Оптимизация передачи потокового видео по сети с пропускной способностью, близкой к скорости битового потока видеоизображения

Работа посвящена вопросу оптимизации качества видеоизображения при передаче потокового видео по сети с пропускной способностью близкой, но недостаточной для полной передачи исходного видеоизображения в режиме реального времени на всем протяжении видеоизображения. Предложено использовать буферизацию...

Повний опис

Збережено в:

Бібліографічні деталі
Дата:	2006
Автор:	Оксюк, О.А.
Формат:	Стаття
Мова:	Russian
Опубліковано:	Інститут кібернетики ім. В.М. Глушкова НАН України 2006
Онлайн доступ:	https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/6455
Теги:	Додати тег Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
Назва журналу:	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Цитувати:	Оптимизация передачи потокового видео по сети с пропускной способностью, близкой к скорости битового потока видеоизображения / О.А. Оксюк // Комп’ютерні засоби, мережі та системи. — 2006. — № 5. — С. 86-92. — Бібліогр.: 4 назв. — рос.

Репозитарії

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine

id	nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-6455
record_format	dspace
spelling	Оксюк, О.А. 2010-03-04T10:53:11Z 2010-03-04T10:53:11Z 2006 Оптимизация передачи потокового видео по сети с пропускной способностью, близкой к скорости битового потока видеоизображения / О.А. Оксюк // Комп’ютерні засоби, мережі та системи. — 2006. — № 5. — С. 86-92. — Бібліогр.: 4 назв. — рос. 1817-9908 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/6455 681.3.06 Работа посвящена вопросу оптимизации качества видеоизображения при передаче потокового видео по сети с пропускной способностью близкой, но недостаточной для полной передачи исходного видеоизображения в режиме реального времени на всем протяжении видеоизображения. Предложено использовать буферизацию для оптимизации качества потокового видеоизображения. Как показал эксперимент, применение такого подхода наиболее эффективно совместно с методами масштабирования видеоизображения. The article is dedicated to questions of optimizing video quality in case of streaming in networks with close but insufficient bandwidth for complete video delivery in real time during all video track playing. It is suggested to use buffering for optimizing quality of video. As it was shown in the experiment, applying this approach is most effective together with method of video scaling. ru Інститут кібернетики ім. В.М. Глушкова НАН України Оптимизация передачи потокового видео по сети с пропускной способностью, близкой к скорости битового потока видеоизображения Optimized video streaming in networks with limited and time-varying bandwidth Article published earlier
institution	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
collection	DSpace DC
title	Оптимизация передачи потокового видео по сети с пропускной способностью, близкой к скорости битового потока видеоизображения
spellingShingle	Оптимизация передачи потокового видео по сети с пропускной способностью, близкой к скорости битового потока видеоизображения Оксюк, О.А.
title_short	Оптимизация передачи потокового видео по сети с пропускной способностью, близкой к скорости битового потока видеоизображения
title_full	Оптимизация передачи потокового видео по сети с пропускной способностью, близкой к скорости битового потока видеоизображения
title_fullStr	Оптимизация передачи потокового видео по сети с пропускной способностью, близкой к скорости битового потока видеоизображения
title_full_unstemmed	Оптимизация передачи потокового видео по сети с пропускной способностью, близкой к скорости битового потока видеоизображения
title_sort	оптимизация передачи потокового видео по сети с пропускной способностью, близкой к скорости битового потока видеоизображения
author	Оксюк, О.А.
author_facet	Оксюк, О.А.
publishDate	2006
language	Russian
publisher	Інститут кібернетики ім. В.М. Глушкова НАН України
format	Article
title_alt	Optimized video streaming in networks with limited and time-varying bandwidth
