе учета реальной статистики потока ошибок с помощью дискретных Марковских цепей.

Результаты имитации передачи потокового видео при изменяющихся значениях PER и BEL показывают, что влияние группы ошибок на среднее качество более сильное за счет локальной сосредоточенности ошибок. Среднее качество видеопоследовательности при этом увеличивается по мере увеличения длины группирования при неизменном значении вероятности появления пакетных ошибок. При длине группирования BEL > 60 среднее качество практически идентично качеству оригинального видео. С увеличением PER влияние показателя BEL на качество уменьшается за счет повышения «густоты» одиночных ошибок. Увеличение показателя BEL ведет к увеличению среднего качества видеопоследовательности независимо от показателя PER. Наибольшая динамика изменения PSNR наблюдается при фиксированном значении PER = 1 • 10-3 и изменяющихся значениях BEL. В остальных случаях динамика не существенна и минимальна при отсутствии группирования ошибок.

Анализ результатов показателей PER и BEL показывает, что для оценки влияния ошибок передачи на полученное качество необходимо проанализировать не только вероятность появления ошибок, но и их структуру и длину группирования.

Наиболее точным способом учета реальных статистических характеристик в канале связи является использование матрицы пере-

ходных вероятностей, параметры которой получены в результате измерения статистических характеристик потока ошибок в реальной сети.

Марковские процессы с необходимым числом состояний достаточно хорошо описывают механизм трансляции видеоинформации. С увеличением числа состояний Марковской цепи наблюдается меньшая расходимость между реальными и моделируемыми данными, однако при этом увеличивается сложность модели, анализа и обработки данных, полученных с помощью нее. Для оценки влияния характеристик потока ошибок в каналах широкополосного беспроводного доступа при передаче потокового видео на основе экспериментально полученных данных в главе разработана Марковская модель пакетирования ошибок с девятью состояниями.

Результаты имитации пакетирования ошибок с помощью Марковских цепей и сравнение их с измеренными в реальных каналах беспроводного доступа показывают целесообразность использования ее для имитации передачи потокового видео в различных сетях в структуре ПАК.

Среднее качество видеопоследовательностей при имитации Марковской модели пакетирования ошибок соответсвует среднему качеству имитации одиночных пакетных ошибок с показателем PER от З-Ю"3 до 1-Ю-2. При этом длина группы ошибок в зависимости от показателя PER указанного диапазона может достигать значения BEL <10.

В четвертой главе осуществлена разработка рекомендаций по улучшению качества восприятия потокового видео стандарта Н.264 /AVC в условиях пространственно-временной неоднородности видеоконтента и нарушения синхронизации при регистрации.

Проведен анализ влияния потери пакета на качество видео Н.264 и предложено аналитическое выражение, позволяющее рассчитать вероятность потери кадров ф в видеопоследовательности со структурой GOP IBBPBBPBB в виде

Ф = 0,11(1 - (1 - p)s>) + 0,22 1- 0 P)S[S (l - (1 - pfsr )

2(l-(l-p)sO

+

где S/, SP> SB - среднее число пакетов в /-, Р-, ß-кадрах соответственно; р- вероятность появления ошибки, определяемая для каждого типа кадров непосредственно из битового потока данных.

Показано, что с увеличением вероятности появления ошибки в исходных кадрах (/ и Р) увеличивается и общее число искаженных кадров, в отличие от незначительного влияния вероятности появления искажения в B-кадре, что соответствует свойству зависимых кадров. Наибольшее изменение наблюдается при увеличении значения всех вероятностей от р = 0,01 до р = 0,1. При этом изменение р/ на один порядок приводит к увеличению общего числа искаженных кадров на один порядок. Влияние рР во всех случаях равно 0,5. Влияние рв во всех случаях незначительное и меньше 0,1. Это позволяет сделать вывод, что в структуре 1ВВРВВРВВ вероятность искажения в диапазоне от 0,01 до 0,1 в /-кадре создаст 100 % вероятность искажения, в Р-кадре - 50 %, в Я-кадре - менее 10 % искажения всех кадров в пределах GOP.

Найдены численные значения вероятности потерянных кадров <р для структуры IBBPBBPBB при изменении числа пакетов одного кадра от 1 до 50, которые зависят отр и лежат в диапазоне от 0,03 до 0,7 при р = 10"2, от 0,003 до 0,128 при р = 10~3, от 0,0003 до 0,0138 при р = 10"4, что соответствует потере 3...70%, 0,3... 12,8% и 0,03... 1,38% кадров соответственно. Наибольшее влияние оказывает число пакетов в I- и Р-кадрах вследствие природы распространения ошибки в зависимых кадрах. Так, увеличение количества пакетов на 10 приводит к увеличению значения <р на 0,05 при р = 10~2, на 0,01 при р = 10_3, на 0,001 при р - 10"4, что соответствует потере 5, 1 и 0,1 % кадров при каждом увеличении. При этом увеличение числа пакетов 5-кадра оказывает меньшее влияние на <р, значение которого равно 0,02 при р = 10~2, 0,005 при р = 10~3, 0,0005 при р= 10"4, соответствует потере 2,0,5 и 0,05 % кадров при каждом увеличении.

Показано, что различные сюжетные группы по-разному влияют на воспринимаемое качество при передаче по сетям. Рекомендуется учитывать не только качество транслируемого и впоследствии декодируемого видеопотока на прикладном (битрейт) и сетевом (BER) уровне, но и сюжет видеопотока. Так, в условиях передачи по сети с малой вероятностью появления ошибок (BER = Ю-6, BER = 10~5) при минимальном значении битрейта (128 кбит/с) сохраняется приемлемое качество видеопотока, соответствующее MOS > 3 для всех типов

сюжета. При этом увеличение битрейта в большей степени сказывается на качестве видеопоследовательностей статичной сюжетной группы (ССГ), тогда как для видеоизображений с движущимися элементами («Малоподвижная сюжетная группа» - МПСГ и «Высокодинамичная сюжетная группа» - ВДСГ) заметного выигрыша в качестве не наблюдается. Присутствие небольших ошибок (ВЕЯ = 10"4) не влияет на качество декодирования видеопоследовательностей ССГ, но проявляется в МПСГ и ярко выражено в ВДСГ. Это позволяет судить о способности декодера исправлять небольшие ошибки только в условиях статичного изображения. Увеличение числа ошибок до ВЕЯ = 10~3 сказывается на декодировании видеопоследовательностей всех сюжетных групп. При этом ССГ и МПСГ демонстрируют удовлетворительное, а ВДСГ -плохое качество с точки зрения субъективной оценки. Таким образом, приемлемым числом ошибочных битов и, следовательно, порогом с точки зрения качества, при котором воспринимаемое пользователями изображение остается приемлемым, является ВЕЯ = Ю-4 для всех типов сюжета.

Передача видео по беспроводным сетям подразумевает возможное отсутствие синхронизации между оригинальной последовательностью и декодированной на приемной стороне копией, поскольку из-за нестабильной среды передачи пакеты данных могут претерпевать серьезные искажения или, более того, потеряться.

Анализ экспериментальных данных показал, что оценка качества рассинхронизированных видеопоследовательностей с помощью традиционного ПО приводит к некорректным результатам вычислений и не отражает истинное значение РЗИЯ. Так, значение погрешности Д^РБИЯ) при вычислении с помощью традиционного ПО увеличивается от 0,3 до 0,5 для ССГ и МПСГ, от 0,35 до 0,45 для ВДСГ при увеличении процента потерь. Математическое ожидание и дисперсия погрешности Л^РвМ^ при оценке видео с помощью традиционного ПО имеют наибольшие значения, что подтверждает некорректные и неприемлемые для оценки качества результаты в условиях рассин-хронизации.

Разработано ПО, учитывающее эти особенности и позволяющее оценить параметры качества в случае пропадания одного или нескольких кадров в видеопоследовательности. На рис. 2 представлены результаты оценки качества видеопоследовательностей с помощью традиционного и разработанного ПО.

