disciplina: comunicatii de banda larga si multimedia ...etti.poly.ro/cursuri/anul...

Comunicaţii de Bandă Largă şi Multimedia (CBLM) 2005-2006 Comunicatii Multimedia (6 Cursuri) © Eduard C. Popovici, PhD

10/14/05 9:08 0506_CBLM_Cursuri_var_01.doc 1 / 32

Disciplina: "Comunicatii de Banda Larga si Multimedia"

- partea "Comunicatii Multimedia"

CAP. 1. INTRODUCERE IN PROBLEMATICA MULTIMEDIA............................................................................. 2

1.1. ISTORICUL CONCEPTULUI DE MULTIMEDIA............................................................................................................... 2 1.2. ISTORICUL STANDARDIZĂRII UNOR CONCEPTE PRIVIND MULTIMEDIA ...................................................................... 2 1.3. CARACTERISTICILE MEDIILOR AUDIO, IMAGINE ŞI VIDEO ......................................................................................... 3 1.4. CARACTERISTICILE MULTIMEDIA............................................................................................................................. 7

CAP. 2. PERFORMANŢELE COMPRESIEI SEMNALELOR AUDIO/VOCALE ................................................. 9

CAP. 3. PERFORMANŢELE COMPRESIEI JPEG A SEMNALELOR IMAGINE ............................................. 11 3.1. EFICIENŢA (RATA DE COMPRESIE) A COMPRESIEI JPEG ......................................................................................... 11 3.2. ÎNTÂRZIEREA INTRODUSĂ DE PROCESUL DE COMPRESIE JPEG............................................................................... 12

CAP. 4. PERFORMANŢELE COMPRESIEI SEMNALELOR VIDEO PRIN ALGORITMII MJPEG SI MPEG.......................................................................................................................................................................................... 13

CAP. 5. CONTROLUL DE FLUX ÎN COMUNICAŢIILE MULTIMEDIA............................................................ 17 5.1. NECESITATEA CONTROLUL DE FLUX BAZAT PE RATĂ ............................................................................................. 17

5.1.1. Modificarea dimensiunii şi ratei unităţilor de date prin prelucrări asociate comunicaţiei .......................... 17 5.2. MECANISME DE CONTROL AL DE FLUX BAZAT PE RATĂ ......................................................................................... 20

5.2.1. Rolul controlului ratei şi modalităţi principale de realizare......................................................................... 20 5.2.2. Mecanismul Leaky Bucket (LB)..................................................................................................................... 20 5.2.3. Mecanismul Token Bucket (TB) .................................................................................................................... 21 5.2.4. Mecanismul Jumping Window (JW).............................................................................................................. 21

5.3. PRINCIPALII PARAMETRII CARACTERISTICI AI MECANISMELOR DE CONTROL AL RATEI .......................................... 21 CAP. 6. MECANISME DE CONTROL AL ASPECTELOR TEMPORALE .......................................................... 22

6.1. MECANISMUL DE CONTROL AL ÎNTÂRZIERII CAP-LA-CAP....................................................................................... 22 6.2. MECANISME DE CONTROL AL SINCRONIZĂRII MEDIILOR CONTINUE ....................................................................... 24 6.3. MECANISME DE CONTROL AL SINCRONIZĂRII ÎNTRE MEDII..................................................................................... 27

CAP. 7. MECANISME DE REDUCERE A RATEI DE ERORI/PIERDERI........................................................... 30



Cap. 1. Introducere în problematica multimedia

1.1. Istoricul conceptului de multimedia

Tipăriturile, ziarele în special, au fost probabil primul mediu de comunicaţie în masă care au utilizat în mare măsură text, grafică, şi imagini. In 1895, Gugliemo Marconi a realizat prima transmisie radio fără fir la Pontecchio, Italy. Câţiva ani mai târziu (în 1901) el a detectat unde radio peste Oceanul Atlantic. Iniţial inventat pentru telegraf, radioul a devenit în prima jumătate a secolului al XX-lea mediul pentru difuzarea audio, rămânând şi astăzi unul dintre mediile importante pentru comunicaţia în masă. Televiziunea a fost noul mediu al jumătăţii a doua a secolului al XX-lea. El a adaugat video şi astfel a schimbat lumea comunicaţie în masă. În domeniul calculatoarelor, printre evenimentele importante sunt şi următoarele: 1945 - Bush a scris în articolul "As We May Think" despre Memex 1967 - Negroponte a format Architecture Machine Group (AMG) la MIT 1969 - Nelson & Van Dam au creat un editor hypertext la Brown 1976 - AMG a propus DARPA conceptul Multiple Media 1980 - Lippman & Mohl au creat Aspen Movie Map 1983 - Backer a lansat conceptul de Electronic Book 1985 - Negroponte& Wiesner au deschis Media Lab la MIT 1989 - Olivetti a lansat Vox audio server în Canada 1990 - K.Hooper Woolsey, a creat sistemul educaţional pentru 100 pers. Apple Multimedia Lab 1991 - în cadrul Apple Multimedia Lab au apărut Visual Almanac, Classroom MM Kiosk 1992 - jocuri online colaborative

1.2. Istoricul standardizării unor concepte privind multimedia Tab. 1.2.1. Standarde de compresie pentru mediile vizuale

Standardizare Nume Debut Draft Final Organizaţie Domeniu de aplicaţie Caracteristici (algoritm, performanţe)

JPEG, T.??? 1986 1991 1992

ISO (10918),

ITU-T imagini statice în tonuri

continue (pentru video MJPEG) DCT sau DPCM (fără pierderi), 1:10…1:100

H.261 1984 1989 1990 ITU-T videotelefonie, videoconferinţă DCT + DPCM, de timp real, 64kb/s…2Mb/s

MPEG-1* 1988 1991 1992 ISO (11172) stocare digitală (pe CD/DAT), rezoluţie maximă video recorder

DCT + DPCM (inclusiv bidirecţional), <1,5Mb/s

MPEG-2* H.262 1990 1994 1994 ISO (13818),

ITU-T distribuţie TV … HDTV DCT + DPCM (incl. bidir.), 2…10Mb/s

H.263.v1 H.263.v2

? ? 1996 1998 ITU-T telefonie (inclusiv mobilă) DCT + Shape + DPCM (incl.

bidir), de timp real, <64kb/s MPEG-4* v1 v2

1993 1996 1999 ? ISO (144962) telefonie (inclusiv mobilă) …

aplicaţii TV/film de calitate DCT + Obiect + Model +

DPCM, 5-64kb/s … 4Mb/s * = componentele Video ale standardului



1.3. Caracteristicile mediilor audio, imagine şi video

Definitii:

Mediu = mijloc (pentru distribuţia şi prezentarea informaţiei)

Multimedia = multi (mai mulţi, mai multe) + media (mijloace, medii = pl. de la medium) Multimedia este capacitatea de manevrare (obţinere, prelucrare, stocare, transfer,

prezentare) într-o formă numerică integrată a informaţiilor reprezentate prin mai multe (multi) mijloace (media), dintre care cel puţin unul este continuu (periodic, isocron) şi unul este discret (asincron).

Multimedia este un atribut asociat aplicaţiilor, serviciilor, sistemelor, etc.

Fig. 1.1.1. Activităţi ale unei aplicaţii multimedia Mediile pot fi clasificate după următoarele criterii: • modul de percepţie (vizuală, auditivă); • modul de reprezentare (text - codare ASCII/EBCDIC/etc., imagine, audio, video, audio-video); • modul de obţinere/prezentare (tastatură/mouse/cameră/etc., respectiv hârtie/ecran/difuzor/etc.); • modul de stocare (microfilm, dischetă, disc, CD-ROM, etc.); • modul de transmisie (fir/cablu, spaţiu aerian/unde radio); • tipul de schimb al informaţiilor (indirect/CD-ROM, direct/reţea, combinat/reţea cu stocare

temporară).

Tabelul 1 prezintă clasificarea modurilor de reprezentare a informaţiei după criteriul continuităţii, şi exemple de aplicaţii pentru fiecare dintre modurile de obţinere a informaţiilor. Astfel, grafica, animaţia şi vocea sintetică reprezintă imagini, video şi audio obţinute sintetic.

Tab. 1.1.1. Moduri de reprezentare şi de producere a informaţiei

Moduri de obţinere Tipuri de

reprezentare Clase Achiziţie (naturală în direct)

Redare (după

înregistrare)

Sinteză (artificială)

Dispozitive I/O

media utilizate

Date discrete (D) Transfer de fişiere, telecumpărare, etc.

Senzori, etc.

Text (T) Conversaţie prin text

Mesaje textuale preînregistrate

Mesaje ale sistemului

Tastatură, ecran

Discrete (asincrone,

neperiodice) Imagine (I) Imagine

în direct Imagine

preînregistrată Grafică Ecran, cameră

Date continue (CD)

Telesupraveghere, teleacţionări, etc.

Senzori, etc.

Video (V) Video în direct

Video preînregistrat Animaţie Ecran,

cameră

Continue (isocrone, periodice)

Audio (A) Audio în direct

Mesaje vocale preînregistrate Voce sintetică Difuzor,

microfon

Obţinere Prelucrare Transfer Prelucrare Prezentare

Stocare



Semnalele audio originale:

• sunt analogice, percepute prin variaţia presiunii aerului pe membrana urechii, • sunt percepute in banda dintre 20 Hz şi 20 kHz • amplitudinile lor percepute variază între: - pragul audibilităţii (inferior) şi - pragul durerii, de cca. 100 000…1000 000 (105…106) ori cât pragul audibilităţii, gama dinamică fiind: 20 log10(105…106) = 100…120 [dB] Reprezentarea digitală a semnalelor audio: • este obţinută în trei etape: - eşantionare = trecerea de la timp continuu la timp discret - caracterizată de frecvenţa (FA) / perioada (TA) de eşantionare - cuantizare = trecerea de la amplitudini continue la amplitudini discrete - caracterizată de pasul de cuantizare (qA), de numărul de niveluri de cuantizare (QA) şi de nivelul maxim (S) - codare = trecerea de la valori discrete la valori digitale ale amplitudinilor (coduri binare) - caracterizată de numărul de biţi necesari pentru reprezentare (b = log2QA) • este caracterizată de raportul semnal(S)/zgomot de cuantizare (Nq): SNRq = 20 log10(S / Nq) [dB] unde: S = QA qA = 2b qA şi Nq = qA adică: SNRq = 20 log10(2b) = 20 b log102 = 6.02 b [dB] ceea ce înseamnă că pentru o reprezentare cu b = 16b se acoperă o gamă dinamică de 96,3 dB Audio digital are urmatoarele caracteristici:

• este format din eşantioane de dimensiune SA şi perioadă TA (rata de transfer necesară: RA = SA x TA)

• se transmite în general impachetat (impachetarea introduce întârzieri DPackA ≅ TPackA) • este foarte sensibil la variaţii ale întârzierii (jitter) - isocronism puternic • este mai puţin sensibil la erori decât video - tolerant la erori • rezoluţiile sale mari conduc la rate de transfer mari (peste 1Mb/s) • rezoluţiile prea mari (ratele de transfer insuficiente) pot impune compresie

. . .

