Моделирование телекоммуникационных сетей и систем

 

 

Современные системы цифровой передачи видео. Стандарт MPEG-2.

 

Передача  изображения всегда предъявляла  повышенные требования к пропускной способности канала, так как человеческий глаз с информационной точки зрения несравненно совершеннее уха. Хотя передача неподвижного изображения  была реализована более 100 лет назад, а в 1910 году заработала первая международная  факсимильная связь Берлин-Париж-Лондон, до 60-х годов XX века рынок факсимильной аппаратуры был ограничен. А стандарт CCITT  1968 года на факсимильное оборудование, которое было способно передавать страницу за 6 минут при разрешении 3.85 линий на мм. – почти ровесник Internet (с 1969 года начал работать ARPANET, и был издан документ  RFC-1).

Известно, что для корректной передачи цвета  требуется 16 миллионов оттенков (8 бит  на каждую из трех цветовых компонент). Нормальный формат телевидения имеет 625-525 строк развертки по 720 пикселей и частоту кадров 25-30 в секунду (это один из стандартов). Таким образом, для описания картинки на экране, содержащей 525-625 линий по 720 пикселей, требуется  примерно 1,134-1,35 Мбайт=9-10,8Мбит. При темпе 25-30 кадров в секунду это даст 225-324 Мбит/с. Приемлемое снижение цветового  разрешения до 16 бит на пиксель в  лучшем случае позволит «впихнуть» телевизионный  канал в STM-1. Поэтому проблема сжатия передаваемой информации является в цифровой передаче видео ключевой.

Стандарты для представления и передачи неподвижного изображения разрабатывает  Joint Photographic Expert Group (JPEG). Для сжатия графической информации в настоящее время используется следующий подход.

Первым  шагом является преобразование представления  цвета из стандартного RGB в YC_BC_R, где Y = 0.30R+0.59G+0.11B представляет яркость луча, а информация о цветах определяется формулами: С_B=B-Y и C_R= R-Y. Зная величины Y, C_B и С_R, можно восстановить значения R, G и B.  Поскольку установлено, что человеческий глаз больше чувствителен к яркости, чем к оттенкам, шаг дискретизации изображения по C_B и С_R можно сделать меньшим, чем по Y, обычно в 2 раза (720 точек в строке по яркости, и только 360 по оттенкам). В настоящее время используется стандарт CIF (Common Intermediate Format). Для некоторых приложений рекомендовано вдвое более низкое разрешение по каждой из осей (quarter CIF, QCIF). Но и это, даже для сокращенных размеров окна, все еще недостаточно – кодирование CIF с 8 битами на пиксель требует 352´288´(1+1/4+1/4)х30х8 = 36.5 Мбит/с.

При пересылке  движущегося изображения производится сравнение текущего кадра с предшествующим. Если кадры идентичны, никакого информационного  обмена не происходит. Если кадры отличаются лишь смещением какого-то объекта, выявляются границы этого объекта, направление и величина вектора его перемещения. Так как использование индивидуальных векторов перемещения для каждого пикселя слишком расточительно, используется общий вектор для блока пикселей 16*16 по яркости и для соответствующего блока 8*8 по цвету. Точность задания вектора перемещения обычно лежит в пределах ½ пикселя (стандарт MPEG-2). Только эта информация и передается по каналу связи. Выявление движущихся объектов осуществляется путем вычитания изображения двух последовательных кадров. Если бы передавалась всегда только разница кадров, происходило бы накопление ошибок. Кроме того, кодер и декодер содержат прямой и обратный DCT-преобразователь. Если комбинация прямого и обратного DCT-преобразования не приводит к получению исходного объекта, такого рода эффекты могут заметно усилиться. Кроме того, время от времени изображение резко меняется, так что сравнение с предыдущим кадром уже не дает сжатия. Следует также учесть, что при скорости смены кадров десятки в секунду повторная передача искаженных блоков средствами транспортного протокола (например, TCP) бесполезна. Время повторной передачи превосходит время смены кадра по крайней мере в несколько раз. Переданные повторно искаженные данные будут отображены, скорее всего, не там, где следовало бы. Поэтому для передачи видео используют UDP (еще лучше UDP+RTP). Из-за фрагментарного изменения изображения искажения могут задерживаться на экране долго, перемещаться, дублироваться. Использование сжатия приводит к размножению ошибок. Наконец, при просмотре записанного фильма обременительно было бы при сдвиге по ходу фильма выполнять декодирование с самого начала. Для исключения этого время от времени производится передача непосредственно видеосигнала (опорного кадра).

