Rozdział Wpływ parametrów kompresji na jakość transmisji obrazu strumieniowego Zbigniew OMIOTEK Wyższa Szkoła Zarządzania i Administracji w Zamościu, Katedra Informatyki i Inżynierii Wiedzy zomiotek@wszia.edu.pl Franciszek GRABOWSKI Politechnika Rzeszowska, Zakład Systemów Rozproszonych fgrab@prz.rzeszow.pl Streszczenie W rozdziale zaprezentowano wyniki badań dotyczących wpływu wybranych parametrów kompresji na jakość transmisji strumienia obrazu. Uwzględniono kodowanie CBR jedno i dwuprzebiegowe oraz kodowanie VBR w oparciu o jakość oraz maksymalną szybkość transmisji bitów. Dla każdego przypadku rozważono wpływ najistotniejszych parametrów na straty i fluktuację opóźnienia pakietów. Dokonano również oceny wpływu parametrów kompresji na poziom samopodobieństwa wnoszonego do generowanego strumienia obrazu. 1. Wstęp Przesyłanie przez Internet obrazów w czasie rzeczywistym staje się ostatnio usługą zyskującą na popularności. Dlatego podejmowane są próby udoskonalenia protokołu IP polegające na wprowadzaniu mechanizmów zwiększających gwarancję jakości usługi (ang. Quality of Service, QoS), dzięki czemu użytkownik końcowy otrzymywałby od sieci bardziej przewidywalny poziom usług w kontekście przepustowości, opóźnienia i fluktuacji opóźnienia. Dla protokołu IP zostały opracowane dwie główne metody definiowania klas usług (ang. Class of Service). W pierwszej z nich (per-flow) strumień jest traktowany jako określony ciąg pakietów mających te same charakterystyczne informacje, tj. adresy IP źródła i przeznaczenia, porty UDP lub TCP źródła i przeznaczenia. Informacje te jednoznacznie określają stacje końcowe uczestniczące w połączeniu. Pakiet raz przypisany do określonego strumienia jest przesyłany przez sieć
2 Z. Omiotek, F. Grabowski jako pakiet należący do określonej klasy usług. Dzięki temu dla określonej sesji w relacji end-to-end strumień czasu rzeczywistego może być przesyłany z inną klasą (wyższym priorytetem) usług niż inne strumienie. Druga metoda może wykorzystywać bity pierwszeństwa znajdujące się w polu TOS (ang. Type of Service) nagłówka IP. Bity te określają cechy, które są zalecane do obsługi danego pakietu, są to minimalne opóźnienie, maksymalne pasmo, pewność dostarczenia pakietu, minimalny koszt finansowy oraz usługa normalna, czyli best-effort ( jeżeli możesz, to prześlij dalej, jeżeli nie, to poczekaj ). W czasie transmisji pakietów przez sieć wszystkie kolejne rutery sprawdzają tylko te bity i obsługują pakiety zgodnie z określoną przez nie klasą usług. Przypisanie każdego rodzaju ruchu do określonej klasy usług pozwala na indywidualną obsługę każdego ruchu zgodnie z klasą usługi, do której został przypisany, brak jednak gwarancji co do końcowej jakości usługi. Brak takiej gwarancji wynika z faktu, że sieci IP pracują bez rezerwacji zasobów w węzłach, a medium transmisyjne jest współdzielone przez wielu użytkowników sieci. W takiej sytuacji rosną wykorzystywane zasoby i pojawia się problem kolejkowania przenoszonego przez sieć ruchu. Kolejkowanie występuje w interfejsach węzłów sieci i jest głównym składnikiem architektury każdego rutera. Jest to jeden z najistotniejszych procesów w zapewnieniu różnego rodzaju usług. Wybór algorytmu umieszczania pakietów w kolejce oraz maksymalna długość kolejki są kluczowymi elementami w zarządzaniu kolejkowaniem w celu zapewnienia QoS oraz różnicowania usług. Wybór prawidłowej długości kolejki jest trudny. Zbyt długa kolejka może doprowadzić do nadmiernych opóźnień (pakiety muszą oczekiwać w kolejce w celu ich przetworzenia). Zbyt krótka kolejka powoduje natomiast, że przy większej szybkości wysyłania danych do sieci, niż jest ona w stanie zaakceptować, następuje odrzucanie w węzłach dużej liczby pakietów. Wpływ odrzucenia lub zgubienia pakietów w węzłach pośredniczących na strumienie audio czy wideo (czułe na wszelkiego rodzaju opóźnienia i zgubione pakiety) objawia się pogorszeniem jakości dźwięku i obrazu. Wyniki badań przeprowadzonych w ostatnich latach, dotyczących ruchu w sieciach LAN i WAN, dowiodły, iż w ruchu sieciowym występują procesy z zależnościami długoterminowymi [1, 2, 3]. W rzeczywistym ruchu występuje zjawisko zwane wybuchowością, przy czym jest ono obserwowane również dla ruchu zagregowanego w większej skali czasu. Proces wykazujący taką właściwość określa się jako samopodobny. Ogólnie, pojęcie samopodobieństwa oznacza niezmienność