Потоковое видео в системах радиодоступа

Москва
Горячая линия - Телеком
2013

УДК 621.397.7:621.396.218 
ББК 32.94 
     Р83 

Руднев А.Н., Шелухин О.И. 

Р83  Потоковое видео в системах радиодоступа / Под ред. профессора О. И. Шелухина. – М.: Горячая линия–Телеком, 2013. – 
308 с: ил. 
ISBN 978-5-9912-0303-6. 

В книге рассмотрены основные особенности и характеристики 
стандарта кодирования видео Н.264, используемого при потоковой 
передаче видеоинформации. Проанализированы субъективные и объективные методики и метрики, используемые для оценки качества видеоинформации, а также специфика возникновения ошибок в канале 
связи при передаче потокового видео в широкополосных беспроводных системах радиодоступа. 
Рассмотрены особенности трансляции потокового видео по сетям 
широкополосного беспроводного доступа, а также оценки качества 
передачи и воспроизведения потокового видео в системах широкополосного беспроводного доступа в условиях разнообразных внешних 
воздействий, включая воздействие ионизирующего излучения на качество передачи видеоизображения. 
Важное прикладное значение имеют вопросы скрытия видеоинформации при потоковой передаче некриптографическими методами. 
Для специалистов, в области радио- и телекоммуникаций, будет 
полезна аспирантам и студентам соответствующих специальностей. 
 

ББК 32.94 

Адрес издательства в Интернет WWW.TECHBOOK.RU 
 
Научное издание 

Руднев Алексей Николаевич, Шелухин Олег Иванович

ПОТОКОВОЕ ВИДЕО В СИСТЕМАХ РАДИОДОСТУПА 
 

Редактор  Ю. Н. Чернышов 
Компьютерная верстка  Ю. Н. Чернышова 
Обложка художника  В. Г. Ситникова 

Подписано к печати 30.11.2012.  Формат 60×88 1/16. 
Усл. печ. л.  19,25.  Изд. № 13306.  Тираж 500 экз. (1-й завод 200 экз.) 
 
ISBN 978-5-9912-0303-6                           ©  А. Н. Руднев, О. И. Шелухин, 2013 
                                             ©  Издательство «Горячая линия–Телеком», 2013 

Введение

В последние годы наблюдается развитие и бурный рост мультимедийных технологий, использующих в качестве транспорта беспроводные системы широкополосного доступа, являющиеся серьезной
альтернативой сотовой связи.
Благодаря своим преимуществам, таким, как возможность обеспечения широкополосной связи в условиях отсутствия прямой видимости, большая зона покрытия, высокое качество предоставляемых
услуг, простота, технология беспроводного доступа считается наиболее перспективной при переходе к сетям четвертого поколения.
В подобных системах пользователи, как правило, работают с приложением в реальном времени (потоковый трафик), когда невозможно
осуществить повторную передачу данных. При этом из-за ограниченности полосы пропускания потеря одного пакета означает значительное ухудшение качества принятой информации. Наиболее важным компонентом потокового трафика является потоковое видео.
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 беспроводные технологии
широкополосного доступа.
В главе 1 рассматриваются основные особенности и характеристики и стандарта кодирования видео Н.264, испольхзуемого при потоковой передаче видеоинформации.
В главе 2 анализируются методики и метрики, субъективные и
объективные, используемые для оценки качества видеоинформации.

Введение

В главе 3 анализируются специфика возникновения ошибок в
канале связи при передаче потокового видео в широкополосных беспроводных системах радиодоступа.
В главе 4 методами имитационного моделирования анализируются особенности трансляции потокового видео по сетям широкополосного беспроводного доступа.
В главе 5 рассмотрены оценки качества передачи и воспроизведения потокового видео в системах широкополосного беспроводного
доступа в условиях разнообразных внешних воздействий, включая
воздействие ионизирующего излучения на качество передачи видеоизображения.
Важное прикладное значение имеют вопросы скрытия видеоинформации при потоковой передаче некриптографическими методами, рассмотренные в шестой главе.
Работа по написанию книги распределилась среди авторов следующим образом: О.И. Шелухин — главы 1 и 2, А.Н. Руднев
—
главы 3–6.
Книга рекомендуется широкому кругу читателей, интересующихся телекоммуникационными технологиями. Авторы будет признательны за любые замечания по содержанию книги.