Нисколько не проще система передачи и мультиплексирования  потока видео данных, который содержит помимо обычной информации описания формы движущихся объектов, векторы  перемещения, коэффициенты дискретизации  и многое другое. Схема передачи графической информации имеет 4-х  уровневую, иерархическую структуру. Передача каждого кадра изображения  начинается с 20-битного кода PSC (Picture Start Code, эта сигнатура позволяет выделить начало кадра изображения в общем потоке), далее следует 5-битовый код TR (Temporal Reference, временная метка, которая позволяет поместить соответствующую часть изображения в правильную точку экрана).

Перспективы систем цифровой передачи видео. Стандарты MPEG-4 и MPEG-7.

Дальнейшим  развитием стандартов MPEG-1 и MPEG-2 является стандарт MPEG-4 ISO/IEC разработанный комитетом MPEG (Moving Picture Experts Group). Разработка MPEG-4 (в ISO/IEC нотации имеет название ISO/IEC 14496) завершена в октябре 1998. Международным стандартом он стал в начале 1999. Полностью совместимый расширенный вариант MPEG-4 версия 2 был разработан к концу 1999 и стал международным стандартом в начале 2000. Работы над этим документом продолжаются (см. http://sound.media.mit.edu/mpeg4/SA-FDIS.pdf). MPEG-4 предназначен для решения трех проблем:

•Цифровое телевидение;

•Интерактивные  графические приложения (synthetic content);

•Интерактивное  мультимедиа World Wide Web.

Программное обеспечение MPEG-4 может быть получено через сеть по адресу: http://www.citforum.ru/nets/semenov/2/25/www.iso.ch/ittf.Или http://mpeg.telecomitalialab.com/standards/mpeg-4/mpeg-4.htm.

Стандарт MPEG-4 предоставляет стандартизованные  технологические элементы, позволяющие  интеграцию парадигм производства, рассылки и доступа к содержимому в  области цифрового телевидения, интерактивной графики и интерактивного мультимедиа. Он предоставляет технологии для нужд разработчиков, сервис-провайдеров  и конечных пользователей.

•Для  разработчиков, MPEG-4 позволяет создавать  объекты, которые обладают большей  адаптивностью и гибкостью, чем  это возможно сейчас с использованием разнообразных технологий, таких  как цифровое телевидение, анимационная графика WWW и их расширения. Новый  стандарт делает возможным лучше  управлять содержимым и защищать авторские права.

•Для  сетевых провайдеров MPEG-4 предлагает прозрачность данных, которые могут  интерпретироваться и преобразовываться  в приемлемые сигнальные сообщения  для любой сети посредством стандартных  процедур. MPEG-4предлагает индивидуальные QoS-дескрипторы (Quality of Service) для различных сред MPEG-4. Точное преобразование параметров QoS для каждой из сред в сетевые значения QoS находится за пределами регламентаций MPEG-4 (оставлено на усмотрение сетевых провайдеров). Передача QoS-дескрипторов MPEG-4 по схеме точка-точка оптимизирует транспортировку данных в гетерогенных средах.

•Для  конечных пользователей, MPEG-4 предлагает более высокий уровень взаимодействия с содержимым объектов. Стандарт позволяет  транспортировать мультимедиа данные через новые сети, включая те, которые имеют низкую пропускную способностью, например, мобильные.

