Wpływ błędów transmisji w sieci Internet na jakość obrazu plików multimedialnych

1. Cel ćwiczenia.

Celem ćwiczenia było zbadanie wpływu błędów transmisji w sieci Internet na jakość obrazu plików multimedialnych. W ćwiczeniu laboratoryjnym do oceny kompresji zastosowaliśmy pliki video formatów Mpeg1 i Mpeg4. Pliki te służyły głównie do transmisji (strumieniowania) w czasie rzeczywistym. Symulowaliśmy wpływ protokołów transportowych ATM i UDP na jakość obrazu.

2. Wykonanie ćwiczenia.

Jako pierwszy zbadaliśmy plik: http://www.fun.anfa.pl/mpg/data/levis2.mpg

Wielkość [bajty]	817,156
Czas trwania	8 sekund
Typ strumienia	MPEG-1 System Stream
Klatek na sekundę	24
Rozdzielczość	320 x 240

 

Protokół ATM (długość rozmiar nagłówka: 5 bajtów, długość pola danych: 48 bajtów):

Usuwanie pakietów
Stopa błędu [%]	Wielkość [bajty]	Ocena jakości [%]
		WMP 10	V-player
0,006	817,108	98	99
0,008	817,108	93	94
0,01	817,108	86	85
0,04	816,868	70	75
0,07	816,624	50	55
0,1	816,340	40	40
0,4	813,892	5	10
0,7	811,427	0	0

 

Uszkadzanie pakietów
Stopa błędu [%]	Wielkość [bajty]	Ocena jakości [%]
		WMP 10	V-player
0,01	817,156	95	95
0,04	817,156	90	95
0,07	817,156	85	85
0,1	817,156	80	80
0,4	817,156	65	60
0,7	817,156	40	40
1	817,156	25	20
4	817,156	5	10

 

Jak widać na wykresach filmy kopiowane przez protokół ATM wykazują dosyć duża tolerancję na błędy, jeśli weźmiemy pod uwagę jakość oglądanego filmu. Porównując dane tabelaryczne można zauważyć, że różnica pomiędzy jakością filmu odtwarzanego w różnych odtwarzaczach jest praktycznie taka sama, niewielkie różnice ocen są wyłącznie kwestią gustu. Film da się przyjemnie oglądać poniżej stopy błędu: 0,04% dla usuwania pakietów, 0,2% dla uszkadzania pakietów. Wykres zależności wielkości pliku od stopy błędu jest niemal taki sam dla obu protokołów. W przypadku uszkadzania plików wykresu nie rysowałem, gdyż rozmiar się nie zmienia.

Protokół UDP(-Lite)+RTP (łączna długość nagłówków: 8+12 bajtów, długość pola danych 8)

Usuwanie pakietów
Stopa błędu [%]	Wielkość [bajty]	Ocena jakości [%]
		WMP 10	V-player
0,004	817,121	99	98
0,007	817,095	95	95
0,01	817,076	85	90
0,04	816,836	65	60
0,07	816,548	50	55
0,1	816,340	30	35
0,4	813,892	0	0

 

Uszkadzanie pakietów
Stopa błędu [%]	Wielkość [bajty]	Ocena jakości [%]
		WMP 10	V-player
0,004	817,156	99	95
0,007	817,156	95	90
0,01	817,156	80	85
0,04	817,156	75	75
0,07	817,156	55	50
0,1	817,156	40	45
0,4	817,156	25	20
0,7	817,156	0	0

 

Różnice pomiędzy usuwaniem a uszkadzaniem w protokole UDP są zdecydowanie mniejsze niż miało to miejsce w protokole ATM. Porównując natomiast różny wpływ błędów na oba protokoły, można dojść do wniosku, że w przypadku plików Mpeg-1 protokół ATM jest dużo bardziej odporny na błędy. Różnice stają się szczególnie widoczne w przypadku uszkadzania pakietów. Filmy da się oglądać z zadowalającą jakością nawet przy dziesięciokrotnie większej stopie błędu od protokołu UDP. W przypadku protokołu UDP film da się przyjemnie oglądać poniżej stopy błędu: 0,02% dla usuwania pakietów, 0,04% dla uszkadzania pakietów.

