TECNOLOGÍAS DE RED AVANZADAS – Master IC 2008-2009 – Técnicas para la difusión de vídeo 1. Introducción. 2. Control.

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1 TECNOLOGÍAS DE RED AVANZADAS – Master IC 2008-2009 – http://www.grc.upv.es/docencia/tra/ Técnicas para la difusión de vídeo 1. Introducción. 2. Control de flujo. 2.1 Cuantización variable 2.2 Resolución reducida 2.3 Codificación multinivel 3. Técnicas de transcodificación. 4. Protección y ocultación de errores. 5. Conclusiones. Bibliografía [SAD02] “Compressed video communications” [FLU95] "Understanding networked multimedia“

2 TECNOLOGÍAS DE RED AVANZADAS – Master IC 2009-2010 Introducción.  Desde el punto de vista de la red: Un stream de vídeo ha de ser “paquetizado” para su transporte. La pérdida de paquetes implica una degradación de la calidad de vídeo que observa el destinatario. Es por ello que resulte de interés el estudio de técnicas que protejan el vídeo en su viaje al destino y que los errores detectados puedan ser “ocultados” al usuario final  Video resilience.  Desde el punto de vista del transporte de vídeo en sistemas y redes heterogéneos: Interoperabilidad de distintos codecs con bitstreams incompatibles en la red  heterogeneous transcoding. Posibilidad de cambiar los parámetros de codificación (i.e. bitrate) de un mismo codec  homogeneous transcoding.  Desde el punto de vista de la aplicación: Las redes (i.e. Internet) tienen un comportamiento muy variable e impredecible en relación al ancho de banda disponible. Por ello, con el fin de optimizar el uso de recursos disponibles en la red y maximizar la calidad de vídeo entregada al destinatario, se requieren mecanismos de control de flujo extremo-a-extremo. 2

3 TECNOLOGÍAS DE RED AVANZADAS – Master IC 2009-2010 2. Control de flujo.  Las técnicas de control de flujo deberán regular el bitrate de salida para conseguir la mejor relación calidad/productividad.  El control de flujo es una herramienta que al mismo tiempo nos permite prevenir situaciones de congestión en la red.  Para que un sistema de control de flujo funcione es necesario obtener de la red información acerca del ancho de banda disponible en cada momento (i.e. RTCP receiver reports ).  Existen diferentes formas de realizar un control de flujo: Cuantización variable (Variable-quantization) Resolución reducida (Reduced resolution) Codificación multinivel (Multi-layer coding) Etc.. 3

4 TECNOLOGÍAS DE RED AVANZADAS – Master IC 2009-2010 Variabilidad del bitrate.  Todos los estándares de compresión de vídeo producen de forma natural un bitstream con tasa de bits variable. Se fija el valor de “Qp” para obtener una calidad constante. Por contra, se puede variar el Qp (MB, GOB o Frame) para conseguir una tasa de bits constante a costa de una variabilidad en la calidad.  La variabilidad viene fijada por la actividad espacial y temporal de la secuencia de vídeo: Un MB de un cuadro P, no se codifica si es muy similar al MB del cuadro de referencia. Dependiendo de la cantidad de movimiento en la escena, el número de MB que NO se codifican varía  Variando también el bitrate. La correlación entre los pixels de un bloque de 8x8, dicta el número de bits necesario para codificar los 64 coeficientes resultantes de la transformada. Junto con el valor de Qp determinará el número de coeficiente nulos que aparecen y que posteriormente serán codificados con VLC en flujos bits de tamaño variable. 4

