Mejora del streaming de vídeo en DASH con codificación de bitrate variable mediante el algoritmo Look Ahead y mecanismos de coordinación para la reproducción, y propuesta de nuevas métricas para la evaluación de la QoE

Abstract

[ES] Esta tesis presenta diversas propuestas encaminadas a mejorar la transmisión de vídeo a través del estándar DASH (Dynamic Adaptive Streaming over HTTP). Este trabajo de investigación estudia el protocolo de transmisión DASH y sus características. A la vez, plantea la codificación con calidad constante y bitrate variable como modo de codificación del contenido de vídeo más indicado para la transmisión de contenido bajo demanda mediante el estándar DASH. Derivado de la propuesta de utilización del modo de codificación de calidad constante, cobra mayor importancia el papel que juegan los algoritmos de adaptación en la experiencia de los usuarios al consumir el contenido multimedia. En este sentido, esta tesis presenta un algoritmo de adaptación denominado Look Ahead el cual, sin modificar el estándar, permite utilizar la información de los tamaños de los segmentos de vídeo incluida en los contenedores multimedia para evitar tomar decisiones de adaptación que desemboquen en paradas no deseadas en la reproducción de contenido multimedia. Con el objetivo de evaluar las posibles mejoras del algoritmo de adaptación presentado, se proponen tres modelos de evaluación objetiva de la QoE. Los modelos propuestos permiten predecir de forma sencilla la QoE que tendrían los usuarios de forma objetiva, utilizando parámetros conocidos como el bitrate medio, el PSNR (Peak Signal-to-Noise Ratio) y el valor de VMAF (Video Multimethod Assessment Fusion). Todos ellos aplicados a cada segmento. Finalmente, se estudia el comportamiento de DASH en entornos Wi-Fi con alta densidad de usuarios. En este contexto, se producen un número elevado de paradas en la reproducción por una mala estimación de la tasa de transferencia disponible debida al patrón ON/OFF de descarga de DASH y a la variabilidad del acceso al medio de Wi-Fi. Para paliar esta situación, se propone un servicio de coordinación basado en la tecnología SAND (MPEG's Server and Network Assisted DASH) que proporciona una estimación de la tasa de transferencia basada en la información del estado de los players de los clientes.

[CA] Aquesta tesi presenta diverses propostes encaminades a millorar la transmissió de vídeo a través de l'estàndard DASH (Dynamic Adaptive Streaming over HTTP). Aquest treball de recerca estudia el protocol de transmissió DASH i les seves característiques. Alhora, planteja la codificació amb qualitat constant i bitrate variable com a manera de codificació del contingut de vídeo més indicada per a la transmissió de contingut sota demanda mitjançant l'estàndard DASH. Derivat de la proposta d'utilització de la manera de codificació de qualitat constant, cobra major importància el paper que juguen els algorismes d'adaptació en l'experiència dels usuaris en consumir el contingut. En aquest sentit, aquesta tesi presenta un algoritme d'adaptació denominat Look Ahead el qual, sense modificar l'estàndard, permet utilitzar la informació de les grandàries dels segments de vídeo inclosa en els contenidors multimèdia per a evitar prendre decisions d'adaptació que desemboquin en una parada indesitjada en la reproducció de contingut multimèdia. Amb l'objectiu d'avaluar les possibles millores de l'algoritme d'adaptació presentat, es proposen tres models d'avaluació objectiva de la QoE. Els models proposats permeten predir de manera senzilla la QoE que tindrien els usuaris de manera objectiva, utilitzant paràmetres coneguts com el bitrate mitjà, el PSNR (Peak Signal-to-Noise Ratio) i el valor de VMAF (Video Multimethod Assessment Fusion). Tots ells aplicats a cada segment. Finalment, s'estudia el comportament de DASH en entorns Wi-Fi amb alta densitat d'usuaris. En aquest context es produeixen un nombre elevat de parades en la reproducció per una mala estimació de la taxa de transferència disponible deguda al patró ON/OFF de descàrrega de DASH i a la variabilitat de l'accés al mitjà de Wi-Fi. Per a pal·liar aquesta situació, es proposa un servei de coordinació basat en la tecnologia SAND (MPEG's Server and Network Assisted DASH) que proporciona una estimació de la taxa de transferència basada en la informació de l'estat dels players dels clients.

[EN] This thesis presents several proposals aimed at improving video transmission through the DASH (Dynamic Adaptive Streaming over HTTP) standard. This research work studies the DASH transmission protocol and its characteristics. At the same time, this work proposes the use of encoding with constant quality and variable bitrate as the most suitable video content encoding mode for on-demand content transmission through the DASH standard. Based on the proposal to use the constant quality encoding mode, the role played by adaptation algorithms in the user experience when consuming multimedia content becomes more important. In this sense, this thesis presents an adaptation algorithm called Look Ahead which, without modifying the standard, allows the use of the information on the sizes of the video segments included in the multimedia containers to avoid making adaptation decisions that lead to undesirable stalls during the playback of multimedia content. In order to evaluate the improvements of the presented adaptation algorithm, three models of objective QoE evaluation are proposed. These models allow to predict in a simple way the QoE that users would have in an objective way, using well-known parameters such as the average bitrate, the PSNR (Peak Signal-to-Noise Ratio) and the VMAF (Video Multimethod Assessment Fusion). All of them applied to each segment. Finally, the DASH behavior in Wi-Fi environments with high user density is analyzed. In this context, there could be a high number of stalls in the playback because of a bad estimation of the available transfer rate due to the ON/OFF pattern of DASH download and to the variability of the access to the Wi-Fi environment. To relieve this situation, a coordination service based on SAND (MPEG's Server and Network Assisted DASH) is proposed, which provides an estimation of the transfer rate based on the information of the state of the clients' players.