Ende-zu-Ende Architekturen für die Übertragung von MPEG · PDF fileÜbertragung...

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    04-Jun-2018
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  • Rheinisch-Westflische Technische Hochschule Aachen Lehrstuhl fr Informatik IV

    Prof. Dr. rer. nat. Otto Spaniol

    Ende-zu-Ende Architekturen fr die bertragung von MPEG-4 Video ber

    das Internet

    Seminar: Datenkommunikation und Verteilte-Systeme

    Salaheddine Benyassine

    Matrikelnummer: 236577

    Betreuung: Imed Bouazizi Lehrstuhl fr Informatik IV, RWTH Aachen

    - 0 -

  • Einleitung ....................................................................................................................... 2

    1. Einfhrung in MPEG-4 ............................................................................................ 2

    1.1. Objektorientiert ........................................................................................................ 2

    1.2. Video Kodierung ...................................................................................................... 3

    1.3. Strme in MPEG-4 ................................................................................................... 4

    2. Internet Protokolle .................................................................................................... 5

    2.2. RTP- Realtime Transport Protocol ........................................................................... 5

    2.3. RTCP- Realtime Control Protocol ........................................................................... 6

    3. Eine Architektur fr die bertragung von MPEG-4 Video ber das Internet ..... 7

    3.1. Einfhrung ................................................................................................................... 7

    3.2. RTP/RTCP Protokoll ................................................................................................... 10

    3.3. Ende-zu-Ende Rckmeldungskontroll-Protokoll ......................................................... 11

    3.4. Ratenkontrolle bei MPEG-4 Kodierung ...................................................................... 13

    3.4.1 Frame-Ebene .................................................................................................. 14

    3.4.2 Berechnung der Bitrate .................................................................................. 14

    3.4.3 VO-Ebene ...................................................................................................... 15

    3.4.4 Frame Skipping .............................................................................................. 15

    3.5. Paketierung von MPEG-4 Daten ................................................................................. 14

    3.6. Fehlerkontrolle ............................................................................................................. 17

    3.6.1 Forward Error Correction (FEC) ................................................................... 18 3.6.2 Automatic Repeat Request ............................................................................ 19

    4. Simulationsergebnisse .................................................................................................. 20

    5. Zusammenfassung ......................................................................................................... 22

    Referenzen und Literatur ................................................................................................. 23

    - 1 -

  • Einleitung In den letzten Jahren hat das Internet im Multimediabereich ein sehr schnelle Entwicklung durchlaufen. Video-bertragung ber das Internet hat z.B. durch MPEG-4 aufgrund der Un-tersttzung niedriger Bandbreiten sogar bis 9,6Kbit/s entscheidend an Bedeutung gewonnen. Ein Problem hierbei besteht jedoch durch die unterschiedliche bertragungsgeschwindigkeit und die damit verbundenen Qualitt der Informationen. Video-Applikationen haben typischerweise Verzgerungen und Schwankungen (Jitter), was viele Realtime-Anwendungen unbrauchbar machen kann. Es muss also ein System entwickelt werden, das diese Problem anspricht und eine gute Qualitt sicherstellt. In dieser Seminarar-beit wird ein Beispiel fr ein solches System, eine Ende-zu-Ende Architektur fr die bertra-gung MPEG-4 ber das Internet vorgestellt, die eine gute Qualitt verspricht durch die effi-ziente Nutzung der maximal verfgbaren Netzbandbreite. Zunchst wird jedoch eine kurze bersicht ber die Standard MPEG-4 gegeben und die fr unser Thema relevanten Internet-protokolle RTP/RTCP erlutert. Danach werden wir in die eigentliche Thematik des Seminars einsteigen und die Ende-zu-Ende Architektur fr die MPEG-4-bertragung bers Internet darstellen. 1. Einfhrung in MPEG-4 MPEG-4 ist ein durch die Moving Picture Coding Experts Group entwickelter Standard zur Kodierung von audio-visuellen Daten. Im Vergleich zu seinen Vorgngern, MPEG-1 und MPEG-2, bietet MPEG-4 effizientere Algorithmen zur Kompression und neue Techniken wie die modellbasierte Bildkodierung. Durch Betrachtung einzelner Objekte anstatt des gesamten Bildes werden bei dem Kodierverfahren sehr viel bessere Ergebnisse erzielt. Die wichtigste Neuerung von MPEG-4 ist aber die Flexibilitt. So werden oft nicht konkrete Implementie-rungen standardisiert sondern nur ein Interface. Die Implementierung bleibt dem Autor ber-lassen. 1.1. Objektorientiert Ein zentraler Punkt in der Entwicklung von MPEG-4 ist die Objektorientiertheit. So steht z.B. in MPEG-4 nicht mehr das Bild als Pixelmatrix, sondern das Objekt in Mittelpunkt. Eine MPEG-4 Szene besteht aus audiovisuellen Objekten (AVO), die individuell kodiert werden, um eine maximale Effizienz zu erreichen. Sie knnen unabhngig von anderen AVOs oder von der Hintergrundinformation reprsentiert werden. Ein AVO besteht aus einem oder meh-reren Videoobjekten und/oder Audioobjekten.