TA

TPackA

. . .

TPackA

tSA

TPackA TPackA

tSPackA

0 0

pachetizare

Fig. 1.2. Parametri caracteristici ai semnalelor audio

Format

Bandă a semnalului

(Hz)

Frecvenţă de eşantionare

FA=1/TA (kHz)

Rezoluţie a eşantioanelor SA (b/eşant.)

Rată de transfer RA (kb/s)

Voce de calitate telefonică 200 - 3400 8 8 64 Voce de calitate radio AM 50 - 7000 16 8 128 50 - 7000 16 16 256 Audio (calitate radio FM) 20 - 15000 32 16 1024 stereo (calitate CD-ROM) 10 - 20000 44,1 16 1411,2 HiFi (calitate DAT) 10 - 20000 48 16 1536

Tab. 1.2. Formate standard ale semnalelor audio



Semnalele imagine digitale: • sunt arii de pixeli (HV linii x WV pixeli), caracterizate de: - raportul de aspect (AV =HV /WV) cu valori 4/3 pentru TV şi 16/9 pentru HDTV - luminanţa = intensitatea luminoasă - dimensiunea pixelilor (SP) cu valori 1 … 32 biţi/pixel sau rezoluţia culorilor (CV = 2Sp) cu valori 2 … 232 tonuri de culoare - culorile: tonuri de gri (crominanţă alb/negru) / culori compuse din 3 componente (tristimulus: RGB - cele 3 culori primare / YUV = luminanţă + 2crominanţe / etc.) - raportul de percepţie optim (DV /HV) unde DV este distanţa de la care se priveşte, cu valori 5 … 6 pentru AV = 4/3 şi respectiv 2 … 2,5 pentru AV = 16/9 - raportul de contrast (rV) este raportul dintre amplitudinile maxim şi minim percepute, are valoarea maximă 100:1 pentru luminanţă (rY) (intensitatea luminoasă) - sensibilitatea de contrast (sV) este diferenţa de amplitudine perceptibilă dintre două intensităţi, are valoarea maximă 1% pentru luminanţă (sY) Raportul rY =100:1 poate fi obţinut din aproximativ QY = 460 niveluri de intensitate care diferă doar cu sY =1%, adică: rY = 100/1 = (1+ sY)460 = (1+1%)460 = (1,01)460 Pentru imagini de calitate TV, cu raporturi de contrast ale luminanţei rY limitate de reprezentarea digitală sub formă de pixeli la valori 10:1…20:1, numărul de niveluri de intensitate necesare este QY = 230…240, ceea ce înseamnă că reprezentarea digitală a luminanţei pe 8 biţi (cu 28 = 256 niveluri) este acoperitoare. În plus, pentru imagini de calitate TV, datorită faptului că raportul de contrast şi sensibilitatea de contrast ale crominanţelor sunt mai reduse, este acoperitoare utilizarea unui număr mai mic de biţi pentru reprezentare (a unui număr mai mic de niveluri de cuantizare), sau reducerea ariei pixelilor. Efecte nedorite: • pixelizarea (percepţia pixelilor ca puncte) care apare dacă nu se respectă condiţia Nyquist în

domeniul spaţial • conturizarea (intensificarea contururilor) care apare dacă pasul de cuantizare depăşeşte

senzibilitatea de contrast. Ochiul: • e mai puţin sensibil la crominanţă • e mai sensibil la mijlocul spectrului frecvenţelor spaţiale decât la contururi (frecvenţe mari) sau

pete (frecvenţe mici) Imaginea digitală are urmatoarele caracteristici:

• este formată din HV linii, fiecare conţinând WV pixeli de dimensiune SP (volumul unui cadru este: SV = HV x WV x SP, rata de transfer necesară livrării cadrului în intervalul TI este: RI = SV / TI)

• se transmite în general segmentată (reasamblarea introduce întârzieri DSegmV) • este insensibilă la variaţii ale întârzierii (jitter) - non-isocronă • este relativ sensibilă la erori - relativ tolerantă la erori • rezoluţiile sale mari conduc la volum mare (zeci de Mb/s) • volumul lor mare sau întârzierile de transfer mari datorate ratelor de transfer insuficiente pot

impune compresie



segmentare

HV

WV

SP DSegmV < TV

tSSegmV

0

SV

Fig. 1.3. Parametri caracteristici ai semnalelor imagine Semnalele video digitale: • sunt secveţe de cadre de imagine periodice, caracterizate de: - frecvenţa de înlocuire a imaginilor care permite percepţia unui semnal video continuu, pentru cadre de imagine de calitate TV este <25 cadre/s, pentru cadre de imagine de calitate HDTV este <50 cadre/s - întreţeserea (intercalarea), pentru prevenirea efectului de flicker, impune dublarea frecvenţei anterioare Video digital are urmatoarele caracteristici: • cadrele de imagine au dimensiunea SV şi perioada TV (rata de transfer necesară este: RV = SV

x TV) • este sensibil la variaţii ale întârzierii (jitter) - isocronism relativ puternic • este sensibil la erori decât video - relativ tolerant la erori • rezoluţiile sale mari conduc la rate de transfer mari (sute de Mb/s, Gb/s) • rezoluţiile prea mari (ratele de transfer insuficiente) impun compresie

SV

TV

t

0TV TV

Fig. 1.4. Parametri caracteristici ai semnalelor video

Format (aproximativ)

ITU-T ISO TV

Rezoluţie spatiala (pixeli)

Rezol. culoare (b/pixel)

Volum cadru (Mb)

Rezol. temp.

(cadre/s)

Rată de transfer (Mb/s)

SubCIF 120 x 96 16 0,18 5 0,92 QCIF 180 x 144 16 0,41 10 4,15 180 x 144 16 0,41 15 6,22 CIF MPEG low VHS 360 x 288 24 2,45 30 74,65 4CIF MPEG main CCIR 601 720 x 576 24 9,95 30 298,60 16CIF MPEG 1440high 1440 x 1152 24 39,81 60 2388,80 MPEG high HDTV 1920 x 1152 24 53,08 60 3185,05 SHDTV 2048 x 2048 24 100,66 60 6039,80

Tab. 1.3. Formate standard ale semnalelor imagine şi video



1.4. Caracteristicile multimedia

Particularităţile comunicaţiilor multimedia faţă de comunicaţiile de date tradiţionale: • constrângerile temporale ale datelor multimedia, datorate dimensiunii temporale a mediilor

continue (audio, video, date periodice); • dependenţele temporale şi de altă natură între mediile componente, datorate cerinţei de

manevrare integrată a acestora; • volumul şi ratele de transmisie mari ale informaţiilor multimedia, caracteristice mediilor

continue (auditive şi vizuale); • diferenţele mari între caracteristicile diferitelor mediilor componente; Cerinţele specifice aplicaţiilor şi serviciilor multimedia: • menţinerea relaţiilor temporale între unităţile de date ale mediilor continue individuale

(sincronizarea intra-media sau intra-stream); • menţinerea relaţiilor temporale între mediile componente (sincronizarea inter-media sau inter-

stream); • reducerea volumului şi a ratei de transfer pentru mediile audio, imagine şi video (compresia

semnalelor); • tratarea uniformă a mediilor distincte prin asocierea unor seturi de parametri şi stabilirea unor

clase de valori pentru aceştia astfel încât să caracterizeze calitatea cerută de utilizatori (tratarea calităţii serviciilor).

Aplicaţiile multimedia care solicită cel mai mult resursele sistemelor de calcul şi comunicaţie sunt cele: • interactive (de timp real) şi • bazate de comunicaţii în grup (distribuite) Aceste două aspecte se adaugă şi influenţează puternic particularităţie ale aplicaţiilor şi serviciilor multimedia. Caracteristici ale mediilor audiovizuale (imagini, audio şi video) care pot fi exploatate pentru îmbunătăţirea performanţelor comunicaţiilor multimedia faţă de cele clasice: • corelaţia între datele mediilor audio-vizuale care permite • obţinerea unor performanţe sporite ale algoritmilor de compresie,

• mascarea perceptuală umană, care permite • obţinerea unor performanţe sporite ale algoritmilor de compresie, • tolerarea (acceptarea) în anumite limite a erorilor, şi • refacerea parţială a datelor eronate,

• posibilitatea deducerii unor interdependeţe ale parametrilor mecanismelor de prelucrare a mediilor audio-vizuale, care permite obţinerea unor modele utile în • predicţia calităţii serviciilor obţinute şi a • necesarului de resurse în momentul negocierii acestora, şi în • adaptarea calităţii serviciilor şi/sau • adaptarea resurselor utilizate cu scopul menţinerii valorilor negociate.



Particularităţile comunicaţiilor multimedia sunt prezentate în tabelele 1.4.1 şi 1.4.2.

Categorie Caracteristică Cerinţă Soluţie constrângeri temporale (isocronism)

menţinerea relaţiilor temporale între unităţile de date ale unui mediu continu

sincronizarea intra-media Medii

continue necesită rate de transfer mari

reducerea ratei de transfer pentru mediile audio-video

compresia semnalelor

dependenţe temporale între medii

menţinerea relaţiilor temporale între mediile componente

sincronizarea inter-media

Integrarea mediilor

diferenţe mari între caracteristicile diferitelor medii

tratarea uniformă a mediilor prin asocierea unor parametri care să caracterizeze calitatea cerută de utilizatori

tratarea calităţii serviciilor (QoS)

Tab. 1.4.1. Cerinţele şi soluţiile aplicaţiilor multimedia pe categorii de caracteristici

Caracteristică Modalitate de exploatare Observaţii îmbunătăţirea performanţelor algoritmilor de compresie

prin predicţie sau transformare Corelaţia între datele

mediilor audio-vizuale refacerea parţială bazată pe predicţie (interpolare) a

informaţiei alterate dacă nu au fost codate predictiv

îmbunătăţirea performanţelor algoritmilor de compresie

prin cuantizare diferenţiată

refacerea parţială bazată pe predicţie (interpolare) a informaţiei alterate

dacă nu au fost codate predictiv

Mascarea perceptuală umană

tolerarea erorilor în anumite limite (mai mari decât în cazul altor date)

aplicarea compresiei reduce acest avantaj

Tab. 1.4.2. Modalităţi de exploatare a unor caracteristici ale aplicaţiilor multimedia



Cap. 2. Performanţele compresiei semnalelor audio/vocale

Tabelele 2.1, 2.2 şi 2.3 prezintă sintetic performanţele celor mai cunoscuţi algoritmi de compresie audio. Întârzierea de prelucrare relativă (având ca referinţă compresia PCM logaritmic) depinde în general direct proporţional de complexitatea relativă (având ca referinţă compresia PCM logaritmic), astfel încât ultima coloană prezintă de fapt şi o aproximare a întârzierii de prelucrare relative.