Рис. 2. Значения PSNR видеопоследовательности Foreman, вычисленные традиционным (без потерянных кадров) и разработанным ПО (при потере кадров № 50-55): а - соответствие значений; б - вычисление значений традиционным ПО до и после удаления; в - фактическое вычисление значений (наблюдается «склейка» значений вместо потерянных кадров); г - вставка «нулевых» значений вместо потерянных кадров

При оценке качества рассинхронизированных видеопоследовательностей с помощью предложенного ПО она достоверна при использовании как обычных результатов («склейка» значений вместо потерянных кадров), так и вставки «нулевых» значений. Небольшое различие в функциях распределения наблюдается при «склейке» значений вместо потерянных кадров. Независимо от процента потерянных кадров показатель AF(PSNR) достигает значения не более 0,2 для ССГ, 0,3 для МПСГ и 0,1 для ВДСГ. Наибольшее различие функции распределения от оригинальной показывает способ вставки «нулевых» значений. С повышением процента потерянных пакетов разница в показаниях существенно увеличивается. Так, для всех сюжетных групп AF(PSNR) увеличивается на значение не менее 0,05 и равняется 0,25 для ССГ, 0,35 для МПСГ и 0,2 для ВДСГ соответственно. Таким образом, наиболее приемлемым способом оценки рассинхронизиро-вания видеопоследовательностей при небольшом количестве потерянных пакетов (менее 10 %) с точки зрения погрешности является способ «склейки» значений. Способ «вставки» нулевых значений может быть рекомендован при большем количестве потерянных кадров либо при необходимости восстановления числа значений PSNR, как в

оригинальной видеопоследовательности. При этом в качестве «нулевых» значений рекомендуется использовать средние значения РБЫИ.

Анализ результатов имитации показал, что различные сюжетные группы по-разному влияют на полученное качество видеопоследовательности в условиях рассинхронизации. Например, показатель РЯМЯ ССГ характеризуется небольшим изменением (гистограмма имеет бимодальную форму с шириной 8 дБ), РБЫЯ МПСГ - большим изменением (гистограмма имеет бимодальную форму с шириной 14 дБ), РБЫЯ ВДСГ - наибольшим изменением (гистограмма имеет бимодальную форму с шириной 24 дБ). Это в свою очередь влияет на диапазон значений РБЫИ, в котором присутствуют погрешности ДЕРЗКИ). Наибольший диапазон имеют МПСГ и ВДСГ, он составляет 25 дБ (от 20 до 45 дБ). На рис. 3 представлены гистограммы значений ^(РБИЯ) различных сюжетных групп.

|сст| 1 МПСГ I I ВДСГ 1

Дельта Г(РВНВ>

Дельт»

"(Р^'К)

Номер Дельта

эксперимента

Рис. 3. Гистограммы распределения погрешностей Л/^РБКЯ) для различных классов видеопоследовательностей

Анализ средних значений и дисперсий погрешности Д^РБИЙ.) показывает, что использование метода «склейки» более выгодно. Так, с увеличением числа потерянных кадров показатель средних значений для ССГ увеличивается с 0,11 до 0,12, для МПСГ и ВДСГ уменьшается с 0,22 до 0,21 и с 0,14 до 0,12 соответственно. Дисперсия при этом изменяется незначительно. В случае малого числа потерянных кадров (1 %) средние значения погрешности ДДР8М1) при использовании метода вставки «нулевых» значений имеют наименьшие значения (0,09, 0,2 и 0,13), а при методе «склейки» - наибольшие (ОД 1,0,22 и 14).

Таким образом, для оценки качества видеопотоков различных сюжетных групп в условиях рассинхронизации рекомендуется использовать разработанное ПО. При небольшом количестве потерянных кадров (около 1 %) рекомендуется использовать метод «вставки» нулевых значений, в остальных случаях - метод «склейки», позволяющий достоверно и с наименьшими погрешностями оценить качество полученного видеосюжета. Показано, что эффективность разработанного ПО будет зависеть от положения удаляемого кадра в видеопоследовательности, и будет выражаться как

N-x г| = —-100%, N

где N - общее количество кадров в видеопоследовательности; х - номер удаляемого кадра.

В приложении к диссертации приведено описание ПО для имитационного моделирования систем широкополосного доступа WiMAX в среде NS-2, MatLab Simulink и оценки качества видео в условиях рассинхронизации.

Разработанный ПАК был использован ФГУП «СНПО "Элерон"» при проведении испытаний на радиационную стойкость комплекса средств для обеспечения безопасности при осуществлении работ в зоне аварии с радиационным фактором и дистанционного видеонаблюдения радиационной обстановки. В частности, было оценено качество видео при дистанционном видеонаблюдении радиационной обстановки «Ладога» и получены численные значения ошибок в условиях воздействия радиации и их влияние на качество транслируемого по беспроводным каналам связи видео, о чем свидетельствует соответствующий акт внедрения.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ

1. Оценка влияния битовых ошибок, возникающих в реальных широкополосных сетях беспроводного доступа при передаче потокового видео стандарта H.264/AVC, с помощью имитационного моделирования показала, что при BER < 3-10-5 битовые ошибки не влияют на качество принимаемого видео и легко устраняются известными, реализованными в беспроводных сетях способами защиты от ошибок. При BER > 4-Ю-3 потери пакетов в сети достигают максимального значения и приводят к неприемлемому качеству принимаемого видео. Гарантировать объективное превосходное качество видеопотока при

передаче по каналу можно при значении вероятности битовой ошибки не более 1-Ю"4, хорошее качество в диапазоне МО-4...4-Ю"4, удовлетворительное качество в диапазоне 4-10"4...8-10"4, плохое качество в диапазоне 8-Ю"4...МО"3и очень плохое при BER> МО"3.

2. Оценка влияния пакетных ошибок, возникающих в реальных широкополосных сетях беспроводного доступа при передаче потокового видео стандарта H.264/AVC, с помощью имитационного моделирования показала, что при PER < МО"4 пакетные ошибки не влияют на качество принимаемого видео и легко устраняются известными, реализованными в WiMAX, способами защиты от ошибок. При PER < М О"3 влияние ошибок на качество незаметное и не оказывает раздражающего воздействия при просмотре. При PER > 0,1 потери пакетов в сети приводят к неприемлемому качеству принимаемого видео. Гарантировать объективное превосходное качество видеопотока при передаче по каналу можно с вероятностью появления пакетной ошибки не более МО"3, хорошее качество в диапазоне М0~3...3-10"3, удовлетворительное качество в диапазоне 3-Ю"3...М0~2, плохое качество в диапазоне М0"2...5-10"2и очень плохое при PER> 5-Ю"2.

3. Оценка влияния группирующихся ошибок в каналах широкополосного беспроводного доступа при передаче потокового видео стандарта H.264/AVC на основе экспериментально полученных данных и разработанной Марковской модели пакетирования ошибок с девятью состояниями показала, что в реальной сети среднее качество видеопоследовательности значительно ухудшается по сравнению со средним качесвом с одиночными ошибками.

4. Рекомендовано учитывать не только качество транслируемого и впоследствии декодируемого видеопотока, но и содержание видеоконтента, зависящее как от параметров кодека, так и статистики ошибок в каналах беспроводного доступа. Показано, что различные сюжетные группы стандарта H.264/AVC по-разному влияют на воспринимаемое качество при передаче по сетям. Так, в условиях передачи по сети с малой вероятностью появления ошибок (BER = КГ6, BER = 10~5) при минимальном значении битрейта (128 кбит/с) сохраняется приемлемое качество видеопотока, соответствующее MOS > 3 для всех типов сюжета. При этом увеличение битрейта в большей степени сказывается на качестве видеопоследовательностей «статичной сюжетной группы», тогда как для видеоизображений с движущимися элементами заметного выигрыша в качестве не наблюдается.

Присутствие небольших ошибок (BER= 10"4) не влияет на качество декодирования видеопоследовательностей «статичной сюжетной группы», но проявляется в «малостатичной сюжетной группе» и ярко выражено в «высокодинамичной сюжетной группе».

5. Для оценки качества видеопотоков стандарта H.264/AVC различных сюжетных групп в условиях нарушения синхронизации целесообразно использовать разработанное программное обеспечение, с помощью которого (при количестве потерянных кадров не более 1 %) предложено применять метод «вставки» нулевых значений, а в остальных случаях - метод «склейки», что позволяет с наименьшими погрешностями оценить полученное качество видеопотока.

ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ Публикации в изданиях, рекомендованных ВАК РФ

1. Иванов, Ю. А. Оценка качества передачи потокового видео в сетях связи с помощью программно-аппаратных средств / Ю. А. Иванов // Электромагнитные волны и электронные системы. - 2010. -№ 3. -Т. 15.-С. 13-19.

2. Иванов, Ю. А. Влияние ошибок на качество потокового видео стандарта H.264/AVC в широкополосных сетях беспроводного доступа WiMAX / О. И. Шелухин, Ю. А. Иванов // Нелинейный мир. -2010. - № 11. - Т. 8. - С. 685-696.

3. Иванов, Ю. А. Оценка качества потокового видео стандарта H.264/AVC при передаче в нестабильных каналах связи широкополосных сетей беспроводного доступа 4G / Ю. А. Иванов // Вестник Чувашского университета.-2010.- №3.- С. 268-278.

