This paper deals with the methods of assessment quality of television broadcasting in the data network based on IP protocol. Paper also contains results of measuring quality IPTV in connection with the impulse noise in ADSL.
Keywords: IPTV; assessment; impulse noise; ADSL; MOS; PSNR
Analogové televizní vysílání je postupně ukončováno a místo něj nastupuje
digitální televizní vysílání. Digitální televizní vysílání má několik různých
podob, a to především satelitní vysílání (DVB-S, DVB-S2), kabelové vysílání
(DVB-C), pozemní digitální vysílání (DVB-T, DVB-T2), mobilní vysílání (DVB-H) a
dále také digitální televizní vysílání prostřednictvím datové sítě (IPTV).
IPTV představuje televizní a rozhlasové vysílání a také video na přání (VoD)
poskytované přes vysokorychlostní datové sítě. Pro koncového uživatele IPTV
služba vypadá a funguje jako standardní televizní vysílání. Z pohledu
poskytovatele IPTV služba představuje zpracování a bezpečné poskytování video
obsahu prostřednictvím datových sítí založených na IP protokolu.
IPTV je definována jako multimediální služba realizovaná na datové síti
založené na IP protokolu s poskytovanou úrovní kvality služeb (QoS) a prožitku
(QoE), dále také bezpečností, interaktivitou a spolehlivostí. Digitální
televizní tok je přenášen do televizního přijímače prostřednictvím datové sítě,
kde pomocí tzv. IP set-top boxu (IP STB) na straně uživatele dojde k dekódování
přicházejících IP paketů a k převedení video toků na plynulý obraz do
uživatelova televizoru.
Předpokladem úspěchu služby IPTV je subjektivní kvalita vnímaná uživatelem.
Bude-li kvalita špatná, zákazník si vybere jiný způsob příjmu televizního
vysílání. Proto je nutné zajistit, aby byl obraz vizuálně čistý a bez výpadků.
Kvalita IPTV služby je ovlivňována aktuálním stavem parametrů v datové síti
(QoS), která přenáší video toky. Kvalita služeb (QoS) se určuje z technických
vlastností sítě a dovoluje poskytovatelům IPTV garantovat a kontrolovat kvalitu
nabízených služeb. Problémem však zůstává, jak je tato kvalita služeb vnímána
koncovými uživateli. Přenášené video toky mohou být v různých formátech
(SDTV a HDTV) a s použitím různé komprese (MPEG-2, MPEG-4/H.264). Tento datový
signál má potom různé nároky na přenos v datové síti.
Tabulka 1 ukazuje různé deformace obrazu a zvuku způsobné při přenosu video toku
prostřednictvím datové sítě, v tabulce jsou také vyznačeny možné příčiny vzniku
jednotlivých chyb.
Tab. 1 Mohou nastat tyto deformace při zobrazování
|
Deformace |
Možná příčina |
Deformace zvuku |
Ztráta synchronizace zvuku a obrazu (Lip Sync) |
Ztráta synchronizace mikrofonu, špatné A/V multiplexování, chyba set-top boxu |
Šum ve zvuku |
Ztráta paketů |
|
Ztráta zvuku |
Ztráta paketů |
|
Deformace videa |
Kostičkování obrazu – Typ 1 |
Ztráta paketů, malá přenosová rychlost |
Kostičkování obrazu – Typ 2 |
Ztráta paketů, malá přenosová rychlost |
|
Trhání obrazu |
Ztráta paketů, vysoký jitter, chybný systémový čas, ztráta synchronizace |
|
Zamrznutí obrazu |
Hlavně ztráta paketů, vysoký jiter, chybný systémový čas, ztráta synchronizace |
|
Žádný obraz |
Výpadek příjmu video signálu, přílišná ztráta paketů, ztráta synchronizace |
|
Rozostření obrazu |
Chyba kodéru, set-top boxu, kamery |
|
Šum v obraze |
Chyba kodéru, set-top boxu, kamery |
Obrázky (obr. 1 a obr. 2) znázorňují, v jakých místech a jaké chyby mohou nastat na přenosové cestě při distribuci video toku k uživateli a jaké jsou následky na výsledný obraz a zvuk.