Стандарт MPEG-4 определяет следующее:

1.Представляет  блоки звуковой, визуальной и  аудиовизуальной информации, называемые "медийными объектами". Эти  медийные объекты могут быть  естественного или искусственного  происхождения; это означает, что  они могут быть записаны с  помощью камеры или микрофона,  а могут быть и сформированы  посредством ЭВМ;

2.Описывает  композицию этих объектов при  создании составных медийных  объектов, которые образуют аудиовизуальные  сцены;

3.Мультиплексирование  и синхронизацию данных, ассоциированных  с медийными объектами, так  чтобы они могли быть переданы  через сетевые каналы, обеспечивая  QoS, приемлемое для природы специфических  медийных объектов; и

4.Взаимодействие  с аудиовизуальной сценой, сформированной  на принимающей стороне.

Аудиовизуальные сцены MPEG-4 формируются из нескольких медийных объектов, организованных иерархически. На периферии иерархии находятся  примитивные медийные объекты –  статические изображения (например, Фон изображения), видео-объекты (например, говорящее лицо – без фона), аудио-объекты (например, голос данного лица) и  т.д.

MPEG-4 предлагает  стандартизованный путь описания  сцен, позволяющий: 

•помещать медиа-объекты, где угодно в заданной координатной системе;

•применять  преобразования для изменения геометрического  или акустического вида медиа-объекта;

•группировать примитивные медиа-объекты, чтобы  образовать составные медиа-объекты;

•использовать потоки данных, чтобы видоизменять атрибуты медиа-объектов (например, звук, движущуюся текстуру, принадлежащую  объекту; параметры анимации, управляющие  синтетическим лицом);

•изменять интерактивно точку присутствия  пользователя на сцене (его точку  наблюдения и прослушивания).

Описание  сцены (двумерной или трехмерной) строится во многих отношениях также  как и в языке моделирования  виртуальной реальности VRML (Virtual Reality Modeling language).

Медиа-объектам может быть нужен поток данных, который преобразуется в один или несколько элементарных потоков. Дескриптор объекта идентифицирует все потоки ассоциированные с  медиа-объектом. Это позволяет иерархически обрабатывать кодированные данные, а  также ассоциированную медиа-информацию о содержимом (называемом “информация  содержимого объекта”).

Каждый  поток характеризуется набором  дескрипторов для конфигурирования информации, например, чтобы определить необходимые ресурсы записывающего  устройства и точность кодированной временной информации. Более того, дескрипторы могут содержать  подсказки относительно QoS, которое  необходимо для передачи (например, максимальное число бит/с, BER, приоритет  и т.д.)

Синхронизация элементарных потоков осуществляется за счет временных меток блоков данных в пределах элементарных потоков. Уровень  синхронизации управляет идентификацией таких блоков данных (модулей доступа) и работой с временными метками. Независимо от типа среды, этот слой позволяет  идентифицировать тип модуля доступа (например, видео или аудио кадры, команды описания сцены) в элементарных потоках, восстанавливать временную  базу медиа-объекта или описания сцены, и осуществлять их синхронизацию. Синтаксис этого слоя является конфигурируемым  самыми разными способами, обеспечивая  работу с широким спектром систем.

Пользователь  видит сцену, которая сформирована согласно дизайну разработчика. В  зависимости от степени свободы, предоставленной разработчиком, пользователь имеет возможность взаимодействовать  со сценой. Ему могут быть разрешены  следующие операции:

•изменить точку наблюдения/слушания на сцене;

•перемещать объекты по сцене;

•вызывать последовательность событий путем  нажатия кнопки мыши на определенных объектах, например, запуская или останавливая поток данных;

•выбирать предпочтительный язык, когда такой  выбор возможен;