4. Иванов, Ю. А. Имитационные модели беспроводных сетей в структуре программно-аппаратного комплекса для оценки качества видеопотока / Ю. А. Иванов, В. С. Пряников // Вестник Чувашского университета. - 2010. - № 3. - С. 260-268.

5. Иванов, Ю. А. Оценка взаимного влияния Internet и видеотрафиков при передаче в стандарте DVB/IP/MPEG-4 гибридным сетям спутниковой связи / А. С. Пастухов, Ю. А. Иванов // Вестник Чувашского университета. - 2008. - № 2. - С. 160-169.

6. Иванов, Ю. А. Влияние помехоустойчивости широкополосных систем беспроводного доступа на качество передачи потокового видео/ О. И. Шелухин, Ю. А. Иванов // Электронный журнал «Радиоэлектроники». - 2010. - № 9. - URL: http://jre.cpIire.rU/alt/seplO/5/text. pdf (дата обращения 04.10.2010).

7. Иванов, Ю. А. Влияние пространственно-временных характеристик потокового видео на качество передачи по беспроводным телекоммуникационным сетям / О. И. Шелухин, Ю. А. Иванов, А. В. Пон-кин // Электротехнические и информационные комплексы и системы. - 2010. - № 3. - Т. 6. - С. 34-42.

8. Иванов, Ю. А. Разработка программного обеспечения для имитационного моделирования системы широкополосного доступа WiMAX в среде MATLAB Simulink / О. И. Шелухин, Ю. А. Иванов, К. А. Ненахов, А. В. Арсеньев // Электротехнические и информационные комплексы и системы. - 2010. - № 3. - Т. 6. - С. 23-33.

9. Иванов, Ю. А. Результаты имитационного моделирования системы широкополосного доступа WiMAX в среде MATLAB Simulink / О. И. Шелухин, Ю. А. Иванов, К. А. Ненахов, А. В. Арсеньев // Электротехнические и информационные комплексы и системы. - 2010. -№4.-Т. 6.-С. 28-34.

Публикации в других изданиях

10. Иванов, Ю. А. Некоторые проблемы сжатия и передачи видео в реальном времени в беспроводных сетях / Ю. А. Иванов // Электротехнические и информационные комплексы и системы. - 2009. -№ 1.-Т. 5.-С. 62-64.

11. Иванов, Ю. А. Анализ работы буфера при передаче видео / А. С. Пастухов, Ю. А. Иванов, В. С. Пряников П Сборник научных трудов молодых ученых и специалистов. - Чебоксары : Изд-во Чуваш, ун-та, 2007.-С. 23-25.

12. Иванов, Ю. А. Исследование алгоритмов обслуживания очередей при передаче видео / Ю. А. Иванов // Научному прогрессу -творчество молодых : сб. материалов, междунар. науч. конф. : в 3 ч. -Йошкар-Ола : Марийский гос. техн. ун-т, 2008. - Ч 3. - С. 26-27.

13. Иванов, Ю. А. Методика оценки качества декодирования видео стандарта H.264/AVC/SVC в беспроводных сетях / Ю. А. Иванов, С. А. Лукьянцев // Электротехнические и информационные комплексы и системы. - 2009. - № 4. - Т. 5. - С. 35-48.

14. Иванов, Ю. А. Структура и помехоустойчивость систем беспроводного доступа с OFDM / Ю. А. Иванов, И. А. Невструев // Электротехнические и информационные комплексы и системы. - 2009. -№ 3. - Т. 5.-С. 25-29.

15. Иванов, Ю. А. Сравнительный анализ алгоритмов обслуживания очередей и их влияние на качество передачи видеотрафика /

Ю. А. Иванов, А. С. Пастухов, А. С. Булгар // Электротехнические и информационные комплексы и системы. - 2008. - № 1,2. - Т. 4. - С. 78- 87.

16. Иванов, Ю. А. Оценка передачи видео и Интернет в стандарте ОУВ/1Р/МРЕО-4 по гибридным сетям спутниковой связи / А. С. Пастухов, Ю. А. Иванов, Е. В. Горовенко // Математические методы в технике и технологиях (ММТТ-21) : сб. тр. XXI Междунар. науч.-практ. конф. : в 10 т. / под общ. ред. В. С. Балакирева. - Саратов : Саратов. гос. техн. ун-т, 2008. - Т. 7. Секции 9,14. - С. 237-239.

17. Иванов, Ю. А. Оценка вероятности битовых ошибок в системах связи 4в / А. С. Пастухов, Ю. А. Иванов, С. И. Малышев // Электротехнические и информационные комплексы и системы. - 2009. -№4.-Т. 5.-С.28-34.

18. Иванов, Ю. А. Оценка качества передачи потокового видео в телекоммуникационных сетях с помощью программно-аппаратных средств / О. И. Шелухин, Ю. А. Иванов // Электротехнические и информационные комплексы и системы. - 2009. - № 4. - Т. 5. - С. 48-56.

19. Иванов, Ю. А. Анализ алгоритмов обработки интерактивной видеоконференцсвязи в системах беспроводного доступа / О. И. Шелухин, Ю. А. Иванов, А. В. Арсеньев // Электротехнические и информационные комплексы и системы. - 2009. - № 2. - Т. 5. - С. 17-26.

20. Иванов, Ю. А. Влияние ошибок в каналах широкополосных систем беспроводного доступа на качество передачи потокового видео / О. И. Шелухин, Ю. А. Иванов // Информационные средства и технологии : сб. тр. XVIII Междунар. науч.-техн. конф. - М.: МЭИ, 2010.-Т. 2.-С. 136-146.

21. Иванов, Ю. А. Влияние синхронизации потоков при оценке качества видеоконтента в системах видеонаблюдения / О. И. Шелухин, Ю. А. Иванов // Телекоммуникационные и вычислительные системы : тр. междунар. науч.-техн. конф. - М.: МТУ СИ, 2010. - С. 206.

22. Иванов, Ю. А. Влияние пакетных ошибок в каналах беспроводных сетей на качество воспроизведения в системах видеонаблюдения / О. И. Шелухин, Ю. А. Иванов // Телекоммуникационные и вычислительные системы : тр. междунар. науч.-техн. конф. - М. : МТУСИ, 2010.-С. 222.

Научное издание

Иванов Юрий Алексеевич

ВЛИЯНИЕ ОШИБОК В КАНАЛАХ ШИРОКОПОЛОСНЫХ СИСТЕМ БЕСПРОВОДНОГО ДОСТУПА НА КАЧЕСТВО ПОТОКОВОГО ВИДЕО СТАНДАРТА Н.264 /АУС

Специальность 05.12.13 - Системы, сети и устройства телекоммуникаций

Редактор Е. П. Мухина Корректор Ж. А. Лубенцова Компьютерная верстка М. Б. Жучковой

Подписано в печать 11.03.2011. Формат 60x84'/16. Усл. печ. л. 1,16. Тираж 100. Заказ № 131.

Издательство ПТУ 440026, Пенза, Красная, 40.

СОДЕРЖАНИЕ.

ГЛАВА 1. СОСТОЯНИЕ ПРОБЛЕМЫ ПЕРЕДАЧИ ПОТОКОВЫХ СЕРВИСОВ В ШИРОКОПОЛОСНЫХ СИСТЕМАХ БЕСПРОВОДНОГО ДОСТУПА. ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ.

1.1 Характеристика потокового видео.

1.1.1 Понятие потокового трафика.

1.1.2 Характеристика стандарта кодирования видео Н.264.

1.2 Трансляция потокового видео по сетям широкополосного беспроводного доступа.

1.2.1 Эволюция сетей широкополосного беспроводного доступа.

1.2.2 Основные протоколы передачи потокового видео.

1.2.3 Инкапсуляция Н.264 в ЯТР пакеты.

1.2.4 Особенности трансляции потокового видео по сетям широкополосного беспроводного доступа.

1.3 Модели ошибок в сетях широкополосного беспроводного доступа.

1.4 Оценка качества потокового видео.

1.4.1 Методы субъективной оценки.

1.4.2 Методы объективной оценки.

1.4.3 Метрики и показатели оценки качества изображений.

1.4.4 Методика оценки качества.

1.5 Постановка задачи исследования.

ГЛАВА 2. РАЗРАБОТКА ПРОГРАММНОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ ДЛЯ ОЦЕНКИ КАЧЕСТВА ПОТОКОВОГО ВИДЕО В СИСТЕМАХ ШИРОКОПОЛОСНОГО БЕСПРОВОДНОГО ДОСТУПА.

2.1 Разработка программно-аппаратного комплекса для оценки качества потокового видео.

2.1.1 Структура комплекса для оценки качества потокового видео.