Особенности и основные характеристики
потокового видео

1.1. Понятие потокового трафика

Потоковый трафик — тип трафика, для которого характерен
просмотр и (или) прослушивание информации по мере ее поступления в пользовательское (оконечное) оборудование. Основную часть
потокового трафика составляет потоковое видео- и аудиовещание.
Видеопоток — термин, используемый при передаче видео в режиме реального времени. Основной особенностью потокового видео
является то, что при его передаче пользователь не должен ждать
полной загрузки файла для просмотра. Видео транслируется непрерывным потоком в виде последовательности сжатых пакетов в специальном формате и не требует полной загрузки файла, содержащего видеоданные. Просмотр начинается в момент достаточной буферизации данных, обеспечивая при этом равномерное отображение
данных. В некоторой степени видеопоток аналогичен традиционному телевещанию с непрерывным получением и отображением видеокадров.
Для сравнения: при просмотре видео в стандарте DVD
необходима полная загрузка видеофайла.
Существуют два способа передачи потокового видео: последовательный (progressive streaming) и в реальном времени (Real-time
streaming). При передаче последовательным способом качество изображения всегда лучше, так как видео воспроизводится с носителя
информации, на который предварительно осуществляется запись.
Недостатком последовательного способа передачи является невозможность просмотра по эпизодам и возможность переполнения носителя информации на стороне клиента. Поэтому последовательная
передача видео используется только для коротких клипов.
Для передачи видео в реальном времени требуется специальный потоковый сервер (streaming server). Видеофайл хранится на
этом сервере и не сохраняется на стороне клиента. Передачу видео
в реальном времени удобно использовать для трансляции файлов
большой длины.

Глава 1

. 1.1. Архитектура системы трансляции потокового видео

Система трансляции потокового видео имеет четыре основные
подсистемы (рис. 1.1).
1. Устройство кодирования, которое сжимает видеопоток и загружает его затем на медиа-сервер. Для достижения наибольшей
эффективности исходное видео должно быть сжато перед передачей. Механизмы сжатия видео можно разделить на две категории:
масштабируемое и немасштабируемое кодирование. При изменении
пропускной способности сети целесообразно использование масштабируемого кодирования.
2.
Медиа-сервер, который хранит сжатый мультимедиапоток
и передает его пользователю по запросу. Этот сервер играет ключевую роль в передаче потокового видео. Медиа-серверы обязаны
уметь обрабатывать мультимедийные данные в ограниченное время
и поддерживать интерактивный контроль (пауза, перемотка). Задачей медиа-сервера является взаимодействие с транспортной сетью
при отправке пакетов в нужное время. Поскольку основную задачу по эффективной и устойчивой передаче выполняет устройство
кодирования, которое не может производить адаптирование к изменяющимся условиям канала, эту задачу выполняет медиа-сервер.
Обычно он состоит из трех компонентов: механизма трансляции (например, транспортные протоколы), операционной системы и системы хранения.
3. Транспортная сеть, которая транслирует пакеты от медиасервера до клиентского устройства с помощью специально разработанных и стандартизированных протоколов. Протоколы обеспечивают такие услуги связи, как сетевая адресация, транспортировка и
контроль за сеансом связи. Согласно их функциональным возможностям, протоколы классифицируются на три категории: протокол

