DisCollection.ru

Авторефераты и темы диссертаций


Исследование зависимости качества видеоизображения от характеристик канала передачи в сети gsm

Куракин Олег Валерьевич, 04.10.2010

 

провести анализ возможностей существующих систем мобильной связи по передаче видеосигналов;

реализовать видеокодек на программном уровне и исследовать его характеристики;

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

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

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

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

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

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

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

Основные результаты диссертации, обладающие научной новизной.

Предложена реализация специализированных видеоуслуг в существующих сетях

Выполнена программная реализация видеокодека MPEG-4 в Matlab.

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Для передачи видеоизображения с уровнем качества V0 (малоподвижная видеотелефония) необходимо обеспечить граничное значение скорости передачи в канале 32 кбит/с, для уровня качества V1 (видеотелефония) – 128 кбит/с, для уровня качества V2 (видеоконференция) – 256 кбит/с.

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

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

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

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

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

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

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

Рассмотрены возможности систем мобильной связи по передаче видеосигналов, и определен выбор сетей GSM с технологией EDGE. Выбран видеокодек MPEG-4, алгоритмы которого будут использованы в работе для видеокомпрессии. Подробно рассмотрены уровни качества видеоизображения и методы его оценки. Согласно рекомендациям ITU-T определены три уровня качества видеоуслуг в мобильной связи: V0 (малоподвижное видео, разрешение 176*144), V1 (видеотелефония, разрешение 176*144), V2 (видеоконференцсвязь, разрешение 352*288). Выбраны стандартизованные алгоритмы оценки качества видеоизображения – PSNR (Peak Signal to Noise Ratio) и VQM (Video Quality Metric).

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

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

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

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

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

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

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