właściwości statystycznych procesu przy zmianie skali czasu obserwacji. W przypadku ruchu sztucznego, generowanego przez modele tradycyjne, agregacja powoduje zanik zjawiska wybuchowości. Wykazano, że wzrost samopodobieństwa strumienia danych powoduje stopniowy spadek przepustowości sieci oraz bardzo gwałtowny wzrost opóźnienia kolejkowania. Jeżeli ruch charakteryzuje się wysokim samopodobieństwem, opóźnienie kolejkowania rośnie prawie proporcjonalnie do pojemności bufora znajdującego się w systemie. Ten efekt jest zgodny z obserwacją wynikającą z analizy kolejkowania, zgodnie z którą rozkład długości kolejki opada dużo wolniej dla ruchu z zależnościami długoterminowymi. Powyższe zjawiska mają poważny wpływ na jakość usług świadczonych w sieci. W celu osiągnięcia stałego poziomu przepustowości i strat pakietów przy rosnącym samopodobieństwie, wymagana jest niezmiernie duża pojemność bufora. Jednak zwiększone buforowanie prowadzi do dużych opóźnień kolejkowania i dlatego musi być poczyniony kompromis pomiędzy przepustowością i stratami pakietów, a opóźnieniem [4].
Wpływ parametrów kompresji na jakość transmisji obrazu strumieniowego 3 Obowiązujące obecnie modele internetowej transmisji obrazu przyjmują, że jest to system prosty. Tymczasem nasze badania wskazują, że jest to system złożony charakteryzujący się: niejednorodnością topologii struktury i zadań, nieliniowością i dynamiką samych elementów i interakcji, wybuchowością i samopodobieństwem ruchu, długoterminowością procesów, rozkładem ruchu typu 1/f (prawo potęgowe), strukturą hierarchiczną, perkolacją, strukturą klastrową, występowaniem zjawisk typu małe światy, samoorganizacją i degradacją, która w skrajnym przypadku może prowadzić do zapaści systemu. System złożony o strukturze hierarchicznej powoduje, że o jakości transmisji decydują poszczególne warstwy z odpowiednią wagą. Zatem wydaje się być błędnym obecnie obowiązujące założenie, że o jakości transmisji sieciowej decydują wyłącznie możliwości i ograniczenia sieci. Dlatego nasze badania, w szerszym kontekście, zmierzają do określenia wpływu poszczególnych warstw systemu transmisji (warstwy sieci, protokołów, kompresji) na zjawiska wyższych rzędów, mające wpływ na jakość transmisji obrazu. Przeprowadzono własne badania związane z określeniem wpływu warstwy sieci na parametry jakości usługi i samopodobieństwo ruchu dla transmisji obrazu strumieniowego [5]. Przedmiotem zainteresowania był wpływ kolejkowania w węźle pośredniczącym na straty, opóźnienie i fluktuację opóźnienia pakietów. Wnioski z tych badań, dotyczące wpływu wielkości bufora na parametry QoS, okazały się zbieżne z wynikami publikowanymi w dostępnej literaturze. Badania te wykazały również, że parametry kolejkowania mają pewien wpływ na poziom samopodobieństwa, aczkolwiek dobór tych parametrów nie jest w stanie całkowicie wyeliminować zjawiska samopodobieństwa. Taki stan rzeczy wynika z faktu, że w większości przypadków ruch wchodzący do sieci już ma wspomnianą wyżej cechę. Dlatego wydaje się, iż przedmiotem zainteresowania powinny być nie tylko możliwości i ograniczenia sieci, lecz również warstwy wyższe, obejmujące proces kompresji strumienia obrazu. Taki kierunek badań uzasadniają wyniki wielu prac dotyczących skompresowanego strumienia obrazu, w których wykazano, iż cechuje się on samopodobieństwem i zależnościami długoterminowymi [6, 7, 8]. Celem badań, których wyniki zaprezentowano w niniejszym rozdziale, było określenie wpływu warstwy kompresji na parametry jakości usługi oferowanej przez sieć oraz samopodobieństwo transmitowanego strumienia obrazu. Układ rozdziału jest następujący: w podrozdziale drugim scharakteryzowano tryby kompresji strumienia wideo zastosowane podczas badań, podrozdział trzeci zawiera informacje dotyczące sposobu realizacji pomiarów oraz kwestie związane z implementacją sieci pomiarowej. W podrozdziale czwartym dokonano prezentacji i analizy wyników pomiarów. Rozdział kończą krótkie wnioski zawarte w podrozdziale piątym, podsumowujące przeprowadzone badania. 2. Tryby kompresji strumienia wideo W badaniach wykorzystano wszystkie dostępne tryby kompresji strumienia, było to kodowanie CBR (ang. Constant Bit Rate) jedno i dwuprzebiegowe, kodowanie VBR (ang. Variable Bit Rate) w oparciu o jakość, kodowanie VBR w oparciu o szybkość transmisji bitów oraz kodowanie VBR w oparciu o szczytową szybkość transmisji bitów.
