Анализ методов передачи видеоинформации в компьютерных сетях

  обоих методов.

  Метод управления характеристиками источника видеоинформации может

  использоваться при одноадресной [2] и многоадресной [5] передаче данных (рис. 1).

  При одноадресной передаче устанавливается такая скорость передачи, чтобы

  достигнуть заданного значения показателя QoS, т.е. чтобы относительные потери

  пакетов p не превышали порогового уровня P 0. Этот уровень определяется допустимой

  заметностью искажений видеоинформации. Возможный нелинейный алгоритм

  управления определяется следующими выражениями [6]:

   if ( p ≤ P )

  0

   r = min{( r + r

  ∆ ), max r}

   else

   r = max{α r, min r} ,

  где r – скорость передачи источника видеоинформации, ∆ r – аддитивное увеличение

  скорости, α – коэффициент мультипликативного уменьшения скорости. Скорость

  передачи можно установить также расчетным путем [7] при известных параметрах

  соединения TCP, максимального объема информационного пакета, временного

  интервала соединения в сети и значения коэффициента p.

  В случае управления источником при многоадресной передаче отправитель может

  использовать один канал или одну многоадресную IP-группу для передачи потока

  видеоданных к получателям информации. При этом осуществляется одноканальная

  многоадресная передача на основе представленного выше нелинейного алгоритма

  управления и достигается высокая эффективность использования ширины полосы,

  однако в ущерб гибкости в обслуживании различных получателей информации. С

  другой стороны, многоадресная передача на основе использования одноадресных

  потоков данных обеспечивает высокую гибкость ценой неэффективности

  использования ширины полосы. Такие предельные ситуации иллюстрируют

  необходимость в дополнительных методах управления на стороне получателей

  информации.

  Одним из возможных подходов является "многослойная" многоадресная передача

  при различном качестве в зависимости от доступной ширины полосы. Основная часть

  видеоинформации передается на нижнем уровне пропускной способности канала связи

  и обеспечивает некоторое приемлемое качество приема. При повышении пропускной

  18

  способности подключаются более высокие уровни, обеспечивающие улучшенное

  качество приема. Управление уровнями осуществляется на основе общих подходов,

  аналогичных рассмотренным выше применительно к управлению источниками

  видеоинформации.

  Рассмотрим методы управления второго вида, а именно, управления степенью

  сжатия видеоинформации.

  Адаптивное кодирование видеоинформации с варьируемой степенью сжатия

  Возможности кодирования видеоинформации с адаптацией к скорости передачи

  исследовались для различных стандартов и приложений, в частности, для стандартов

  H.261 и H.263 [8, 9], MPEG-1/2 [10, 11] и MPEG-4 [2, 12]. При этом задача заключается

  в обеспечении высокого качества визуального восприятия видеоинформации при

  заданной скорости передачи, которая может быть фиксированной, либо динамически

  изменяться в зависимости от пропускной способности сети. Реализация адаптивного

  кодирования достигается изменением параметра дискретизации видеоинформационных

  сигналов и/или изменения скорости передачи видеокадров.

  В традиционных кодерах видеоинформации, например, в стандартах H.261 и

  MPEG-1/2, используется изменение параметра дискретизации при постоянной скорости

  передачи видеокадров. Это вызывает резкое снижение качества, особенно для

  динамических сцен, даже при незначительном снижении скорости передачи. В

  стандартах H.263 и MPEG-4 предусмотрена возможность обеспечения достаточно

  высокого качества при изменениях скорости передачи видеокадров за счет пропуска

  отдельных видеокадров, которые не могут быть декодированы за допустимое время.

  При этом кодовые последовательности предыдущих видеокадров передаются в течение

  временного интервала пропущенного кадра, что предотвращает переполнение буфера

  кодера. В стандарте MPEG-4 осуществляется сегментация видеокадров на так

  называемые видеообъекты, т.е. части изображения, которые кодируются раздельно. Это

  обеспечивает высокую гибкость адаптивного кодирования различных видеообъектов с

  различным уровнем сжатия видеоинформации в зависимости от степени важности

  видеообъекта для получателя видеоинформации. Например, видеоинформация в виде

  интересующего объекта на неизменном фоне передается с более высоким качеством по

  сравнению с фоном.