description	Работа посвящена вопросу оптимизации качества видеоизображения при передаче потокового видео по сети с пропускной способностью близкой, но недостаточной для полной передачи исходного видеоизображения в режиме реального времени на всем протяжении видеоизображения. Предложено использовать буферизацию для оптимизации качества потокового видеоизображения. Как показал эксперимент, применение такого подхода наиболее эффективно совместно с методами масштабирования видеоизображения. The article is dedicated to questions of optimizing video quality in case of streaming in networks with close but insufficient bandwidth for complete video delivery in real time during all video track playing. It is suggested to use buffering for optimizing quality of video. As it was shown in the experiment, applying this approach is most effective together with method of video scaling.
issn	1817-9908
url	https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/6455
citation_txt	Оптимизация передачи потокового видео по сети с пропускной способностью, близкой к скорости битового потока видеоизображения / О.А. Оксюк // Комп’ютерні засоби, мережі та системи. — 2006. — № 5. — С. 86-92. — Бібліогр.: 4 назв. — рос.
work_keys_str_mv	AT oksûkoa optimizaciâperedačipotokovogovideoposetispropusknoisposobnostʹûblizkoikskorostibitovogopotokavideoizobraženiâ AT oksûkoa optimizedvideostreaminginnetworkswithlimitedandtimevaryingbandwidth
first_indexed	2025-11-25T21:00:31Z
last_indexed	2025-11-25T21:00:31Z
_version_	1850544952749064192
fulltext	Комп’ютерні засоби, мережі та системи. 2006, № 5 86 O.A. Oksyuk OPTIMIZED VIDEO STREAMING IN NETWORKS WITH LIMITED AND TIME-VARYING BANDWIDTH The article is dedicated to questions of optimizing video quality in case of streaming in networks with close but insufficient bandwidth for complete video delivery in real time during all video track playing. It is suggested to use buffering for optimizing quali- ty of video. As it was shown in the experiment, applying this approach is most effective together with me- thod of video scaling. Работа посвящена вопросу опти- мизации качества видеоизобра- жения при передаче потокового видео по сети с пропускной спо- собностью близкой, но недоста- точной для полной передачи ис- ходного видеоизображения в ре- жиме реального времени на всем протяжении видеоизображения. Предложено использовать буфе- ризацию для оптимизации каче- ства потокового видеоизображе- ния. Как показал эксперимент, применение такого подхода наи- более эффективно совместно с методами масштабирования ви- деоизображения.  О.А. Оксюк, 2006 УДК 681.3.06 О.А. ОКСЮК ОПТИМИЗАЦИЯ ПЕРЕДАЧИ ПОТОКОВОГО ВИДЕО ПО СЕТИ С ПРОПУСКНОЙ СПОСОБНОСТЬЮ, БЛИЗКОЙ К СКОРОСТИ БИТОВОГО ПОТОКА ВИДЕОИЗОБРАЖЕНИЯ Введение. В данной работе рассматривается случай передачи потокового видеоизображе- ния по сети с ограниченной и меняющейся пропускной способностью близкой, но не- достаточной для полной передачи исходного видеоизображения в режиме реального вре- мени на всем его протяжении. При этом предполагается, что исходное видеоизобра- жение может иметь переменную скорость битового потока. Так же предполагается, что потерь данных в сети нет. Поскольку пропу- скная способность сети и скорость битового потока видеоизображения меняются во вре- мени и в данном случае они сравнимы друг с другом, то время от времени пропускной способности сети будет то достаточно, то недостаточно для полной передачи исходно- го видеоизображения в режиме реального времени. Случай, когда пропускной способности се- ти недостаточно для полной передачи видео- изображения на всем или почти всем вре- менном интервале, достаточно хорошо изу- чен. В работах [13] предлагаются различ- ные решения, идея которых состоит в том, что бы передавать только часть видеоизоб- ражения, при этом теряя в качестве, но выиг- рывая в скорости передачи потокового видео. Подобные решения, где видеоизображение разбивается на уровни, и в зависимости от текущей пропускной способности сети пере- дается уровень более высокого или более ОПТИМИЗАЦИЯ ПЕРЕДАЧИ ПОТОКОВОГО ВИДЕО… Комп’ютерні засоби, мережі та системи. 