Obr. 1 Kvalita prožitku (QoE) a kvalita služeb( QoS) [5]
Obr. 2 Vznik různých problému při přenosu video toku [3]
Kvalitu služby (QoS) ovlivňují do značné míry aktuální parametry přístupové sítě (xDSL, WiMax, FTTx,…). Přenášený video tok vyžaduje dodržování těchto parametrů: dostatečnou šířku pásma, malé zpoždění, malé kolísání zpoždění, malou ztrátovost paketů. Vlivem zhoršování těchto parametrů nastává zhoršení kvality služby IPTV u koncového uživatele. Kvalita služeb (QoS) Kvalita služby (QoS – Quality of Service) je soubor opatření, které zajistí určitý stupeň uspokojení koncového uživatele s danou službou. Zajišťuje přidělení dostatečných prostředků používané sítě tak, aby umožňovaly poskytnout danou službu v kvalitě garantované poskytovatelem. Přenosové prostředky sítě, které jsou využívány mnoha aplikacemi a uživateli, jsou přerozděleny tak, aby umožnily fungování každé službě s předem zaručenými vlastnostmi sítě. Jako příklad můžeme uvést různé úrovně služeb (SLA) nabízené v metropolitní síti založené na třídách služeb (CoS - Class of service), viz Tab. 2. Paketový režim přenosu dat použitý v IP sítích představuje skutečnost, která negativně ovlivní kvalitu přenášeného videotoku v několika ohledech. Jde zejména o zpoždění (latency), změnu pořadí paketů (packet order), kolísání zpoždění (jitter) a ztrátu paketů (packet loss), také viz [1].
Tab. 2 Základní provozní vlastnosti podle třídy služeb (Metro ethernet)
Třída služby |
Charakteristika služby |
CoS ID |
Základní provozní vlastnosti |
Premium |
IP telefonie v reálném čase nebo IP video aplikace |
6, 7 |
Delay < 5ms |
Silver |
Přenos důležitých datových souborů s kolísavým zatížením, vyžadující nízké ztráty a malé zpoždění |
4, 5 |
Delay < 5ms |
Bronze |
Přenos dat s kolísavým profilem zátěže a potřebou zaručit jistou šířku pásma |
3, 4 |
Delay < 15ms |
Standard |
Best effort service |
0, 1, 2 |
Delay < 30ms |
Tyto metody jsou užívány skupinou uživatelů k posouzení kvality obrazu. Jsou založeny na dojmu, který testovaný videozáznam zanechá na skupině pozorovatelů. Výhodou subjektivního hodnocení je skutečnost, že dokáže popsat, jak je technická kvalita videozáznamu vnímána člověkem a díky tomu lze omezit informace nepostřehnutelné lidskými smysly. Metody pro subjektivní testování jsou například MOS, DSCQS, DSIS a SSCQE. Typické kroky spojené se subjektivním hodnocením kvality IPTV služby zahrnuje následující:
Stupnice MOS
Systém testování byl definován ITU pod názvem MOS (Mean Opinion Score) a probíhá v těchto krocích: Nejprve je sestavena série krátkých videí určených pro test. Poté se určí sestava parametrů, které budou předmětem hodnocení vybraného vzorku lidí (doporučeno 18 a více). Po nalezení vhodné skupiny osob a vytvoření přívětivého prostředí pro test je zahájeno samotné testování. Skupina osob číselně ohodnotí dojem z pozorovaného videa podle stupnice hodnocení zobrazené v Tab. 3. Výsledná hodnota MOS je pak dána průměrem naměřených výsledků. MOS hodnocení je definováno ve 4 různých variantách viz Tab. 4
Tab. 3 Mean Opinion Score
MOS |
Kvalita |
Znehodnocení |
5 |
výborná (excellent) |
nepostřehnutelné |
4 |
dobrá (good) |
postřehnutelné, ale neobtěžující |
3 |
slušná (fair) |
mírně obtěžující |
2 |
špatná (poor) |
obtěžující |
1 |
nevhodná (bad) |
velmi obtěžující |
Tab. 4 Varianty MOS
Varianta |
Hodnocení kvality |
MOS-V |
videa |
MOS-A |
zvuku |
MOS-AV |
videa a zvuku |
MOS-C |
dojem z interakce IPTV služeb |
Stupnice DSCQS (Double Stimulus Continuous Quality Scale)
Jedná se o subjektivní hodnocení dvojice sekvencí, referenční a testované.