  Важной проблемой является определение количественного критерия качества при

  заданной скорости передачи видеоинформации. Зависимость степени искажений от

  скорости передачи может быть получена на основе модельного подхода, при котором

  учитываются статистические характеристики видеопотока для определенных

  параметров дискретизации видеоданных. При этом решение задачи обеспечения

  требуемого качества передачи основывается на математических методах теории

  оптимизации [2, 13]. С другой стороны, возможна реализация методов адаптации с

  учетом конкретных характеристик оборудования, когда стратегия минимизации

  искажений строится в соответствии с имеющейся пропускной способности сети.

  Оптимальные решения задачи могут быть получены методами теории целочисленного

  программирования [9, 11, 14, 15].

  Искажения видеоинформации возникают также вследствие ошибок при

  передаче/приеме с использованием реальных каналов связи. Для повышения качества

  получаемой видеоинформации используются различные методы корректирования

  ошибок, рассматриваемые в следующем разделе.

  

  Методы корректирования ошибок передачи видеоинформации

  

  19

  Для некоторых типов видеоданных (например, для текста) потери пакетов данных

  недопустимы, хотя задержки в получении видеоинформации являются приемлемыми.

  Для других типов данных, содержащих динамические фрагменты изображения,

  некоторые потери данных являются приемлемыми, тогда как задержки получения

  видеоинформации недопустимы. В случае потери пакета данных восстановление

  информации может быть обеспечено традиционными методами корректирующего

  (канального) кодирования, либо при повторной передаче потерянных данных.

  Особенности передачи видеоданных в реальном времени требуют использования

  ряда специальных методов контроля ошибок передачи, которые не применялись при

  передаче обычных данных. К таким методам, помимо корректирующего кодирования и

  повторной передачи, можно отнести снижение чувствительности (критичности) к

  ошибкам, т.е. видоизменение ошибок, и маскирование ошибок. Первые три

  упомянутых метода могут быть реализованы на передающей и приемной стороне, тогда

  как маскирование ошибок осуществляется при приеме видеоинформации.

  На рис. 3 показана схема, иллюстрирующая взаимодействие различных уровней

  контроля ошибок. Повторная передача позволяет восстанавливать утраченные пакеты

  при их транспортировке через сеть, тогда как видоизменение ошибок при снижении

  чувствительности к ним и маскирование ошибок обеспечиваются обычно за счет

  адаптации степени сжатия видеоинформации.

  Использование корректирующего кодирования имеет преимущество в малой

  задержке передачи. Этот метод основывается на добавлении дополнительной

  информации к сжатому потоку видеоданных, что позволяет реконструировать

  потерянные пакеты данных. При канальном корректирующем кодировании видеопоток

  разделяется на сегменты данных, каждый сегмент упаковывается в k пакетов и с

  помощью обычного блочного кодирования генерируется блок из n пакетов, n> k. При

  этом канальный кодер размещает k пакетов в группу и создает из них дополнительные

  пакеты, что повышает устойчивость к потере пакетов. В случае приема не менее k

  пакетов

  из

  переданных

   n

  можно

  полностью

  восстановить

  переданную

  видеоинформацию. Поскольку восстановление осуществляется на принимающей

  стороне, канальное кодирование реализуется для произвольного количества

  получателей при многоадресной передаче видеоинформации. Вследствие избыточности

  ∆ k = n − k пакетов некоторые из них могут отбрасываться при ограничении

  пропускной способности канала без потери качества передачи видеоинформации. Это

  особенно важно для сетей передачи с неоднородной структурой и различными

  параметрами.

  Недостатками канального кодирования являются повышенные требования к

  скорости передачи информации в n/ k раз и увеличение задержек при передаче,

  поскольку декодер должен получить k пакетов прежде, чем будут выделены ∆ k

  избыточных пакетов, после чего возможно отображение принятой видеоинформации.

