Evaluación de la QoE en un sistema de streaming adaptativo de vídeo 3D basado en DASH

Abstract

[ES] La distribución de contenidos multimedia, y en particular el streaming de vídeo, domina actualmente el tráfico global de Internet y su importancia será incluso mayor en el futuro. Miles de títulos se agregan mensualmente a los principales proveedores de servicios, como Netflix, YouTube y Amazon. Y de la mano del consumo de contenidos de alta definición que se convierte en la principal tendencia, se puede observar nuevamente un incremento en el consumo de contenidos 3D. Esto ha hecho que las temáticas relacionadas con la producción de contenidos, codificación, transmisión, Calidad de Servicio (QoS) y Calidad de Experiencia (QoE) percibidas por los usuarios de los sistemas de distribución de vídeo 3D sean un tema de investigación con numerosas contribuciones en los últimos años. Esta tesis aborda el problema de la prestación de servicios de transmisión de vídeo 3D bajo condiciones de red de ancho de banda variable. En este sentido, presenta los resultados de la evaluación de la QoE percibida por los usuarios de los sistemas de vídeo 3D, analizando principalmente el impacto de los efectos introducidos en dos de los elementos de la cadena de procesamiento de vídeo 3D: la etapa de codificación y el proceso de transmisión. Para analizar los efectos de la codificación en la calidad del vídeo 3D, en la primera etapa se aborda la evaluación objetiva y subjetiva de la calidad del vídeo, comparando el rendimiento de diferentes estándares y métodos de codificación, con el fin de identificar aquellos que logran la mejor relación entre calidad, tasa de bits y tiempo de codificación. Así mismo, en el contexto de la transmisión en un entorno simulcast, se evalúa la eficacia de la utilización de las codificaciones asimétricas para la transmisión de vídeo 3D, como una alternativa para la reducción del ancho de banda manteniendo la calidad global. En segundo lugar, para el estudio del impacto y el rendimiento del proceso de transmisión, se ha trabajado sobre la base de un sistema de transmisión dinámica adaptativa sobre HTTP (DASH) en el contexto de la transmisión de vídeo tanto 2D como 3D, utilizando diferentes escenarios de variación de ancho de banda. El objetivo ha sido el desarrollo de un marco de referencia para la evaluación de la QoE en escenarios de transmisión adaptativa de vídeo 3D, que permite analizar el impacto en la QoE del usuario frente a diferentes patrones de variación del ancho de banda, así como el rendimiento del algoritmo de adaptación frente a estos escenarios. El trabajo se enfoca en identificar el impacto en la Calidad de Experiencia del usuario que tienen aspectos como: la frecuencia, el tipo, el alcance y la ubicación temporal de los eventos de variación del ancho de banda. El sistema propuesto permite realizar mediciones de rendimiento de forma automatizada y sistemática para la evaluación de los sistemas DASH en el servicio de distribución de vídeo 2D y 3D. Se ha utilizado Puppeteer, la librería Node.js desarrollada por Google, que proporciona una API de alto nivel, para automatizar acciones en el protocolo Chrome Devtools, como iniciar la reproducción, provocar cambios de ancho de banda y guardar los resultados de los procesos de cambio de calidad, marcas de tiempo, paradas, etc. A partir de estos datos, se realiza un procesamiento que permite la reconstrucción del vídeo visualizado, así como la extracción de métricas de calidad y la evaluación de la QoE de los usuarios utilizando la recomendación ITU-T P.1203.