Hodnocení probíhá při zobrazení relativně po krátkou dobu (8 až 10 sekund) a v náhodném pořadí.
Pozorovatel neví, která sekvence je reference a která testovaná sekvence.
Kvalita je hodnocena podle stupnice v rozsahu 0 až 100 a měla by být vybavena
slovy označující kvalitu: výborná, velmi dobrá, ještě dobrá, špatná a velmi špatná.
K testování je třeba alespoň 15 pozorovatelů různých věkových a profesních skupin s
dobrým stavem zraku. Stav zraku je testován před hodnocením pomocí Smelkova optotestu
(pozorovatel by měl přečíst poslední řádek testu ze vzdálenosti 5 m).
Obr. 3 Spojitá stupnice kvality používaná u metody DSCQS
Objektivní metody hodnocení
Tyto metody používají k určení kvality především matematických výpočtů.
Testuje se kvalita videosignálu na základě porovnání obrazových snímků s komprimovanou
verzí a degradovanou kvalitou signálu. Jako objektivní metody se používají MSE, PSNR, MDI, MPQM, SSIM a další.
Parametry MSE (Mean Square Error) a PSNR (Paek signal-to-nois ratio)
MSE reprezentuje střední kvadratickou odchylku přijatého video signálu od původního.
PSNR představuje poměr mezi nejvyšší hodnotou signálu vůči MSE, udává se v decibelech.
(1) |
kde: x originální obraz, y přijatý obraz, i, j prvky obrazové matice, M počet pixelů na výšku obrazu, N počet pixelů obrazu na šířku.
(2) |
kde m je maximální hodnota, kterou může pixel získat.
Parametr MDI (Media delivery index)
MDI lokalizuje a charakterizuje problémy v síti, které mohou nepříznivě ovlivnit
kvalitu přenášeného A/V toku. MDI se zobrazuje jako dvě čísla oddělená dvojtečkou
a obsahuje faktor zpoždění (DF – delay factor) a poměr ztrátovosti
(MLR – media loss rate).
DF:MLR
Delay factor je časová hodnota v milisekundách a udává, jak velká musí být vyrovnávací paměť, aby byl eliminováno kolísání zpoždění. Běžné set-top boxy eliminují kolísání zpoždění do 9 ms, nejlepší STB až 50 ms. U každého přijatého paketu se počítá rozdíl mezi přijatými a zpracovanými bajty. X je šířka virtuální vyrovnávací paměti.
(3) |
Pak,
(4) |
kde „media rate“ se vyjadřuje v Bytech/sekundu a max(x) a min(x) jsou maximální
a minimální hodnoty měřené v intervalu.
Media loss rate je definován jako počet ztracených paketů nebo pakety mimo
pořadí za sekundu. Pakety mimo pořadí jsou důležité, protože zařízení nepřeorganizují
pakety před doručením k dekodéru. Nenulový MLR nepříznivě ovlivňuje kvalitu videa
a může představovat deformovaný obraz nebo špatně přehrávané video.
MLR je vypočítáno jako rozdíl media paketů přijatých a počet media paketů
očekávaných během intervalu 1 sekundy.
(5) |
Všechny ztracené pakety vyprodukují viditelnou chybu v přehrávaném video streamu. WT-126 doporučuje maximální ztrátu až do pěti IP paketů za třicet minut pro SDTV a VoD, a pro HDTV za čtyři hodiny (viz tab. 5).
Tab. 5 MLR podle doporučení WT-126
Service (All Codes) |
Max Avg MLR |
SDTV |
0,004 |
VoD |
0,004 |
HDTV |
0,0005 |
Parametr MPQM (Moving Pictures Quality Metric)
Používá se pro posouzení kvality komprimovaného video toku MPEG. Zahrnuje technologie,
která kopíruje prožitek lidského pozorovatele a hodnotí na stupnici od 1 do 5 (viz tab. 6).
