Transmisión de Video en ATM

Transmisión de Video en ATM Marta Barría M.

Introducción La transmisión digital de señales de vídeo sobre redes es uno de los campos mas activos de investigación en la actualidad. El proceso empieza con la codificación de la señal de video en el nodo emisor, esta información es paquetizada para su posterior transmisión por la red. Enel receptor, la señal es despaquetizada y decodificada para su utilización.

Compresión de video La compresión de video surge de la necesidad de transmitir imágenes a través de un canal que contenga un ancho de banda aceptable. Las secuencias altas sin comprimir de la televisión requieren alrededor 1 Gbps para la salida apropiada. Por ejemplo: Standart HDTV :1920 x1080 a 30 fps, con 8 bits por cada color primario, necesitamos 1,5 Gb/s de datos. Se definen dos tipos de compresión : Lossles - Compresión sin perdida. Lossy - Compresión con perdida. Para lograr el envio de video a través de la red necesitamos una compresión con pérdidas, debido a que logra una mayor tasa de compresión.

Compresión de video Para comprimir y luego transmitir las señales de video, se utilizan algoritmos denominados CODEC, los cuales reducen la información a una tasa de datos menor que la usual. • Algunos Codec son: • Jpeg , para imágenes fijas. • Mpeg-1 , almacenamiento de video. • Mpeg-2 , televisión digital • H.261, video conferencia en ISDN • H.263

Compresión de video Los métodos de compresión, recurren a los procedimientos generales de compresión de datos, como son la eliminación de la redundancia espacial, redundancia temporal, la correlación entre puntos cercanos, y aprovechando la menor sensibilidad de ojo a los detalles finos de las imágenes. Redundancia Espacial (Intraframe) A menudo las imágenes contienen considerables áreas en donde existen pixeles con un mismo valor espacial.

Redundancia Espacial Los pasos para eliminar la redundancia espacial es la siguiente: Primero la imagen inicial se divide en bloques de 8x8 pixeles y estos se cuantizan en 256 niveles.

Redundancia Espacial A cada valor de la matriz 8x8 se le aplica la función de la Transformada discreta del coseno (DCT). Obteniendo de esta forma el peso que tiene cada coeficiente en la imagen final. Función DCT Coeficientes resultante de la DCT

Redundancia Espacial La matriz DCT es sometida a funciones de cuantizacion que reducen aun mas los coeficientes, logrando que gran numero de estos sean ceros.

Redundancia Espacial Esta matriz de 8x8 es transformada en un vector de 1x64 (VLC), mediante una lectura en ziz-zag, con el objetivo que los valores parecidos queden adyacentes.

Redundancia Espacial Este vector de 64 valores se puede escribir de la siguiente manera: 8, 4, 4, 2, 2, 2, 1, 1, 1, 1, (12 ceros), 1, (41 ceros). Con lo cual hemos reducido en gran magnitud el numero de bits a ser enviados, esto se llama codificación por largo variable (VLC).

Redundancia Espacial Resumen

Redundancia Temporal Redundancia temporal (interframe) Ahora debemos eliminar la redundancia temporal. Esta codificación aprovecha la ventaja que existe cuando las imágenes sucesivas son similares. En lugar de enviar la información de cada imagen por separado, el codificador envía la diferencia existente entre la imagen previa y la actual en forma de codificación diferencial. El codificador necesita de una imagen, la cual fue almacenada con anterioridad para luego ser comparada entre imágenes sucesivas y de forma similar se requiere de una imagen previamente almacenada para que el decodificador desarrolle las imágenes siguientes.

Redundancia Temporal . Cuadros I Debemos comenzar una secuencia de cuadros con un cuadro I, este no tiene ninguna referencia hacia otro cuadro y son estos quienes nos proveerán de un punto de partida para buscar redundancias en el tiempo. Cuadros P Comenzando con un cuadro I, el Codec puede predecir un cuadro futuro mediante una técnica conocida como predicción compensada de movimiento basada en bloques, a esto se le conoce como cuadro P, y puede ser predicho de otros cuadros P pero sólo hacia delante en tiempo. Por ejemplo podríamos tener el caso del siguiente grupo de cuadros:

Redundancia Temporal Cada cuadro P de la secuencia es predicho del cuadro inmediatamente precedente, no importando si es uno I o uno P.