2006, № 5 87 низкого качества, называются масштабированием видеоизображения [4]. Но в случае масштабирования видеоизображения на интервалах, когда пропускной способности сети достаточно для полной передачи видеоизображения в режиме реального времени, появляется избыток пропускной способности сети. В данной работе предлагается способ использования этого избытка для улучшения каче- ства видеоизображения на участках с дефицитом пропускной способности сети. Описание системы. Будем называть промежутки времени, когда пропуск- ной способности сети недостаточно для передачи видеоизображения в полном объеме, промежутками с дефицитом пропускной способности, а промежутки времени, когда пропускная способность сети позволяет передавать видеоизоб- ражение в полном объеме в режиме реального времени, промежутками с избыт- ком пропускной способности. На рис. 1 промежутки АВ – с избытком пропускной способности, 0А (от на- чала до А) и ВС – с дефицитом пропускной способности. Если применять мас- штабирование видеоизображения на промежутках с дефицитом пропускной спо- собности и передавать полностью видеоизображение на промежутках с избыт- ком пропускной способности, то пропускная способность сети будет использо- ваться не полностью на промежутках с избытком пропускной способности. В данной работе исследуется возможность передачи видеоизображения “про за- пас” на промежутках с избытком пропускной способности так, чтобы использо- вать эти данные на промежутках с дефицитом пропускной способности для вос- произведения видеоизображения без потерь. РИС. 1. Изменение скорости битового потока видеоизображения (проигрывания) и про- пускной способности сети. Пунктирной линией обозначена скорость проигры- вания, сплошной линией – пропускная способность сети О.А. ОКСЮК Комп’ютерні засоби, мережі та системи. 2006, № 5 88 Будем использовать буфер памяти для накопления видеоизображения на клиентской стороне. Этот буфер в общем случае имеет ограниченный размер. На рис. 2 показана схема работы сервера в случае с ограниченным буфером на кли- енте. Рассмотрим три основные состояния системы: буфер пуст, буфер полно- стью заполнен, буфер частично заполнен. Состояние с пустым буфером всегда является состоянием с дефицитом пропускной способности сети. Как только по- является избыток пропускной способности сети, сервер начинает передавать данные с избыточной скоростью (переход 1) и буфер на клиенте начинает за- полняться, поскольку клиент проигрывает данные с меньшей скоростью. Когда буфер полностью заполняется, сервер перестает передавать данные с избыточ- ной скоростью (переход 2). Как только снова появляется дефицит пропускной способности, сервер начинает передавать данные с меньшей скоростью (переход 3) до тех пор, пока буфер не освободится (переход 4). Таким образом, можно различать два состояния с частично заполненным буфером: с дефицитом и с из- бытком пропускной способности. ДП: Дефицит пропускной способности, буфер пуст ИЗ: Избыток пропускной способности, буфер заполнен полностью Буфер частично заполнен ИЧ: Избыток пропускной способности ДЧ: Дефицит пропускной способности ИЧ: Избыток пропускной способности ДЧ: Дефицит пропускной способности 1 2 6 3 4 5 РИС. 2. Схема работы сервера в случае ограниченного буфера на клиенте Обозначим суммарное время системы в каждом из состояний Tиз, Tдч, Tич, Tдп. Сумма этих времен равна времени проигрывания фильма Tф: Tф = Tиз + Tдч + Tич + Tдп . Обозначим Tк – суммарное время, когда пользователь видит видеоизображение без потерь качества, а Tп – c потерями качества. В нашем случае при частично или полностью заполненном буфере клиент видит изображение без потерь каче- ства, таким образом: Tк = Tиз + Tдч + Tич, Tп = Tдп. Случай с неограниченным буфером можно рассматривать как частный слу- чай, в котором состояние, когда буфер полон, никогда не достигается, т. е. вы- ОПТИМИЗАЦИЯ ПЕРЕДАЧИ ПОТОКОВОГО ВИДЕО… Комп’ютерні засоби, мережі та системи. 