2.1.2 Представление исходных файлов и формат видео.

2.1.3 Функциональные модули ПАК.

2.1.4 Оценка качества видео.

2.2 Исследование систем широкополосного беспроводного доступа для передачи потокового видео с помощью ПО N8-2.

2.3 Исследование помехоустойчивости широкополосных систем беспроводного доступа с помощью ПО МаЙаЬ.

2.4 Выводы по главе 2.

ГЛАВА 3. ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ПОМЕХОУСТОЙЧИВОСТИ НА КАЧЕСТВО ПОТОКОВОГО ВИДЕО СТАНДАРТА Н.264/АУС ПРИ ПЕРЕДАЧЕ В СИСТЕМАХ ШИРОКОПОЛОСНОГО БЕСПРОВОДНОГО ДОСТУПА.

3.1 Экспериментальные исследования качества видео стандарта Н.264/АУС при передаче по широкополосной сети беспроводного доступа с помощью ПАК.

3.2 Влияние битовых ошибок на визуальное качество потокового видео

3.3 Влияние пакетных ошибок на визуальное качество потокового видео.

3.4 Влияние длины группы ошибок на качество потокового видео.

3.5 Исследование пакетирования ошибок в каналах широкополосного беспроводного доступа на качество передачи потокового видео.

3.5.1 Разработка марковской модели пакетирования ошибок в каналах широкополосного беспроводного доступа при передаче потокового видео.

3.5.2 Результат имитационного моделирования пакетирования ошибок с помощью марковской модели.

3.6 Выводы по главе 3.

ГЛАВА 4. РАЗРАБОТКА РЕКОМЕНДАЦИЙ ПО УЛУЧШЕНИЮ КАЧЕСТВА оценки потокового видео .:.

4.1 Разработка аналитической модели распространения ошибки.

4.2 Влияние пространственно-временных характеристик на визуальное качество потокового видео.

4.3 Оценка качества видеопотока в условиях рассинхронизации.

4.4 Выводы по главе 4.

Начиная с внедрения первых коммерческих продуктов в Интернете в 1995 году, наблюдается бурный рост услуг по передаче мультимедийных данных. Основную долю ресурсов при передаче занимают потоковые данные. Преимущество потоковой передачи данных состоит в том, что аудио и видео материалы наглядно представляют информацию в легко воспринимаемом виде. Это, в свою очередь, эффективно в рекламе, торговле, обучении и инструктировании. Для компаний это означает увеличение эффективности, большую рентабельность и меньшие затраты на доставку информации. Традиционный способ доставки файлов из сети с помощью загрузки недостаточно удобен для аудио- и видеоданных даже с учетом того, что клиентские соединения становятся быстрее. Часто скорости передачи недостаточны для загрузки видеофайлов, размер которых составляет десятки мегабайт. Решение проблемы больших файлов существует вот уже несколько лет: технология передачи потоковых данных. С помощью потокового мультимедиа-плейера, например QuickTime компании Apple, Media Player компании Microsoft или RealPlayer компании RealNetworks, возможно воспроизвести видео- и/или аудиоданные спустя несколько секунд после поступления первых битов потока на компьютер.

На сегодняшний день ежемесячное увеличение объемов данной услуги исчисляется миллионами часов воспроизведения и сотнями тысяч новых медиа-серверов. Кроме того, это услугой регулярно пользуются более 250 миллионов зарегистрированных абонентов, которое пополняется ежедневно более чем на 200 ООО пользователей.

Это стремительное увеличение определило новую сложную задачу по поддержанию качества обслуживания. На сегодняшний день термином "потоковое видео" (streaming video) определяют технологии сжатия и буферизации данных для передачи видео в реальном времени через сети связи. В последние годы набшодаются развитие и бурный рост технологий, использующих в качестве транспорта беспроводные технологии широкополосного доступа, которые являются серьезной альтернативой сотовым системам связи.

Это стремительное увеличение определило новую сложную задачу по поддержанию качества обслуживания при трансляции видео. Существенный вклад в разработку цифровых систем сжатия и обработки изображений, а также методов и аппаратуры измерения качества в цифровых телевизионных системах, внесли теоретические и практические работы отечественных ученых: В.П. Дворковича, А.В. Дворковича, Ю.Б. Зубарева, СМ. Катаева, М.И. Кривошеева, Б.А.Локшина, В.Н. Безрукова, а также исследования ряда зарубежных специалистов: Г. Салливана, С. Винклера, М. Риса, М. Руппа, Дж. Вудса, Т. Вайгэнда, А. Таураписа, А. Бовика и других.

Основным недостатком передачи видео по беспроводным сетям является отсутствие достаточной синхронизации между оригинальной последовательностью и декодированной на приемной стороне копией. Из-за агрессивной среды передачи пакеты данных могут претерпевать серьезные искажения или, вообще, теряться. На сегодняшний день не существует стандартных подходов к определению влияния комплекса ошибок на качество передачи предоставляемых сервисов.

Указанные проблемы, в соединении с коммерческим успехом, заставляют проводить исследования, направленные на эффективное, стабильное и масштабируемое кодирование и передачу видео по нестабильным сетям к которым относятся в частности беспроводные технологии широкополосного доступа.

Таким образом, диссертационная работа, посвященная исследованию влияния ошибок в каналах широкополосного беспроводного доступа на визуальное качество потокового видео, является актуальной научно-технической задачей.

Объект исследования. Телекоммуникационные системы.

Предмет исследования. Качество услуг, предоставляемых широкополосными системами беспроводного доступа при передаче потокового видео.

Цель работы. Оценка влияния ошибок в каналах широкополосного беспроводного доступа на качество потокового видео стандарта Н.264/АУС и разработка рекомендаций по выбору параметров системы обработки и регистрации с целью обеспечения заданного качества восприятия видеоинформации.

Научные задачи работы:

1. Оценка качества потокового видео стандарта Н.264 /АУС в системах широкополосного доступа методами ■■ имитационного моделирования с помощью разработанного программно-аппаратного комплекса (ПАК) и дополнительного программного обеспечения в среде N82 и МаЙаЬ БтиНпк.

2. Исследование влияния битовых, пакетных, группирующихся ошибок в каналах беспроводного доступа на качество потокового видео стандарта Н.264/АУС экспериментальными методами и методами имитационного моделирования.

3. Рекомендации по улучшению качества восприятия потокового видео стандарта Н.264/АУС в условиях пространственно-временной неоднородности видеоконтента и нарушении синхронизации видеопоследовательностей при регистрации в условиях воздействия ошибок в канале передачи.

Методы исследования. Теоретические исследования проведены с использованием методов теории информации, теории вероятности, математической статистики, случайных процессов, теории телетрафика, теории массового обслуживания. Экспериментальная часть работы основана на численных методах машинного моделирования и вычислительного эксперимента с использованием языков программирования высокого уровня.

Для численного анализа, проведения оценки и промежуточных вычислений использовался программные комплексы МаЙаЬ и N82. Обработка 6 видеопоследовательностей и имитационное моделирование процессов передачи видеосигналов, а также оценка качества видеоизображений производились автором с помощью самостоятельно разработанных программ.

Достоверность научных положений, выводов и практических рекомендаций результатов исследований, полученных автором диссертации, подтверждена строгостью применяемых математических методов, рецензированием работ, опубликованных в центральной печати, апробацией на научных конференциях, согласованием основных теоретических научных положений с результатами экспериментальных исследований, длительностью экспериментальных исследований, их повторяемостью и контролируемостью.

Научная новизна и теоретическая значимость работы, проведённой в данной работе, состоит в следующем:

1. Разработанные алгоритмы оценки качества восприятия потокового видео стандарта Н.264/АУС в каналах беспроводного широкополосного доступа на основе обработки экспериментальных данных и разработанной Марковской модели пакетирования ошибок позволили исследовать влияние как одиночных битовых ошибок, так и группирующихся ошибок.

2. Выполненные исследования влияния одиночных и группирующихся ошибок передачи на ухудшение качества позволили получить зависимости качества восприятия потокового видео от вероятности возникновения одиночных и статистических характеристик группирования ошибок.

3. Выполненные исследования влияния различных сюжетных групп стандарта Н.264/АУС на воспринимаемое качество при передаче по сетям, показали, что необходимо учитывать не только качество транслируемого и впоследствии декодируемого видеопотока, но и содержание видеоконтента зависящее как от параметров кодека, так и статистики ошибок в каналах беспроводного доступа.

Практическая ценность работы и использование ее результатов:

1. Выполненные исследования зависимости качества видео от характеристик широкополосных беспроводных каналов связи могут быть использованы операторами связи при проектировании и эксплуатации различных видео-услуг.