Tab. 6 Hodnocení podle MPQM
hodnocení |
popis |
1 |
Výborné (Excellent) |
2 |
Dobré (Good) |
3 |
Slušné (Fair) |
4 |
Špatné (Poor) |
5 |
Nevhodné (Bad) |
Parametr SSIM (Structural similarity index)
Nová metoda, která zohledňuje lidský vizuální systém. Měří podobnost mezi dvěma obrázky.
SSIM je navržen ke zlepšení tradičních metrik jako MSE a PSNR, které se ukázaly být
v rozporu s lidským vnímáním. Referenční hodnoty SSIM jsou v intervalu [0,1],
kde 0 znamená nulový vztah originálnímu obrázku a 1 je docíleno při porovnání dvou
totožných obrázcích.
(6) |
Člen l(x,y) porovnává jas signálu, c(x,y) porovnává kontrast signálu a s(x,y) měří strukturální korelaci (rce (7)).
(7) |
kde μx a μy představuje průměr ze vzorků x a y (rce (8)), σx a σy představuje rozptyl ze vzorků x a y (rce (9)).
(8) |
(9) |
σxy představuje kovarianci vzorků x a y. Konstanty C1, C2, C3 se užívají ke stabilizaci v případě, že průměr a rozptyl jsou velmi malé. Parametry α > 0, β > 0 a γ > 0 se používají k nastavení relativní důležitosti ze tří složek. Pro zjednodušení SSIM je užíváno toto nastavení parametrů (α=β=γ=1 a C3=C2/2 ) pak rovnice (6) bude vypadat zjednodušeně podle rovnice (10), více viz [4].
(10) |
Metrika video kvality VQM: DCT
Metoda video kvality (VQM), vychází z Watsonového návrhu a využívá vlastnosti
lidského vnímání obrazu. Je založená na funkci prostoro-časové citlivosti kontrastu,
kde můžeme reprezentovat vysokou prostorovou a časovou informaci s menší přesností.
DCT (Discrete Cosine Transformation) využívá přímo tuto vlastnost.
Oproti MSE poskytuje porovnatelnější výsledky, neboť hodnocení obrazu ve frekvenční
oblasti pomocí DCT koeficientů je bližší lidskému vnímání na rozdíl od MSE.
Obr. 4 Blokové schéma VQM [8]
Na obrázku je znázorněný algoritmus výpočtu VQM metriky. Nejprve je nutné vytvořit transformaci originálního a testovaného signálu do stejného barevného prostoru; toto znázorňuje blok transformace barev (color transform). V následujícím kroku se aplikuje na barevně upravený signál DCT transformace. Zde se oddělí vstupní obrázky do různých prostorových frekvenčních komponent. V dalším kroku se konvertuje každý DCT koeficient na lokální kontrast (LC) použitím vztahu:
(11) |
kde DC je stejnosměrná komponenta pro každý blok. Pro 8bitový obrázek je 1024
střední hodnota DCT. Hodnota 0,65 je nejlepší parametr pro přizpůsobení.
Po tomto kroku se většina údajů nachází v intervalu [-1,1] [13].
Tyto první tři kroky jsou identické s Watsonovým DVQ modelem.
Ve čtvrtém kroku se aplikuje časové filtrování a funkce prostorového vnímání
kontrastu (SCSF). Použije se SCSF matice pro statické snímky a jedna matice pro
dynamické snímky v jednom kroku. Tímto se sníží výpočetní nároky a paměťové nároky.
DCT koeficienty jsou konvertované do právě pozorovatelných rozdílů vynásobením
každého DCT koeficientu s odpovídajícím údajem v SCSF matici.
V posledním kroku se provádí vážený průměr a stanovuje maximální zkreslení.
Tyto dvě části jsou odečteny jako první. Následuje maskování kontrastu a určení
maxima. Výsledek je potom váhován se střední hodnotou zkreslení. To zaručí,
že velké zkreslení v jedné oblasti potlačí citlivost na ostatní malé zkreslení.
(12-14) |
Maximální váhovací parametr zkreslení 0,005 je vybraný na základě několika psychofyzických experimentů. Parametr 1000 je standardizační poměr. Výsledky ukázaly, že tato metrika má lepší vlastnosti v případech, kdy MSE selhala; viz [8].
