Προσαρμογή κωδικοποίησης για την ασύρματη μετάδοση βίντεο σε πραγματικό χρόνο

Abstract

Οι εξελίξεις στις τεχνολογίες συμπίεσης βίντεο και ασύρματων δικτύων, συνεπικουρούμενες από την ολοένα αυξανόμενη τάση για εφαρμογές μετάδοσης βίντεο πάνω από ασύρματα κανάλια επικοινωνίας, οδηγούν την ερευνητική κοινότητα στην εξέταση καινοτόμων λύσεων για την παροχή υπηρεσιών βίντεο που θα μεγιστοποιούν την ποιότητα εμπειρίας του χρήστη. Ως φυσικό επακόλουθο της γενικότερης ψηφιοποίησης υπηρεσιών και αγαθών, έτσι και η ιατρική περίθαλψη, δεν θα μπορούσε να μην επωφεληθεί από τις προαναφερθείσες εξελίξεις. Διάγνωση από απόσταση, από ασθενοφόρο σε επείγοντα περιστατικά, και από περιοχές μαζικών καταστροφών στο κέντρο διαχείρισης κρίσεων, είναι μερικά από τα σενάρια εφαρμογών κινητής υγείας βασιζόμενα στην μετάδοση βίντεο που έχουν γνωρίσει ραγδαία ανάπτυξη κατά την τελευταία δεκαετία. Η ανάπτυξη νέων, καινοτόμων εργαλείων για την επεξεργασία, μεταφορά, και ανάλυση βίντεο σε πραγματικό χρόνο σε οποιαδήποτε συσκευή, οπουδήποτε και οποτεδήποτε, αναμένεται να οδηγήσει στην υιοθέτηση τέτοιων συστημάτων και υπηρεσιών τόσο στη καθημερινή κλινική πρακτική όσο και στα πρωτόκολλα διαχείρισης κρίσεων στο εγγύς μέλλον. Ο στόχος της παρούσας διπλωματικής διατριβής είναι να εξετάσει τις δυνατότητες που προσφέρει το νέο πρότυπο προσαρμοστικής μετάδοσης βίντεο MPEG-DASH. Πιο συγκεκριμένα, στην ανάπτυξη και αξιολόγηση ενός συστήματος για την αξιόπιστη και ποιοτική μετάδοση βίντεο πάνω από οποιοδήποτε κανάλι επικοινωνίας, σε οποιαδήποτε συσκευή τελικού χρήστη, σε οποιαδήποτε χρονική στιγμή, καθιστώντας την διαδικασία αυτή διάφανη προς το χρήστη, στοχεύοντας στην μεγιστοποίηση της ποιότητας εμπειρίας. Εδώ, κρίνεται αναγκαίο να τονίσουμε πως το προτεινόμενο σύστημα μπορεί να βρει εφαρμογή σε οποιοδήποτε είδος βίντεο, τόσο γενικού όσο και ιατρικού περιεχομένου. Ως σενάριο χρήσης επιλέχθηκε η μετάδοση βίντεο από περιοχές μαζικών καταστροφών στο κέντρο διαχείρισης κρίσεων. Για το σκοπό αυτό, συντάχθηκε ένα σύνολο δεδομένων βίντεο που απεικονίζουν διαφορετικά περιστατικά έκτακτων περιστατικών και μαζικών καταστροφών τα οποία συλλέχθηκαν από πραγματικές ασκήσεις του Κέντρου Έρευνας και Διάσωσης και Πρώτων Διασωστών Κύπρου. Ενδεικτικά, ανταπόκριση σε σενάριο πυρκαγιάς και σεισμού, διάσωση και εκκένωση εγκλωβισμένου τραυματία, και περιποίηση τραύματος, αποτέλεσαν μερικά από τα βίντεο δείγματα πάνω στα οποία βασίστηκε η παρούσα μελέτη. Στη συνέχεια, τα βίντεο αυτά κωδικοποιήθηκαν σε κλιμακωτές διαστάσεις και εύρος ζώνης χρησιμοποιώντας το πρότυπο κωδικοποίησης H.264/AVC (Advanced Video Coding). Σκοπός του συγκεκριμένου βήματος είναι η αντιστοίχιση των διαστάσεων του βίντεο στις διαστάσεις που υποστηρίζουν οι πιο διαδεδομένες συσκευές τελικού χρήστη σήμερα, καθώς και η αντιστοίχιση με τους τυπικούς ρυθμούς δεδομένων iv που υποστηρίζουν τα διαθέσιμα ασύρματα κανάλια επικοινωνίας σήμερα. Στη συνέχεια, χρησιμοποιώντας το πρότυπο MPEG-DASH, τα βίντεο αυτά έγιναν διαθέσιμα μέσω μιας διαδικτυακής εφαρμογής, για την ποιοτική αξιολόγηση του συστήματος. Το πρότυπο MPEG-DASH, λαμβάνοντας υπόψη το διαθέσιμο εύρος ζώνης που υπάρχει στο χρήστη την εκάστοτε χρονική στιγμή, παρέχει τη δυνατότητα επιλογής της κατάλληλης κωδικοποίησης (σε εύρος ζώνης και διάστασης) του βίντεο που αναπαράγεται. Η διαδικασία αυτή είναι διάφανη στο χρήστη. Η αξιολόγηση του συστήματος βασίζεται τόσο στην αντιληπτή ποιότητα βίντεο του χρήστη όσο και σε αντικειμενικές μετρικές ποιότητας. Πιο συγκεκριμένα, ο κάθε χρήστης μπορούσε να επιλέξει ένα βίντεο και να αξιολογήσει την ποιότητά του βαθμολογώντας με κλίμακα από το ένα μέχρι το δέκα. Ταυτόχρονα, το προτεινόμενο σύστημα προσφέρει την δυνατότητα αντιστοίχισης των υποκειμενικών αξιολογήσεων του χρήστη με τις αντικειμενικές μετρικές ποιότητας βίντεο, όπως το PSNR σε συνάρτηση του εύρους ζώνης (bitrate), και την εξαγωγή συμπερασμάτων συσχέτισης μεταξύ των δυο.