5 TECNOLOGÍAS DE RED AVANZADAS – Master IC 2009-2010 Variabilidad del bitrate (II).  Parámetros de longitud fija y variable en un stream de vídeo H.263 La contribución de los parámetros de longitud variable en el bitrate final es mucho mayor que los de longitud fija, a pesar de ser menos. Codes LayersVariable lengthFixed length PictureBit stuffingESTUF, PSTUFSynchronization Addresing Quant. step size Administrative Spare PSC(22), ECS(22) TR(8), TRB(3) PQUANT(5),DBQUANT(2) PTYPE(13),CPM(1),PSBI(2) PEI(1), PSPARE(8) Group of Blocks Bit StuffingGSTUFSynchronization Addresing Administrative Quant. step size GBSC(17) GN(5) GSBI(2), GFID(2) GQUANT(5) MacroblockAdministrative Motion MCBPC,MODB, CBPY MVD, MVD2-4, MVDB Administrative Quant. step size COD(1), CBPB(6) DQUANT(2) BlockDCT Coefficients (except Intra DC terms) TCOEFFDC terms of Intra DCT Coeff. INTRADC(8) 5

6 TECNOLOGÍAS DE RED AVANZADAS – Master IC 2009-2010 Tasa de bits constante.  Cuando al red ofrece un servicio de transporte de tipo CBR (i.e ATM), entonces podremos utilizar un control de flujo que proporcione una tasa de bits constante.  Es necesario incluir un buffer entre el encoder y la red para suavizar las fluctuaciones del bitrate. Almacenar el video antes de enviarlo aumenta el retardo total, siendo no aconsejable para servicios de entrega de vídeo interactivo.  La técnica más común para controlar el flujo de salida del encoder es ajustar sus parámetros de configuración en función de la ocupación del buffer (feedback control).  Por otro lado, también podemos regular el flujo con información acerca de la actividad del frame actual (feed- forward). 6 Source Encoder Buffer Modify Encoder Params. Input Picture activity Buffer status Output

7 TECNOLOGÍAS DE RED AVANZADAS – Master IC 2009-2010 Ajuste de parámetros de codificación.  Al controlar de flujo de salida de un encoder se debe llegar a un compromiso entre la calidad y la tasa de compresión.  Cuando se trata de encoders basados en transformada por bloques, podemos jugar con varios parámetros: Tasa de cuadros (frame rate)  Sólo usado cuando la calidad de cada cuadro no puede degradarse. Codificar sólo una parte del bloque de coeficientes (i.e. solo coeff. de baja frecuencia). El coeff. DC siempre debe estar presente. Cuando la información del movimiento es más importante que el detalle espacial  Mantener la tasa de cuadros y modificar el parámetro de cuantización Qp. Incrementando Qp se obtendrán mas coeff. nulos, reduciendo los bits necesarios para codificar el bloque usando VLC El ajuste de Qp se puede hacer a nivel de un cuadro, GOB o MB. Umbral de detección de movimiento. Decide si un MB en un cuadro P es codificado o saltado (COD=1) Si aumentamos el umbral  el encoder se hace menos sensible al movimiento  Pocos MB se codifican  Reducimos la tasa de bits. Umbral de codificación INTRA de un MB. Decide si un MB es codificado como INTRA (Mayor tasa de bits) o INTER. 7

8 TECNOLOGÍAS DE RED AVANZADAS – Master IC 2009-2010 2.1 Cuantización variable.  El mecanismo de control de flujo más utilizado es: Ajuste del valor de Qp del siguiente cuadro, GOB o MB, basándose en la ocupación actual del buffer (estado de la red).  Sin embargo, estos mecanismos ofrecen resultados no predecibles y/o fluctuaciones severas del bitrate: Los distintos umbrales de cuantización (valores Qp) no afectan de forma lineal al bitrate de salida El contenido de vídeo puede afectar a la cantidad de bits necesarios para codificar un frame.  Para producir un bitrate estable es necesario emplear algoritmos más complejos, incorporando en muchos casos tanto feedback (buffer-based) como feed-forward control.  Un ejemplo: TM5 Rate control algorithm (MPEG-2, H.263, …)  Buffer-based http://www.mpeg.org/MPEG/MSSG/tm5/Overview.html 8