Następnie zbadaliśmy plik: http://txc.net.au/~mapie/bud_light_third_arm.avi

Wielkość [bajty]	1,685,504
Czas trwania	31 sekund
Typ strumienia	S-Mpeg 4 version 2
Klatek na sekundę	25
Rozdzielczość	352 x 264

 

Protokół ATM (długość rozmiar nagłówka: 5 bajtów, długość pola danych: 48 bajtów):

Usuwanie pakietów
Stopa błędu [%]	Wielkość [bajty]	Ocena jakości [%]
		WMP 10	V-player
0,003	1 685 024	99	98
0,005	1 685 456	60	65
0,007	1 685 408	40	40
0,009	1 685 360	35	30
0,012	1 685 312	25	25
0,016	1 685 260	15	15
0,022	1 685 163	5	10
0,035	1 685 025	0	0

 

Uszkadzanie pakietów
Stopa błędu [%]	Wielkość [bajty]	Ocena jakości [%]
		WMP 10	V-player
0,1	1,685,504	99	98
0,15	1,685,504	80	65
0,2	1,685,504	70	40
0,25	1,685,504	60	30
0,4	1,685,504	55	25
0,5	1,685,504	30	15
0,6	1,685,504	5	10
0,7	1,685,504	0	0

 

Podobnie jak w przypadku Mpeg-1 , od razu widać, ze format Mpeg-4 jest bardziej odporny na uszkadzanie pakietów niż na ich usuwanie. Film da się przyjemnie oglądać poniżej stopy błędu: 0,004% dla usuwania pakietów, 0,15% dla uszkadzania pakietów.

Protokół UDP(-Lite)+RTP (łączna długość nagłówków: 8+12 bajtów, długość pola danych 8)

Usuwanie pakietów
Stopa błędu [%]	Wielkość [bajty]	Ocena jakości [%]
		WMP 10	V-player
0,0001	1 685 022	99	100
0,0002	1 685 454	80	85
0,0003	1 685 406	70	75
0,0005	1 685 368	60	55
0,0010	1 685 310	50	50
0,0015	1 685 268	30	33
0,0020	1 685 161	0	0

 

Uszkadzanie pakietów

Tutaj można zauważyć pewną losowość, ponieważ filmy które miały wyższą stopę procentową błędu mogły zostać odtworzone, podczas gdy te zmniejszą mogły zostać na przykład w ogóle nie wczytane. Można powiedzieć, że dla stopy procentowej 0,005% jest możliwość, że film nie zostanie odtworzony. I znowu w porównaniu do ATM, UDP wypada tutaj bardzo słabo.

Stopa błędu przy której "sensownie" da się oglądać film w przypadku protokołu UDP wynosi zaledwie 0,003% dla usuwania plików, natomiast uszkadzanie plików okazało się niemożliwe do zanalizowania.

3. Wnioski końcowe.

Porównując dwa badane typy plików: Mpeg-1 oraz Mpeg-4, stwierdzam że dużo bardziej odporny na uszkodzenia jest format Mpeg-1. Jest to zapewne spowodowane mniejszym stopniem kompresji obrazu. Plik Mpeg-1 trzykrotnie krótszy, o mniejszej rozdzielczości od pliku Mpeg-4, zajmuje porównywalną ilość miejsca. Więc w przypadku małej stopy błędu, w zastosowaniach internetowych bardziej opłaca stosować się pliki formatu Mpeg-4.

Wpływ użytego odtwarzacza na jakość odtwarzania badaliśmy z użyciem programów Windows Media Player 10 oraz V-player. Programy te odtwarzały większość uszkodzonych plików, natomiast programy takie jak Quick Time, Real Player, Winamp, często nie potrafiły otworzyć znacznie uszkodzonego pliku. Można zauważyć że wyniki jakości od stopy błędu, otrzymane dla poszczególnych odtwarzaczy różnią się nieznacznie, ocena jakości jest sprawą bardzo subiektywną i możliwe jest że inna grupa badając podobny plik oceniła go zgoła inaczej.

Jeszcze nie tak dawno temu w sieci Internet dominował wyłącznie format Mpeg-1, jego wadą był jednak dosyć mały stopień kompresji. Wraz ze wzrostem mocy obliczeniowej komputerów możliwe stało się zastosowanie formatu Mpeg-4, który pozwala nam na cieszenie się dobrą jakością obrazu oraz małą objętością. Format Quick Time jest stosowany głównie w celach komercyjnych, gdyż licencja na jego wykorzystanie jest własnością firmy Apple. Format Real Media jest wciąż popularny w sieci ze względu na małą objętość plików, jednak odbiorcą musi być człowiek, któremu niespecjalnie zależy na jakości obrazu, a na samej treści. Real Media prezentuje nam wręcz fatalną jakość obrazu. Zazwyczaj spotykamy go przy ciągłej transmisji obrazu.

Podsumowując, przeprowadzone ćwiczenie uważam za przeprowadzone poprawnie, otrzymane rezultaty wydają się być zgodne z logiką oraz potwierdzają nasze przypuszczenia, odnośnie zachowywania się określonych formatów plików video spotykanych w sieci Internet.