Rată de transfer (kb/s) Codor la intrare la ieşire

Rata compresiei

Calitate subiectivă

(scor MOS)

Complexitate relativa

PCM 8 biţi (G.711) 64 1 (ref) 4,3 1 (ref) PCM 7 biţi 56 1,14 3,9 1 PCM 6 biţi 48 1,33 3,8 1 PCM 5 biţi 40 1,6 2,65 1 PCM 4 biţi 32 2 2,3 1

ADPCM 5 biţi (G.726) 40 1,6 4,3 200 ADPCM 4 biţi (G.721) 32 2 4,1 200 ADPCM 3 biţi (G.726) 24 2,67 3,4 200 ADPCM 2 biţi (G.726) 16 4 2,4 200

LD-CELP (G.728) 16 4 4,0 1 900 RPE-LTP (GSM) 13 4,92 3,5 600

MPLP 9,6 6,67 3,4 1 100 VSELP (IS-54) 8 8 3,45 1 350 ACELP (G.729) 8 8 4,0 1 050

MP-MLQ (G.723) 6,3 10,16 4,0 1 460 ACELP (G.723) 5,3 12,08 3,5 1 600 CELP (FS-1016) 4,8 13,33 3,2 1 600

LPC-10 (FS-1015)

64

2,4 26,67 2,3 700 Tab. 2.1. Performanţele unor algoritmi de compresie audio (vocala) de calitate telefonică

Rata de transfer (kb/s) Rata compresiei la intrare Codor

(8 biţi) (16 biţi) la ieşire


(scor MOS) (8 biţi) (16 biţi)

Complexitate relativa (referinta,

1 = PCM G.711) 64 4,1 2 4 1 000 56 4,0 2,29 4,58 1 000 SB-ADPCM

(G.722) 48 3,7 2,67 5,33 1 000 32 4,1 4 8 10 000 LD-CELP

128 256

16 3,8 8 16 40 000 Tab. 2.2. Performanţele unor algoritmi de compresie a semnalelor audio (vocale) de calitate

Rata de transfer (kb/s) Rata compresiei

`la intrare Codor (32

kHz) (44,1 kHz)

(48 kHz)

la ieşire


(scor MOS) (32 kHz)

(44,1 kHz)

(48 kHz)

Complexitate relativa (referinta,

1 = PCM G.711)

MUSICAM-I 384 4,2 2,67 3,67 4,00 < 10 000 MUSICAM-II 256 4,1 4,00 5,51 6,00 < 10 000

AC-2 256 4,1 4,00 5,51 6,00 < 10 000 4SB-ADPCM 256 4,0 4,00 5,51 6,00 2 000

ASPEC 128 3,5 8,00 11,02 12,00 17 500 PAC

1024 1411 1536

128 4,5 8,00 11,02 12,00 25 000 Tab. 2.3. Performanţele algoritmilor de compresie a semnalelor audio stereo HiFi

Efectul erorilor de transmisie (reflectate de rata erorilor de bit - BER) asupra calitatii subiective pentru algoritmul G.722 este refleactat in tabelul 2.4.

Rata de bit Calitate subiectiva (MOS) (kb/s) BER = 0 BER = 10-4 BER = 10-3

64 4,2 3,8 3,0 48 3,8 3,6 3,0



Tab. 2.4. Efectul erorilor de transmisie asupra calitatii obtinute cu algoritmul G.722

Clasa de Subclasa Tehnici utilizate Pierderi de Algoritmi semnale (formatul

standard) Codare

entropica Cuantizare Exploatarea

caractersticilor informatie (exemple)

- Scalara Predictie DA LPC-10 - Scalara - DA PCM log. Voce de

calitate telefonica

-

Scalara adaptiva

Predictie diferentiala

adaptiva

DA

ADPCM

- Vectoriala LPAS + Mascare

perceptuala

DA tip MPLP tip CELP

Voce de

- Scalara adaptiva

SB + Predictie diferentiala

adaptiva

DA SB-ADPCM

Vocale

calitate radio AM

- Vectoriala LPAS + Mascare

perceptuala

DA LD-CELP

DA Scalara adaptiva

SB adaptiva + Mascare

perceptuala

DA MUSICAM

- Scalara adaptiva

SB + Predictie diferentiala

adaptiva

DA SB-ADPCM

DA Scalara adaptiva

SB adaptiva + Mascare

perceptuala

DA MUSICAM

Audio stereo HiFi

DA Scalara adaptiva

SB adaptiva + MDCT adaptiva

DA ASPEC

Huffman Scalara Mascare perceptuala

DA PAC

Scalara MDCT adaptiva DA AC-2 RLE +

Huffman - - NU MH

Imagine cu doua

Rezolutii G3

RLE + Huffman

- Predictie diferentiala

NU MR

niveluri (facsimil)

RLE + Huffman


NU MMR

Rezolutii G4

Aritmetica

-

Predictie diferentiala

NU

JBIG

adaptiva Imagine

multinivel

RLE + Huffman sau Aritmetica


NU JPEG entropic


Scalara DCT + Mascare perceptuala

DA JPEG bazat pe DCT

QCIF, CIF, 4CIF, 16CIF, HDTV


Scalara DCT + Mascare perceptuala

DA M-JPEG

SubQCIF H.263 Video

QCIF, CIF RLE +

DCT + Mascare perceptuala +

H.261, H.263 MPEG-1,2,4

4CIF Huffman sau Aritmetica

Scalara compensarea predictiva a

DA H.263 MPEG-1,2,4

16CIF, HDTV

miºcarii (MC) H.263 MPEG-2,4

Date Semnalizari Text, etc.

Aritmetica, Huffman, etc.

- - NU ZIP, ARJ, etc.

Tab. 1.4. Clasificarea algoritmilor de compresie a semnalelor.



Cap. 3. Performanţele compresiei JPEG a semnalelor imagine

3.1. Eficienţa (rata de compresie) a compresiei JPEG

În figura 3.1 este prezentata schema bloc a algoritmului JPEG de baza (baseline JPEG).

Deplasaregamă valori DCT Cuantizare

Tabelcuantizare

Scanarezig-zag RLE

Tabelecodare

Codareentropică

Imaginesursă

Flux de biţicodaţi

Fig. 3.1. Schema bloc a codorului JPEG secvenţial bazat pe DCT

Factorul de scală al cuantizării poate fi utilizat pentru a controla rata compresiei imaginilor. Pentru a stabili prin configurare/negociere o valoare iniţială optimă, sau pentru adaptarea la încărcarea reţelei, este utila găsirea dependentei ratei compresiei Rc obţinute de factorul de scală al cuantizării Q utilizat. De asemenea, este importantă determinarea altor parametri care pot influenţa această dependentei. Un factor care influenţează rata de compresie este variaţia conţinutul scenei. Fiind în afara oricărei posibilităţi de control, acest factor poate fi modelat sub forma unei variabile aleatoare {c}, iar influenţa sa mediată peste întreaga secvenţă de cadre. Variind factorul de scală al cuantizării de la 1 (calitatea maximă şi dimensiune obţinută maximă) la 100 (calitatea minimă şi dimensiune obţinută minimă), poate fi estimată o rată de compresie, mediată peste mulţimea de secvenţe de cadre de intrare: '/'/ SSSSR Vc ==

Un exemplu grafic de dependenţă între rata de compresie medie, definită ca raport între dimensiunea imaginii originale (SV) şi dimensiunea imaginii comprimate (S'), şi valorile factorului de scală al cuantizării (Q) este prezentat în figura 3.2.

Q

RC

0

20

40

60

80

100

120

140

160

180

200

1 6 11 16 21 26 31 36 41 46 51 56 61 66 71 76 81 86 91 96

SV

160 x 120

WV x HV

320 x 240

480 x 360

640 x 480

Fig. 3.2. Dependenţa ratei de compresie de factorul de scală al cuantizării si de dimensiunea imaginii originale

Tabelul 3.1. prezintă valorile ratei de compresie a JPEG, RC,JPEG(SV, Q, c), în funcţie de valorile (tipice ale) parametrilor SV şi Q.

WV xHV Q (SV)

160 x 120 (450 kb)

320 x 240 (1,8 Mb)

480 x 360(4,05 Mb)

640 x 480(7,2 Mb)

800 x 600 (11,25 Mb)

960 x 720 (16,2 Mb)

1120 x 840 (22,05 Mb)

1280 x 960(28,8 Mb)

10 37 71,5 91 107 121 25 25,5 45,5 57,5 67 83 50 18,5 30,5 37 43 56,5 Tab.3.1. Valori ale ratei de compresie a JPEG pentru valori tipice ale parametrilor k (SV) şi Q



3.2. Întârzierea introdusă de procesul de compresie JPEG

Pe lângă rata de transfer, un alt parametru QoS important asociat algoritmului baseline JPEG, care este influenţat de variaţia factorul de scală al tabelei de cuantizare, este întârzierea codării. Figura 3.3 prezintă un exemplu dependenţă între întârzierea medie a compresiei şi valorile factorului de scală al cuantizării, pentru diferite valori ale dimensiunii imaginii originale, dc(Q,Sv).

0

2

4

6

8

10

12

14

16

1 6 11 16 21 26 31 36 41 46 51 56 61 66 71 76 81 86 Q

dC /dC (1 ; 450kb)

160 x 120

WV x HV

320 x 240

480 x 360

640 x 480

SV

Fig. 3.3. Dependenţa întârzierii relative a compresiei de factorul de scală al cuantizării şi de dimensiunea imaginii originale

Tabelul 3.2. prezintă valorile relative ale întârzierii compresiei JPEG, dC,JPEG(SV, Q, c), în funcţie de valorile (tipice ale) parametrilor SV şi Q (referinta fiind valoarea întârzierii compresiei JPEG pentru cadru 160 x 120 pixeli si Q = 1).

WV xHV Q (SV)

160 x 120 (450 kb)

320 x 240 (1,8 Mb)

480 x 360(4,05 Mb)

640 x 480(7,2 Mb)

800 x 600 (11,25 Mb)

960 x 720 (16,2 Mb)

1120 x 840 (22,05 Mb)

1280 x 960(28,8 Mb)

10 1,051 2,854 7,003 11,096 18,452 26,258 25 1,044 3,505 6,935 11,083 18,792 32,837 50 1,113 3,065 7,282 12,446 19,721 32,411 Tab.3.2. Valorile relative ale întârzierii compresiei JPEG

În figura 3.4 sunt prezentaţi parametrii de performanţă şi de configuraţie ai mecanismului JPEG, precum şi parametrii QoS influenţaţi de aceştia. Fig. 3.4. Parametrii modelului de performanţă al compresiei JPEG

Compresie JPEG S = SV S’

R’

{c}

Parametri QoS

la intrare

Parametri QoS

la ieşire

Parametri care influenţează performanţa JPEG

Rc=R/R’=S/S’

Parametri de performanţă ai compresiei

JPEG

dc

R

Q

D D’

Parametri de configuraţie ai JPEG



Cap. 4. Performanţele compresiei semnalelor video prin algoritmii MJPEG si MPEG O prima categorie de algoritmi pentru compresia semnalelor video este cea a algoritmilor de compresie pentru semnale imagine, aplicati fiecarui cadru de imagine al unei secventei video (intracadre). Solutia are avantajul unui algoritm unic atât pentru imagini individuale cât si pentru secvente de imagini. Un astfel de algoritm este JPEG în miscare (MJPEG = Motion JPEG), care comprima individual cadrele unei secvente video utilizând algoritmul JPEG.