4 Z. Omiotek, F. Grabowski Podczas kodowania CBR określa się na wstępie szybkość transmisji bitów, która ma zostać utrzymana, a następnie rozmiar bufora. Rzeczywista szybkość transmisji bitów waha się w różnych miejscach strumienia, ale wahania te są ograniczane przez rozmiar bufora. Jakość zawartości również się zmienia, aby zapewnić, że bufor nie opróżni się ani nie przepełni. Rozmiar bufora określa wielkość początkowego opóźnienia podczas odtwarzania zawartości. Stosowanie kodowania CBR zapewnia, że zawartość jest odtwarzana płynnie, przy założeniu że szybkość transmisji bitów jest zgodna z szybkością połączenia klienta. Wadą kodowania CBR jest to, że jakość zakodowanej zawartości nie jest stała. Ponieważ niektóre fragmenty trudniej jest kompresować niż inne, niektóre części strumienia CBR mają niższą jakość niż inne. Ponadto, gdy jest więcej strumieni, niż jeden, co ma miejsce w przypadku kodowania MBR (ang. Multiple Bit Rate), występuje niejednakowa jakość pomiędzy kolejnymi strumieniami. Niewątpliwą zaletą kodowania MBR jest natomiast fakt, iż zastosowanie wielu szybkościami transmisji bitów pozwala użytkownikom otrzymać lepszą jakość zawartości podczas przeciążenia sieci. Gdy zostanie skonfigurowany strumień MBR, zawartość jest kodowana z każdą określoną szybkością transmisji bitów. Gdy odtwarzacz odbiera strumień MBR, odtwarzany jest tylko strumień najbardziej odpowiedni dla aktualnych warunków w sieci. Serwer strumieniowy i odtwarzacz Windows Media obsługują proces wybierania odpowiedniego strumienia w sposób niewidoczny dla użytkownika. Podczas kodowania strumienia MBR można stosować wyłącznie kodowanie CBR. Kodowanie CBR może być jedno lub dwuprzebiegowe. Podczas kodowania jednoprzebiegowego, zawartość jest przetwarzana przez koder jednokrotnie i wtedy stosowana jest kompresja. Podczas kodowania dwuprzebiegowego, zawartość jest analizowana podczas pierwszego przebiegu, a następnie jest kodowana podczas drugiego przebiegu na podstawie danych zgromadzonych podczas pierwszego przebiegu. Kodowanie dwuprzebiegowe może dać w wyniku lepszą jakość zawartości, ponieważ koder poświęca czas na znalezienie optymalnej kombinacji szybkości transmisji bitów, szybkości klatek, rozmiaru bufora i jakości obrazu opartej na kompozycji sceny. Istota kodowania VBR w oparciu o jakość polega na tym, że użytkownik określa wymagany poziom jakości obrazu w bezwymiarowym zakresie od 0 do 100. Następnie podczas kodowania szybkość transmisji bitów zmienia się w zależności od złożoności strumienia większa szybkość transmisji bitów stosowana jest w przypadku dużej ilości szczegółów lub ruchu, a mniejsza szybkość transmisji bitów stosowana jest dla prostej zawartości. Zaletą kodowania VBR w oparciu o jakość jest to, że jakość obrazu pozostaje taka sama we wszystkich strumieniach, dla których określono te same ustawienia jakości. Wadą jest to, że przed kodowaniem nie można przewidzieć rozmiaru pliku ani wymagań dotyczących przepustowości dla kodowanej zawartości. Kodowanie VBR w oparciu o jakość wykorzystuje kodowanie jednoprzebiegowe. W kodowaniu VBR w oparciu o szybkość transmisji bitów użytkownik określa wymaganą średnią szybkość transmisji bitów. W dowolnym momencie szybkość transmisji bitów może przekroczyć szybkość średnią, ale całkowita szybkość nie przekroczy średniej szybkości transmisji bitów. Kodowanie VBR w oparciu o szybkość transmisji bitów następuje w dwóch przebiegach. W pierwszym przebiegu analizowana jest złożoność danych. Następnie w drugim przebiegu ustawiany jest poziom jakości w celu osiągnięcia średniej szybkości transmisji bitów. Zaletą powyższego sposobu