2006, № 5 89 полняется условие Tиз = 0, а переходы 2 и 3 никогда не выполняются. Напри- мер, на современных персональных компьютерах размер буфера почти всегда можно считать неограниченным, но на устройствах с ограниченным дисковым пространством, например, на приставках к телевизору и мобильных устройст- вах, буфер, как правило, ограничен. Случай без клиентского буфера можно рассматривать как частный случай с очень малым буфером, когда суммарное время состояний с частично заполнен- ным буфером много меньше времени проигрывания фильма: Tч’ = Tдч’ + Tич’ << Tф’. Тогда переходы 1 и 2, 3 и 4 вырождаются в один переход 12 и 34 соответст- венно. Будем помечать апострофом суммарные времена для случая без клиент- ского буфера. Tк’ = Tиз’ = Tиз + Tич, Tп’ = Tдп’ = Tдч + Tдп. Как видно из последних выражений, при введении клиентского буфера вре- мя, когда пользователь видит видеоизображение без потерь, на Tдч больше по сравнению со случаем без клиентского буфера. Таким образом, в состоянии с частично заполненным буфером и дефицитом пропускной способности улучша- ется качество видеоизображения. Экспериментальные результаты. В рамках данного исследования был проведен ряд экспериментов. В каждом эксперименте использовалась выборка из 10 фильмов формата MPEG-4 и H264 со скоростью битового потока видео- изображения в пределах от 1 до 10 мегабит в секунду. На рис. 3 показан экспериментально полученный график зависимости улучшения качества видеоизображения при введении буферизации от процент- ной доли участков с избытком пропускной способности. Эксперимент был про- веден для буфера неограниченного размера. На верхней части графика изобра- жена процентная доля участков, на которых получено улучшение качества среди участков с дефицитом пропускной способности. Другими словами, это отноше- ние в процентах суммарного времени участков, которые стали показываться без потерь после введения буферизации, к суммарному времени таких участков до буферизации. Как видно из графика, эта характеристика достигает 100 % для значений процентной доли участков с избытком пропускной способности, близ- ким к 100 %. Таким образом, для случая, когда процентная доля участков с де- фицитом пропускной способности относительно невелика, при введении буфе- ризации таких участков либо вообще не останется, либо становится во много раз меньше. Например, процентная доля таких участков становится в среднем в 11 раз меньше за счет буферизации в случае, когда до введения буферизации она составляла 30 %. Таким образом, выравнивается качество видеоизображения в случаях, когда пропускная способность сети резко падает на коротких проме- жутках времени. В случаях, когда средняя пропускная способность сети намного больше средней скорости битового потока видеоизображения (в 2 и более раза), буфери- зация является мощным средством даже без использования других методов пе- редачи видеоизображения по сети с ограниченной пропускной способностью, О.А. ОКСЮК Комп’ютерні засоби, мережі та системи. 2006, № 5 90 поскольку позволяет заметно уменьшить количество участков, на которых про- исходят потери видеоизображения. С другой стороны, для случая, когда дефи- цит пропускной способности сети существует для большей части фильма, вве- дение буферизации является гораздо менее эффективным. Так в случае, когда дефицит пропускной способности сети существует для 80 % фильма, введение буферизации сокращает это число до 74 %. 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 10 0 Процентная доля участков с избытком пропускной способности Процентная доля участков на которых достигнуто улучшение качества среди участков с дефицитом пропускной способности Процентная доля участков на которых достигнуто улучшение качества среди всех участков РИС. 3. Зависимость улучшения качества видеоизображения от процентной доли участ- ков с избытком пропускной способности На нижней части графика изображена процентная доля участков, на кото- рых получено улучшение качества среди всех участков. Другими словами, это отношение в процентах суммарного времени участков, которые стали показы- ваться без потерь после введения буферизации к суммарной длине фильма. Как видно из графика, максимальное улучшение качества видеоизображения за счет буферизации достигается в случае, когда избыток пропускной способности сети достигается на 5070 % видеоизображения, что соответствует случаю, когда средняя пропускная способность сети на 030 % больше средней скорости бито- вого потока видеоизображения. В этом случае целесообразно применять буфе- ризацию в дополнение к другим методам передачи видеоизображения по сети с ограниченной пропускной способностью. Таким образом, буферизация значи- тельно сократит количество интервалов с потерями видеоизображения, а другие методы передачи видеоизображения по сети с ограниченной пропускной спо- собностью минимизируют эти потери. На рис. 4 показан экспериментально полученный график зависимости улучшения качества видеоизображения от размера буфера. Эксперимент был ОПТИМИЗАЦИЯ ПЕРЕДАЧИ ПОТОКОВОГО ВИДЕО… Комп’ютерні засоби, мережі та системи. 