Redundancia Temporal Cuadros B El Codec también puede usar una predicción hacia atrás y hacia delante, o predicción Bi-direccional, esta puede tener su origen en cuadros I o P. Como compromiso entre calidad y velocidad en general se usan 2 cuadros B por cada cuadro P: La ventaja que otorgan los cuadros B es la reducción en la tasa de bits a enviar, a costo de tener que mantener la secuencia de imágenes en buffer mientras se codifican los cuadros B.

Redundancia Temporal Para generar los cuadros P, el Codec busca en el cuadro objetivo una coincidencia de bloques de 16x16 bits llamados macrobloques (MB) con el cuadro referencia, al encontrarla sólo debe mandar el vector de movimiento, es decir la dirección y magnitud del movimiento del MB

Redundancia Temporal Pero además de enviar el vector movimiento en muchos casos debemos enviar también el error residual, ya que el MB que se mueve en la pantalla no queda limpio. Cuadro predictivo Cuadro original Error residual Cuadro objetivo

Redundancia Temporal Para generar los cuadros B, el Codec busca coincidencias en cuadros pasados y futuros, con lo que se logra definir una gran parte de la imagen con sólo pocos vectores de movimiento.

Redundancia Temporal Con la ayuda de los cuadros P y B logramos que las tasas de datos enviados sean cada vez menores lo que permite el envío de vídeo a través de medios de bajo ancho de banda Tipo Tamaño Compresión I 18 KB 7:1 P 6 KB 20:1 B 2.5 KB 50:1

Estructura de MPEG informacion de sequencia, info. del video, tasa de bits, cuantización codigo de tiempo, parametros en que linea parte el slice tipo de cuadro enviado, parametros de buffer y de codificación # de MB que salta, tipo del MB, cuantización, bloques codificados

Transmisión de señales de video En el proceso de transmisión de la señal de vídeo sobre la red ATM, las células ATM están inevitablemente expuesta a retrasos, errores y pérdidas que afectan de una manera directa a la calidad de la señal de vídeo recibida, pudiendo llegar a degradarla en exceso.Se hace necesario tomar medidas para hacer mas robusta la transmisión de vídeo sobre ATM, para poder garantizar bajo situaciones de congestión de la red una aceptable calidad en la transmisión. Por ejemplo: la pérdida de celulas, en una codificación de vídeo que utiliza codificación interframe (r. temporal), los errores en un frame se propagan en el tiempo durante varios frames, afectando la pérdida de una célula a la calidad de la imagen de varios frames. Los errores y pérdidas también se propagan en el espacio dentro de un frame, ya que la perdida de un macrobloque en un slice, hace desechar la información restante en el slice.

Transmisión de señales de video Comúnmente estas perdidas en la imagen se reparan usando técnicas de ocultación las cuales regeneran la información que se perdió, de la manera mas acertada posible, utilizando la información de pixeles próximos en el espacio y en el tiempo de la área perdida. Unas de las técnicas mas utilizadas en los últimos años para dar robustez al sistema de transmisión, y facilitar la posterior ocultación de la información perdida, es la codificación jerárquica de la señal de vídeo para su posterior transmisión sobre redes que manejan diferentes niveles de prioridad como ATM. Esta técnica como muchas otras se basan en idea de explotar la insensibilidad del sistema visual humano a las componentes de alta frecuencia de las señales de vídeo.

Transmisión de señales de video Esta técnica divide el flujo de información ( bitstreams), en dos capas: capa base y capa de mejora. Capa base La información que pertenece a la capa base se transmite a un nivel de prioridad alta, para así asegurar su llegada al receptor, de esta forma tener asegurada un cierta calidad de video. Generalmente la información contenida en esta capa son los coeficientes de baja frecuencia, vectores de movimiento, modos de codificación, tipo de macrobloque.

Transmisión de señales de video Capa de mejora La información que pertenece a la capa de mejora se transmite a un nivel de prioridad baja, esta será la que proporcionara un mejoramiento de la calidad del video entregada por la capa base. Esta capa contiene cabeceras de secuencia, GOP (Group Of Pictures), picture, slice, fin de secuencia y algunos coeficientes.

