UPRAVLJANJE KVALITETOM SERVISA U DIGITALNOJ TELEVIZIJI Dragorad Milovanović 1, Zoran Bojković 2, Miomir Mihailović 3, Petar Pavasović 4 1 Elektrotehnički fakultet, Beograd 2 Saobraćajni fakultet, Beograd 3 BKTV, Beograd 4 BelSystems, Beograd I UVOD Nakon pet decenija od nastanka, danas je izvesno da će televizija postati potpuno digitalna (DVB/ATSC sistemi) [1, 2]. Osnovne prednosti digitalizacije su fleksibilnost, konstantan kvalitet video materijala i jednostavnost integracije. Međutim, pojavljuju se novi problemi [3]: izbor formata za produkciju, arhiviranje i distribuciju video signala, ekonomična integracija, lokalizacija i optimizacija sistema digitalne televizije; procena kvaliteta programskog servisa i nadgledanje kvaliteta u distribucionoj mreži. Ove (r)evolucionarne promene u velikoj meri utiču na kvalitet slike. U analognoj televiziji, kvalitet je određen dužinom i kvalitetom prenosnog puta. Moguće degradacije su dobro poznate: šum, refleksije i neoštra slika. Što je lošiji prenosni put, kvalitet slike na prijemu je lošiji. Ovo pravilo u digitalnoj televiziji ne važi! U digitalizovanoj televiziji kvalitet slike je esencijalno određen na početku prenosnog puta: kodovanjem i multipleksiranjem više programa u transmisioni kanal. Za dati prenos bez grešaka, kvalitet slike ostaje nepromenjen duž cele putanje do prijema. Zbog toga su u savremenoj digitalnoj televiziji neophodni uređaji za merenje, nadgledanje i testiranje: merenje kvaliteta video signala i slike, MPEG-2 PS/TS protokol analizatori, analizatori RF/SDH/ATM prenosnih kanala Sistemski pristup kvalitetu servisa je opisan u prvom delu rada. Merenje i održavanje kvaliteta servisa na digitalnoj televiziji je sistematizovano u drugom delu rada. U poslednjem delu rada opisana su istraživanja testiranja kvaliteta slike i prenosa MPEG- 2 programa na SDH za BKTV. II SISTEMSKI PRISTUP KVALITETU SERVISA ITU (International Telecommunications Union) je definisala kvalitet servisa QoS (Quality of Service) kao "združeni efekat performansi servisa koji određuju stepen zadovoljstva korisnika servisom" [4]. Dalje se ističe da je QoS kombinacija aspekata i zahteva dodatni opis kako bi se koristio u kvantitativnom smislu za tehničku evaluaciju [5, 6]. Uloga korisnika je naglašena u definiciji i on predstavlja ključni elemenat u evaluaciji sistema difuzije digitalne televizije. Sistem digitalne televizije čine četiri glavne komponente: izvor programskog audio i video signala, procesiranje programa, prenosni kanali i krajnji gledalac. Program čini video, jedan ili više audio kanala i dodatni podaci. Prenosna tehnika je raznovrsna i sofisticirana: zemaljska / kablovska / satelitska distribucija, mikrotalasni linkovi, optički kablovi i široko-pojasne mreže (PDH, SDH, ATM) [7]. U svakoj tački sistema je potrebno definisati QoS za dolazni/odlazni program. Prema tome, ne postoji jedna definicija QoS za digitalni televizijski program. U stvari, postoji neograničen broj parametara koji se mogu specificirati. Na primer, ITU-T dokumenti sadrže preko 350 definicija koji se odnose na QoS [4] ali ni jedna definicija se ne odnosi direktno na prenos digitalnog televizijskog programa. Postoje različite tehničke metode za određivanje QoS. U primeni ovih metoda postoje dva osnovna pristupa za evaluaciju QoS parametara: merenje i nadgledanje. Merenje omogućava najtačniju evaluaciju parametara ali zahteva složene uređaje i postoje ograničenja kao što su dostupnost izvora video signala. Preciznost merenja je od značaja u projektovanju, proizvodnji, izboru uređaja i instalaciji sistema. Nadgledanje se koristi za održavanje QoS u toku rada sistema. Kontinualno nadgledanje u realnom vremenu obuhvata manji broj parametara sa manjom preciznošću. Postoje tri osnovna nivoa testiranja. Video signal u osnovnom opsegu je analogni PAL video, digitalni komponentni video SDTV po definiciji ITU-R BT.601 [9] ili video visoke definicije (HDTV) prema ITU-R BT.709 [10]. Na nivou