Wpływ parametrów kompresji na jakość transmisji obrazu strumieniowego 5 kodowania jest to, że skompresowany strumień osiągnie najwyższy możliwy poziom jakości, jednocześnie utrzymując przewidywalną średnią przepustowość. Kodowanie VBR w oparciu o szczytową szybkość transmisji bitów jest podobne do trybu w oparciu o szybkość transmisji bitów, z tą różnicą, że należy także podać szczytową szybkość transmisji bitów. Koder określa jakość obrazu, którą można osiągnąć bez przekroczenia szybkości szczytowej. Szybkość transmisji bitów zmienia się podczas kodowania, ale nie przekracza podanej wartości szczytowej. W tym przypadku wykorzystywane jest kodowanie dwuprzebiegowe. 3. Metoda realizacji badań W celu realizacji badań przygotowano szereg klipów wideo, które następnie były składowane na serwerze i strumieniowo odtwarzane przez klienta. Do przygotowania klipów zastosowano oprogramowanie Windows Media Encoder Seria 9 [9] oferujące bogate możliwości konfiguracji w zakresie kompresji strumienia wideo. Do badań wykorzystano materiał filmowy w formacie DVD. Ten sam fragment oryginalnego materiału przez taki sam okres czasu (150 s) poddawano kompresji z różnymi parametrami. Na potrzeby pomiarów zestawiono prostą sieć zaprezentowaną na rys. 1. W jej skład wchodził serwer strumieniowy Helix Universal Server firmy RealNetworks [10], ruter programowy, komputer pełniący funkcję stacji odbiorczej dla emitowanego strumienia oraz aktywne urządzenia sieciowe (koncentrator i przełącznik sieciowy). Serwer strumieniowy i ruter pracowały pod kontrolą systemu Linux Mandrake, natomiast na stacji odbiorczej zainstalowano Windows 2000 Professional. W celu eliminacji wpływów zewnętrznych na wyniki pomiarów sieć pomiarowa była odłączona od szkolnej sieci komputerowej. eth0 eth1 Serwer strumieniowy (Helix Universal Server, Linux) Ruter (Linux) Ethernet Ethernet Rys. 1. Schemat sieci pomiarowej PC1 (Windows Media Player, CommView) Podczas pomiarów wykorzystano usługę wideo na żądanie w trybie unicast. Klipy wideo składowane na serwerze były strumieniowo przesyłane przez sieć pomiarową i odtwarzane przez klienta (Windows Media Player) zainstalowanego na stacji odbiorczej PC1. Transmisja strumienia odbywała się zgodnie z protokołem mms (ang. Microsoft Media Server), natomiast w warstwie transportowej wykorzystany był protokół UDP. Dla interfejsu eth1 rutera zaimplementowano kolejkę TBF (ang. Token Bucket Filter), natomiast dla interfejsu eth0 obowiązywał domyślny algorytm kolejkowania packet FIFO
6 Z. Omiotek, F. Grabowski i standardowa długość kolejki wynosząca 100 pakietów. Dla kolejki TBF ustawiono następujące parametry wpływające na warunki kolejkowania pakietów oraz przepustowość interfejsu: wielkość bufora 10 kb, długość kolejki 10 kb, przepustowość 1 Mb/s. Podczas trwania pomiarów wymienione wyżej parametry były niezmienne. Na stacji odbiorczej PC1 zainstalowano programowy analizator pakietów CommView [11], który wykorzystano do pomiaru fluktuacji opóźnienia pakietów na interfejsie sieciowym. Dokładność pomiaru wynosiła w tym przypadku ok. 1 ms. Dane dotyczące współczynnika strat pakietów (liczba pakietów przesłanych i odrzuconych) zostały zebrane na interfejsie eth1 rutera za pomocą programu tc (ang. Traffic Control). Program tc wchodzi w skład pakietu iproute2 i umożliwia implementację kolejek złożonych, zawierających