Особенности и основные характеристики потокового видео
7

сетевого уровня, транспортный протокол и протокол контроля за
сеансом связи.
4. Клиентское приложение, которое декодирует и воспроизводит мультимедиапоток и обладает средствами контроля и управления.
Кроме того, возможно наличие механизма синхронизация
аудио и видео, что отличает потоковые мультимедийные приложения от других традиционных приложений. Клиент потокового видео
обычно использует методы обнаружения и сокрытия ошибок, чтобы
уменьшить влияние потерянных пакетов на общее качество.
Для стабильной работы эти компоненты должны быть спроектированы и оптимально согласованы.
Рост потокового трафика возрастает, несмотря на наличие дестабилизирующих факторов при передаче видеопотока по сети, таких, как изменение пропускной способности (наличие узких каналов), задержки и потери пакетов. Эти факторы могут серьезно воздействовать на качество потокового видео, поскольку сжатые данные очень чувствительны к этим ошибкам. Потоковое вещание требует стабильного соединения. Поскольку некоторые сети связи не
могут обеспечить прямую передачу данных между отправителем и
получателем, поток может обрываться или приостанавливаться на
какое-то время.
Поскольку содержимое видеопотока чрезвычайно чувствительно к доступной пропускной способности и QoS, качество воспроизведения, с точки зрения зрителя, тесно связано с такими характеристиками сети, как производительность, вариация задержки и
количество потерянных пакетов.
С появлением мобильных клиентских устройств, выполняющих
передачу по беспроводным сетям, успешная передача потокового
видео подразумевает: 1) непрерывное предоставление услуг даже
при движении; 2) адаптирование характеристик передаваемого видео согласно особенностям (характеристикам) сети связи.
Успешное продвижение потокового видео стало возможным, в
частности, благодаря стандарту MPEG-2, разработанному много лет
назад и широко используемому в настоящее время, но морально устаревшему.
На данный момент используются более совершенные
стандарты видеокодирования, например рекомендация H.264/AVC.
На основании анализа рынка аппаратных разработок в области видеокодирования и направлений научных исследований можно сделать
вывод, что стандарт H.264/AVC займет лидирующее положение среди форматов сжатия видео в ближайшее время. Полное его наименование звучит так: Н.264/MPEG-4 Part 10 Advanced Video Coding.

Глава 1

. 1.2. Позиция протокола H.264 на шкале стандартов

Стандарт Н.264 является 10 частью стандарта сжатия MPEG-4
и предназначен для улучшенного кодирования видеоданных. Данный стандарт обеспечивает очень высокое сжатие данных. Стандарт
был разработан группой экспертов по кодированию видео, входящих
в комитет ITU-T. Основная работа по разработке этого стандарта
была закончена в 2003 г.
Стандарт H.264 получил свое название
благодаря серии стандартов Н26х, направленных на обработку видео. В то же время название AVC появилось благодаря разработчикам ISO/EIC, которая закончила разработку более раннего стандарта H.26L. Стандарт H.264 как бы подчеркивает своим названием, что
является приемником стандарта H.26L. И хотя H.26L менее распространен, но все же используется в ряде приложений. На рис. 1.2 показаны этапы развития видеостандартов и место протоколов H.264.
Данный стандарт обеспечивает в два раза лучшее сжатие, чем
предыдущие стандарты и претерпел существенные качественные изменения по сравнению с H.263 и MPEG-4. Первоначально планировалось, что Н.264/AVC будет обеспечивать качественную передачу
видеоинформации в сетях с более низкой скоростью передачи данных. Одновременно с этим стандарт H.264 должен использоваться
для различных приложений, использующих видео как низкой, так и
высокой четкости и работающих с различными скоростями передачи данных. При этом должна поддерживаться работа с различными
видами сетей и систем (использование в сетях с пакетной коммутацией, сетях беспроводного доступа, в мультимедийных системах
телефонной связи, для записи на DVD диски).