studijske opreme postoje dva aspekta: metod komprimovanja i fizička veza. MPEG-2 video se pojavljuje u dva oblika: elementarni / transportni ili programski tok podataka. DV (Digital Video) je drugi mogući metod kompresije [11]. Na ovom nivou postoje protokoli za formatiranje i mapiranje komprimovanih podataka na fizičke interfejse: SDI (Serial Digital Interface), SDTI (Serial Data Transfer Interface), ASI (Asynchronous Serial Interface). Široko-pojasne mreže i RF tehnike se koriste za povezivanje između studija. Tradicionalno se koriste nestandardne i standardne RF metode sa efikasnom kontrolom grešaka pri prenosu. U poslednje vreme je aktuelan prenos komprimovanih podataka mapiranih kroz ATM ili direktno na PDH/SDH transportni protokol, sa ili bez kontrole grešaka pri prenosu [12]. Na svakom nivou testiranja postoje QoS parametri koji su od najveće važnosti za korisnike u tom delu sistema. Provajder programa je najviše zainteresovan za kvalitet video signala i konekcija unutar studija. Provajdera servisa najviše interesuju uslovi za kontrolu grešaka u komunikacionom kanalu. Međutim, video QoS parametri su značajni za sve korisnike kao ultimativni test distribucije programa do krajnjeg gledaoca.
Sistemski pristup QoS na digitalnoj televiziji zahteva uređaje za merenje i nadgledanje u svakoj fazi produkcije i distribucije. Izvor. Merenje kvaliteta slike kako bi se sačuvao u najvećoj mogućoj meri kvalitet originala. Nadgledanje protokola i mapiranje na transportne linkove. Prenosni linkovi. Najvažniji je nivo fizičke veze, digitalni i analogni parametri kao i mnogi parametri definisani ITU standardima. Provajder programa. Od značaja su svi oblici merenja i nadgledanja videa u komprimovanom obliku. Nadgledanje kvaliteta slike je korisno na ulazu studija a može biti od značaja na izlazu ako se koriti statistički multiplekser za kombinovanje više programa u jedan transportni stream. Nadgledanje protokola je najkorisnije na izlazu studija kako bi se obezbedio potpuno validan tok podataka prema prenosnim linkovima. Modifikacija programa. Nadgledanje ima naglašenu ulogu u ovoj fazi jer postoji više kanala koji se malo razlikuju u procesiranju za pojedinačne programe. Jednostavan cut-edits postaje složen na komprimovanim podacima tako da analiza protokola postaje važna. Nadgledanje kvaliteta višekanalnog videa je od značaja za optimalni rad statističkog multipleksera na izlazu studija. Gledalac. Aktuelni gledalac nevoljno testira i kvalitet primljenog videa. Međutim, oni koji su odgovorni za produkciju i isporuku programa su dužni da osiguraju QoS koji ispunjava očekivanja gledaoca i zahteve provajdera programa. Ovo može da zahteva analizu protokola (na nivou komprimovanih podataka) na mestu prijema slike kao i merenje kvaliteta test slika. Udaljeno nadgledanje je posebno značajno. III MERENJE I ODRŽAVANJE KVALITETA SERVISA Upravljanje QoS na digitalnoj televiziji zahteva merenje kvaliteta signala/slike, analizu MPEG-2 protokola i nadgledanje RF/SDH prenosnih veza. 1. Merenje kvaliteta signala/slike Izbor opreme za kompresiju. Ovo je funkcija sistemskog projektovanja koja zahteva testiranje i ocenjivanje kvaliteta slike kako bi se evaluirali dostupni koderi. Izbor radnih parametara. Ekonomičan prenos podataka zahteva pažljiv izbor konstantnog bitskog protoka ili promenljivog protoka za statističko multipleksiranje. Nadgledanjem se izoluje potencijalna zona sa problemima. Zatim se sistem analizom izoluju pojedini blokovi i zamenjuju referentnim blokovima poznatog kvaliteta. Za evaluaciju kodera može se koristiti referentni dekoder. 