Transmisión de señales de video El modulo PC (Priority Control) se encarga de tomar las decisiones sobre que información del bitstream irá a la capa base con prioridad alta y cual irá a la capa de mejora con prioridad baja. Se define un punto de ruptura del bitstream denominado “breakpoint” para definir el punto en el cual se dividirá la información entre las dos capas.

Transmisión de señales de video Calidad completa Con perdidas de coeficientes

Transmisión de señales de video Si un error o pérdida de información ocurre en la capa de mejora, el descodificador utiliza sólo la información de la capa base, para reconstruir la señal de vídeo. Si el error o pérdida de información se produce en la capa base, entonces el descodificador tiene que descartar toda la información recibida hasta que encuentra la siguiente cabecera de slice. Esto es debido a que la sincronización en el algoritmo de compresión es a nivel de slice, los macrobloques que están dentro de un slice se codifican referencialmente, por eso la pérdida de uno de ellos imposibilita la descodificación de los que le siguen en el slice y deben de ser descartados aunque sean recibidos. Efecto de propagación espacial (perdida de slice)

Esquema de paquetización de la señal de video en celulas ATM La señal de salida que proporciona un codificador, debe ser posteriormente paquetizada en células ATM para su transmisión por la red hacia el receptor de la señal de vídeo. La robustez de la señal de video dependerá fuertemente de como sea el esquema de paquetización de esta señal. Los macrobloques son codificados con referencia al anterior macrobloque para aumentar el grado de compresión. Un esquema de paquetización robusto frente a errores, debe ser tal , que cada célula lleve la información suficiente para que los macrobloques que transporta puedan ser descodificados en el descodificador, sin necesidad de tener que utilizar información perteneciente a otras células.

Esquema de paquetización de la señal de video en celulas ATM En este esquema, para la paquetización del bitstream de prioridad alta(PH) se añaden dos campos, uno de 9 bits y otro de 7 bits a cada célula, para proporcionar la información necesaria a los macrobloques que transporta, para que puedan ser descodificados en el receptor.

Esquema de paquetización de la señal de video en celulas ATM El campo de 9 bits contiene la posición en la carga útil de la célula , del primer macrobloque completo en la célula. La carga útil tendrá una longitud de 360 bits y por eso son necesarios 9 bits para codificar cualquier posición en la carga útil. El campo de 7 bits contiene la dirección absoluta en el slice, del macrobloque anterior al primer macrobloque completo en la célula, es decir, la dirección absoluta del macrobloque que empezó a escribirse en la anterior célula y que ha terminado de escribirse en la actual célula. Para que la célula sea autocontenida, y no dependa de información contenida en otras celulas.

Esquema de paquetización de la señal de video en celulas ATM Para la paquetización del bitstream de prioridad baja(PL) se utiliza un método directo, es decir, el bitstream es particionado en segmentos de 47 bytes y son insertados en la carga útil de la célula ATM.

Esquema de paquetización de la señal de video en celulas ATM Cuando una célula es perdida en el bitstream de prioridad alta, la célula siguiente que es recibida, desecha la información contenida en la carga útil de la célula hasta donde indique el campo de 9 bits, y calcula la dirección absoluta en el slice del primer macrobloque de la célula con el campo de 7 bits, de esta forma el primer macrobloque en la célula dispone de la información necesaria para poder ser descodificado, y los macrobloques restantes en la célula podrán ser descodificados en referencia a este. Con este esquema se elimina la propagación espacial de la perdida de información, limitando la degradación de la calidad de la imagen.

Esquema de paquetización de la señal de video en celulas ATM La pérdida de células se detecta en el descodificador por el número de secuencia que contienen las células ATM especificado en la capa AAL-1 para transmisión de video a caudal constante(CBR) y AAL-2 para caudal variable(VBR).

Bibliografía www.fuac.edu.co/autonoma/pregrado/ingenieria/ingelec/proyectosgrado/compresvideo/doc_b.htm http://raap.info-ab.uclm.es/pubs/pub08.pdf www.rad.com/networks/1994/atm/videoatm.htm wwwam.hhi.de/mpeg-video/papers/sikora/mpeg1_2/mpeg-tables2.htm www.cs.sfu.ca/undergrad/CourseMaterials/CMPT479/material/notes/Chap4/Chap4.2/Chap4.2.html Presentaciones “Codec de video” - Rodrigo Villagran “Video sobre ATM” - Victor borquez

FIN

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