Важно иметь  возможность идентифицировать интеллектуальную собственность в MPEG-4 медиа-объектах. MPEG-4 включает в себя идентификацию  интеллектуальной собственности путем  запоминания уникальных идентификаторов, которые выданы международными системами  нумерации (например ISAN, ISRC, и т.д. [ISAN: International Audio-Visual Number, ISRC: International Standard Recording Code]). Эти числа могут использоваться для идентификации текущего владельца прав медиа-объекта. Так как не все содержимое идентифицируется этим числом, MPEG-4 версия 1 предлагает возможность идентификации интеллектуальной собственности с помощью пары ключевых значений (например:”композитор“/”John Smith“). Кроме того, MPEG-4 предлагает стандартизованный интерфейс, который тесно интегрирован с системным слоем для людей, которые хотят использовать системы, контролирующие доступ к интеллектуальной собственности. С этим интерфейсом системы контроля прав собственности могут легко интегрироваться со стандартизованной частью декодера.

Аудиовизуальный материал MPEG-7 может включать в себя: статические изображения, графику, 3D модели, звук, голос, видео и композитную  информацию о том, как эти элементы комбинируются при мультимедийной презентации. В особых случаях этих общих видов данных сюда может  включаться выражения лица и частные  характеристики личности. MPEG-7 предоставит  широкий набор стандартизованных  средств описания мультимедиа материала. В области действия MPEG-7 находятся  как пользователи-люди, так и автоматические системы, выполняющие обработку  аудио-визуального материала.

MPEG-7 предлагает  полный набор аудиовизуальных  средств описания, которые образуют  базис для приложений, делая возможным  высококачественный доступ к  мультимедийному материалу, что  предполагает хорошие решения  для записи, идентификации материала,  обеспечения прав собственности,  и быстрой, эргономичной, точной  целевой фильтрации, поиска.

MPEG-7, как  и другие MPEG, предоставляет стандартное  представление аудио-визуальных  данных, удовлетворяющих определенным  требованиям. Одна из функций  MPEG-7 – обеспечение ссылок на  определенные части мультимедийного  материала. Например, дескриптор  формы, используемый в MPEG-4, может  оказаться полезным в контексте  MPEG-7, это же может относиться  к полям вектора перемещения  MPEG-1 и MPEG-2.

Заключение

 

Статистическое моделирование  позволяет находить решения там, где другие математические методы отступают  в очевидном бессилии. С помощью  статистического моделирования  можно получать решения близкие  к оптимальным для систем, с  которыми реально приходиться иметь  дело инженерам, управленцам, экономистам  и многим другим категориям профессионалов.

Применение аналитико-статистических методов в задачах проектирования и эксплуатации современных сетей  и подобных сложных систем обусловлена  необходимостью определения дифференциальных и интегральных критериев качества функционирования сетей, в которых  ряд ограничений задан алгоритмически с помощью имитационной модели, что  требует больших затрат машинных ресурсов. Рассмотренный в пособии  комплекс методов, моделей и алгоритмов аналитико-статистического моделирования  в определенной степени способствует решению этой проблемы.

Предложенный подход к декомпозиции сети сохраняет взаимообусловленность  параметров и процессов всей сети при имитационном моделировании  конкретного пути обмена информацией. Прикладное значение данного результата состоит в методике ускоренного  машинного анализа сети. Модель процесса потерь в буфере конечной емкости  позволяет построить распределение  потерь в КБ при произвольных законах  поступления и обслуживания требований в системе. Имитационная модель доставки вызова по сети с альтернативными  маршрутами отличается возможностью передачи повторных вызовов как от узла-источника, так и от промежуточных предыдущих узлов с альтернативными исходящими путями. Модель пригодна для анализа  любого встречающегося в практических задачах графа сети. Имитационная модель ВК обеспечивает универсальность задания режимов работы ВК и реализацию метода максимальных статистик для расчета временных характеристик доставки пакетов. Аналитико-статистические методы обеспечивают расчет оценок вероятности потерь в буфере конечной емкости; распределения времени доставки пакетов по виртуальному каналу; вероятности связности (структурной надежности) сети; вероятности установления соединения на сети за время, не превышающее допустимое (оценка функциональной надежности сети); дифференциальных и интегральных временных характеристик доставки пакетов по сети.