2. MPEG-2 TS protokol analizator Testiranje protokola je primarni tip analize za održavanje QoS unutar studija. Korisnik želi jednostavnu proveru da oprema ispravno radi. U slučaju kvara potrebno je brzo ustanoviti lokaciju greške. Metod testiranja je kombinacija generisanja poznatog validnog signala i merenje signala u različitim tačkama. MPEG-2 je kompleksan protokol, tako da je neophodan struktuirani (hijerarhijski) pristup za otkrivanje kvara. Sintaksna i CRC analiza. Kodovi za start i sinhronizaciju, kao i brojači paketa moraju biti korektno postavljeni kako bi dekoder pravilno interpretirao MPEG PES/PS/TS tok podataka. Provera sintakse podrazumeva da svi biti nisu programski materijal. Povremene greške u sintaksi ukazuju na greške pri prenosu, dok konzistentne greške ukazuju na neispravana rad kodera ili multipleksera. Mnoge MPEG tabele imaju dodatni CRC zaštitu, tako da protokol analizator ponovo izračunava zaštitne sume i upoređuje ih sa aktuelnim sumama. Tajming/džiter analiza. Korektan prenos programskog takta i time-stamp podataka je neophodan, zato što ovi podaci upravljaju kompletnim tajmingom procesa dekodovanja. Takođe je potrebno da džiter transportnog toka podataka bude u izvesnim granicama, kako bi dobar dekoder ispravno radio. Testiranje se zasniva na generisanju validnog transportnog toka i dodavanju kontrolisanog iznosa džitera, kako bi se osiguralo da je samo džiter prouzrokuje greške. Testiranje tokova podataka. Koriste se posebno generisani standardni tokovi podataka za testiranje dekodera: jednostavne slike/video, provera svih elemenata MPEG sintakse, standardni video signali za proveru DA konvertora, niova signala i kompozitnih/yc kodera. 3. Nadgledanje MPEG-2 transporta Digitalni prenos je osnovna tehnologija koja omogućuje da zemaljski, satelitski i kablovski sistemi isporučuju mnoštvo servisa. Njihova spektralna efikasnost i robustnost na interferencijske smetnje omogućuje visok kvalitet servisa za pretplatnike. Formati digitalnog prenosa uključuju COFDM, QPSK, 8-VSB, and QAM [7]. Garantovani QoS zahteva testiranje digitalno modulisanih signala. Kao i kod analognih signala, snaga i merenje interferencija su esencijalni za održavanje digitalnog servisa. Pored toga, digitalni prenos zahteva nove tehnike merenja kvaliteta prenosa. Digitalni formati sadrže adaptivnu ekvalizaciju, zaštitno kodovanje, interliving, i druge tehnike procesiranja podataka. Kada ovi blokovi nepravilno funkcionišu, kvalitet digitalnog servisa naglo opada. Nove tehnike testiranja trendova performansi pre nego što se pretplatnici počnu žaliti na kvalitet servisa su MER (Modulation Error Ratio), ENM (Estimated Noise Margin), i BER (Bit Error Rate). MER je najbolja tehnika za procenu ukupnih performansi i testiranje netranzijentnih oštećenja pri digitalnom prenosu. Tehnika je analogna SNR (Signal-to- Noise Ratio) kod modulacije u osnovnom opsegu. ENM je indikaciji količine degradacije signala pre zaštitnog kodovanja. Vidljiva oštećenja slike se pojavljuju kada se kvalitet prenosa spusti ispod ove kritične tačke. BER je ukupna mera kvaliteta primljenog toka podataka i može biti meren pre ili posle korekcije grešaka. BER je indikacija modulacionih oštećenja dovoljnih da izazovu grešku ali je neosetljiv na trendove. Kritična vrednost BER ukazuje na ozbiljna oštećenja kada se "zamrzava" slika na prijemu. Testiranje DVB sistema za transport zahteva mogućnost analize različitih tačaka DVB lanca, proveru rada po DVB specifikaciji i MPEG standardu [7, 8]. Operatori široko-pojasnih PDH/SDH/ATM mreža su odgovorni za kontribuciju / distribuciju TV programa. Kontribucijski prenos se obavlja između studija ili do satelitskih stanica. Distribucija povezuje operacione centre sa zemaljskim predajnicima ili centre kablovske distribucije pre nego što TV kanali dođu do pretplatnika u analognom ili digitalnom formatu. Međutim, testiranja opreme su neophodna i u fazi razvoja opreme kako bi se skratilo vreme projektovanja. Kritične tačke su provera rada po standardu i performanse uređaja. Potrebno je meriti strukturu i koherentnost tabela kodera i multipleksera, rukovanje baferom na prijemu i razne vrste sinhronizacije koje se nalaze u toku podataka.
