19XIVМеждународная научно-практическая конференция УДК 004.921
Донец Елизавета Сергеевна Donets Elizaveta Sergeevna
Студент-магистрант Undergraduate student Дальневосточный Федеральный Университет Far Eastern Federal University
ИССЛЕДОВАНИЕ ВИДЕОКОДЕКОВ И КАЧЕСТВА КОДИРОВАННОГО ВИДЕО, ИСПОЛЬЗУЕМЫХ В ПЕРЕДАЧЕ ВИДЕО, ПРИ ОБЕСПЕЧЕНИИ СВЯЗИ В ПОДВОДНОМ КАНАЛЕ
RESEARCH OF VIDEO CODES AND QUALITY OF ENCODED VIDEOS USED IN VIDEO TRANSMISSION FOR PROVIDING COMMUNICATION OVER THE UNDERWATER CHANNEL
Аннотация. В данной исследовательской работе рассматривалась возможность использования подводного канала передачи в качестве канала передачи видеосигнала. Основной проблемой данного задания была малая пропускная способность канала. Поэтому основной задачей стало нахождение способа максимально выгодной кодировки видеопотока. В ходе выполнения работы при рассмотрении этого вопроса были установлены рамки для канала передачи - до 20 кб/с. Так же были выбраны подходящие кодеки по принципу доступности и актуальности, с помощью которых и проводилось сжатие и конвертирование исходного видео. Для оценки качества было проведено аналитическое исследование образцов сжатого видео.
Abstract. In this research work, the possibility of using an underwater transmission channel as a video signal transmission channel was considered. The main problem with this assignment was the low bandwidth. Therefore, the main task was to find a method for the most profitable encoding of the video stream. In the course of work, when considering this issue, the framework for the transmission channel was established - up to 20 kbit / s. Also, according to the principle of accessibility and relevance, suitable codecs were selected, with the help of which the original video was compressed and converted. An analytical study of compressed video samples was carried out to assess the quality.
Ключевые слова. подводная связь, видео, сжатие, кодирование, видеокодек.
Keywords. underwater communications, video, compression, coding, video codec.
«Научные междисциплинарные исследования» I Постановка гипотезы
В задачах гидроакустической связи используется оценка оптимальной частоты при заданном уровне сигнала в точке приема как функция от дальности связи d в виде, показанном в формуле (1):
з
/опт « (39 ... 62) • а -2 (1)
Для того чтоб понять, какой должен быть битрейт у передаваемого видео, для начала производится оценка средней пропускной способности канала. Для передачи и приема сигнала используют гидрофоны с пьезокерамическим типом излучателей. Оптимальная частота передачи для данного типа излучателей выбирается в пределах 10-100 кГц, ширина полосы пропускания сигнала составляет около 20 % относительна /опт [6].
Так как при передаче видео мы имеет дело с цифровым сигналом, то для оценки битовой скорости в полученном канале воспользуемся формулой предела Шеннона (2).
= + (2)
По этой формуле найдем максимальную скорость передачи, для которой есть возможность исправления ошибок в канале с заданным Из этой
зависимости делаем вывод, что битовая скорость в канале численно приблизительно равна полосе пропускания, что показано в таблице 1.
Таким образом, при использовании в гидроакустическом канале передатчиков в диапазоне 10-100 кГц, максимальная скорость битрейта видео будет составлять всего 20 кб\с.
Таблица 1. Сравнение битовых скоростей в канале передачи
/опт, кГц й, км Д^ кГц /б, кбит/с
10 10-15 2 2
30 3-4 6 6
80 0,1 16 16
100 0,1 20 20
XIV Международная научно-практическая конференция II Технические характеристики эксперимента
Исследование субъективной оценки качества видео проводилось на тестовых видеороликах, перекодированых с применением различных параметров, из исходного несжатого видео. Исходный материал представляет собой несжатое видео, формата AVI, длительностью 1 минуту 30 секунд, без звука, разрешением 1280x720 пикселей, частота кадров 30 fps, битрейт 664 Mbps. Видео записано с веб-камеры USB2.0 HD UVC Webcam с помощью программы Virtualdub.
Далее необходимо провести анализ качества видео на различимость объектов и их движения. Оценка производится группой из 10 человек. Несколько процедур оценки приведены в рекомендациях ITU -R BT.500-11. Одной из таких процедур является метод непрерывной шкалы качества двойного раздражения (DSCQS).