Alternativa este utilizarea unor algoritmi mai complecsi, dedicati compresiei semnalelor video, care sa exploateze suplimentar redundantele existente între cadrele de imagine vecine (intercadre). Acesti algoritmi se bazeaza pe compensarea miscarii prin utilizarea unor tehnici predictive de estimare a miscarii. Estimarea mişcării (ME = Motion Estimation) este calculul deplasării relative, între cadre succesive de imagine, a elementelor sau blocurilor de date ale imaginii. Dacă poziţia unui element (pixel) sau bloc într-un cadru poate fi regăsită în cadrele alăturate, atunci poate fi codat şi transmis doar vectorul deplasării, reducându-se astfel cantitatea de informaţii transmisă pe cadru. Compensarea mişcării (MC = Motion Compensation) bazată pe estimarea predictivă a mişcării exploatează redundanţele temporale importante care rezultă din gradul mare de corelaţie între cadrele alăturate ale unei secvenţe video. Un bloc al cadrului codat intercadre poate fi prezis prin trei tipuri de predicţie:

• predicţie înainte (forward prediction): se utilizează ca predicţie vectorul mişcării asociat blocului potrivit din cadrul de referinţă anterior (figura 4.1.a);

• predicţie înapoi (backward prediction): se utilizează ca predicţie vectorul mişcării asociat blocului potrivit din cadrul de referinţă viitor (figura 4.1.b);

• predicţie bidirecţională (interpolation): se utilizează ca predicţie media vectorilor mişcării asociaţi blocurilor potrivite din cadrele de referinţă anterior şi respectiv viitor (figura 4.1.c).

Fig. 4.1 Tipuri de predicţii pantru estimarea mişcării: (a) înainte, (b) înapoi, (c) bidirecţională.

Cadru de referinţă anterior

Cadru codat curent db

(a)

Cadru de referinţă viitor

Cadru codat curent

db

(b)

Cadru de referinţă viitor

Cadru codat curent

Cadru de referinţă anterior

(c)



Un algoritm standard de codare a semnalelor video bazat pe algoritmul JPEG şi MC este (figura 4.2) componenta Video MPEG (Moving Pictures Expert Group), în variantele sale: MPEG-1 (pentru servicii video de stocare pe CD-ROM), MPEG-2 (pentru servicii video de comunicaţie de calitate şi HDTV), si MPEG-4 (pentru servicii video de comunicaţie bazate pe modem în reţele telefonice clasice şi mobile).

Clasificareinter / intra

Tip cadru

+ DCT

Inter / intra

Adaptarecuantizor

Codare entropicasi multiplexare

Parametriicodarii

Cuantizare

Cuantizareinversa

Inter / intra

Parametriicuantizor

Inter / intra

Vectorimiscare

Tip cadru

Buffer

+ -

IDCT

+Inter / intra

compensareamiscarii

Predictor pentru

Vectoriimiscarii

miscariiEstimarea

Tip cadru

Memorarecadre

anterioare

Memorarecadre

viitoare

anterior Scrieviitor

Scrie

Flux de biti

Intrare video

Fig. 4.2. Schema bloc a codorului MPEG Video

Algoritmii MPEG Video permit codarea în trei moduri diferite a macroblocurilor unui cadru:

• intracadru (I), tip MC-DCT (similară JPEG); rata de compresie este minimă; • intercadre cu predicţie înainte (P); rata de compresie este medie; • intercadre cu predicţie bidirecţională (B); rata de compresie este maximă. Cadrele I sunt utilizate ca referinţă atât pentru predicţia macroblocurilor din cadrele P cât şi pentru predicţia macroblocurilor din cadrele B, permiţând astfel limitarea propagării la decodare a erorilor apărute la transmisie. Cadrele P sunt utilizate ca referinţă pentru pentru predicţia macroblocurilor din cadrele B. Un exemplu de schemă de grupare a cadrelor MPEG (pattern) este dat în figura 4.3.a Raportul între numărul cadrelor I, P şi B determină rata compresiei şi calitatea imaginilor reconstruite. Pentru pattern-ul din exemplul dat (IBBPBBPBB), raportul numerelor de cadre de tip I:P:B este respectiv 1:2:3. Pentru rate medii de compresie a cadrelor de cca. 20:1 pentru cadre I, cca. 80:1 pentru cadre P şi cca. 320:1 pentru cadre B, se obţine o rată medie de compresie a grupului de imagini (GOP = Group of Picture) transmise de 96:1.



I IB B B B B BP P

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

Predicţie înainte

Ordinea codării, transmisiei şi a decodării

1 4 2 3 7 5 6 10 8 9I B BP B BP B BI

GOP 1

IB B B B B BP P

11 12 13 14 15 16 17 18 19

Predicţie bidirecţională

B BP B BP1213 14 1516 17 181911

GOP 2

B BI

Predicţie bidirecţională

Predicţie înainte

Număr cadru Tip cadru

(a)

(b) Fig. 4.3. Exemple de GOP-uri pentru o secvenţă de cadre video MPEG-2,4 ofera trei tipuri de scalabilitate (figura 4.4): • Spaţială - prevăzută pentru utilizarea în aplicaţii de telecomunicaţii, interacţiuni între formate şi

standarde video, acces la baze de date video, interacţiuni între HDTV şi TV, etc.,). • Temporală - prevăzută pentru utilizarea în aplicaţiile pentru care este necesară trecerea de la

sisteme cu rezoluţii temporale reduse la sisteme cu rezoluţii temporale mari. • A calităţii - prevăzută ptr. utilizarea în aplicaţii implicând servicii având calităţi multiple, etc..

Coduridigitale

110

110011

111000

000111

Scalabilitatetemporală

Scalabilitatespaţială

Scalabilitatea calităţii(a SNR sau MOS)

Fig. 4.4. Ilustrarea celor trei forme de scalabilitate MPEG-2 Video În figura 4.5 sunt prezentaţi parametrii de performanţă şi de configuraţie ai algoritmului de

compresie MPEG, precum şi parametrii QoS influenţaţi de aceştia.



Fig. 4.5. Parametrii modelului de performanţă al compresiei MPEG Diferitele tipuri de cadre comprimate MPEG sunt notate: • I = cadru codat intracadru (tip JPEG) • P = cadru codat intercadru prin predicţie înainte • B = cadru codat intercadru prin predicţie bidirecţională

Parametrii de configuraţie ai compresiei MPEG sunt, pe langa cei comuni cu JPEG (dimensiunea imaginii originale - SV, şi factorul de scală al cuantizării - Q): • N = numărul total de cadre video într-un grup de imagini (GoP) • M = distanţa între 2 cadre de tip I şi/sau P succesive • nX = numărul de cadre video de tip X în GoP (nI , nP , respectiv nB)

Alţi parametri caracteristici ai compresiei MPEG sunt: • p = câştigul mediu al ratei de compresie obţinut prin exploatarea mişcării în cadrele P • b = câştigul mediu al ratei de compresie obţinut prin exploatării mişcării în cadrele B

IB

BB

PB

BB

I

t

N = nGoP = 8M = 4

nP = 1

nsuccB = 3

nI = 1

nB = 6

Fig. 4.6. Parametrii caracteristici tipici compresiei MPEG

Compresie MPEG

S = SV

R

SP

RP

Q c

Parametri QoS

de intrare

Parametri QoS

de ieşire

Parametri care influenţează performanţa

Rc = RV / RGoP = SV / SGoP

Parametri de performanţă ai compresiei

MPEG

dc

(compresie de tip JPEG)

SB

RB

SI

RI

N M p b

SGoP

RGoP

mux



Cap. 5. Controlul de flux în comunicaţiile multimedia

5.1. Necesitatea controlul de flux bazat pe rată

5.1.1. Modificarea dimensiunii şi ratei unităţilor de date prin prelucrări asociate comunicaţiei

Printre operatiile asupra datelor (in sisteme de comunicatie cu stratificare OSI) care modifica dimensiunea unitatilor de date (DU) sunt si: • segmentarea / reasamblarea DU; • gruparea / degruparea DU; • concatenarea / separarea DU; • multiplexarea / demultiplexarea conexiunilor; • distribuirea / recombinarea conexiunilor; • compresia / decompresia DU si a grupurilor de DU. Transferul datelor intre nivelurile sistemelor stratificate deschise, conform modelului OSI, se desfasoara ca in figura 5.1.

(N-1)-SAP

(N)-PDU

(N)-SAP

(N+1)-PDU

(N)-SDU

(N+1)

(N)-PCI

(N)

(N-1)entitate de protocol

(proceduri şistructuri de date)

protocol

interfaţă întreniveluri

(N)-SAP = punct de acces la serviciile nivelului (N) (N)-SDU = unitate de date a serviciului nivelului (N) (N)-PCI = informatie de control a protocolului nivelului (N) (N)-PDU = unitate de date a protocolului nivelului (N)

Fig. 5..1 Modelul OSI de transfer al datelor intre nivelurile sistemelor deschise Operatia de segmentare (segmenting) permite adaptarea dimensiunii unitatilor de date prin crearea dintr-o (N)-SDU a mai multor (N)-PDU. Operatia inversa, reasamblarea (reassembling), reface o (N)-SDU din mai multe (N)-PDU. Operatia de grupare (blocking) permite adaptarea dimensiunii unitatilor de date prin crearea din mai multe (N)-SDU a unei (N)-PDU. Operatia inversa, degruparea (deblocking), reface (separa) mai multe (N)-SDU dintr-o (N)-PDU. Operatia de concatenare (concatenation) permite adaptarea dimensiunii unitatilor de date prin crearea din mai multe (N)-PDU a unei (N)-SDU. Operatia inversa, separarea (separation), reface mai multe (N)-PDU dintr-o (N)-SDU.