szeroki zestaw filtrów, klas i elementarnych algorytmów kolejkowania [12]. Wpływ na parametry QoS w rzeczywistej sieci mają ograniczenia czasowe i przestrzenne. Ograniczenia czasowe wynikają z warunków kolejkowania panujących we wszystkich węzłach pośredniczących na danej trasie. Natomiast ograniczenia przestrzenne są konsekwencją tego, że pakiety mogą docierać do odbiorcy różnymi trasami. Nasze badania nie uwzględniały powyższych ograniczeń, ponieważ ich celem było określenie wyłącznie wpływu warstwy kompresji na parametry QoS. 4. Wyniki pomiarów Zasadnicze parametry określające jakość usługi oferowanej przez sieć to opóźnienie, fluktuacja opóźnienia (ang. Jitter) oraz straty pakietów. Opóźnienia występujące podczas transmisji obrazu w rzeczywistej sieci można podzielić na stałe i zmienne. Opóźnienia stałe są związane z czasem potrzebnym na przetwarzanie i kompresję obrazu (transmisja na żywo ), kolejkowanie pakietów w urządzeniu brzegowym i sprawdzeniu tablicy lokalizacji do której pakiet ma być wysłany. Opóźnienia stałe można modyfikować typem zastosowanego sprzętu i metodą kompresji. Opóźnienia zmienne są wnoszone głównie przez medium transmisyjne i urządzenia przełączające pakiety. Optymalizuje się je głównie przez zmianę wielkości przesyłanych pakietów. Fluktuację opóźnienia eliminuje się przez stosowanie bufora w urządzeniu odbiorczym, dzięki któremu odbiornik analizuje pakiety z pewnym ustalonym opóźnieniem, usuwając przerwy pomiędzy nadchodzącymi pakietami. Wyniki zaprezentowane w niniejszym rozdziale uwzględniają wyłącznie wpływ warstwy kompresji (nie uwzględniają warstwy sieci) na opóźnienia wnoszone do strumienia pakietów. Przedmiotem zainteresowania podczas pomiarów była fluktuacja opóźnienia oraz straty pakietów. Łączne opóźnienie pakietów na całej trasie od serwera strumieniowego do stacji PC1 nie przekraczało 1 ms. Opóźnienie pakietów wnoszone przez kolejkę TBF, dla określonych parametrów kolejkowania, było pomijalnie małe i nie przekraczało 1 µs. Pomiary wykazały, iż tryb kodowania strumienia ma istotny wpływ na wielkość strat pakietów. Dla kodowania CBR współczynnik strat kształtował się na poziomie 0,6%, natomiast dla poszczególnych trybów VBR jego wielkość wahała się od 9% do 12% (rys. 2a). Taka sytuacja miała swoje odzwierciedlenie w jakości odbieranego obrazu.
Wpływ parametrów kompresji na jakość transmisji obrazu strumieniowego 7 Strumień CBR był odtwarzany bardziej płynnie i bez drgań, co zdarzało się podczas odtwarzania strumieni VBR. a) b) VBR-1 - VBR w oparciu o jakość VBR-2 - VBR w oparciu o szybkość VBR-3 - VBR w oparciu o szybkość szczytową CBR-1 - CBR jednoprzebiegowy CBR-2 - CBR dwuprzebiegowy 14 Współczynnik strat [%] 12 10 8 6 4 2 0 VBR-1 VBR-2 VBR-3 CBR-1 CBR-2 Tryb kodowania Współczynnik strat [%] 20 15 10 5 0 WMV V7 - Windows Media Video V7 WMV V8 - Windows Media Video V8 WMV 9 - Windows Media Video 9 WMV V7 WMV V8 WMV 9 Rodzaj kodera Rys. 2. Wpływ trybu kodowania strumienia (a) oraz rodzaju kodera podczas kodowania VBR w oparciu o jakość (b) na straty pakietów Podczas kodowania VBR w oparciu o jakość porównano działanie koderów Windows Media Video w wersji 7, 8 i 9 (rys. 2b). Dla najnowszego kodera (wersja 9) straty okazały się najmniejsze i kształtowały się na poziomie ok. 11%, natomiast dla kodera w wersji 8 wyniosły one ponad 17%. a) b) Rys. 3. Wpływ parametrów kodowania MBR (a) oraz VBR w oparciu o jakość (b) na straty pakietów