U fazi izrade, podešavanje i kalibracija uređaja pre isporuke ili instalacije zahteva korišćenje referentnih tokova podataka. U fazi eksploatacije, mrežni operatoti i provajderi servisa se susreću sa garantovanim QoS. Analiza u realnom vremenu je neophodna za detekciju prekida programa, konflikta i nekoherencije u opisnim tabelama. Ovakve detaljne informacije omogućuju nadgledanje svake komponente skupa programa a ako je neophodno preciznu dijagnozu neispravnog linka u kompleksnom lancu kontribucione / distribucione mreže. Sintaksa i struktura MPEG transportnog toka podataka predstavlja osnovni element. MPEG i DVB ne definišu sistem kontrole pristupa, tako da je specifikacija ovakvog sistema prepuštena provajderima programa i/ili operatorima servisa. Za merenje kvaliteta MPEG/DVB multipleksa u različitim tačkama, neophodno je: generisanje test tokova podataka (biblioteka elementarnih tokova audio/video/podaci), multimedia serveri za reprodukciju/generisanje tokova podataka na zahtev ili u beskonačnoj petlji, detaljni analajzer karatkteristika toka podataka u realnom vremenu (koherencija opisnih tabela, distribucija propusnog opsegu između različitih programa, referentni takt i sinhronizacija); neprekidno nadgledanje (kompletno integrisano u distribucione centar) sposobno da detektuje važne događaje, meri kvalitet servisa, i identifikuje i locira probleme; u slučaju interaktivnih programa, analiza transportnih protokola (TCP/IP) se takođe zahteva u vezi sa povratnim kanalima. Potrebno je identifikovati izvor bilo kojeg prekida servisa u najkraćem vremenu. Da li MPEG-2/DVB multipleks ostaje nominalan na ulazu mrežnog adaptera? Da li je SDH prenos pravilno konfigurisan? Da li je prenos bez grešaka? Koji je status sinhronizacije? Na tržištu postoje prenosni uređaji za dobijanje statusa multipleksiranja, dekodovanje servisnih informacija, registrovanje događaja, merenje džitera i automatsko generisanje izveštaja [13]. Dodatno, ovi uređaji se mogu konfigurisati za emulaciju MPEG multipleksera na mrežnom ulazu kako bi se testirale sve brzine i interfejsi i proverila konfiguracija, performanse i kvalitet sa-kraja-na-kraj prenosnog sistema. IV PROJEKAT BKTV Nakon uspešno završenog projekta distribucije MPEG-2 televizijskog programa do zemaljskih predajnika primenom inverznog multipleksiranja u SDH mreži [12], na BK televiziji je nastavljen rad na kvalitetu servisa. Postavljena su fundamentalna pitanja [3]: Kako razlikovati dobar koder od manje dobrog kodera? Kako odrediti minimalni prihvatljivi bitski protok? Kako optimizirati radne parametre MPEG kodera? Kako nadgledati kvalitet slike prilikom prenosa? Nakon sistematizacije teorijskih osnova kvaliteta servisa, pristupilo se laboratorijskim merenjima subjektivnog kvaliteta videa (Slika 1) i izradi softvera za procenu kvaliteta na osnovu objektivnih parametara (Slika 2), kao i analizi anomalija pri prenosu u SDH mreži. 1. Procena subjektivnog kvaliteta slike Digitalna televizijska slika studijskog kvaliteta zahteva protok od 270 Mbit/s. Signal se primenom MPEG-2 hibridnog bloktransformacionog kodera konvertuje u protok od 5 Mbit/s i manje, što drastično poboljšava iskorišćenost transmisionog kanala. Umetnost komprimovanje se sastoji u tome da promene slike usled smanjenja bitskog protoka ostanu neprimetljive za ljudsko čulo vida. Sadržaj slike takođe utiče na konačni kvalitet dekodovane slike. Što su strukture finije i više neregularne, kodovanje je složenije. MPEG-2 standard ne specificira kvalitet slike nego definiše samo postupke komprimovanja i sintaksu transmisionog kanala. Kvalitet implementacije kodera je ostavljena proizvođačima uređaja. Evaluacija kvaliteta slike neophodno sadrži perceptualne osobine ljudskog čula vida. ITU-R je specificirala metode formalnog subjektivnog testiranja digitalnog komprimovanog video signala [14]. Preporuka BT.500 specificira selekciju grupe neeksperata, testiranje njihovih vizuelnih sposobnosti, prikazivanje serije test scena u toku 10-30 minuta u kontrolisanim uslovima, i načine ocenjivanja kvaliteta scena (Slika 2). DSIS (Double