9 TECNOLOGÍAS DE RED AVANZADAS – Master IC 2009-2010 TM5 rate control algorithm (I).  Mecanismo que controla el bitrate calculando de forma adaptativa el valor de Qp para cada MB.  Tres pasos: Paso 1: Estimación de la tasa de bits objetivo para el siguiente cuadro. Se realiza antes de codificar el cuadro Estima de la complejidad global, X, del siguiente cuadro (I, P o B) donde S indica el número de bits requeridos para codificar el cuadro anterior, y Q es el valor de cuantización medio de todos los MBs El número de bits para el siguiente cuadro, T, se calcula en base al número de bits disponible para el resto del GOP actual, R, y a la complejidad. R se actualiza tras codificar cada frame (inicialmente R = 0) –Si es el primer cuadro de un GOP (INTRA o I-frame): donde N p,b es el número de cuadros P y B que faltan por codificar en el GOP –Sino (cuadros P y B) 9

10 TECNOLOGÍAS DE RED AVANZADAS – Master IC 2009-2010 TM5 rate control algorithm (II). Paso 2: Cálculo del valor Qp de referencia para todos los MBs del cuadro (rate control) Esta basado en la idea de un buffer virtual. Antes de codificar el MB j (j>= 1), se calcula el nivel de llenado del buffer virtual (del cuadro actual I, P o B). d 0 es el valor inicial de llenado del buffer B j es el número de bits generados al codificar los MBs del cuadro hasta el MB j (incluido este) d j es el valor de llenado del buffer al codificar el MB j El valor final del buffer virtual (d j i,p,b cuando j=MB_Cnt) se utiliza como valor de llenado inicial para el siguiente cuadro del mismo tipo. A continuación se calcula el valor de referencia del cuantizador Q j para MB j : Paso 3: Determinación del valor del cuantizador (mquant j ) de MB j. Cálculo de la actividad espacial de MB j : –Usando el valor de los pixels originales de los cuatro bloques de 8x8 de luminancia (n=1..4) y los cuatro bloques de 8x8 de luminancia de los pixels organizados por campos (n=5..8) 10

11 TECNOLOGÍAS DE RED AVANZADAS – Master IC 2009-2010 TM5 rate control algorithm (III). P k n son los valores de los pixels en el enésimo bloque de 8x8 Vblk n corresponde a la varianza de los pixels del enésimo bloque de 8x8 Act j es la actividad espacial del MB j A continuación se normaliza la actividad espacial: avg_act es el valor medio de act j en el último cuadro codificado (para el primer cuadro se asigna el valor de 400). Por último, calcula el valor del cuantizador (mquant j ) para MB j : El valor de mquant j se recorta para que entre en el intervalo [1,31] y se utilice como valor de cuantización de MB j. 11

12 TECNOLOGÍAS DE RED AVANZADAS – Master IC 2009-2010 Feed-forward rate control. 12  En feed-forward el parámetro de cuantificación se calcula en función de los bits necesarios para codificar el error de predicción del cuadro actual.

13 TECNOLOGÍAS DE RED AVANZADAS – Master IC 2009-2010 2.2 Control de flujo: Resolución reducida.  Para aplicaciones donde se requieren bajas tasas de bits y no es suficiente con la cuantificación variable.  Submuestrear cada macrobloque de error antes de codificarlo y realizar la operación inversa (interpolando) en el decodificador. 13

14 TECNOLOGÍAS DE RED AVANZADAS – Master IC 2009-2010 2.2 Control de flujo: Resolución reducida (2).  Ejemplo de decodificador H.263 con procesamiento de resolución reducida 14

15 TECNOLOGÍAS DE RED AVANZADAS – Master IC 2009-2010 2.3 Control de flujo: Codificación multinivel.  El stream de salida esta formado por un número de codificaciones a distintos niveles de tasa de bits, cuadros por segundo y/o resolución.  Nivel Básico + Niveles de mejora.  Ejemplo H.261 con dos niveles sobre ATM (1992) Básico a muy baja tasa de bits Mejora  diferencias con original  Ejemplo H.263 con dos niveles (1999) Básico  QCIF a f/s Mejora  CIF a 2 x f/s  MPEG-4 soporta multinivel 15

16 TECNOLOGÍAS DE RED AVANZADAS – Master IC 2009-2010 2.3 Control de flujo: Codificación multinivel (2).  Ejemplo de MPEG-4, escalabilidad temporal, Qp=cte 16

