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Hacia un modelo perceptual de vídeo : desarrollo de un modelo paramétrico general de estimación de la calidad percibida de vídeo

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Hacia un modelo perceptual de vídeo : desarrollo de un modelo paramétrico general de estimación de la calidad percibida de vídeo

Joskowicz, José
 
DATE : 2012-10-31
UNIVERSAL IDENTIFIER : http://hdl.handle.net/11093/170
UNESCO SUBJECT : 3325 Tecnología de las Telecomunicaciones
DOCUMENT TYPE : doctoralThesis

ABSTRACT :

[spa] Las aplicaciones de video y multimedia se hallan en pleno proceso de expansión. Durante los últimos años el porcentaje de tráfico de Internet dedicado a este tipo de aplicaciones ha crecido sistemáticamente, ocupando cada vez más partes significativas del tráfico total cursado por la red. La ausencia de mecanismos en Internet que permitan ofrecer garantías de calidad de servicio extremo a extremo a distintos tipos de tráficos, y los distintos tipos de distorsiones o degradaciones sufridas durante el proceso de adquisición, compresión, procesamiento, transmisión y reproducción de este tipo de tráfico, hacen que resulte muy importante poder medir y, eventualmente, predecir la calidad percibida por los usuarios que utilizan aplicaciones con contenido multimedia, de la manera más confiable y sencilla posible. En los últimos años se han comenzado a desarrollar sistemas, algoritmos y modelos matemáticos que permiten estimar la calidad multimedia percibida por los usuarios. Dentro de éstos destacan los denominados “modelos paramétricos”, que estiman la calidad percibida del video ... [+]
[spa] Las aplicaciones de video y multimedia se hallan en pleno proceso de expansión. Durante los últimos años el porcentaje de tráfico de Internet dedicado a este tipo de aplicaciones ha crecido sistemáticamente, ocupando cada vez más partes significativas del tráfico total cursado por la red. La ausencia de mecanismos en Internet que permitan ofrecer garantías de calidad de servicio extremo a extremo a distintos tipos de tráficos, y los distintos tipos de distorsiones o degradaciones sufridas durante el proceso de adquisición, compresión, procesamiento, transmisión y reproducción de este tipo de tráfico, hacen que resulte muy importante poder medir y, eventualmente, predecir la calidad percibida por los usuarios que utilizan aplicaciones con contenido multimedia, de la manera más confiable y sencilla posible. En los últimos años se han comenzado a desarrollar sistemas, algoritmos y modelos matemáticos que permiten estimar la calidad multimedia percibida por los usuarios. Dentro de éstos destacan los denominados “modelos paramétricos”, que estiman la calidad percibida del video tomando en cuenta los valores de un conjunto reducido de parámetros, como por ejemplo la tasa de bits (bit rate), la tasa de imágenes (frame rate), el propio contenido del video. Si bien en los últimos años se han propuesto diversos modelos paramétricos de estimación de calidad de video, ninguno de éstos es aplicable en un contexto general. Por el contrario, cada uno de los modelos propuestos hasta el momento, o bien tiene un área de aplicación especifica, o bien se restringe a la evaluación de determinados parámetros, o tan sólo se limita a modelar alguno de los aspectos que producen las degradaciones. Con tales antecedentes, el objetivo fundamental de la presente tesis es la obtención de un modelo paramétrico que permita estimar la calidad percibida de video de la forma más general posible, y que sea aceptablemente representativo en diversos escenarios de codificación, transmisión y tipo de contenido de video. Con este objetivo, las principales contribuciones de esta tesis son las siguientes: • Análisis detallado de la forma en que la calidad depende de la tasa de bits (bit rate) utilizado en la codificación, y su modelado matemático. • Estudio de la influencia de la tasa de imágenes (frame rate) en la calidad percibida del video, y su inclusión dentro de un modelo paramétrico. • Estudio y modelado de la calidad de video según el tamaño o la resolución de la pantalla utilizada, logrando una estimación paramétrica basada en el área o cantidad de pixeles utilizados en la codificación. • Identificación de los parámetros relacionados al contenido del video que influyen en la calidad percibida, y su modelado matemático en combinación con los otros parámetros de codificación y con las características del medio de transmisión (pérdida de paquetes). • Análisis de la calidad obtenida en el proceso de codificación de MPEG-2 y H.264/AVC, y propuesta de una metodología que puede ser extendida al análisis de cualquier otro codificador del mercado. • Análisis de cómo se ve afectada la calidad de video en función del porcentaje de pérdida de paquetes en la red de transmisión, en combinación con la tasa de bits (bit rate), la tasa de imágenes (frame rate) y el tipo de contenido, con el objetivo de incluir este modelado en una expresión paramétrica. • Sobre la base de los análisis detallados en los puntos anteriores, tal y como se dijo anteriormente, la principal contribución de la tesis es el desarrollo de un nuevo modelo paramétrico de estimación de calidad de video, que tiene en cuenta en forma combinada la tasa de bits (bit rate), la tasa de imágenes (frame rate), el tamaño de pantalla, el códec, el porcentaje de pérdida de paquetes y el contenido del video. El modelo propuesto es contrastado con los resultados obtenidos utilizando modelos estandarizados basados en el análisis de contenidos, así como con el resultado de pruebas subjetivas, las que son también realizadas como parte del presente trabajo de tesis. Por otra parte, el modelo propuesto es comparado con el rendimiento de diversos modelos paramétricos existentes utilizando una base común de videos, mostrando que los resultados obtenidos con el modelo propuesto en la presente tesis son mejores que los obtenidos con los modelos existentes previamente. [-]
 