8 Z. Omiotek, F. Grabowski Na rys 3a zilustrowano poziom strat pakietów w funkcji zmiany wielkości bufora oraz złożoności strumienia, rozumianej jako liczba szybkości transmisji bitów (kodowanie MBR). Większy bufor pozwala osiągnąć lepszą jakość obrazu, ale użytkownik musi dłużej czekać na rozpoczęcie odtwarzania wideo, ponieważ odtwarzacz nie rozpoczyna odtwarzania do czasu wypełnienia bufora. Zazwyczaj opóźnienie bufora odpowiada czasowi, w sekundach, rozmiaru bufora ustawionego w koderze. Wielkość bufora, dla małej złożoności strumienia, nie wpływa zasadniczo na straty. Natomiast przy większej liczbie szybkości transmisji bitów w strumieniu MBR preferowany jest większy bufor, w zakresie od 10 do 15 sekund. Wzrost liczby szybkości transmisji bitów zwiększa straty i ma to miejsce najsilniej dla małego bufora o wielkości poniżej 10 sekund. Wielkość strat dla kodowania VBR w oparciu o jakość, przy zmianie współczynnika jakości obrazu oraz maksymalnego rozmiaru pakietu, zaprezentowano na (rys 3b). Jakość obrazu można dostosować tak, aby był on płynniejszy lub wyraźniejszy. Obraz bardziej wyraźny może z kolei wpłynąć na szybkość klatek. Wyraźniejszy obraz zwiększa wymagania co do szybkości transmisji bitów i może wymagać zwiększenia rozmiaru bufora. Wyższa szybkość transmisji bitów daje lepszą jakość obrazu. Jeśli wartość szybkości transmisji bitów jest zbyt mała, dekoder będzie opuszczał klatki w celu wyświetlenia obrazu wyższej jakości, mimo że nie będzie to widoczne dla użytkownika. W przypadku kodowania obrazu zawierającego niewielką ilość ruchu, rzeczywista szybkość transmisji bitów może być o wiele mniejsza od oczekiwanej. Badania wykazały, że dla współczynnika jakości obrazu osiągającego wartość poniżej 80 (w bezwymiarowej skali od 0 do 100) straty pakietów są pomijalnie małe, ale kosztem tego jest gorsza jakość odbieranego obrazu. Zwiększanie współczynnika jakości powyżej 80 powoduje zauważalny wzrost strat. Dla współczynnika równego 90 straty wynoszą ok. 8%, a powyżej tej wartości następuje bardzo gwałtowne zwiększenie strat do poziomu kilkudziesięciu procent. Zatem dla założonych warunków panujących w sieci (parametry kolejkowania i przepustowość) optymalna, z punktu widzenia strat, wartość współczynnika jakości obrazu powinna się zwierać w granicach od 90 do 95. Oprócz współczynnika jakości obrazu, istotny wpływ na straty ma maksymalny rozmiar pakietu danych (rys. 3b). Dla małych pakietów, poniżej 10 kb, wpływ jest bardzo silny, straty przekraczają wówczas 11%, przy jakości obrazu na poziomie równym 90. Zwiększanie wielkości pakietu prowadzi generalnie do mniejszych strat, zmieniających się bardziej łagodnie. Wpływ wielkości pakietu na współczynnik strat można zaobserwować dla współczynnika jakości obrazu przekraczającego poziom równy 80, dla mniejszych wartości straty są pomijalne. Na rys. 4 i 5 przedstawiono wykres fluktuacji opóźnienia pakietów dla wybranych parametrów kodowania MBR i VBR. Zastosowanie kilku szybkości transmisji bitów (rys. 4a) ma wymierne korzyści związane z możliwością dopasowania strumienia do rzeczywistej szybkości łącza klienta. Złożoność strumienia wyjściowego kodera wiąże się jednak z dużymi fluktuacjami opóźnienia, dochodzącymi do 400 ms. Dla strumienia zwierającego jedną szybkość transmisji bitów (732 kb/s) fluktuacja opóźnienia osiąga wartość 100 150 ms. Jakość usługi takiego strumienia, z punktu widzenia fluktuacji opóźnienia, jest zatem lepsza, aczkolwiek okupiona małą elastycznością w stosunku do warunków panujących w sieci.