Dupa cum se poate observa, operatiile de grupare, concatenare si reasamblare au acelasi scop - gruparea unitatilor de date. Exemple de aplicare a acestei operatii sunt: gruparea esantioanelor audio in blocuri, vectori, etc., concatenarea mai multor (N)-PDU-uri de confirmare cu o (N)-PDU de date, respectiv reasamblarea cadrelor video transmise segmentat. De asemenea, operatiile de segmentarii, degruparii si separarii au acelasi scop - segmentarea unitatilor de date. Exemple de aplicare a acestei operatii sunt: segmentarea cadrelor video in vederea transmisei, degruparea blocurilor, vectorilor, etc., de esantioane audio, respectiv separarea (N)-PDU-urilor de confirmare de o (N)-PDU de date. Operatia de multiplexare (multiplexing) permite utilizarea mai eficienta a conexiunilor nivelului inferior prin selectia unei (N)-PDU dintre mai multe (N)-SDU. Operatia inversa, demultiplexarea (demultiplexing), identifica tipul (N)-SDU dintr-o (N)-PDU. Multiplexarea necesita marcarea tipului DU, pentru demultiplexarea la receptie. Operatia de distribuire (splitting) permite tratarea distincta a conexiunilor (de exemplu prin asocierea unor prioritati pentru cresterea fiabilitatii) la nivelul inferior prin selectia unei (N)-PDU pentru fiecare (N)-SDU. Operatia inversa, recombinarea (recombining), reordoneaza (N)-SDU din diverse (N)-PDU. Operatia de compresie poate fi utilizata pentru reducerea dimensiunii (N)-SDU sau a grupurilor de (N)-SDU, rezultatul putand fi o (N-1)-SDU unica sau un grup de (N -1)-SDU. Operatia inversa, decompresia, reface dimensiunea (N)-SDU sau a grupurilor de (N)-SDU din (N-1)-SDU sau grupuri de (N -1)-SDU. Fluxul de unitati de date (DU) al unui mediu continuu necomprimat este format din DU de dimensiune constanta. Eficienta reducerii dimensiunii DU prin compresie, caracterizata prin parametrul rata de compresie (Rc), variaza pentru anumiti algoritmi de compresie de la o DU la alta. Din punctul de vedere al variatiei dimensiunii DU, algoritmii de compresie pot fi clasificati in: • algoritmi CBR (Constant Bit Rate), care genereaza fluxuri formate din DU de dimensiune

constanta (cum ar fi algoritmii de compresie CBR a vocii), cum ar fi: - algoritmii de tip ADPCM si CELP de compresie a vocii de calitate telefonica, - algoritmii de tip SB-ADPCM de compresie a vocii de calitate radio AM, • algoritmi VBR (Variable Bit Rate), care genereaza fluxuri formate din DU de dimensiune

variabila (cum ar fi algoritmii de compresie VBR audio si video) , cum ar fi: - algoritmul VBR-ADPCM de compresie a vocii de calitate telefonica, - algoritmul JPEG de compresie a imaginilor sau video (varianta MJPEG), - algoritmii MPEG-Audio de compresie audio (stereo/mono) de diferite calitati, - algoritmii MPEG-Video de compresie video. 5.1.2. Probleme datorate modificării dimensiunii şi ratei unităţilor de date şi principale soluţii Atat variatia dimensiunii DU, cat si variatia intervalului de timp dintre DU sau pauzele (salturile) intre DU conduc la aparitia fluxurilor cu rata de transfer variabila (VBR = Variable Bit Rate), care pot fi obiectul controlului de flux. In absenta acestor variatii (de exemplu in cazul fluxurilor audio necomprimate, nemultiplexate cu alte fluxuri si grupate in DU de dimensiune redusa) putem discuta despre fluxuri cu rata de transfer constanta (CBR = Constant Bit Rate), care nu pun in general probleme deosebite. Fluxurile CBR pot fi usor caracterizate prin rata de transfer medie (average/mean rate), pe cand fluxurile VBR necesita existenta unui parametru suplimentar, fie rata de transfer de varf (peak rate), fie raportul dintre acesta si cea medie, numit burstiness.



Variatia dimensiunii DU si a ratei de transfer a fluxurilor sunt in general de evitat, deoarece pot conduce la: • cresterea probabilitatii de congestie a retelei, cu efectul pierderii unor portiuni din flux, • cresterea cererii de capacitate de stocare si complexitatea managementului buffer-elor, • cresterea cererii de capacitate de transfer si complexitatea managementului ratei, etc. Solutia in acest caz este controlul de flux, al volumului datelor sau al ratei de transfer. Controlul de flux este definit ca o reactie a unui receptor asupra unui transmitator pentru controlul ritmului de transmisie cu scopul evitarii supraincarcarii receptorului. Controlul de flux poate actiona pentru prevenirea congestiei sau, in general, pentru impiedicarea unui transmitator (mai rapid) de a trimite date continuu cu o rata mai mare decat cea cu care receptorul (mai lent) poate prelucra datele. Controlul de flux poate fi aplicat (conform Recomandarii X.200 a ITU-T): • cap la cap (intre entitati de protocol aflate la acelasi nivel), care regleaza rata la care (N)-PDU-

urile sunt trimise intre entitatile de nivel (N), atat in comunicatiile orientate spre conexiune (CO) cat si in cele fara conexiune (CL);

• la limita serviciului, care regleaza rata la care (N)-SDU-urile sunt trimise intre o entitate de nivel (N+1) si o entitate de nivel (N), atat in comunicatiile CO cat si in cele CL.

Pe de alta parte, controlul de flux poate fi realizat: • in bucla deschisa, caz in care receptorul dicteaza pe un canal invers conditiile de transfer ale

datelor (rata de transfer), fara a tine seama de informatiile (dorintele) transmitatorului; • in bucla inchisa (adaptiv), caz in care receptorul tine seama mereu de informatia referitoare la

fluxurile ce sosesc de la transmitator. Monitorizarea formei traficului generat poarta numele de supravegherea traficului (traffic policing).

Principalele metode de control al fluxului sunt: • control de flux de tip START-STOP (cu permisiunea-interzicerea transmiterii dictata de catre

receptor); • control de flux bazat pe fereastra (cu credit actualizat de catre receptor); • control de flux bazat pe rata de transfer (cu credit actualizat de catre transmitator). Controlul de flux de tip START-STOP aplicat cap la cap nu este eficient pentru aplicatii multimedia conversationale sau interactive. Controlul de flux bazat pe fereastra este aplicat cap la cap. Pentru aplicatii multimedia conversationale sau interactive el poate fi eficient doar in retele locale. Politicile de reinnoire a creditului la controlul de flux bazat pe fereastra difera in functie de momentul interogarii receptorului. Astfel, putem avea reinnoinre: • atunci cand creditul disponibil este nul; • la expirarea unui temporizator (politica cvasi-periodica); • dupa transmisia unui anumit volum de date neconfirmate (politica cvasi-periodica); • la primirea fiecarui raspuns la interogare (politica adaptiva); • atunci cand se prezice epuizarea creditului intr-un timp egal cu intarzierea dus-intors (politica

anticipativa).



5.2. Mecanisme de control al de flux bazat pe rată

5.2.1. Rolul controlului ratei şi modalităţi principale de realizare

Controlul fluxului bazat pe rata de transfer are drept scop formarea traficului (traffic shaping), adica uniformizarea (netezirea) ratei medii de transmisie a datelor sau atenuarea rafalelor (burst-urilor), prin impunerea unei rate de transfer previzibile. Principalele politici de formare a traficului prin control de flux bazat pe rata sunt: • cu actualizare continua a creditului (ex. Leaky Bucket); • cu actualizare continua a unui buffer cu jetoane de credit (ex. Token Bucket); • cu fereastra de salt al creditului (ex. Jumping Window); • cu fereastra a creditului alunecatoare (ex. Sliding Window). Principalele caracteristici care diferă de la un algoritm la altul sunt: • modul de realizare a actualizării creditului, • modul de consum al creditului (constrăngerile asupra consumului). Toţi algoritmii utilizează un buffer pentru date, care poate fi implementat ca un simplu tablou de referinţe la datele propriu+zise. Atât în momentul actualizării creditului (operaţie periodică - isocronă), cât şi în momentele consumării creditului (operaţii asincrone), este posibilă modificarea valorii spaţiului disponibil în buffer. De asemenea, toţi algoritmii utilizează conceptul de credit, cu sensul de volum de date maxim transmisibil curent. Diferă, în general: • perioada de actualizare a creditului, • valoarea volumului cuantei de credit comparativ cu dimensiunea buffer-ul datelor, • modul de actualizare a creditului (prin incrementare sau saturare). De exemplu, algoritmii Leaky Bucket şi Token Bucket utilizează o perioadă de actualizare mai mică, cuanta de credit nou fiind de dimensiune mult mai mică decât dimensiunea buffer-ului, pe când algoritmul Jumping Window utilizează o perioadă de actualizare mai mare, volumul de credit nou fiind comparabil cu dimensiunea buffer-ului. De asemenea, algoritmii Leaky Bucket şi Jumping Window utilizează saturarea creditului pe când algoritmul Token Bucket utilizează incrementarea acestuia urmată de saturare (la o valoare comparabilă cu dimensiunea buffer-ului). Algoritmul Sliding Window este o combinaţie mai complexă a celorlalţi algoritmi.

5.2.2. Mecanismul Leaky Bucket (LB)

Mecanismul LB (Leaky Bucket), bazat pe actualizarea continua a creditului, utilizeaza un contor si un temporizator (timer) pentru a controla volumul traficului de iesire dintr-o entitate. El este des folosit in functiile de control al traficului la ATM. Algoritmul LB poate fi descris astfel: • un buffer, de dimensiune Sbuff

max, permite stocarea unitatilor de date inainte de a fi transmise; • in fiecare perioada Icr poate fi transmisa o singura cuanta de date, de dimensiune scr; • un contor al buffer-ului ccr este decrementat cu o unitate la fiecare transmisie a unei cuante; • contorul buffer-ului este de asemenea incrementat periodic, perioada fiind tot Icr; • incrementarea contorului este limitata la un prag predefinit L = ccr

max.



5.2.3. Mecanismul Token Bucket (TB)

Mecanismul TB (Token Bucket), bazat pe actualizarea continua a unui buffer cu jetoane de credit, este flexibil din punct de vedere al ratei de iesire, fiind potrivit pentru traficul foarte neregulat (very bursty). In schema TB: • jetoanele sunt plasate intr-un buffer (de lungime K) cu o rata constanta r; • unitatile de date (DU) sunt plasate intr-un buffer de date (de lungime L); • transmisia unei DU (de dimensiune scr) duce la eliminarea unui jeton din LB; • daca nu exista jeton in LB, nu este permisa transmiterea DU, acestea fiind retinute in buffer-ul

datelor; • daca in LB se afla ccr jetoane, ccr unitati de date pot fi transmise in rafala; • atunci cand LB este plin, jetoanele suplimentare sunt pierdute.

5.2.4. Mecanismul Jumping Window (JW)

Mecanismul JW (Jumping Window), este bazat pe fereastra de salt al creditului. Algoritmul JW: • un contor de credit este initializat cu valoarea Scr

max; • contorul de credit este decrementat cu valoarea dimensiunii fiecarei DU transmise in intervalul

Icr de actualizare a acestui credit; • transmisia se opreste cand contorul de credit atinge valoarea zero; • dupa perioada Icr, contorul este incarcat din nou cu valoarea Scr

max, deci se pierde creditul nefolosit anterior.

5.3. Principalii parametrii caracteristici ai mecanismelor de control al ratei

In tabelul 5.1 sunt prezentaţi parametrii de performanţă şi de configuraţie ai mecanismelor de control al ratei, precum şi parametrii QoS influenţaţi de aceştia, utilizaţi pentru obţinerea modelului de performanţă al mecanismelor de control al ratei.