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  • Abb. 1.1: Beispiel einer audiovisuellen Szene in MPEG-4. 1.2. Video Kodierung Wie im letzten Abschnitt angesprochen, besteht eine Szene aus mehreren Objekten. Wenn man sich einen Nachrichtensprecher denkt, knnte man sich vorstellen, dass diese Szene aus Sprecher und Hintergrundbild besteht. Dafr gibt es verschiedene Kodierverfahren fr die einzelne Objekte.

    (a) (b) Abb. 1.2.1: (a)Der Hintergrund und (b) der Sprecher Als Videoobjekte. blicherweise wird sich der Hintergrund nie ndern. Der Sprecher wird sich, wenn auch nicht viel, bewegen. Die beiden Objekte werden einzelnen kodiert. Bevor ein Video in einem Computernetzwerk bertragen werden kann, muss es digitalisiert und komprimiert werden. Die Kompression der Videodaten luft bitweise ab. Dabei kann ein Einzelbild auf verschiedene Weise kodiert werden:

    als I-Frame (Intra Coded Frame) als P-Frame (Prediction Coded Frame)

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  • als B-Frame (Bidirectionally Prediction Coded frame) Die I-Frames werden wie ein Standbild kodiert mittels JPEG-Komprimierung. Bei den P- und B-Frames macht man sich zunutze, dass viele Informationen redundant sind, wenn man eine Kette von hnlichen Bilder kodieren will. So ist es bei dem oben aufgefhrten Beispiel, bei dem sich nur der Sprecher bewegt und der Hintergrund unverndert bleibt. Die gesamten nachfolgenden Bilder mssen nur auf ihre Vorgnger verweisen. Oder wenn die Kamera sich ber eine unbewegliche Landschaft bewegt, dann muss nur angegeben werden, in welcher Richtung und wie weit sich ein Bildausschnitt bewegt hat, um das nchste Bild darzustellen. Abgespeichert werden nicht mehr die ganzen Bildflchen, sondern nur noch Vektoren, die angeben, wohin sich ein Bildausschnitt (ein sog. Makroblock von 16*16 Pixeln) bewegt hat. Der Unterschied zwischen P- und B-frames besteht darin, dass sich die ersteren nur die Unterschiede zu vorher angezeigten Bildern berechnet werden, whrend bei B-Frames der Bezug in beide Richtungen stattfinden kann.

    Abb. 1.2.2: Arten der Einzelbilder in MPEG. I-, B- und P-Frame. 1.3. Strme in MPEG-4 Bevor die Daten ber ein Netzwerk gehen, werden sie zu einem groen Stream zusammenge-fasst (Multiplex). Auf der Empfngerseite wird dieser Stream wieder in einzelne Streams zer-legt (Demultiplex). Anhand von Zeitstempeln werden die einzelne Strme in der richtigen Reihenfolge wieder abgespielt werden. Da MPEG-4 Daten in mehrere Objekte unterteilt sind, betreffen die Stromeigenschaften das Multiplexing, das Demultiplexing und die Synchronisation mehrfacher Strme.

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  • Die AVO-Daten werden zu einem oder zu mehreren elementaren Strmen (Elementary Streams) gebndelt. Diese sind durch die Dienstgte (Quality of Service QoS) charakterisiert. Die Elementary Streams werden dann in einem Multiplexverfahren zu einem Stream gebn-delt. Auf der Decoderseite wird dieser Stream dann durch Demultiplexer wieder zerlegt. 2. Internet Protokolle Um ein Video ber das Netz betreiben zu knnen, gengt es in der Regel nicht, eine Netzver-bindung aufzubauen und die Daten ohne weitere Manahmen darber zu verschicken. Zum Transport muss der Datenstrom in Pakete aufgeteilt werden, die getrennt verschickt wer-den. An die Empfngerseite mssen diese Pakete in der richtigen Reihenfolge zusammenge-setzt werden. Zudem mssen Empfnger sich whrend der bertragung an variable Dienst-qualitten (QoS) anpassen knnen. Es werden dafr blicherweise die RTP/RTCP benutzt. 2.2. RTP- Realtime Transport Protocol Das Real-Time Transport Protocol (RTP) [1] wurde als Internet-Protokoll fr Echtzeit-ber-tragungen ber das User Datagram Protocol (UDP) und IP-Multicast entwickelt. Die Haupt-einsatzbereiche von RTP sind Conferencing und Medienstreaming. Dabei reichen die Mg-lichkeiten von einfachen Unicast-Verbindungen fr Audiostreaming bis hin zu Videokonfe-renzen ber Multicast. Die vier wichtigen Felder im RTP-Header sind Nutzdatentyp, Sequenznummer, Zeitstempel und Quellen