Wpływ parametrów kompresji na jakość transmisji obrazu strumieniowego 9 a) b) Rys. 4. Wpływ kodowania MBR (a) oraz rodzaju kodera podczas kodowania VBR w oparciu o jakość (b) na fluktuację opóźnienia pakietów Podczas kodowania VBR w oparciu o jakość koder Windows Media w wersji 9 wyróżnił się mniejszymi stratami pakietów w stosunku do wersji 8. Natomiast w przypadku fluktuacji opóźnienia sytuacja jest odwrotna (rys. 4b), wersja 8 cechuje się ponad 2 razy mniejszym poziomem fluktuacji, niż wersja 9. W obu przypadkach występują wybuchowości wynikające z gwałtownej zmiany sceny w kodowanym obrazie, ale ich częstotliwość i amplituda jest zdecydowanie mniejsza dla kodera w wersji 8. Zastosowanie kodowania VBR w oparciu o szczytową szybkość transmisji bitów ma tę zaletę, że podczas transmisji strumienia nie będzie przekroczona, z góry założona, maksymalna szybkość transmisji, odpowiadająca często przepustowości łącza. Ma to jednak swoje konsekwencje dla jakości obrazu, która nie jest w tym przypadku sprawą priorytetową. Doskonale widać to na rys. 5a, gdzie powyższy przypadek został porównany z kodowaniem VBR w oparciu o jakość, dla jakości obrazu na poziomie równym 95. Wysoka jakość obrazu wymusza taki sposób kodowania, że odbierany strumień ma bardzo niski poziom fluktuacji, a wybuchowości zdarzają się rzadziej i mają mniejszą amplitudę, w porównaniu z kodowaniem w oparciu o szczytową szybkość transmisji bitów. a) b) Rys. 5. Wpływ różnych trybów kodowania VBR (a) oraz jakości obrazu podczas kodowania VBR w oparciu o jakość (b) na fluktuację opóźnienia pakietów
10 Z. Omiotek, F. Grabowski Na rys. 5b porównano 2 przypadki kodowania VBR w oparciu o jakość. Zdecydowanie gorszymi właściwościami, pod kątem jakości usługi, charakteryzuje się strumień z niższą wartością współczynnika jakości obrazu, równą 60. W tym przypadku wybuchowości osiągają duże amplitudy, przekraczające 600 ms i fluktuacja jest bardzo nierównomierna przez cały czas odtwarzania klipu wideo. Zastosowanie lepszej jakości obrazu (współczynnik równy 90) prowadzi do wygładzenia fluktuacji i zmniejszenia ich poziomu poniżej 20 ms. Zatem zwiększenie jakości obrazu poprawia parametr jakości usługi (fluktuację opóźnienia). Jednak przekroczenie wartości współczynnika jakości powyżej 95 prowadzi, przy danych warunkach panujących w sieci, do gwałtownego narastania strat, co powoduje degradację jakości usługi dla strumienia. Wyniki pomiarów dla wybranych przypadków kodowania zostały poddane analizie statystycznej polegającej na oszacowaniu stopnia samopodobieństwa fluktuacji opóźnienia pakietów. Miarą stopnia samopodobieństwa jest bezwymiarowy współczynnik Hursta. Dla procesów samopodobnych jego wartość zmienia się od 0,5 do 1, przy czym im bardziej jest on zbliżony do 1, tym większe samopodobieństwo cechuje dany proces. Do oszacowania wartości współczynnika Hursta wykorzystano metody bazujące na analizie przeskalowanego zakresu (analiza R/S) oraz analizie wykresu wariancji (ang. Variance-Time Plot). Do tego celu wykorzystano oprogramowanie LMA [13] oraz pakiet Statistica. Wykres przedstawiony na rys. 6a pozwala porównać strumienie generowane w wyniku różnych trybów kodowania. Zdecydowanie wyróżnia się tutaj kodowanie CBR, gdzie stopień samopodobieństwa jest stosunkowo niski i kształtuje się na poziomie ok. 0,6. Zdecydowanie większe samopodobieństwo cechuje kodowanie VBR, gdzie współczynnik Hursta jest zbliżony do 0,8. Analizując samopodobieństwo strumienia w zależności od zastosowanego kodera (rys. 6b), zdecydowanie najlepszymi własnościami odznacza się najnowszy koder Windows Media Video 9. Dla starszych koderów współczynnik Hursta jest większy i jego wartość kształtuje się na poziomie ok. 0,85. Na rys. 7a zaprezentowano zmianę stopnia samopodobieństwa fluktuacji opóźnienia pakietów przy zmianie wielkości bufora oraz stopnia złożoności strumienia dla kodowania MBR. Wydaje się, iż optymalne zakresy wartości wymienionych parametrów to wielkość bufora 10 15 s oraz 3 lub 4 szybkości transmisji bitów w kodowanym strumieniu wideo. Dla takich wartości parametrów koder generuje optymalny strumień wideo charakteryzujący się współczynnikiem Hursta poniżej 0,6. Maksymalny rozmiar pakietu podczas kodowania VBR w oparciu o jakość (rys. 7b) nie wpływa istotnie na samopodobieństwo strumienia, natomiast duży wpływ na tę cechę ma współczynnik jakości obrazu. Dlatego, podczas kodowania obrazu strumieniowego, nie należy ustawiać zbyt dużej wartości współczynnika jakości, aby duże samopodobieństwo generowanego strumienia nie spowodowało istotnej degradacji wydajności sieci.