  Кроме этого, канальное кодирование является наиболее эффективным при неизменных

  характеристиках

  потерь

  информации,

  соответствующих

  заданной

  степени

  избыточности.

  В настоящее время разрабатываются методы кодирования с приоритетом, когда

  пользователь получает возможность устанавливать различную степень коррекции

  ошибок для различных сегментов видеопотока. Такой подход является удобным, в

  частности, для распространенного стандарта MPEG, в котором I-кадр имеет приоритет

  по сравнению с P-кадром, который, в свою очередь, является более важным по

  сравнению с B-кадром [15].

  20

  

  Рис. 3. Схема контроля ошибок при передаче/приеме видеоинформации

  Наряду с методами канального кодирования используются методы кодирования

  источника видеоинформации. В отличие от канального кодирования, при котором

  избыточность вводится блочными кодами безотносительно к виду информации,

  кодирование источника осуществляется за счет добавления в данные видеоинформации

  с более высокой степенью сжатия. При этом в случае потери пакетов происходит

  восстановление видеоинформации с некоторой (допустимой) потерей качества.

  Преимуществом кодирования источника является снижение задержек по сравнению с

  канальным кодированием.

  В схеме рис. 3 предусмотрен режим повторной передачи, при котором в случае

  потери пакетов осуществляется режим обратной связи с источником в форме запроса

  на повторную передачу [16]. Недостатком повторной передачи является примерно

  трехкратное увеличение времени передачи информации по сети (исходная передача –

  запрос на повторную передачу – повторная передача). Поэтому повторная передача

  наиболее эффективна в случае малого времени доставки видеоинформации (например,

  в локальных сетях) или при наличии информационного буфера большого объема на

  принимающей стороне. Управление режимом повторной передачи обычно

  предусматривает отмену повторной передачи тех пакетов, которые не могут быть

  отображены в течение имеющегося временного интервала. Такое управление может

  осуществляться как на передающей, так и на приемной стороне [6]. В случае

  многоадресной передачи ограничение повторной передачи должно устанавливаться

  только для пользователей с большим временем доставки видеоинформации [17–19].

  Снижение заметности ошибок передачи видеоинформации является наиболее

  эффективным на уровне сжатия информации, при этом оказывается возможным

  предотвращение распространения ошибок и ограничение степени искажений

  видеоинформации при потере информационных пакетов. Это достигается за счет

  "многослойной" структуры представления видеоинформации с различной степенью

  сжатия в каждом слое, что обеспечивает восстановление видеоинформации

  приемлемого качества даже при потерях части информации для отдельного слоя.

  

  21

  Подобные методы рассмотрены в [20] с точки зрения оптимизации степени сжатия и

  устойчивости к потерям информационных пакетов.

  В случае потерь информации заметность искажений может быть снижена заменой

  потерянного полного видеокадра на предыдущий, а также заменой отдельного

  искаженного блока изображения на блок из предыдущего кадра либо на блок с

  экстаполяцией данных на основе динамики изменения изображения.

  Реализация методов передачи видеоинформации в телекоммуникационных сетях

  При проектировании сетей, предназначенных для работы с видеоданными,

  необходимо особенно тщательно выбирать методы сжатия информации и аппаратные

  средства применительно к типу информационной сети.

  Первое узкое место сети – это серверы. Способность большинства серверов

  передавать видеоизображения в реальном времени ограничивается главным образом

  скоростью обмена с дисковыми накопителями. Видеосигнал представляет собой

  непрерывный поток данных, и накопитель, считывающий информацию отдельными

  фрагментами, как правило, не способен поддерживать такой поток. Скорость

  поступления данных в центральный процессор и, соответственно, непрерывность

  потока видеоданных определяются средней установившейся скоростью считывания с

  диска, т.е. той, с которой производится последовательное считывание файлов. На

  пропускную способность отрицательно влияют также задержки, вызванные