По данному методу [13], каждому предоставляется анкета, в которой предлагается оценить критерии каждого видео по пятибалльной шкале, которые были выбраны, ориентируясь на задачи исследования: различимость движущихся частей объекта; различимость объекта на расстоянии, общая различимость мелких объектов на контрастном фоне.
Оригинальное видео проходило несколько видов сжатия. Отдельно исследовались не только различные виды кодеков, но и изменение их настроек, таких как ожидаемый битрейт, разрешение видео, частота кадров и квантизация. Всего было подготовлено 28 тестовых образцов видео.
III Обработка результатов
Полученные результаты опроса были собраны в единую таблицу. Результаты оценки каждого пункта представляет собой среднее арифметическое всех оценок, данных участниками группы. В конце так же был сформирован общий балл, оценивающий каждое видео по шкале 40 баллов. Приемлемым результатом для видео можно считать общую оценку не менее 20 баллов. На рисунке 1 в первом столбце указаны все полученные оценки, во втором столбце - значения битрейта. Из обеих выборок было выделено три варианта сжатия
«Научные междисциплинарные исследования»
видео, которые вошли в ограничения по обоим параметрам: test_8, test_15, test_22. В таблице 2 отдельно выведены параметры этих кодеков.
Рис.1 - Сводная таблица результата
Таблица 2. Финальная выборка
Установленные параметры Исходные параметры
Имя Формат Кодек Разрешени e,px Частота кадров/рБ Квантизац ия Битрейт, kbps Битрей, kbps Размер, ГО Частота кадров/рБ
test_8 MPEG-4 VIsual Divx.5 320x180 7,6 31,0 245,0 21,0 188,0 7,00
test_15 AVI h264 320x180 30 н 15,0 21,4 179,00 30,0
test_22 AVI h264 160x90 30 35,0 н 20,6 172,0 30,0
§
as* s
-Qh
s
c> §
^
3-
g
^
i s
a-
^
s §
s
^
c> ^
or s
name Format Codec Input parameters Output parameters B-frame-4 DivxplusHD B-frame -1 play station 3 B-frame-1 play station 3 monochrome
Resolution ,px Frame frequency,fps Quantization Bitrate, kbps Bitrate, kbps Size, Kb Frame frequency,fps
test 1 MPEG-4 Visual Divx.5 116x66 7,6 1,0 245 92,0 827,0 7,00
test 2 MPEG-4 Visual Divx.5 116x66 7,6 15,0 228 8,5 76,7 7,00
test 3 MPEG-4 Visual Divx.5 116x66 7,6 20,0 228 6,6 59,8 7,00
test 4 MPEG-4 Visual Divx.5 116x66 7,6 31,0 228 6,7 59,9 7,00
test 5 MPEG-4 Visual Divx.5 320x130 7,6 1,0 245,0 240,0 2110,0 7,00
test 6 MPEG-4 Visual Divx.5 320x180 7,6 15,0 245,0 26,3 237,0 7,00
test 7 MPEG-4 Visual Divx.5 320x180 7,6 20,0 245,0 20,9 188,0 7,00
test 8 MPEG-4 Visual Divx.5 320x180 7,6 31,0 245,0 21,0 188,0 7,00
test 9 Matroska V_MPEGH/ISO/HEVC 424x240 24,0 51,0 90,0 34,4 788,0 24,00
test 10 Matroska AVC 424x240 24 51,0 218,0 22,4 187,00 24,0
test 11 MPEG-4 AVC 424x240 7,6 51,0 19,0 9,0 74,70 7,6
test 12 MPEG-4 AVC 424x240 7,6 25,0 19,0 141,0 1150,00 7,6
test 13 MPEG-4 AVC 424x240 7,6 H 19,0 18,0 138,00 7,6
test 14 AVI h264 320x180 30 H 5,0 12,8 107,00 30,0
test 15 AVI h264 320x180 30 H 15,0 21,4 179,00 30,0
test IS AVI h264 320x180 30 H 25,0 31,2 261,00 30,0
test 17 AVI h264 320x180 30 H 35,0 41,0 343,0 30,0
test IS AVI h264 160x90 30 H 15,0 16,3 136,0 30,0
test 19 AVI h264 160x90 30 H 20,0 21,4 179,0 30,0
test 20 AVI h254 160x90 30 51,0 H 11,7 97,4 30,0
test 21 AVI h264 160x90 30 25,0 H 43,0 362,0 30,0
test 22 AVI h254 160x90 30 35,0 H 20,6 172,0 30,0