[CA] La distribució de continguts multimèdia, i en particular el streaming de vídeo, domina actualment el trànsit global d'Internet i la seua importància serà fins i tot mes gran en el futur. Milers de títols s'afegeixen mensualment als principals proveïdors de serveis, com ara Netflix, YouTube i Amazon. I de la mà del consum de continguts d'alta definició que es converteix en la tendència principal, es pot observar novament un increment en el consum de continguts 3D. Això ha fet que les temàtiques relacionades amb la producció de continguts, codificació, transmissió, Qualitat de Servei (QoS) i Qualitat d'Experiència (QoE) percebudes pels usuaris dels sistemes de distribució de vídeo 3D siguen un tema de recerca amb nombroses contribucions en els últims anys. Aquesta tesi aborda el problema de la prestació de serveis de transmissió de vídeo 3D sota condicions de xarxa d'ample de banda variable. En aquest sentit, presenta els resultats de l'avaluació de la QoE percebuda pels usuaris dels sistemes de vídeo 3D, analitzant principalment l'impacte dels efectes introduïts en dos dels elements de la cadena de processament de vídeo 3D: l'etapa de codificació i el procés de transmissió. Per analitzar els efectes de la codificació en la qualitat del vídeo 3D, a la primera etapa s'aborda l'avaluació objectiva i subjectiva de la qualitat del vídeo, comparant el rendiment de diferents estàndards i mètodes de codificació, per tal d'identificar aquells que aconsegueixen la millor relació entre qualitat, taxa de bits i temps de codificació. Així mateix, en el context de la transmissió en un entorn simulcast, s'avalua l'eficàcia de la utilització de les codificacions asimètriques per la transmissió de vídeo 3D, com una alternativa per la reducció de l'ampleada de banda mantenint la qualitat global. En segon lloc, per a l'estudi de l'impacte i el rendiment del procés de transmissió, s'ha treballat sobre la base d'un sistema de transmissió dinàmica adaptativa sobre HTTP (DASH) en el context de la transmissió de vídeo tant 2D com 3D, utilitzant diferents escenaris de variació d'ample de banda. L'objectiu ha estat el desenvolupament d'un marc de referència per a l'avaluació de la QoE en escenaris de transmissió adaptativa de vídeo 3D, que permet analitzar l'impacte en la QoE de l'usuari davant de diferents patrons de variació de l'ample de banda; així com el rendiment de l'algorisme d'adaptació davant d'aquests escenaris. El treball s'enfoca a identificar l'impacte a la Qualitat d'Experiència de l'usuari que tenen aspectes com ara: la freqüència, el tipus, l'abast i la ubicació temporal dels esdeveniments de variació de l'ample de banda. El sistema proposat permet realitzar mesuraments de rendiment de manera automatitzada i sistemàtica per a l'avaluació dels sistemes DASH en el servei de distribució de vídeo 2D i 3D. S'ha utilitzat Puppeteer, la llibreria Node.js desenvolupada per Google, que proporciona una API d'alt nivell, per automatitzar accions al protocol Chrome Devtools, com iniciar la reproducció, provocar canvis d'ample de banda i desar els resultats dels processos de canvi de qualitat, marques de temps, parades, etc. A partir d'aquestes dades, es fa un processament que permet la reconstrucció del vídeo visualitzat, així com l'extracció de mètriques de qualitat i l'avaluació de la QoE dels usuaris fent servir la recomanació ITU-T P.1203.

[EN] The distribution of multimedia content, and in particular video streaming, currently dominates global Internet traffic and will become even more important in the future. Thousands of titles are added monthly to major service providers such as Netflix, YouTube and Amazon. In addition to the consumption of high-definition content becoming the main trend, an increase in the consumption of 3D content can be observed again. This fact has caused that issues related to content production, encoding, transmission, Quality of Service (QoS) and Quality of Experience (QoE) perceived by users of 3D video distribution systems became a research topic with numerous contributions in recent years. This thesis addresses the problem of providing 3D video streaming services under variable bandwidth network conditions. In this sense, it presents the results of the evaluation of the QoE perceived by the users of 3D video systems, analyzing mainly the impact of the effects introduced in two of the elements of the 3D video processing chain: the encoding stage and the transmission process. To analyze the effects of the encoding process on the quality of 3D video, the first stage deals with the objective and subjective evaluation of video quality, comparing the performance of different encoding standards and methods, in order to identify those that achieve the best ratio between quality, bit rate and encoding time. Also, in the context of transmission in a simulcast environment, the advantages of using asymmetric coding for 3D video transmission is evaluated as an alternative for bandwidth reduction while maintaining overall quality. Secondly, for the study of the impact and performance of the transmission process, the work has been carried out on the basis of an adaptive dynamic over HTTP (DASH) transmission system in the context of both 2D and 3D video transmission, using different bandwidth variation scenarios. The aim has been to develop a framework for the evaluation of QoE in 3D adaptive video streaming scenarios, which allows analyzing the impact on the user's QoE against different bandwidth variation patterns, as well as the performance of the adaptation algorithm under these scenarios. The work focuses on identifying the impact on the user's Quality of Experience in aspects such as: frequency, type, range and temporal location of bandwidth variation events. The proposed system allows to perform performance measurements in an automated and systematic way for the evaluation of DASH systems in the 2D and 3D video distribution service. The tool Puppeteer, the Node.js library developed by Google, has been used, which provides a high-level API to automate actions in the Chrome Devtools protocol, such as starting playback, causing bandwidth changes and saving the results of the quality change processes, timestamps, stops, etc. From this data, a further processing is performed that allows the reconstruction of the displayed video, as well as the extraction of quality metrics and the evaluation of the QoE of the users using the ITU-T P.1203 recommendation.