17 TECNOLOGÍAS DE RED AVANZADAS – Master IC 2009-2010 3. Transcodificación.  Operaciones necesarias para la conversión de un stream de vídeo comprimido de unas características a otras (homogénea) o de una sintaxis a otra (hetereogénea). 17

18 TECNOLOGÍAS DE RED AVANZADAS – Master IC 2009-2010 Transcodificación Homogénea.  Reducción de bitrate, frame rate y/o resolución sin cambiar el formato (sin cambios de sintaxis)  Ejemplos: Multi-videoconferencia, VoD  Diferencia con utilizar decodificador+codificador en cascada 18

19 TECNOLOGÍAS DE RED AVANZADAS – Master IC 2009-2010 Transcodificación Homogénea (2).  Reducción del bitrate: Requantización escalar Requantización vectorial (LVQ), mayor calidad pero incompatible con MPEG Transcodificación de bucle abierto Transcodificador mejorado 19

20 TECNOLOGÍAS DE RED AVANZADAS – Master IC 2009-2010 Transcodificación Homogénea (3).  Reducción del framerate: Eliminación de frames  recalcular vectores de movimiento 20

21 TECNOLOGÍAS DE RED AVANZADAS – Master IC 2009-2010 Transcodificación Homogénea (4).  Reducción de la resolución: Filtro de submuestreo Ejemplo: CIF  QCIF cada cuatro MB pasan a uno Submuestreo en DCT 21

22 TECNOLOGÍAS DE RED AVANZADAS – Master IC 2009-2010 Transcodificación Hetereogénea.  La transcodificación de vídeo hetereogénea es un algoritmo que realiza conversiones de la sintaxis de vídeo en el dominio comprimido. Ajuste de las cabeceras de los frames Traducción de los datos de vídeo de una sintaxis a otra. Ajustes de los bits de relleno para cumplir los requisitos de sincronización de los distintos estandares. 22

23 TECNOLOGÍAS DE RED AVANZADAS – Master IC 2009-2010 4. Protección y ocultación de errores.  Los datos de vídeo codificados son muy sensitivos a la pérdida de información y a los errores de bit del canal.  La calidad del video se degrada enormemente ante canales de altos BER a no ser que empleemos mecanismos de control de errores.  Las predicciones espacial y temporal de las secuencias de vídeo aumentan la vulnerabilidad.  Esquemas de gestión de errores deben situarse en codificador y decodificador  No es factible la retransmisión del vídeo erróneo debido a los requisitos de tiempo real 23

24 TECNOLOGÍAS DE RED AVANZADAS – Master IC 2009-2010 4. Protección y ocultación de errores (2).  Técnicas de ocultación de errores. Sólo interviene el decodificador en el control de errores. El codificador no añade redundancia. El decodificador trata de aprovechar la información que ya tiene libre de errores de la secuencia de video ya recibida para realizar una recuperación aproximada. 24 (a)Sin ocultación (b)Zero-MV (c)MV del frame anterior (d)MV del frame anterior que mejor se mueve en la dirección del MV perdido

25 TECNOLOGÍAS DE RED AVANZADAS – Master IC 2009-2010 4. Protección y ocultación de errores (3).  Técnicas de protección de errores (en el codificador). Inserción de códigos de corrección de errores. Normalmente se aplican a los códigos de longitud fija y se combinan con otras técnicas Duplicación de los vectores de movimiento. Refresco INTRA Refresco INTRA adaptativo (AIR) 25 AIR – Dos bloques INTRA en cada cuadro

26 TECNOLOGÍAS DE RED AVANZADAS – Master IC 2009-2010 5. Conclusiones.  Las técnicas de control de flujo nos permiten cambiar los parámetros de calidad para conseguir un bitrate deseado  Las técnicas de transcodificación nos permiten convertir streams de vídeo para adecuar las necesidades del receptor y del ancho de banda de la red.  Las secuencias de vídeo codificado son muy sensibles a los errores. Se pueden utilizar técnicas de ocultación de errores en el decodificador y codigos de redundancia y aumento de bloques intra en el codificador. 26