2. В программных средах Matlab Simulink и NS-2 созданы имитационные системы, позволяющие оценить помехоустойчивость при передаче видео и мультимедийной информации на базе комплексного учета основных особенностей стандарта IEEE 802.16.

3. На основе программной реализации разработанных алгоритмов создан программно-аппаратный комплекс, позволяющий проводить оценку качества потокового видео с учетом помехоустойчивости среды передачи.

4. Разработаны рекомендации по выбору параметров системы обработки и регистрации потокового видео стандарта H264/AVC как в условиях одиночных битовых ошибок, так и при группировании ошибок в каналах беспроводного широкополосного доступа, что позволило получить количественные оценки эффективности декодирования видео в зависимости от информационных и индивидуальных характеристик кодеров в реальном масштабе времени.

Реализация и внедрение результатов работы

Полученные результаты диссертационной работы внедрены в ФГУП . СНПО «Элерон», о чем свидетельствует соответствующий акт внедрения.

Положения и результаты, выдвигаемые на защиту:

1. Получены численные значения вероятностей одиночных, пакетных и группирующихся ошибок, возникающих в сетях широкополосного беспроводного доступа при передаче потокового видео, позволяющие гарантировать объективное качество в определенном диапазоне.

2. Разработанная Марковская модель, с девятью состояниями описывающая процесс пакетирования ошибок в каналах широкополосных систем беспроводного доступа при передаче потокового видео, позволила оценить качество потокового видео в реальных условиях передачи.

3. Увеличение «битрейта» в большей степени сказывается на качестве видеопоследовательностей вида «Статичная сюжетная группа» (ССГ), тогда как для видеоизображений с движущимися элементами заметного выигрыша в качестве не наблюдается. Присутствие ошибок с вероятностями ВЕК < 10"4 не влияет на качество декодирования видеопоследовательностей «статичной сюжетной группы», но проявляется в «малоподвижной сюжетной группе» и ярко выражено в «высокодинамичной сюжетной группе».

4. Для оценки качества потокового видео стандарта Н.264/АУС различных сюжетных групп в условиях нарушения синхронизации предложено использовать метод «вставки» нулевых значений и «склейки», которые позволяют оценить полученное качество видеопотока.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались:

- на IV международной научно-практической конференции «Электронные средства и системы управления. Опыт инновационного развития», Томск, 2007;

- на VI международной научно-практической конференции «Информационные технологии и математическое моделирование», Томск, 2007;

- на международной научной конференции по естественнонаучным и техническим дисциплинам, Йошкар-Ола, 2008;

- на XXI международной научно-практической конференции «Математические методы в технике и технологиях», Саратов, 2008;

- на VIII всероссийской научно-технической конференции «Динамика нелинейных дискретных электротехнических и электронных систем», Чебоксары, 2009;

- на IV, V отраслевых научных конференциях - форумах «Технологии информационного общества», Москва, МТУ СИ, 2010 - 2011;

- на международном конгрессе «Коммуникационные технологии и сети», Москва, МТУ СИ, 2010;

- на XVIII международной научно-технической конференции «Информационные средства и технологии», Москва, МЭИ, 2010.

Публикации. По результатам исследований опубликовано 22 печатные работы, девять из них в изданиях, рекомендованных ВАК РФ.

Структура и объём работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы, включающего 168 наименований. Работа представлена на 163 страницах машинописного текста, содержит 95 рисунков и 18 таблиц, приложения объемом 14 страниц.

4.4 Выводы по главе 4

1. Представлены аналитические результаты вычислений, которые рекомендуется использоваться для получения порогового значения PSNR, поскольку с увеличением числа потерянных пакетов определенного кадра уменьшается значение PSNR. Результаты больших потерь пакетов позволят сделать вывод о соответствующем уменьшении порогового значения PSNR.

Проанализировано возникновение искажения вследствие распространения ошибок в структуре кодирования H.264/AVC. Смоделировано распространение ошибки и получено ожидаемое число искаженных кадров в GOP. Показано, что эффективность кодирования и структура GOP влияет на искажение, вызванное распространением ошибки. Проанализировано влияние потери пакета на качестве видео Н.264 и предложена модель, объясняющая этот эффект. Получено аналитическое выражение, позволяющее рассчитать вероятность потери кадров ср.

2. Показано, что различные сюжетные группы по-разному влияют на воспринимаемое качество при передаче по сетям. Рекомендуется учитывать не только качество транслируемого и впоследствии декодируемого видеопотока на прикладном (битрейт) и сетевом (BER) уровне, но и другой, не менее важный критерий — сюжет видеопотока. Так, в условиях передачи по сети с малой вероятностью появления ошибок (BER=10~6, BER=10~5) при минимальном значении битрейта (128 кбит/с) сохраняется приемлемое качество видеопотока, соответствующее MOS > 3 для всех типов сюжета. При этом увеличение битрейта в большей степени сказывается на качестве видеопоследовательностей ССГ, тогда как для видеоизображений с движущимися элементами (МПСГ и ВДСГ) заметного выигрыша в качестве не наблюдается. Присутствие небольших ошибок (BER=10-4) не влияет на качество декодирования видеопоследовательностей ССГ, но проявляется в МПСГ и ярко выражено в ВДСГ. Это позволяет судить о способности декодера исправлять небольшие ошибки только в условиях статичного изображения. Увеличение числа ошибок до BER=10-3 сказывается на декодировании видеопоследовательностей всех сюжетных групп. При этом ССГ и МПСГ демонстрируют удовлетворительное, а ВДСГ - плохое качество, с точки зрения субъективной оценки. Таким образом, приемлемым числом ошибочных битов и, следовательно, порогом с точки зрения качества, при котором воспринимаемое пользователями изображение остается приемлемым, является BER=10-4 для всех типов сюжета.

3. Показано, что оценка качества не синхронизированных видеопоследовательностей традиционными ПО приводит к некорректным результатам вычислений, что не отражает истинное значение PSNR. Так, значение погрешности AF(PSNR) при вычислении традиционным ПО увеличивается от 0,3 до 0,5 для ССГ и МПСГ, от 0,35 до 0,45 для ВДСГ при увеличении процента потерь. При небольшом количестве потерянных кадров (около 1%) рекомендуется использовать метод "вставки" нулевых значений, в остальных случаях — метод "склейки". Это позволить достоверно и с наименьшими погрешностями оценить полученное качество видеопотока.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертации получены наиболее значимые результаты, а именно:

1. Оценка влияния битовых ошибок возникающих в реальных широкополосных сетях беспроводного доступа при передаче потокового видео стандарта H.264/AVC с помощью имитационного моделирования показала, что при BER < 3*10"5 битовые ошибки не влияют на качество принимаемого видео и легко устраняются известными, реализованными в беспроводных сетях способами защиты от ошибок. При BER > 4*10"3 потери пакетов в сети достигают максимального значения и приводят к неприемлемому качеству принимаемого видео. Гарантировать объективное превосходное качество видеопотока при передаче по каналу можно при значении вероятности битовой ошибки не более 1*10"4, хорошее качество в диапазоне l^O"4 . 4*10"4, удовлетворительное качество в диапазоне 4* 10"4 . 8*10"4, плохое качество в диапазоне 8*10"4 . 1*10"3 и очень плохое при BER>1*10"3.

2. Оценка влияния пакетных ошибок возникающих в реальных широкополосных сетях беспроводного доступа при передаче потокового видео стандарта H.264/AYC с помощью имитационного моделирования показала, что при PER < l^lO"4 пакетные ошибки не влияют на качество принимаемого видео и легко устраняются известными, реализованными в

WiMax, способами защиты от ошибок. При PER < 1*10"3 влияние ошибок на качество незаметное и не оказывает раздражающего воздействия при просмотре. При PER >0,1 потери пакетов в сети приводят к неприемлемому качеству принимаемого видео. Гарантировать объективное превосходное качество видеопотока при передаче по каналу с вероятностью появления пакетной ошибки не более 1*10"3, хорошее качество в диапазоне 1*10"3 .

3*10"3, удовлетворительное качество в диапазоне 3*10"3 . 1*10"2, плохое

2 , о качество в диапазоне 1*10' . 5*10" и очень плохое при более 5*10

3. Оценка влияния групгшрующихся ошибок в каналах широкополосного беспроводного доступа при передаче потокового видео стандарта H.264/AVC на основе экспериментально полученных данных и разработанной Марковской модели пакетирования ошибок с девятью состояниями, показала, что в реальной сети среднее качество видеопоследовательности ухудшается по сравнению с одиночными ошибками.