Parametri de configurare Parametri de performanţă

Resurse necesare

Parametri QoS

principali

Parametri QoS

secundari • Dimensiunea cuantei de credit • Perioada de actualizare a creditului • Dimensiunea maximă a creditului • Dimensiunea buffer-ului de date

• Gradul de reducere a ratei maxime • Întârzierea introdusă (aşteptare)

• Procesor (prelucrări) • Memorie (buffer de date)

• Rata de transfer maximă

• Rata de pierderi • Întârzierea cap-la-cap

Tab. 5.1. Sumar al parametrilor caracteristici ai mecanismelor de control al ratei



Cap. 6. Mecanisme de control al aspectelor temporale Pe lângă volumele de date mari, ratele de transfer mari, şi variaţiile mari ale ratei de transfer, o altă categorie de caracteristici ale mediilor audio şi vizuale, cele temporale, poate pune probleme în privinţa încadrării în constrângerile impuse de cerinţele utilizatorilor. Păstrarea întârzierii de transfer în limitele impuse de tipul şi atributele serviciilor, reducerea variaţiei acestei întârzieri cât mai aproape de valoarea medie, precum şi egalizarea întârzierilor fluxurilor media transferate separat, sunt obiectivele activităţilor de control al aspectelor temporale. Soluţiile se bazează în general pe monitorizarea întârzierilor, realizată prin marcarea temporală la sursă şi comparaţii cu ceasul local la destinaţie. Controlul întârzierii cap-la-cap exercită o constrângere globală asupra prelucrărilor, aşteptărilor şi transferului, pe când controlul variaţiilor întârzierii se bazează pe aşteptarea în buffer-e sau eliminarea unor date. Acest capitol este dedicat trecerii în revistă a mecanismelor care pot acţiona pentru controlul acestor aspecte, insistând pe modul de configurare şi pe performanţele oferite. În finalul fiecărui paragraf sunt prezentaţi sintetic parametrii caracteristici ai fiecărui tip de mecanism.

6.1. Mecanismul de control al întârzierii cap-la-cap

Sincronizarea evenimentelor se ocupă cu menţinerea relaţiilor temporale impuse de cerinţele de interactivitate ale aplicaţiilor multimedia. Astfel, timpul de răspuns la diverse evenimente poate fi limitat la o valoare care depinde în primul rând de gradul de interactivitate al serviciului. În cazul serviciilor conversaţionale, timpul de răspuns se referă la întârzierea cap-la-cap (unidirecţională). Toate duratele de prelucrare şi aşteptare a datelor de la sursă (obţinere) la destinaţie (prezentare) se însumează pentru a forma întârzierea cap-la-cap la nivel aplicaţie (DApp). Întârzierea dus-întors (round trip time), utilizată ca alternativă pentru caracterizarea gradului de interactivitate, reprezintă în cazul serciciilor simetrice dublul întârzierii cap-la-cap. În cazul serviciilor la cerere, timpul de răspuns se referă la întârzierea de obţinere a efectului operaţiilor de acces la mediul stocat (căutare, pornire, oprire, comutare, etc.). Ea este datorată atât transferului de la sursă la destinaţie a datelor mediului, cât şi transferului comenzii şi tratării acesteia. În multe cazuri, timpii de tratare a comenzii sunt semnificativi, întârzierea de acces globală fiind sensibil mai mare decât timpul dus-întors. Se poate astfel defini gradul de sincronism sau de interactivitate, ca unul dintre cele mai importante atribute ale serviciilor multimedia distribuite, ale cărui valori pot fi: • timp real, sau sincronism puternic, ca în cazul serviciilor conversaţionale; • timp aproape real, sau sincronism slab, ca în cazul serviciilor la cerere; • timp dilatat, sau asincronism, ca în cazul serviciilor de stocare sau mesagerie; • timp specificat, sau sincronism cu întârziere, ca în cazul serviciilor rezervate în avans. Mediile continue, în aplicaţii conversaţionale, intră în categoria serviciilor în timp real, iar valorile maxim acceptabile ale întârzierii cap-la-cap sunt de 400 ms, fiind însă recomandată o limită de 250 ms. Astfel, întârzierea dus-întors trebuie limitată la 800 ms, fiind recomandată o valoare maximă de 500 ms, valoare apropiată de durata minimă a pronunţării celui mai scurt cuvânt. În aplicaţiile interactive, datorită faptului că timpul minim necesar perceperii unei imagini distincte este de 500 ms, timpul de maxim acceptabil de acces la o imagine este de câteva ori 500 ms. Valori asemănătoare sunt recomandate şi pentru timpii de răspuns la comenzi în cazul serviciilor audio sau video la cerere.



Controlul întârzierii cap-la-cap în cazul aplicaţiilor interactive constă în verificarea încadrării maximului efectiv în maximul acceptabil al acestui parametru, la nivel aplicaţie. Maximul acceptabil este determinat din atributul sincronism al serviciului controlat:

DApp max < DApp

max.acc.(sync) (6.1)

unde sync este gradul de sincronism cerut.

Unităţile de date (DU) sau părţile din DU care depăşesc această limită la prezentare sunt eliminate ca tardive, înfluenţând negativ valorile parametrilor care exprimă cantitatea de informaţii pierdută pe durata transferului. Desigur, aceste situaţii impun un compromis între gradul de asigurare a interactivităţii şi gradul de asigurare a acurateţii informaţiilor (gradul de reducere a pierderilor). Aşadar, controlul întârzierii cap-la-cap introduce o limitare globală asupra tuturor mecanismelor de prelucrare şi transfer, aşa cum este ilustrat în figura 6.1.

Compresie

Control alratei

Transferprin reţea

Control aljitter-ului

Decompresie

Achiziţie Prezentare

dC max dD

max

dDJ maxdR

max

dN max

DApp max = dC

max + dD max + dR

max + + dDJ

max + dN max

Fig. 6.1. Întârzierea cap-la-cap maximă - suma întârzierilor maxime introduse de prelucrări şi transfer Configurarea acestui mecanism începe cu stabilirea valorii maximul acceptabil al întârzierii cap-la-cap la nivel aplicaţie, parametru QoS care nu trebuie depăşit. Configurarea continuă prin iniţializarea sumei întârzierilor maxime introduse cu valoarea maximă a întârzierii de transfer prin reţea. Mecanismul de control al întârzierii cap-la-cap acţionează apoi, prin actualizarea sumei întârzierilor maxim introduse de celelalte mecanisme de control, de fiecare dată când se decide activarea/dezactivarea unui nou mecanism, ca şi în cazul reconfigurării mecanismelor active.

Control alîntârzieriicap-la-cap

Transferprin reţeaMecanisme

de control

(dez)activare

(re)configurare

DApp max.adm

DApp max

dN maxdmech

max

configurare

depăşire limită

necesităţi decontrol al altorparametri QoS

pierdereadatelortardive

Fig. 6.2. Configurarea şi modul de acţiune al mecanismului de control al întârzierii cap-la-cap



La fiecare nouă reconfigurare, depăşirea de către suma obţinută a limitei maxim admisibile impune reducerea uneia sau mai multor contribuţii la această sumă, prin activarea/dezactivarea altor mecanisme, sau prin reconfigurarea mecanismelor active. Practic, se realizează astfel un control global al celorlalte mecanisme de control, din punct de vedere al întârzierilor introduse (figura 6.2). Performanţele mecanismului pot fi apreciate prin gradul de reducere a pierderilor datorate întârzierii, rata de pierderi fiind principalul parametru secundar QoS influenţat. In tabelul 6.1 sunt prezentaţi parametrii de performanţă şi de configuraţie ai mecanismului de control al întârzierii cap-la-cap, precum şi parametrii QoS influenţaţi de aceştia, utilizaţi pentru obţinerea modelului de performanţă al mecanismelor de control al întârzierii cap-la-cap.

Parametri de configurare Parametri de performanţă Resurse necesare

Parametri QoS

principali

Parametri QoS

secundari • Întârziere cap-la-cap maximă • Mecanismele active

• Gradul de reducere a pierderilor

• Procesor • Memorie (ambele puţin utilizate)

• Întârzierea cap-la-cap

• Rata de pierderi

Tab. 6.1. Sumar al parametrilor caracteristici ai mecanismului de control al întârzierii cap-la-cap

6.2. Mecanisme de control al sincronizării mediilor continue

Sincronizarea intra-flux (intra-stream) se ocupă cu menţinerea relaţiilor referitoare la intervalele dintre DU, impuse de cerinţele de isocronism a achiziţiei/prezentării ale mediilor continue. Astfel, există relaţii de periodicitate între eşantioanele unui flux audio, între pachetele unui flux audio, între cadrele unui flux video necomprimat, sau între cadrele codate tip I ale unui flux video comprimat MPEG transmis pe conexiune separată. Parametrul care caracterizează continuitatea fluxurilor, derivat din întârzierea DU, este variaţia sau jitter-ul întârzierii DU. Definiţia instantanee a jitter-ului întârzierii este de diferenţă între valorile succesive ale întârzierii DU:

DJ(u+1) = D(u+1)- D(u) (6.2)

unde u este numărul de ordine al unităţilor de date.

Mai sunt utilizaţi şi parametri pe termen lung, derivaţi statistic: valoarea medie a jitter-ului întârzierii: )]()1([ uDuDJD −+= (6.3)

şi dispresia jitter-ului întârzierii:

22DJDJJD −=σ (6.4)

Dacă ultimele două forme sunt utilizate în special pentru aprecierea statistică a valorilor jitter-ului întârzierii, necesară activităţilor de monitorizare şi predicţie, forma instantanee este utilă direct activităţilor de control al jitter-ului întârzierii. Deşi pentru două DU succesive valoarea jitter-ului perioadei este aceeaşi cu valoarea jitter-ului întârzierii, pentru limitarea superioară a jitter-ului perioadei la o valoare dată, jitter-ul întârzierii trebuie limitat la o jumătatea acestei valori. Pentru mediile isocrone critic este jitter-ul perioadei, datorită efectului său asupra percepţiei umane a mediilor. Mediile continue necomprimate sunt prin definiţie isocrone. Deoarece sistemul psihoacustic este mai sensibil la pauze sau blocări ale prezentării decât sistemul psihovizual, continuitatea mediului audio este mai critică decât a mediului video. Astfel, nivelurile maxim



acceptabile ale jitter-ului întârzierii audio sunt de ordinul câtorva ms, ceea ce corespunde timpului de achiziţie al câtorva zeci de eşantioane. În schimb, mediul video admite valori ale jitter-ului întârzierii cu un ordin de mărime mai mare, ceea ce corespunde timpului de achiziţie al câtorva cadre video. Tabelul 6.2 prezintă nivelurile maxim acceptabile ale întârzierii cap-la-cap (Dmax.acc), în condiţii de interactivitate, ale jitter-ului perioadei (TJmax.acc) şi ale jitter-ului întârzierii (DJmax.acc), pentru principalele medii informatice.