2006, № 5 91 проведен для случая, когда на 60 % фильма наблюдается избыток пропускной способности. Размер буфера приводится в пересчете на секунду проигрывания фильма. То есть для фильма со средней скоростью битового потока равной 8 мегабит в сек (или 1 мегабайт в сек) буфер размером 1 мегабайт равен 1 сек в пересчете на время проигрывания фильма. Как показал эксперимент, размер буфера в пересчете на единицу времени проигрывания фильма является эффек- тивным для данной оценки. Для всех фильмов в рамках данного эксперимента буфер размером 30 сек ни разу не заполнялся полностью и, таким образом, дальнейшее увеличение буфера никак не влияет на качество воспроизведения. Таким образом, на устройствах со свободным дисковым пространством разме- ром более 30 сек можно считать, что буфер уже является неограниченным и дальнейшее увеличение свободного дискового пространства не приведет к ка- кому-либо выигрышу в качестве видеоизображения. С другой стороны, как вид- но из графика, буфер размером 10 сек дает более 90 % выигрыша в качестве ви- део-изображения по сравнению с неограниченным буфером. Таким образом, на устройствах с ограниченными ресурсами имеет смысл использовать буфер раз- мером порядка 10 сек, что для фильма со средней скоростью битового потока равной 10 мегабитам составляет 12.5 мегабайт. Это является приемлемым для большинства современных клиентских устройств – проигрывателей потокового видеоизображения. 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 25 27 29 31 33 35 37 39 Размер буфера в пересчете на секунду фильма, c П р о ц е н т н а я д о л я и н т е р в а л о в с д е ф и ц и т о м п р о п у с к н о й с п о с о б н о с т и , % РИС. 4. Зависимость улучшения качества видеоизображения от размера буфера О.А. ОКСЮК Комп’ютерні засоби, мережі та системи. 2006, № 5 92 Заключение. В настоящей работе предложено использовать буферизацию для оптимизации качества потокового видеоизображения. Экспериментально показано, что введение буферизация является наиболее эффективным в случае, когда средняя пропускная способность сети незначительно превышает (на 030 %) среднюю скорость битового потока видеоизображения. В этом случае введение буферизации наиболее эффективно в дополнение к методам масшта- бирования видеоизображения. В случае, когда средняя пропускная способность сети значительно превышает среднюю скорость битового потока видеоизобра- жения, буферизация может применяться независимо от методов масштабирова- ния и позволяет избежать остановок видеоизображения в случаях резкого и кратковременного падения пропускной способности сети. 1. Wee S.J., Tan W., Apostolopoulos J.G., Etoh M. Optimized video streaming for networks with varying delay // IEEE International Conference on Multimedia and Expo (ICME), Lausanne, Switzerland, August 2002.  2.  P. 89  92. 2. Chakareski J., Apostolopoulos J., Wee S., Tan W., Girod В. R-D Hint Tracks for Low- Complexity R-D Optimized Video Streaming // IEEE International Conference on Multimedia and Expo (ICME), Taipei, Taiwan, June 2004, P. 2730. 3. Apostolopoulos J. Reliable video communication over lossy packet networks using multiple state encoding and path diversity // Proc. Visual Communication and Image Processing, VCIP '01, January 2001.  P. 392  409. 4. Apostolopoulos J.G., Tan W., Wee S.J. Video Streaming. Concepts, Algorithms, and Systems // Mobile and Media Systems Laboratory, HP Laboratories Palo AltoHPL-2002-260, September 18, 2002. 14 p. Получено 23.02.2006

Оптимизация передачи потокового видео по сети с пропускной способностью, близкой к скорости битового потока видеоизображения

Репозитарії

Схожі ресурси