4. Рекомендовано учитывать не только качество транслируемого и впоследствии декодируемого видеопотока, но и содержание видеоконтента зависящее как от параметров кодека, так и статистики ошибок в каналах беспроводного доступа. Показано, что различные сюжетные группы стандарта H.264/AVC по-разному влияют на воспринимаемое качество при передаче по сетям. Так, в условиях передачи по сети с малой вероятностью появления ошибок (BER=1045, BER=10~5) при минимальном значении битрейта (128 кбит/с) сохраняется приемлемое качество видеопотока, соответствующее MOS > 3 для всех типов сюжета. При этом увеличение битрейта в большей степени сказывается на качестве видеопоследовательностей ССГ, тогда как для видеоизображений с движущимися элементами заметного выигрыша в качестве не наблюдается. Присутствие небольших ошибок (BER=10~4) не влияет на качество декодирования видеопоследовательностей ССГ, но проявляется в МПСГ и ярко выражено в ВДСГ.

5. Для оценки качества видеопотоков стандарта H.264/AVC различных сюжетных групп в условиях нарушения синхронизации целесообразно использовать разработанное ПО, с помощью которого (при количестве потерянных кадров не более 1%) предложено использовать метод "вставки" нулевых значений, а в остальных случаях - метод "склейки", что позволяет с наименьшими погрешностями оценить полученное качество видеопотока.

1. Abdul-Hameed О. Quality of Service for Multimedia Applications over Wireless Networks, VISNET II Summer School Istanbul, University of Surrey Guildford, Surrey, GU2 7XH, UK

2. Aguiar А. С., Hoene C., Klaue J., Karl H., Wolisz A., Miesmer H. Channel-aware schedulers for voip and MPEG-4 based on channel prediction, to be published at MoMuC, 2003.

3. ANSI T 1.801.01/02-1996. Digital transport of video teleconferencing / video telephony signals. ANSI, 1996.

4. ANSI Tl.801.03-1996. Digital transport of one-way video signals parameters for objective performance assessment. ANSI, 1996.

5. Avcibas I. Image Quality Statistics and their use in steganalysis and compression. PhD Thesis.BogazichiUniv, 2001, p. 113.

6. Baguda Y., Fisal N, Syed S., Yusof S., Mohd S. A., Mohd A., Zulkarmawan A. Mobile streaming of H.264 video over Gilbert-Elliotts Channel // PWASET vol. 36, December 2008

7. Berts J., Persson A. Objective and subjective quality assessment of compressed digital video sequences. Master's thesis, Chalmers University of Technology, 1998.

8. Channel Models for Fixed Wireless Applications IEEE 802.16 Broadband Wireless Access Working Group IEEE 802.16.3c-01/29r4.

9. Chen C. W., Cosman P., Kingsbury N., Liang J., Modestino J. W. Special Issue on Error Resilient Image and Video Transmission, IEEE Journal on Selected Area in Communications, vol. 18, no. 6, June 2001.

10. Chondros P., Prayati, A., Koulamas, C., Papadopoulos, G. 802.11 performance evaluation for multimedia streaming, Fifth International Symposium on Communication Systems // Networks and Digital Signal Processing, Patras, Greece. 2006. 19-21 July.

11. Civanlar M. R, Luthra A., Wenger S., Zhu W. Special Issue on Streaming Video, IEEE Trans. CSVT, vol. 11, no. 3, Mar. 2001.

12. Cornaglia В., Spini M. New statistical model for burst error distribution // European Transactions on Telecommunications, Torino Italy, John Wiley & Sons, 1996

13. Couch L. W. Digital and Analog Communication Systems, Prentice Hall, 2001.

14. Dai M., Loguinov D. Analysis and modeling of MPEG-4 and H.264 multi-layer video traffic, in Proceedings of IEEE INFOCOM, Miami, FL, Mar. 2005.

15. Dardari D., Martini M. G., Mazzotti M., Chiani M., Layered Video Transmission on Adaptive OFDM Wireless Systems EURASIP Journal on Applied Signal Processing 2004 №10, pp. 1557-1567.

16. Deb S., Jaiswal S., Nagaraj K. Real-time video multicast in WiMAX networks, in Proceedings of IEEE INFOCOM, April 2008.

17. Ebert J.-P. Willig A. A Gilbert-Elliot Bit Error Model and the Efficient Use in Packet Level Simulation // TKN Technical Reports, Berlin, March 1999

18. Elliot E.O. "Estimates of error rates for codes on burst-noise channels," Bell Systems Technical Journal, vol. 42, pp. 1977-1997, Sep. 1963.

19. ETS1 TR 102 493. Guidelines for the use of Video Quality Algorithms for Mobile Applications.

20. Fantacci R, Scardi M. Perfomance evaluation of preemptive polling schemes and ARQ techniques for indoor wireless networks. IEEE Transaction on Vehicular technology, 45(2):248-257, May 1996.

21. Feamster N., Balakrishnan H., Packet Loss Recovery for Streaming Video, 12th International Packet Video Workshop, Apr. 2002, July-September 2008, pp. 9-16.

22. Feng W.-C. Buffering Techniques for Delivery of Compressed Video in Video-on-Demand Systems. Kluwer Academic Publisher, 1997.

23. Ghandi M., Ghanbari M. Layered H.264 video transmission with hierarchical QAM, Electronic Systems Engineering Department, University of Essex.

24. Ghinea,G., Thomas, J. P. QoS impact on user perception and understanding of multimedia video clips//Proc. Of ACM Multimedia'98. Bristol. UK. 1998. P. 49-54.

25. Gilbert E.N. "Capacity of a burst-noise channel," Bell Systems Technical Journal, vol. 39, pp. 1253-1265, Sep. 1960.

26. Goldsmith J., Chua S. G. Adaptive Coded Modulation for Fading Channels, IEEE Transactions on Communications, vol. 46, no. 5, pp. 595-602, May 1998.

27. Hanzo L., Cherriman P. J., Streit J. Wireless Video Communications. Digital & Mobile Communications. IEEE Press, 445 Hoes Lane, Piscataway, 2001.

28. He Z., Xiong H. Transmission distortion analysis for real-time video encoding and streaming over wireless networks // IEEE transactions on Circuits and Systems for Video Technology, 2006. Vol. 16. No. 9. Sept.

29. Hertrich D. MPEG4 video transmission in wireless LANs basic QoS support on the data link layer of 802.11 b. Minor Thesis, 2002.

30. Huszak A., Imre S. Analysing GOP Structure and Packet Loss Effects on Error Propagation in MPEG-4 Video Streams // 4th International Symp. on Communications, Control and Signal Processing, ISCCSP 2010, Limassol, Cyprus, March 2010

31. IEEE802.il, part 11, Wireless LAN Medium Access Control (MAC) and Physical Layer (PHY) Specifications: High Speed Physical Layer in the 5GHz Band, P802.11a/D7.0, July 1999.

32. Information and Communication Technologies "ADAMANTIUM' // D4.4 PQoS Models and Adaptation Mechanisms www.ict-adamantium.eu

33. ISO-IEC International Standard 13818; Generic coding of moving pictures and associated audio information, Nov. 1994.

34. ISO-IEC/JTC1/SC29/WG11. ISO/IEC 14496: Information technology Coding of audiovisual objects, 2001.

35. ISO-ŒC/JTC1/SC29/WG11. Evaluation methods and procedures for july mpeg-4 tests, 1996.

36. ITU-R Recommendation BT.802.-1 Test pictures and sequences for subjective assessments of digital codecs converging signal produced according to Recommendation ITU-R BT.601.

37. ITU-R BT.500-11 Methodology for the subjective assessment of the quality of television pictures.

38. ITU-T Recommendation H.320, Narrow-Band Visual Telephone Systems and Terminal Equipment, Rev. 4 May 1999.

39. ITU-T Recommendation P.800.1, Mean opinion score terminology, Mar. 2003.

40. ITU-T Recommendations P.910 P.920 P.930. Subjective video quality assessment methods for multimedia applications, interactive test methods for audiovisual communications, principles of a reference impairment system for video, 1996.

41. Jungwoo L., et.al, Rate-Distortion Optimization Frame Type Selection for MPEG Encoding,"IEEE Trans, on Circuits and System for Video Technology, vol. 7, No 3, pp.501-510, June 1997.

42. Kanumuri S., Cosman, P. C., Reibman, A. R., Modelling packet-loss visibility in MPEG2 video // IEEE Transactions on Multimedia, 2006. Vol. 8. No. 2. April.

43. Ke Y., Lin C., Shieh C., Evaluation of streaming MPEG video over wireless channels // Journal of mobile multimedia 2007. Vol. 3. No. 1. P. 047 064.