[eng] Video and multimedia applications are expanding. In recent years the percentage of Internet traffic assigned to this type of applications has grown steadily, occupying increasingly significant part of the total traffic carried by the network. Internet has no mechanisms that allows for a guarantee end to end quality of service to different types of traffic. On the other hand, video signals suffer different types of distortions or degradations during acquisition, compression, processing, transmission and reproduction. Due to this situation, it is very important to measure, and possibly to predict, the video quality perceived by users who use multimedia applications in the most reliable and easy way as possible. In recent years have begun to develop systems, algorithms and mathematical models to estimate the multimedia quality perceived by users. Among these are included the "parametric models", which estimate the perceived quality of video taking into account the values of a reduced set of parameters such as bit rate, frame rate, the percentage of packet loss, and ... [+]
[eng] Video and multimedia applications are expanding. In recent years the percentage of Internet traffic assigned to this type of applications has grown steadily, occupying increasingly significant part of the total traffic carried by the network. Internet has no mechanisms that allows for a guarantee end to end quality of service to different types of traffic. On the other hand, video signals suffer different types of distortions or degradations during acquisition, compression, processing, transmission and reproduction. Due to this situation, it is very important to measure, and possibly to predict, the video quality perceived by users who use multimedia applications in the most reliable and easy way as possible. In recent years have begun to develop systems, algorithms and mathematical models to estimate the multimedia quality perceived by users. Among these are included the "parametric models", which estimate the perceived quality of video taking into account the values of a reduced set of parameters such as bit rate, frame rate, the percentage of packet loss, and / or some parameters related to the actual content of the video. While in recent year’s different parametric models of video quality estimation has been proposed, none of these are applicable in a general context. By contrast, each of the models proposed so far has a specific application area, is restricted to the evaluation of certain parameters, or just simply models some of the aspects that cause video degradation. With this background, the main objective of this thesis is to develop a parametric model for perceived video quality estimation, as general as possible, presenting good results in various scenarios of encoding, transmission and video content. With these objectives, the main contributions of this thesis are: • Detailed analysis of how the quality depends on the bit rate used in the coding process, and its mathematical modeling. • Study of the influence of frame rate on the perceived quality of the video, and its inclusion within a parametric model. • Study and modeling of the video quality with respect to the size or resolution of the display screen used, deriving a parametric formula based on the area or number of pixels of the screen. • Identification of the parameters related to the video content that have influence on the perceived quality, and the corresponding mathematical modeling, in combination with other coding and transmission parameters • Analysis of the quality obtained using MPEG-2 and H.264/AVC as the codecs, and methodology proposal that can be extended to the analysis of any other encoder on the market. • Analysis of how the video quality is affected depending on the percentage of packet loss in the transmission network combined with the bit rate, frame rate and content type, including the results in the parametric model. • Based on detailed analyzes in the previous points, the main contribution of this thesis is the proposal and development of a new parametric model for video quality estimation, which takes into account the combined effect of bit rate, frame rate, screen size, codec, percentage of packet loss and video content. The proposed model is contrasted with the results obtained using standard models based on content analysis and the results of subjective tests, which are also conducted as part of this thesis. Moreover, the proposed model is compared with the performance of various existing parametric models using a common database of videos, showing that the results obtained with the model developed in this thesis are better than those obtained with previously existing models [-]

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