Medii

Dmax.acc (ms)

TJmax.acc (ms)

DJmax.acc (ms)

Audio, voce 250 10 5 Date (transfer fişiere) 1000 - - Date de timp real 1 - 1000 - - Imagini (browsing) 1000 - - Video (calitate TV) 250 100 50 Video comprimat 250 100 50

Tab. 6.2. Niveluri maxim acceptabile ale întârzierii cap-la-cap, jitter-ului perioadei şi jitter-ului întârzierii Fenomenele care pot apărea ca efect al jitter-ului, în lipsa oricărui control, sunt suprapunerea şi eventual inversarea ordinii prezentărilor. Soluţia tipică este netezirea jitter-ului întârzierii prin introducerea unui buffer în care DU pot aştepta momentul prezentării la nivelul superior. Deoarece aşteptarea în buffer duce la creşterea întârzierii introduse de nivelul curent şi astfel la creşterea întârzierii totale a DU, lungimea buffer-ului este limitată de întârzierea maximă pe care o poate introduce nivelul curent. În general, buffer-ele de netezire reduc în aceeaşi măsură şi valorile pozitive (critice) şi pe cele negative ale jitter-ului întârzierii. Lungimea maximă a buffer-ului, care determină valoarea maxim pozitivă şi valoarea maxim negativă a netezirii jitter-ului întârzierii, se alege în funcţie de valorile maxime şi minime ale întârzierii DU la nivel inferior, de cerinţa de memorie pe care o presupune implementarea buffer-ului, şi eventual de întârzierea maxim acceptabilă şi de întârzierea maximă la nivel inferior a DU. Se observă faptul că în cazul serviciilor interactive, decizia privind lungimea buffer-ului se ia din considerente complexe, legate atât de resurse (memorie) cât şi de QoS, ultimele legate de 2 atribute (sincronism şi continuitate). Tratarea integrată a atributelor sincronism şi continuitate (proprii serviciilor interactive bazate pe medii continue) este prezentată în figura 6.3.

Control aljitter-uluiîntârzierii

Buffer denetezire ajitter-ului

reconfigurare

DJApp max.adm = DJout

maxconfigurare

depăşire limită superioară

pierdereadatelortardive

cantitate dememorie cerută

DJin max

Dbuff max = 2(DJout

max - DJin max)

depăşire limită inferioară pierdereadatelor

premature

variaţia întârzierii

configurare

modificare

Fig. 6.3. Configurarea şi modul de acţiune al mecanismului de control al jitter-ului întârzierii Soluţia eliminării DU tardive, a căror întârziere depăşeşte valoarea maxim admisibilă corespunzătoare valorii atributului sincronism, se extinde şi pentru DU premature, a căror



întârziere este sub valoarea minim admisibilă, corespunzătoare lungimii buffer-ului de netezire a jitter-ului întârzierii. Efectul individual al controlului întârzierii este creşterea ratei de pierderi a DU, prin eliminarea DU tardive, care depăşesc întârzierea maxim acceptabilă (Dout > Dmax.acc). Dacă acest control este extins pentru pregătirea controlului jitter-ului întârzierii, efectul este o şi mai mare creştere a ratei de pierderi a DU, prin eliminarea DU premature. În general, jumătate din buffer este dedicată DU întârziate peste medie, Dout > D out = (Dout

max + Dout

min)/2, şi jumătate DU întârziate sub medie, Dout < D out. Dacă iniţial (la nivel inferior, înaintea aplicării controlului jitter-ului) gama de valori a întârzierii DU este Din ∈ [ D in - DJin max , D in+ DJin

max ], aplicarea corecţiei jitter-ului întârzierii conduce la netezirea (uniformizarea parţială) a întârzierilor, gama de valori posibile pentru întârzieri devenind Dout ∈ [ D out - DJout max, D out + DJ out max]. De asemenea, dacă iniţial gama de valori a jitter-ului întârzierii DU este DJin∈ [ -DJin max , DJin max ], aplicarea corecţiei jitter-ului întârzierii conduce la netezirea (uniformizarea parţială) a întârzierilor, gama de valori posibile pentru jitter-ul întârzierii devenind DJout ∈ [ -DJout max , DJout max ]. Întârzierea maximă introdusă de mecanism este egală diferenţa dintre valorile maxime ale jitter-ului înainte şi după aplicarea netezirii: Dsupp

max. = DJin max - DJout max (6.5) Un prim criteriu de alegere a dimensiunii buffer-ului Sbuff este testarea admisiei din punct de vedere al capacităţii de stocare: Sbuff

max. = S max.avail (6.6)

unde S max. avail este cantitatea de memorie maxim disponibilă pentru buffer. Al doilea criteriu de alegere a dimensiunii buffer-ului Sbuff este asigurarea nedepăşirii valorii maxime reziduale a jitter-ului întârzierii (verificarea parametrului QoS jitter al întârzierii) (DJout max):

Sbuffmin = 2(DJin max - DJout max) / R in (6.7)

unde R in este rata de transfer medie la intrarea în buffer-ul de netezire a jitter-ului. Alegerea lungimii buffer-ului, care rezultă din relaţiile (6.6) şi (6.7) reprezintă un compromis QoS-resurse. O variantă a mecanismului de netezire (corecţie) a jitter-ului întârzierii bazat pe buffer de aşteptare a prezentării, este mecanismul bazat pe buffer elastic (EB). Lungimea buffer-ului elastic este variabilă, caracteristică utililă fie pentru stabilirea unui compromis între resurse şi calitatea serviciilor în faza stabilirii serviciului (mai precis a negocierii nivelurilor QoS), fie pentru adaptarea la degradări ale QoS în faza desfăşurării serviciului (mai precis a menţinerii nivelurilor QoS). Mecanismul buffer-ului elastic, spre deosebire de cel al buffer-ului fix, necesită existenţa predicţiei în faza de negociere a QoS şi a monitorizării în faza de menţinere a QoS, surplusul de complexitate fiind neneglijabil. Predicţia, respectiv monitorizarea, trebuie să determine jitter-ul introdus de nivelurile inferioare (în special de reţea). In tabelul 6.3 sunt prezentaţi parametrii de performanţă şi de configuraţie ai mecanismului de control al jitter-ului întârzierii, precum şi parametrii QoS influenţaţi de aceştia, utilizaţi pentru obţinerea modelului de performanţă al mecanismelor de control al jitter-ului întârzierii.



Parametri de configurare Parametri de performanţă Resurse necesare

Parametri QoS

principali

Parametri QoS secundari

• Jitter al întârzierii maxim • Mecanismele active

• Gradul de reducere a variaţiei întârzierii

• Procesor • Memorie (buffer de egalizare a întârzierilor)

• Variaţia întârzierii cap-la-cap

• Întârzierea cap-la-cap • Rata de pierderi

Tab. 6.3. Sumar al parametrilor caracteristici ai mecanismului de control al jitter-ului întârzierii

6.3. Mecanisme de control al sincronizării între medii

Sincronizarea inter-media, cu cazul particular cel mai important - sincronizarea inter-flux (inter-stream), se ocupă cu menţinerea relaţiilor temporale între medii (fluxuri), impuse de cerinţele de sincronizare a achiziţiei/prezentării datelor mai multor medii (fluxuri). Exemple de astfel de relaţii inter-flux sunt cele dintre: fluxurile audio şi video (lip synchronization = sincronizarea mimică-voce); subfluxurile formate din cadre video comprimate progresiv JPEG transmise pe conexiuni separate, subfluxurile formate din cadre video comprimate MPEG (I, P, şi B) transmise pe conexiuni separate, etc. Alte exemple de relaţii inter-media sunt cele dintre: fluxurile audio şi text (sinteză vocală); fluxurile audio şi imagini (prezentări de transparente sau diapozitive); fluxurile video şi text (subtitluri sincronizate cu imagini). Tabelul 6.4 prezintă sintetic nivelurile corespunzătoare regiunilor tolerabile ale alunecării diverselor tipuri de medii.

Medii cuplate Mod de cuplare (aplicatie) QoS animatie corelate +/- 120 ms audio (lyp synchronization) +/- 80 ms

video imagine suprapuse +/- 240 ms nesuprapuse +/- 500 ms text suprapuse +/- 240 ms nesuprapuse +/- 500 ms animatie evenimente corelate +/- 80 ms strâns cuplate (stereo) +/- 11 �s audio slab cuplate (dialog) +/- 120 ms

audio slab cuplate (muzica de fond) +/- 500 ms imagine strâns cuplate (muzica si note) +/- 5 ms slab cuplate (slide-uri cu audio asociat) +/- 500 ms text (text adnotat) +/- 240 ms pointer corelate - 500 ms .. + 750 ms

Tab. 6.4. Nivelurile tolerabile ale alunecării între diverse tipuri de medii Aplicaţiile multimedia complexe cuprind mai mult decât două medii care trebuie sincronizate simultan. Dacă este furnizat (specificat) un set de cerinţe de sincronizare între diferite medii, procedura de determinare a relaţiilor temporale între toate perechile de medii posibile este următoarea: • sunt calculate toate cerinţele derivate privind relaţii temporale, prin compunere din setul

iniţial de cerinţe, ca sume ale valorilor cerinţelor iniţiale; • este determinat setul celor mai restrictive cerinţe, eliminându-se cerinţele mai largi atunci

când rezultă mai multe cerinţe privind aceleaşi relaţii temporale. Procedura permite în plus determinarea cerinţelor cele mai restrictive atunci când aplicaţia impune un set de cerinţe asupra sistemului multimedia.



Luând exemplul unei aplicaţii de prelucrare în echipă (CSCW) conţinând: flux video (V), flux audio (A), text (T), considerăm specificate cerinţele: • alunecarea între video si audio: -80 … +80 ms (a) • alunecarea între video si text: -500 … +500 ms (b) • alunecarea între audio si text: -240 … +240 ms (c) Relaţiile derivate prin însumare rezultă: • din (a) si (b), alunecare între audio si text: -580 … +580 ms (d) • din (a) si (c), alunecare între video si text: -320 … +320 ms (e) • din (b) si (c): alunecare între video si audio: -740 … +740 ms (f) Relaţiile complete, obţinute ca minim sunt: • din (a) si (f), alunecarea între audio si text: -80 … +80 ms (a’) • din (b) si (e), alunecare între video si text: -320 … +320 ms (b’) • din (c) si (d), alunecare între video si audio: -240 … +240 ms (c’) Se observă faptul că astfel se obţin cerinţe privind alunecarea dintre video şi text mai stricte decât cele specificate direct. Pentru controlul alunecării fluxurilor media, soluţia cea mai simplă ar fi multiplexarea fluxurilor media cuplate într-un flux unic la nivel transport, care însă impune tratarea uniformă a unor fluxuri cu caracteristici (parametri QoS) diferite. Tratarea uniformă impune însă luarea în considerare a caracteristicii celei mai restrictive a combinaţiei, ceea ce duce la ineficienţa utilizării resurselor, sau chiar la imposibilitatea asigurării necesarului acestora. Serviciile distribuite la rândul lor, pot utiliza doar o parte dintre fluxurile multiplexate, ceea ce duce din nou la ineficienţa utilizării, sau chiar la imposibilitatea asigurării necesarului resurselor. De aceea, au fost propuse mai multe soluţii de tratare distinctă a fluxurilor media cuplate, care pot fi grupate în două mari categorii: controlul alunecării fluxurilor la sursă şi controlul alunecării fluxurilor la destinaţie. Fiecare categorie are o serie de avantaje şi de dezavantaje, opţiunea privind utilizarea uneia dintre soluţii depinzând de atributele serviciului.