V současné době je v České republice služba IPTV nejčastěji provozována na
přípojkách DSL (Digital Subscribe Line). Hlavní nevýhodou této technologie
je pokles přenosové rychlosti s rostoucí vzdáleností modemu od ústřednové
jednotky DSLAM.
Mezi rušivé vlivy působící na přenos dat lze považovat vzájemné těsné vazby
mezi páry v profilu kabelu (kabel může obsahovat až tisíce párů). Tyto páry se
vzájemně ovlivňují pronikáním signálu z vysílače na sousední páry ve stejném
kabelu – jedná se tzv. přeslechy na blízkém (NEXT – Near End CrossTalk) a
vzdáleném (FEXT - Far End CrossTalk) konci. Dále se jedná o vysokofrekvenční rušení,
impulsní rušení; vážným zdrojem rušení jsou ostatní přenosové systémy nasazované v
tomtéž kabelu.
Impulsní rušení je velmi specifické a úroveň tohoto rušení velmi záleží například
na místě uložení metalického vedení. Jeho zdrojem je elektromagnetické vyzařování
silnoproudých kabelů, vysokonapěťových vedení a dalších zařízení, zejména při
spínání a regulaci velkých výkonů. Impulsní rušení je specifické krátkou dobou
trvání, náhodným charakterem výskytu a realtivně vysokou amplitudou.
Je tvořeno napěťovými špičkami se strmými náběžnými i sestupnými hranami,
které se navíc vyskytují ve shlucích, což způsobuje v přenášených datech tzv.
blokové chyby.
Obr. 5 Ukázka impulsního rušení od mixéru v telefonním vedení
Simulovaný přenos IPTV s uměle vloženým rušením Pro zkoumání vlivu rušení na přenášený obrazový tok jsme navrhli a zprovoznili měřící pracoviště (viz schéma na obr. 6).
Obr. 6 Schéma měřícího pracoviště [2]
Simulované měření bylo provozováno na přípojce ADSL2+ over ISDN v režimu bez prokládání,
o délce vedení 1,2 km. Byla použitá nahrávka (SDTV kvalita) zapouzdřená do transportního
toku MPEG-TS (komprese MPEG-2, poměr stran 16:9, rozlišení 720x576, bitová rychlost 4-5 Mbit/s),
která byla uložena na počítačové stanici. Počítačová stanice obsahuje volně dostupný program
VLC (Video přehrávač), který vysílá video metodou multicast (bylo použito při simulaci) nebo
unicast.
Přenos videosignálu probíhal následujícím způsobem:
Z PC stanice byla videonahrávka vysílána multicastovou metodou do jednotky DSLAM,
následně po metalickém vedení do ADSL2+ modemu a k IP settop boxu. Do vedení bylo uměle
vloženo rušení typu A (přeslechy Upp = 100mV), vysíláno na pozadí pro reálný stav v
přístupové síti a impulsní rušení podle ITU-T G.996.1.
Impulsní rušení bylo vysíláno podle tabulky. (N – počet impulsů,
T prodleva mezi skupinou impulsů)
Obr. 7 Rušící profil – model A |
Obr. 8 Nastavení testovacího impulsu |
Tab. 7 Tabulka nastavení různých variant impulsního rušení:
T = 0,5 s |
T = 1 s |
T = 1 min |
|||
Upp [mV] |
N |
Upp [mV] |
N |
Upp [mV] |
N |
50 |
15 |
50 |
15 |
50 |
15 |
500 |
500 |
500 |
|||
150 |
15 |
150 |
15 |
150 |
15 |
500 |
500 |
500 |
Deformace video obrazu jsou způsobené impulsním rušením a projevují se kostičkováním, rozmazáním obrazu a dále také chybami způsobenými změnami pořadí při zpracování a dekódování doručených paketů. Deformace zvuku se projevuje praskáním, toto se děje až při vyšším počtu impulsů (od 100). Největší vliv na deformaci má doba prodlevy T, čím vyšší je doba prodlevy, tím je deformace méně častá, i když počet impulsů roste. Lze tedy očekávat menší výskyt artefaktů v obraze a tím i lepší subjektivní dojem při sledování TV programů. Ukázka deformace obrazu impulsním rušením také viz [1]. Při zkoumání deformace skupiny snímků (GOP), která má strukturu podle obr. 9
Obr. 9 Skupina snímků (GOP)
jsme zjistili, že dochází k výskytu artefaktů v B snímcích, které se projevuje i na ostatních snímcích B a P v jedné skupině snímků (GOP), artefakty jsou ve snímcích obsaženy až do příchodu I snímku (klíčový snímek – není závislý na ostatních snímcích). Je-li zasažen i tento snímek dochází k artefaktům i v následující skupině snímků (GOP) dokud nebude přijat I snímek nevykazující artefakty. Toto ukazuje obr. 10.