44. Khan A., Li Z., Sun, L., Ifeachor, E., Audiovisual quality assessment for 3G networks in support of E-healthcare //Proc. of CIMED. Plymouth. UK. 2007.25 27. July.

45. Khan A., Sun, L., Ifeachor, E. Content Clustering Based Video Quality Prediction Model for MPEG4 Video Streaming over Wireless Networks // IEEE ICC CQRM 2009.

46. Klaue J., Gross J., Karl H., Wolisz A. Semantic-aware link layer scheduling of mpeg-4 video streams in wireless systems. In Proc. of Applications and Services in Wireless Networks (AWSN), Bern, Switzerland, July 2003.

47. Kolkeri V. Error concealment techniques in H.264/AVC, for video transmission over wireless network, The University of Texas at Arlington, 2008

48. Koucheryavy Y., Moltchanov, D., Harju, J., Performance evaluation of live video streaming service in 802.1 lb WLAN environment under different load conditions, MIPS, Napoli, Italy, November 2003.

49. Krunz M., Sass R, Hughes H., Statistical characteristics and multiplexing of MPEG streams, in Proceedings of IEEE INFOCOM, Boston, MA, Apr. 1995, pp. 455-462.

50. Krunz M., Tripathi S., Exploiting the temporal structure of MPEG video for the reduction of bandwidth requirements, in Proc. of IEEE Infocom, vol. 1, No. 1, Kobe, Japan, Apr. 1997, pp. 67-74.

51. Krzanowski W. J. Principles of Multivariate Analysis Claren press. Oxford. 1998.

52. Lakshman Т., Ortega A., Reibman A., VBR video: Tradeoffs and potentials, Proceedings of the IEEE, vol. 86, No. 5, pp. 952-973, May 1998.

53. Layered video coding offset distortion traces for tracebased evaluation of video quality after network transport, in Proc. of IEEE Consumer Communications and Networking Conference CCNC, Las Vegas, NV, Jan. 2006, pp. 292-296.

54. Lee J.B., Kalva H. The VC-1 and H.264 Video Compression Standards for Broadband Video Services, Springer, 2008

55. Liebeherr J., Wrege D., Traffic characterization algorithms for VBR video in multimedia networks, Multimedia Systems, vol. 6, No. 4, pp. 271-283, July 1998.

56. Lemmon J., Wireless link statistical bit error model, NTIA Report. 02-394, U.S. Department of Commerce, June 2002

57. Mai Z.-Y. et al. A novel motion estimation method based on structural similarity for H.264 inter prediction, IEEE ICASSP 2006, pp. 913-916, May 2006.

58. Marpe D., Wiegand Т., Sullivan G. J. The H.264/MPEG4 Advanced Video Coding Standard and its Applications, IEEE Communications Magazine, Volume 44, Issue 8, Aug. 2006 Page(s): 134 -143.

59. McEliece R. J., Stark W. E. Channels with block interference, IEEE Transactions on Information Theory, vol. 46, no. 2, pp. 325-343, March 2000.

60. Munir, В., Chilamkurti, N. K., Soh, В., A comparative study of voice over wireless networks using NS-2 simulation with an integrated error model // International Conf. on WiCOM. 2006. 22 24 Sept.

61. Neve W.D., Lerouge S., Lambert P., Van de Walle R. A performance evaluation of MPEG-21 BSDL in the context of H.264/AVC Ghent University, Sint-Pietersnieuwstraat 41 B-9000, Ghent, Belgium

62. Parrein В., Boulos F., Callet P., Guedon J. Priority Image and Video Encoding Transmission Based on a Discrete Radon Transform IEEE Packet Video 2007, Lausanne: Switzerland (2007)

63. Postel J. "Internet Protocol," RFC 791,1981.

64. Postel J. "User Datagram Protocol," RFC 768,1980.

65. Postel J. "Transmission Control Protocol," RFC 793,1981

66. Proakis J.G. Digital Communications, 4thEdition. //New York: McGraw-Hill, 2001.

67. Project P905-PF EURESCOM. Aquavit assessment of quality for audio-visual signals over Internet and UMTS, 2000.

68. Qi Qu, Pei Y, Modestino J.W., Tian X. "Source-Adaptive FEC/UEP Coding For Video Transport Over Bursty Packet Loss 3G UMTS Networks: A Cross-Layer Approach," 60th IEEE Vehicular Technology Conference (VTC2004-Fall), vol. 5, pp. 3150-3154, Sep. 2004.

69. Ries M. Video Quality Estimation for Mobile Video Streaming, Dissertation, Technischen Universität Wien Fakultat für Elektrotechnik und Informationstechnik, Wien, September 2008

70. Richard V. N. OFDM Wireless Multimedia Communication. // Artech House Publishers, 2000.

71. Richardson I. H.264 and MPEG-4 Video. Compression: Video Coding for Next-Generation. Multimedia, John Wiley & Sons, 2003

72. Roberts J. W., Internet traffic, QoS, and pricing, Proceedings of the IEEE, vol. 92, No. 9, pp. 1389- 1399, Sept. 2004.

73. Rodriguez E. Robust Error Detection Methods for H.264/AVC Videos Master thesis Universität Politécnica de Catalunya Vienna, 2008

74. Rohaly M. Video Quality Experts Group: Current Results and Future Directions, In: SPIE Visual Communications and Image Processing, Perth, Australia, June 21-23, 2000, Vol. 4067, p.742-753.

75. Romer M. MPEG-4 Video Quality Analysis, Florida Atlantic University, Video Communications Project, Spring 2004

76. Rose O., Statistical properties of MPEG video traffic and their impact on traffic modelling in ATM systems, University of Wuerzburg, Institute of Computer Science, Tech. Rep. 101, Feb. 1995.

77. Sanneck H., Mohr W., Le L., Hoene C. Quality of service support for voice over ip over wireless. Wireless IP and Building the Mobile Internet, December 2002.

78. Sarkar U., Ramakrishnan S., Sarkar D., Study of longduration MPEG-trace segmentation methods for developing frame-size-based traffic models, Computer Networks, vol. 44, No. 2, pp. 177-188, Feb. 2004.

79. Sarnoff Corporation. Jndmetrix-iq software arid jnd: A human vision system model for objective picture quality measurements, 2002.

80. Seeling P., Reisslein M., Fitzek F. Offset distortion traces for trace-based evaluation of video quality after network transport, in Proc. of IEEE Int. Conference on Computer Communications and Networks (ICCCN), San Diego, CA, Oct. 2005, pp. 375-380.

81. Seeling P., Reisslein M., Kulapala B. Network performance evaluation with frame size and quality traces of singlelayer and two-layer video: A tutorial, IEEE Communications Surveys and Tutorials, vol. 6, No. 3, pp. 58-78, Third Quarter 2004.

82. Schulzrinne H., Casner S., Frederick R, Jacobson V. "RTP: A Transport Protocol for Real-Time Applications," RFC 1889,1996.

83. Schulzrinne H., Rao A., Lanphier R. Real Time Streaming Protocol (RTSP), RFC 2326,1998.

84. Schumacher L., Kermoal J. P., Pedersen K. I., Mogensen P. E., F. Frederiksen A Stochastic MIMO Radio Channel Model with Experimental Validation," IEEE Journal on Selected Areas in Communications, vol. 20, no. 6, pp. 1211-1226, August 2002

85. Stuhlmuller К., Farber N., Link M., Girod B. Analysis of video transmission over lossy channels. ШЕЕ Journal on Selected Areas in Communications, 18(6): 1012— 1032, June 2000.

86. Telatar I. Capacity of multi-antenna gaussian channels vol. 10, No. 6, pp. 585-595, Nov. 1999.

87. Wang H., Moayeri N. Finite state markov channel a useful model for radio communication channels. IEEE Transaction on Vehicular technology, 44(2): 163-171, February 1995.

88. Wang Y., Ostermann J., Zhang Y.-Q. Video processing and communications. — Prentice Hall, 2001.

89. Wang Y., Zhu Q. Error control and concealment for video communication: A review. -Proc. of IEEE, 86(5):974-997, May 1998.

90. Wang Z. The SSIM Index for Image Quality Assessment, SSIM index Matlab code, http: //www. ее e .uwaterloo. ca./~z7 0 wang/re search/ss im/

91. Wang Z. et al. Image quality assessment: From error visibility to structural similarity, IEEE Trans. Image Processing, vol. 13, pp. 600-612, Apr. 2004.

92. Wang Z., Lu L., Bovik.C. Video quality assessment based on structural distortion measurement, Signal Processing: Image Communication, vol. 19, pp. 121-132,2004.

93. Wenger S. H.264/AVC Over IP, IEEE Transactions On Circuits And Systems for Video Technology, 13, no. 7, pp. 645 656, Jul. 2003.