Buffer video Transferprin reţea

Sursăvideo

PrezentarevideoBuffer video

Buffer audio Transferprin reţea

Sursăaudio

PrezentareaudioBuffer audio

Control alalunecării

Reducerea diferenţelor

Fig. 6.4. Modul de acţiune al mecanismului de control la sursă al alunecării fluxurilor Ambele categorii de soluţii de control al alunecării fluxurilor media se bazează pe utilizarea unor buffer-e de aşteptare în vederea transmiterii (varianta controlului la sursă) sau a prezentării (varianta controlului la destinaţie).



Buffer video Transferprin reţea

Sursăvideo

PrezentarevideoBuffer video

Buffer audio Transferprin reţea

Sursăaudio

PrezentareaudioBuffer audio

Control alalunecării

Reducereadiferenţelor

Fig. 6.5. Modul de acţiune al mecanismului de control la destinaţie al alunecării fluxurilor Controlul alunecării fluxurilor media la sursă presupune utilizarea unor mesaje de la destinaţie către sursă, ceea ce măreşte timpul de reacţie. La sursă, se poate decide întârzierea suplimentară a unuia dintre fluxuri (de regulă cel mai puţin important din punct de vedere al jitter-ului - video în exemplul din figura 6.4). De asemenea, se poate decide eliminarea unei porţiuni din datele stocate în vederea transmisiei. Controlul alunecării fluxurilor media la destinaţie conduce la obţinerea unui timp de reacţie mai bun, dar în cazul utilizării eliminării unor date, transferul în prealabil al acestora reduce eficienţa transferului. Aşadar, alegerea locului în care va acţiona mecanismul de control al alunecării fluxurilor media presupune un compromis.



Cap. 7. Mecanisme de reducere a ratei de erori/pierderi

Pe lângă pierderile de informaţie inerente majorităţii mecanismelor de compresie, erorile şi pierderile de date apărute prin transfer, prelucrare sau aşteptare pot degrada mediile înainte de prezentare. Acestea au o primă cauză în erorile de transfer, care se pot transforma în pierderi de unităţi de date dacă mecanismele de detecţie a erorilor nu pot determina gradul de degradare. Alte cauze pot fi întârzierea dincolo de anumite limite, astfel încât datele devin inutile, sau eliminarea în mod voit a unor date din diferite motive, în general legate de lipsa unor resurse. Tehnicile de reducere a efectelor erorilor se aplică la diferite niveluri ierarhice ale comunicaţiei. Principalele tipuri de soluţii utilizabile la nivel transport şi în subsistemul aplicaţie sunt: retransmisia, codurile corectoare, protecţia selectivă, tehnicile de îmbunătăţire. Ele pot fi folosite individual sau în scheme mixte.

Retransmisia datelor (ARQ = Automatic Repeat Request), realizată prin adăugarea unor numere de secvenţă (SN = Sequence Number) pachetelor la creare şi retransmiterea pachetelor nesosite la destinaţie. În varianta neselectivă (GBN = Go-Back-N) se retransmit toate pachetele din fereastra temporală care începe cu pachetul pierdut şi se termină cu pachetul curent sosit, iar în varianta selectivă (S-ARQ = Selective-ARQ) se retransmit doar pachetele pierdute. Metoda provoacă întârzieri suplimentare, retransmisia adăugând un timp cel puţin egal cu timpul dus-întors (figura 7.1), fiind de aceea inadecvată în majoritatea aplicaţiilor cu constrângeri de timp real. O soluţie de diminuare a acestui efect poate fi transmiterea prioritară a confirmărilor/datelor retransmise. În plus, cerinţele de stocare pot fi mult mai mari decât în lipsa retransmisiei, deoarece la transmisie, pe lângă datele care aşteaptă transmisia se mai află şi date care aşteaptă confirmarea, iar la recepţie, pe lângă datele care aşteaptă prezentarea se mai află şi date care aşteaptă retransmisia (figura 7.1).

Buffer transmisie Transferprin reţea

Sursă PrezentareBuffer recepţie

Detecţiaerorilor/pierderilor

Confirmare recepţie (ACK) sauCerere retransmisie (NACK)

Date care aşteaptătransmisia + confirmarea

Date care aşteaptăretransmisia + prezentarea

Fig. 7.1. Modul de acţiune al mecanismelor de retransmisie a datelor eronate/pierdute

Şi necesarul global de rată de transfer este mărit, prin adăugarea confirmărilor şi retransmisiilor la traficul normal. În fine, detecţia erorilor/pierderilor, precum şi mecanismele confirmărilor şi retransmisiei necesită o putere de calcul relativ redusă, dar neneglijabilă, iar întârzierile de prelucrare măresc şi ele întârzierea de transfer cap-la-cap la nivel aplicaţie. Un sumar al parametrilor de performanţă şi de configuraţie ai mecanismelor de retransmisie, al resurselor necesare, precum şi parametrii QoS influenţaţi de acestea, sunt prezentate în tabelul 7.1.

Parametri de configurare Parametri de performanţă

Resurse necesare

Parametri QoS

principali

Parametri QoS secundari

• Modul de confirmare (pozitivă-ACK / negativă NACK) • Selectivitate şi eventual dimensiune fereastră • Mod şi parametri detecţie

• Gradul de reducere a efectului erorilor/ pierderilor

• Procesor (în special detecţia) • Memorie (buffer-e aşteptare)

• Rata de erori/ pierderi

• Întârzierea cap-la-cap (retransmisie şi prelucrări) • Rata de transfer

Tab. 7.1. Parametri caracteristici ai mecanismelor de retransmisie a datelor eronate/pierdute



Schemele de protecţie la erori bazate pe coduri convoluţionale sau bloc (FEC = Forward Error Control) pot fi utilizate cu preţul reducerii eficienţei sistemului, deoarece cresc semnificativ cerinţele ratei de transfer. Metodele se bazează pe adăugarea unor coduri redundante la transmisie, utilizate la recepţie pentru detecţia şi corecţia erorilor/pierderilor. Cerinţele de memorie cresc aproximativ în aceeaşi proporţie cu cele privind rata de transfer, datorită necesităţii stocării datelor suplimentare (figura 7.2). Cerinţele de prelucrare pot fi mai mari decât în cazul retransmisiei, deoarece pe lângă detecţie trebuie realizată şi corecţia (figura 7.2). Întârzierile de prelucrare înrăutăţesc întârzierea de transfer cap-la-cap la nivel aplicaţie.



Construcţia datelorcorectoare redundante

Date originale + dateredundante corectoare

Date originale + redundantedupă transfer şi după corecţie

Utilizarea datelorcorectoare redundante

Fig. 7.2. Modul de acţiune al mecanismelor de codare pentru corecţia erorilor/pierderilor Un sumar al parametrilor de performanţă şi de configuraţie ai mecanismelor de codare pentru corecţia erorilor/pierderilor, al resurselor necesare, precum şi parametrii QoS influenţaţi de acestea, sunt prezentate în tabelul 7.2.

Parametri de configurare

Parametri de performanţă Resurse necesare Parametri QoS

principali Parametri QoS

secundari • Tipul de cod • Lungimea codului


• Procesor (construcţia şi utilizarea datelor redundante) • Memorie (buffer-e date redundante)


• Întârzierea cap-la-cap (prelucrări puternice) • Rata de transfer

Tab. 7.2. Parametri caracteristici ai mecanismelor de codare pentru corecţia erorilor/pierderilor Protecţia selectivă a datelor în funcţie de importanţa lor perceptuală în reconstrucţia semnalului original, este avantajată de anumite tipuri de compresie şi/sau de strategii speciale de impachetare. Deoarece în schemele de impachetare specială sunt construite concomitent mai multe pachete, aceste scheme adaugă întârzieri de aşteptare, şi conduc la creşterea cerinţelor de memorie (figura 7.3). Totuşi, impachetarea necesită o putere de calcul foarte redusă, iar cerinţele privind rata de transfer nu sunt în general mărite semnificativ.



Construcţiapachetelor

Datele mai multor pacheteconstruite concomitent

Datele mai multor pacheteextrase concomitent

Extragerea datelordin pachete

Fig. 7.3. Modul de acţiune al mecanismelor de impachetare specială Un sumar al parametrilor de performanţă şi de configuraţie ai mecanismelor de impachetare specială, al resurselor necesare, precum şi parametrii QoS influenţaţi de acestea, sunt prezentate în tabelul 7.3.






secundari • Tipul de impachetare • Lungimea pachetelor • Numărul pachetelor construite concomitent


• Procesor (prelucrări reduse) • Memorie (buffer pentru toate pachetele construite concomitent)


• Întârzierea cap-la-cap (aşteptare construcţie + extragere)

Tab. 7.3. Parametri caracteristici ai mecanismelor de impachetare specială Îmbunătăţirea calităţii finale la nivelul aplicaţie şi al codorului sursei, bazată pe detecţie şi refacere parţială, este în general limitată şi contribuie la creşterea întârzierii de prelucrare. Cunoscută sub numele de compensare parţială a erorilor la destinaţie (EC = Error Concealment), ea este dependentă de tipul de semnal şi de algoritmul utilizat şi avantajată de strategii speciale de impachetare. Datorită asocierii foarte stricte a algoritmilor de refacere parţială cu algoritmii de compresie, nu se poate utiliza la fel de eficient acelaşi algoritm de refacere pentru doi algoritmi diferiţi de compresie. Se elimină asftel duratele de retransmisie sau informaţia redundantă reprezentată de codurile corectoare (figura 7.4). Deşi creşte durata de prelucrare la recepţie, se obţine un câştig al performanţei globale. O caracteristică importantă a mecanismelor de îmbunătăţire a calităţii este asimetria, cea mai mare parte a prelucrărilor fiind efectuate la recepţie. La transmisie sunt efectuate eventual operaţii necesare detecţiei erorilor/pierderilor (codare sau marcare).

Transferprin reţea

PrezentareBuffer recepţie

Datele recepţionate şiîmbunătăţite

Îmbunătăţireainformaţiei

Buffertransmisie

Sursă

Date de transmis

Fig. 7.4. Modul de acţiune al mecanismelor de îmbunătăţire a calităţii Ca şi în cazul impachetarii, cerinţele privind rata de transfer nu sunt în general mărite semnificativ de îmbunătăţirea calităţii. Un sumar al parametrilor de performanţă şi de configuraţie ai mecanismelor de îmbunătăţire a calităţii, al resurselor necesare, precum şi parametrii QoS influenţaţi de acestea, sunt prezentate în tabelul 7.4.




secundari • Algoritmul • Lungimea codului


• Procesor (prelucrări puternice doar la recepţie) • Memorie (buffer-e doar la recepţie)


• Întârzierea cap-la-cap (prelucrări puternice)

Tab. 7.4. Parametri caracteristici ai mecanismelor de îmbunătăţire a calităţii

disciplina: comunicatii de banda larga si multimedia ...etti.poly.ro/cursuri/anul...

Documents