Obr. 10 Artefakty ve skupině snímků (GOP)
K výpočtu hodnot pro metody SSIM a PSNR jsme využili volně šiřitelný program MSU VQMT (MSU Video Quality Measurement Tool).
Originál |
Impulsní rušení (T = 1 min, Upp = 150 mV, N = 500) |
Impulsní rušení (T = 1 min, Upp = 150 mV, N = 500) |
Obr. 11 Kvalita obrázku určená metodami SSIM a PSNR (při T = 1 min, Upp= 150 mV, N = 500)
Originál |
Impulsní rušení (T = 1 s, Upp = 50 mV, N=15) |
Obr. 12 Kvalita obrázku určená metodami SSIM a PSNR (při T = 1 s, Upp= 50 mV, N = 15)
Originál |
Impulsní rušení (T = 0,5 s, Upp = 150 mV, N=500) |
Obr. 13 Kvalita obrázku určená metodami SSIM a PSNR (při T = 0,5 s, Upp= 150 mV, N = 500)
Impulsní rušení je náhodný jev a nedá se dopředu odhadnout jeho výskyt. Dopad impulsního rušení na přenášená data v síti je však výrazný. Impulsní rušení již i při hodnotách podle doporučení ITU-T G.996.1 (N = 15 T = 1 s Upp = 50 mV) má výrazný dopad na přenášený videotok, což se projevuje jeho degradací – kostičkováním, zamrzáním obrazu, praskáním zvuku. Proto je třeba chránit se účinnými prostředky užitými v systémech ADSL, a to zabezpečením korekčním kódem (FEC) a prokládáním (interleaving).
Tento článek vznikl za podpory grantu FRVŠ 1378/2009.
[1] Krejčí, J. - Zeman, T.: Úvod do IPTV. Access server [online]. 2008, roč. 6., č. 2008100002, s. 1-8.
Dostupné z WWW: http://access.fel.cvut.cz/view.php?cisloclanku=2008100002. ISSN 1214-9675.
[2] Krejčí, J.: Influence of Noise on IPTV over xDSL. In Workshop 09 [CD-ROM].
Prague: CTU, 2009, vol. A, p. 90-91. ISBN 978-80-01-04286-1.
[3] A Guide to IPTV : The Technologies, the Challenges and How to Test IPTV
[online]. U.S. : Tektronix, 2008 [cit. 2010-03-19].
Dostupné z WWW: http://www.tek.com/applications/video/iptv2.html.
[4] DOSSELMANN, Richard; DONG YANG, Xue. A Formal Assessment of the Structural Similarity Index. Electrical and Computer Engineering, 2009.
CCECE '09. . 3-6 May 2009, 1, s. 112 - 116. ISSN 0840-7789.
[5] HENS, Francisco J., CABELLERO, José M. Triple Play :
Building the converged network for IP, VoIP and IPTV. 1st edition. [s.l.] :
Wiley, 2008. 416 s. ISBN 978-0470753675.
[6] Mardiak, M., Filanová, J.: Quality of a video signal, In: International
Conference New Information and Multimedia Technologies NIMT-2008, Brno, Czech Republic, Sept. 18-19, 2008, pp. 33-37, ISBN 987-80-214-3708-1
[7] Mardiak, M., Filanová, J.: Služba videokonferencia a meranie kvality
videokonferencie, In: EE časopis pre elektrotechniku a energetiku, ročník XIII.,
október 2007, mimoriadne číslo, pp. 160-162
[8] Xiao, F.: DCT-based Video Quality Evaluation: Final Project for EE392J.
2000. Dostupné z WWW: http://compression.ru/video/quality_measure/vqm.pdf