test 23 MPEG-4 Xvid 320x180 30 25,0 H 42,3 353,0 30
test 24 MPEG-4 Xvid 320x180 30 31,0 H 39,4 329,0 30
test 25 MPEG-4 Xvid 320x180 30 H 16,0 39,6 331,0 30
test 26 MPEG-5 Xvid 320x180 30 H 25,0 40,2 336,0 30
test 27 AVI Cinepack 160x90 30 H 20 165,0 1350,0 30
test 28 AVI Intel IYUV/i420 160x90 30 H H 5076,0 4140,0 30
o
4)
et
S CO
03 o
a
M
sa a vo o
sa
a s
n
vo sa H
05 sa
s £
n
H S S CQ
sa a
V
ri
<J S Ph
oo lo
«Научные междисциплинарные исследования» IV Заключение
В данном исследовании рассматривалась возможность передачи качественного видеосигнала с применением общедоступного программного обеспечения в условиях передачи в подводном канале на скоростях порядка десятка кбит/с. По результатам исследования можно сделать вывод, что передача видео с малым битрейтом по подводному каналу при условии приемлемого качества этого видео возможна. При этом есть возможность воспользоваться готовыми решениями и использовать уже известные форматы видео и кодеки.
Библиографический список:
1. Воробьев В.И., Грибунин В.Г. - Теория и практика вейвлет-преобразования. - С.-Петербург: ВУС, 1999. - 204с.
2. Ватолин Д., Ратушняк А. - Методы сжатия данных. Устройство архиваторов, сжатие изображений и видео. - М.:Диалог-МИФИ, 2003. - 384с.
3. Ватолин Д., Куликов Д. - Сравнение видеокодеков стандарта MPEG-4 AVC/H.264. - CS MSU Graphics&Media Lab. - 2005. - 89с.
4. Зеньков А.Ф. - журнал «Навигация и гидрография». - С.-Петербург: Государственный научно-исследовательский навигационно-гидрографический институт , 2015. - 70с.
5. Ресурс: Семенов Ю.А. - Телекоммуникационные технологии. [http://book.itep.ru/preword.htm]
6. Свердлин Г.М. - Прикладная гидроакустика: Учебное пособие - 2-е изд.,перераб. и доп. - Л.: Судостроение, 1990. - 320 с.
7. Тарасюк Ю.Ф. - Передачи информации под водой. - М.: «Знание», 1974.
- 64 с.
8. Калистратов Д.С. - Видеокодирование. Способы компенсации движения цифровых динамических видеоизображениях: монография. - Новосибирск: Издательство ЦРНС, 2014. - 96 с.
9. Кудрявцев П.С. - Системы технического зрения. Курс лекций, лекция 5.
- 2015. - 201с.
XIVМеждународная научно-практическая конференция
10. Кудрявцев П.С. - Системы технического зрения. Практические занятия.
- 2015. - 101с.
11. Минаев Д.Д., Негода В.В. - Результаты экспериментальных исследований характеристик цифрового гидроакустического канала передачи информации в мелководном районе. - Подводные исследования и робототехника. - Инженерная школа ДВФУ, 2013. - 9с.
12. Невмержицкий К.А. - Отличительные особенности популярных аудио, видеокодеков и контейнеров. Научно-технический журнал «Двигатель». - М.: «Фабрика офсетной печати», 2012. - 68с.
13. Международный союз электросвязи. - Рекомендация МСЭ-К BT.500-13
- Методика субъективной оценки качества телевизионных изображений.
14. Маржина Р.А. - Сравнение видеокодека к264 с divx.5. Современные тенденции развития науки и технологий: сборник научных трудов по материалам IX Международной научнопрактической конференции 31 декабря 2015 г.: в 8 ч./ Под общ. ред. Е.П. Ткачевой. - Белгород : ИП Ткачева Е.П., 2015. - № 9,часть III.
- 144 с.
15. Артюшенко, В. М. Шелухин О.И. - Цифровое сжатие видеоинформации и звука/Под ред. В.М. Артюшенко. - М.: Издательско-торговая корпорация «Дашков и К0». - 2003. - 426 с.