Wpływ parametrów kompresji na jakość transmisji obrazu strumieniowego 11 a) b) VBR-1 - VBR w oparciu o jakość VBR-2 - VBR w oparciu o szybkość VBR-3 - VBR w oparciu o szybkość szczytową CBR-1 - CBR jednoprzebiegowy CBR-2 - CBR dwuprzebiegowy 0,9 Współczynnik Hursta 0,8 0,7 0,6 0,5 VBR-1 VBR-2 VBR-3 CBR-1 CBR-2 Tryb kodowania Współczynnik Hursta 1 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 WMV V7 - Windows Media Video V7 WMV V8 - Windows Media Video V8 WMV 9 - Windows Media Video 9 WMV V7 WMV V8 WMV 9 Rodzaj kodera Rys. 6. Wpływ trybu kodowania strumienia (a) oraz rodzaju kodera podczas kodowania VBR w oparciu o jakość (b) na samopodobieństwo strumienia obrazu a) b) Rys. 7. Wpływ parametrów kodowania MBR (a) oraz VBR w oparciu o jakość (b) na samopodobieństwo strumienia obrazu 5. Podsumowanie Przeprowadzone badania wykazały istotny wpływ parametrów kompresji obrazu ruchomego na parametry jakości usługi oraz stopień samopodobieństwa generowanego strumienia. Ten wpływ zaznaczył się dla wszystkich trybów kodowania CBR i VBR. Dobierając parametry kompresji obrazu przeznaczonego do przesyłania strumieniowego
12 Z. Omiotek, F. Grabowski przez Internet należy brać pod uwagę wpływ właściwości generowanego strumienia na jakość usługi oferowaną przez sieć. Badania wykazały również, iż parametry kompresji mają wpływ na zmiany stopnia samopodobieństwa strumienia tylko w pewnym zakresie i nie są w stanie całkowicie wyeliminować tego zjawiska. Wynika to z występowania wybuchowości (zmienność szybkości bitów) spowodowanej przez algorytm kompresji obrazu, który jest odpowiedzialny za wytworzenie obrazu o stałej, pod względem percepcji, jakości. Algorytm kompresji powoduje zmienność szybkości bitów w zakresie wielu skal czasu, od pojedynczej ramki, gdzie zmienia się jej wielkość i zawartość, do dużych skal czasu, gdzie następuje zmiana scen. Podczas zmian scen, które mogą się zdarzać stosunkowo rzadko, jest stosowana mniejsza kompresja, ponieważ występuje mniejsza zależność między daną ramką a ramką wcześniejszą. W efekcie w strumieniu wyjściowym wystąpi wówczas większa szybkość transmisji bitów. Samopodobny charakter strumienia obrazu rodzi określone konsekwencje dla jakości usług świadczonych przez sieć. LITERATURA 1. Willinger W., Leland W. E., Taqqu M. S., Wilson D. V.: On the Self-Similar Nature of Ethernet Traffic (extended version). IEEE/ACM Transactions on Networking, February 1994, s. 1 15. 2. Crovella M. E., Bestavros A.: Self-Similarity in World Wide Web Traffic: Evidence and Possible Causes. IEEE/ACM Transactions on Networking, December 1997, Vol. 5, No. 6, s. 835 846. 3. Czachórski T., Domańska J., Sochan A.: Samopodobny charakter natężenia ruchu w sieciach komputerowych. ZN Pol. Śl. Studia Informatica Vol. 22, No 1 (43), Gliwice 2001. 4. Park K., Kim G., Crovella M.: On the effect of traffic self-similarity on network performance. Technical Report CSD-TR-97-024, Purdue University, Dept. of Computer Sciences, April 1997. 5. Omiotek Z., Grabowski F.: Wpływ kolejki TBF na parametry QoS przekazu strumieniowego. ZN Pol. Śl. Studia Informatica Vol. 24, No 2A (53), Gliwice 2003. 6. Rose O.: Statistical properties of MPEG video traffic and their impact on traffic modeling in ATM systems. Tech. Rep. 101, University of Wuerzburg. Institute of Computer Science Research Report Series, February 1995. 7. Garrett M. W., Willinger W.: Analysis, modeling and generation of self-similar VBR traffic. Proc., ACM SigComm'94, August 1994, pp. 269-280. 8. Ryu B., Elwalid A.: The Importance of Long-Range Dependence of VBR Video Traffic in ATM Traffic Engineering: Myths and Realities. Proceedings of the ACM SIGCOMM '96 Conference, August 1996, pp. 3-14. 9. Windows Media Encoder Seria 9: http://www.microsoft.com 10. Helix Universal Server: http://www.realnetworks.com 11. Program CommView: http://www.tamos.com 12. Kuzniecow A.: Pakiet iproute2. ftp://sunsite.icm.edu.pl/pub/linux/iproute/ 13. Program Long Memory Analysis: http://www.im.pwr.wroc.pl/~hugo/lma.html