94. Wenger S., Stockhammer Т., Hannuksela M.M. RTP payload Format for H.264 Video, Internet Draft, Work in Progress, March 2003.

95. Wiegand Т., Sullivan G.J., Bjiimtegaard G., Luthra A. Overview of the H.264/AVC video coding standard, IEEE Trans. Circuits Syst. Video Technol., vol. 13, pp. 560-576, July 2003.

96. Winkler S. Digital Video Quality. Vision models and metrics. Wiley, 2005. 192

97. Winkler S., Dufaux F., Video quality evaluation for mobile applications // Proceedings of SPIE Visual Communications and Image Processing Lugano. Switzerland. 2003.

98. Wolf S., Pinson M. Video quality measurement techniques. Technical Report 02 392, U.S. Department of Commerce, NTIA, June 2002.

99. Wong C.Y. Multiuser OFDM with adaptive subcarrier, bit, and power allocation. // IEEE Journal on Selected Areas in Communications, vol. 17, No. 10, pp. 1747 1758, Oct. 1999.

100. Wu D„ Hou Y. Т., Zhu W., Lee H.-J., Chiang Т., Zhang Y.-Q., Chao H. J. On end-to- end architecture for transporting mpeg-4 video over the internet. IEEE Transactions on Circuits and Systems for Video Technology, 10(6) pp. 923-941, September 2000.

101. Wu H. R, Rao K. R. Digital Video Image Quality and Perceptual Coding Boca Raton, FL: CRC Press, 2006.

102. Xiaodong G., Hongjian Z., "Implementing dynamic GOP in video encoding" Proceedings of IEEE International Conference on Multimedia and Expo, vol. 1, pp.349352, July 2003.

103. Yang C.-L., Wang H.-X. A novel fast motion estimation algorithm based on SSIM for H.264 video coding, Pacific-Rim Conference on Multimedia, pp. 168-176, Dec. 2007.

104. Yamagishi, K., Tominaga, T, Hayashi, T. Objective quality estimation model for videophone services //NTT Technical Review, 2007. Vol. 5. No. 6. June.

105. Yokoyama Y., "Adaptive GOP Structure Selection for Real-Time MPEG-2 Video Encoding," Proceeding of IEEE International Conference on Image Processing, vol. 2, pp 832- 835, Sept. 2000.

106. Yoneyama A. MPEG Encoding Algorithm with Scene Adaptive Dynamic GOP Structure," IEEE 3rd Workshop on Multimedia Signal Processing, Sept. 1999.

107. Yoneyama A., et.al., "One-pass VBR MPEG encoder using scene adaptive dynamic GOP structure", ICCE2001, pp 174-175, June 2001.

108. Zhang Y.J. Multiuser adaptive subcarrier-and-bit allocation with adaptive cell selection for OFDM systems. // IEEE Transactions on Wireless Communications, vol. 3, No. 5, pp. 1566-1575, Sep. 2004.

109. Артюшенко В. M., Шелухин О. И., Афонин М. Ю. Цифровое сжатие видеоинформации и звука: Учебное пособие / Под ред. В.М. Артюшенко. М.: «Дашков и Ко», 2003.

110. Быков Р.Е. Теоретические основы телевидения. С.-Пб.: Изд-во "Лань", 1998

111. Волков И.К., Зуев С.М., Цветкова Г.М. Случайные процессы Изд.: МГТУ им. Н.Э.Баумана, 1999 г.

112. Дворкович А. В. Эффективное кодирование видеоинформации в новом стандарте H.264/AVC // Труды НИИР, 2005.

113. Иванов Ю.А. Оценка качества передачи потокового видео в сетях связи с помощью программно-аппаратных средств // Изд. «Радиотехника», Электромагнитные волны и электронные системы, 2010 №3, том 15, с. 13-19.

114. Иванов Ю.А. Оценка качества потокового видео стандарта H.264 /AVC при передаче в нестабильных каналах связи широкополосных сетей беспроводного доступа 4G//Вестник Чувашского университета. 2010. №3. С. 268-278.

115. Иванов Ю.А. Некоторые проблемы сжатия и передачи видео в реальном времени в беспроводных сетях // Электротехнические и информационные комплексы и системы, 2009, т.5, №1, С.62-64.

116. Иванов Ю.А. Исследование алгоритмов обслуживания очередей при передаче видео. Научному прогрессу — творчество молодых. Сборник материалов Межд. науч. конф. в 3 ч. Ч 3. Марийский гос. техн. ун-т, 2008 г. с. 26-27.

117. Иванов Ю.А., Лукьянцев С.А. Методика оценки качества декодирования видео стандарта H.264/AVC/SVC в беспроводных сетях // Электротехнические и информационные комплексы и системы, 2009, т.5, №4, С.35-48.

118. Иванов Ю.А., Невструев И.А. Структура и помехоустойчивость систем беспроводного доступа с OFDM // Электротехнические и информационные комплексы и системы. 2009, т.5, №3, с. 25-29.

119. Иванов Ю.А., Пастухов A.C., Булгар A.C. Сравнительный анализ алгоритмов обслуживания очередей и их влияние на качество передачи видеотрафика // Электротехнические и информационные комплексы и системы. №1,2, т.4, 2008, с. 78-87.

120. Иванов Ю.А., Пряников B.C. Имитационные модели беспроводных сетей в структуре программно-аппаратного комплекса для оценки качества видеопотока // Вестник Чувашского университета. 2010. №3. С. 260-268.

121. Куликов Д.А. Методы маскирования искажений в видеопотоке после сбоев работы кодека: авт. дисс. канд. ф.-м. н. / МГУ им. М.В. Ломоносова, с. 164,2004 г.

122. Куликов Д.Л., Ватолин Д.С. Оценка качества работы видеодекодеров стандарта MPEG-2 при работе в ненадежной среде передачи данных // Тр. конф. Graphicon-2006, С. 367-370.

123. Пастухов A.C., Иванов Ю.А. Оценка взаимного влияния Internet и видео трафиков при передаче в стандарте DVB/1P/MPEG-4 гибридным сетям спутниковой связи // Вестник Чувашского университета. №2,2008, с. 160-169.

124. Пастухов A.C., Иванов Ю.А., Пряников B.C. Анализ работы буфера при передаче видео // Сборник научных трудов молодых учёных и специалистов Изд.-во Чуваш, ун-та, 2007. с. 23-25.

125. Пастухов A.C., Иванов Ю.А., Малышев С.И. Оценка вероятности битовых ошибок в системах связи 4G // Электротехнические и информационные комплексы и системы, 2009, т.5, №4, С. 28 34.

126. Портенко Н.И., Скороход A.B., Шуренков В.М Марковские процессы Изд.: Наука, 1989 г.

127. Шелухин О.И., Иванов Ю.А. Оценка качества передачи потокового видео в телекоммуникационных сетях с помощью программно-аппаратных средств // Электротехнические и информационные комплексы и системы, 2009, т. 5, №4, С.48—56.

128. Шелухин О.И., Тенякшев А.М., Осин A.B. Моделирование информационных систем г. Москва: Издательство Радиотехника, 2005 г.

129. Шелухин О.И., Иванов Ю.А., Арсеньев A.B. Анализ алгоритмов обработки интерактивной видеоконференцсвязи в системах беспроводного доступа // Электротехнические и информационные комплексы и системы, 2009, №2, С. 17-26.

130. Шелухин О.И., Иванов Ю.А. Влияние ошибок на качество потокового видео стандарта H.264/AVC в широкополосных сетях беспроводного доступа WiMAX // Изд. «Радиотехника», Нелинейный мир, 2010 №11, том 8, с. 685 696.

131. Шелухин О.И., Иванов Ю.А. Влияние синхронизации потоков при оценке качества видеоконтента в системах виденаблюдения // Тр. межд науч.-техн. конф. "Телекоммуникационные и вычислительные системы", 1 декабря 2010 г., Москва, МТУСИ. С. 206

132. Шелухин О.И., Иванов Ю.А., Ненахов К.А., Арсеньев A.B. Результаты имитационного моделирования системы широкополосного доступа WiMAX в среде MATLAB Simulink // Электротехнические и информационные комплексы и системы, 2010 г. №4, том 6. с.28 34.

133. Шиманский Е.Ю. Разработка и исследование методов и устройств сокращения временной избыточности цифровых видеопотоков: авт. дисс. канд. т. н. / ЛЭТИ

134. Цифровая обработка телевизионных и компьютерных изображений. Под ред. Зубарева Ю.Б., ДворковичаВ.П., г. Москва: Издательство МНТЦИ, 1997 г. -255 с.