Особенности и основные характеристики потокового видео
9

Таблица 1.1
Типичные разрешения видеоинформации, передаваемой
через мобильную беспроводную сеть

Сокращение
Размер
Описание

VGA
640×480
Стандарт мониторов и видеоадаптеров

QVGA
320×240
Четверть разрешения VGA, также обозначается
как SIF

CIF
352×288
Формат, используемый для стандартизации вертикального и горизонтального разрешения в пикселях в YCbCr-последовательностях в видеосигнале.
Четверть от разрешения 704×576 для PAL

QCIF
176×144
Четверть от CIF

В табл. 1.1 приведены разрешения, используемые при передаче
видеоданных по Интернету и различным мобильным сетям. Так как
зрение человека менее чувствительно к изменению цветности, нежели к изменению яркости, то занимаемая полоса частот может быть
несколько уменьшена путем удаления части цветовой информации.
При удалении на определенное расстояние от экрана пользователь не заметит искажений из-за уменьшения цветового разрешения.
Именно эта особенность и используется в современном телевидении.
Изображение разделяется на три основные компоненты — яркость Y
и два хроматических сигнала — Cr и Сb. Перейти от пространства
RGB к пространству YUV можно с использованием нижеприведенного выражения. Измеренные значения R, G и B складываются и
формируют сигнал яркости Y :

Y = krR + kgG + kbB,

где kr, kg и kb — это измеренные параметры, причем kb +kr +kg = 1.
В соответствии с рекомендацией BT.601 kb = 0,114 и kr = 0,299.
Сигнал U формируется вычитанием из Y сигнала B, а V —
вычитанием из Y сигнала R. Все преобразования выполняются с
помощью следующих формул:

Y = krR + (1 − kb − kr)G + kbB;

U =
1

2(1 − kb)(B − Y );

U =
1

2(1 − kr)(R − Y ).

Основная идея формата YUV заключается в том, что человеческое зрение менее чувствительно к изменению частоты дискретизации цветовых отсчетов. Чаще всего используется формат дискретизации 4:2:0, который позволяет сократить горизонтальное и

Глава 1

вертикальное пространственное разрешение кадра ровно в 2 раза.
То есть на четыре отсчета яркости приходится только один отсчет
синего и красного цветов. Следовательно, благодаря формату дискретизации и цветовой системе YUV значительно сокращается битовая скорость передачи данных. Исходная битовая скорость для
несжатого изображения, следующего с частотой fr, имеющего размеры N × M и представленного цветовым полем RGB, может быть
вычислена как

RrawRGB = 3frMNq.

При переходе к цветовому полю YUV

RrawYUV = 1,5frMNq.

Для разрешения QCIF при частоте кадров 25 fps и 8-битном
кодовом слове скорость составляет

RrawYUV QCIF = 7,6 Мбит/с.

Хотя скорость передачи данных уменьшена на 50 %, этого все
равно недостаточно для применения в мобильных и интернет-приложениях. Для преодоления этого недостатка и используются алгоритмы сжатия, описанные ниже.

1.2. Характеристика и основные особенности
стандарта кодирования видео Н.264
В ходе создания и формализации нового процесса сжатия видео
человечество шло к итоговому формату силами сразу нескольких
организаций (ITU, ISO и т. д.), и потому новый стандарт (рекомендация) имеет пять имен: H.264, MPEG-4 Part 10, AVC, H.26L, JVT.
Использование нового стандарта кодирования возможно в самых
разных системах передачи цифрового видео, известных под несколькими названиями: Интернет-ТВ, IP TV, потоковое видео (streaming
video), видео через IP (Video over IP), видеоинформационные IPсистемы, включая трансляцию с различным разрешением, вплоть
до телевидения высокой четкости 1080i (1920×1080) (ТВЧ) [1]. Новейший стандарт H.264, так же, как и более ранние версии MPEG-4,
позволяет достичь высоких степеней сжатия за счет использования
пространственной и временной избыточности в видеокадрах [1, 11].
Таким образом, обработке подлежат только те элементы изображения, которые изменились по сравнению с аналогичными элементами
предыдущего кадра.
Для удобства использования в различных приложениях и разнообразных сетях кодек H.264 разделен на уровни кодирования ви