stimulus impairment scale). Subjektima se prikazuju parovi scena, pri čemu je original uvek prva scena. Ocenjivanje se vrši na osnovu ukupne impresije o oštećenju slike (imperceptible, preceptible but not annoying, slightly annoying, annoying, and very annoying). DSCQS (Double stimulus continuous quality scale). Subjektima se prikazuju parovi scena, u promenljivom redosledu. Ocenjivanje se obavlja na kontinualnoj skali (excellent-bad) a analiza se zasniva na razlici ocena originalne i kodovane scene. SS (Single stimulus methods). Subjektima se prikazuju pojedinačne scene, sa (SS) ili bez ponavljanja (SSMR). Koriste se tri metode ocenjivanja: 5-stepena skala oštećenja, 11-stepena numerička skala i 100-stepena (praktično kontinualna) skala. SC (Stimulus comparison methods). Subjekti procenjuju razliku između parova scena. Ocenjivanje se obavlja na dva načina: 7-stepena skala (much better, better, slightly better, the same, slightly worse, worse, and much worse) i kontinualna skala. SSCQE (Single stimulus continous quality evaluation). Program, a ne pojedinačne scene se prikazuje u dužem vremenskom razmaku 10-20 minuta. Ocenjuje se na kontinualnoj skali svakih par sekundi. Prednosti subjektivnog testiranja su da je dobijeni parametar MOS (Mean opinion score) dobar indikator kvaliteta slike za široki raspon aplikacija. Nedostaci subjektivnog testiranja su veliki broj metoda i parametara, kontrola uslova testiranja, veliki broj subjekata i ukupna kompleksnost prouzrokuje dugo vremensko trajanje eksperimenta. Subjektivno testiranje je suviše kompleksno a rezultati suviše variraju, tako da su metode testiranja objektivnog kvaliteta signala neophodne. Naravno, svaki sistem objektivnog testiranja mora biti u dobroj korelaciji sa subjektivnim rezultatima za isti video sistem i test scene. Metode objektivnog testiranja se mogu podeliti na dve kategorije: Ekstrakcija obeležja koristi matematička izračunavanja za opis slike ili sekvence. Ovako izračunate karakteristike originalne i oštećene slike se upoređuju i dobija ocena. Prednost metode je manji broj podataka za prenos jer se prenose obeležja slike a ne komprimovana slika. Metod razlike slika koristi matrični račun za izračunavanje piksel-po-piksel diferencije filtrirane originalne slike i
degradirane slike (MSE, PSNR). Moguće je u slici greške posebno analizirati različite tipove artifakata i težinski ih sabirati u ukupnu ocenu a prema osetljivosti ljudskog čula vida na pojedine tipove oštećenja (JND-Just Noticeable Differences). Na tržištu postoje uređaji koji izračunavaju metrike kvaliteta slike koje su nezavisne od video materijala, tipa oštećenja i tehnika komprimovanja a korelacija sa subjektivnom DSCQS procenom je bolja od 90% [13]. 2. MPEG-2 transport na SDH Struktura SDH frejma je specificirana tako da sadrži veliku količinu redundantnih podataka, koji omogućuju različite funkcije upravljanja: indikacija alarma, monitorisanje performansi, status i trace sekcije, udaljena indikacija (defekata, grešaka i kvarova), status sinhronizacije... [15,16] Na tržištu postoje uređaji [13] za registrovanje alarma, anomalija, defekata i kvarova pri prenosu na SDH mrežama. V ZAKLJUČAK Neophodna aktivnost za razvoj i očuvanje investicija jedne savremene televizije je praćenje procesa standardizacije svih relevantnih komponenti sistema. Sistemski pristup QoS na digitalnoj televiziji zahteva uređaje za merenje i nadgledanje u svakoj fazi produkcije i distribucije. Budući istraživački rad u ovoj oblasti će obuhvatiti razvoj softverskog paketa VqA&A [3] za procenu subjektivnog kvaliteta slike na osnovu objektivnih parametara kao i lokalizaciju/optimizaciju profesionalnih uređaja [13] za nadgledanje kvaliteta video programa digitalne televizije. LITERATURA [1] K.R.Rao, Z.Bojkovic, D.Milovanovic, Multimedia communication systems, Prentice-Hall, 2001. In progress. [2] K.R.Rao, Z.Bojkovic, Packet video communications over ATM networks, Prentice-Hall 2000. [3] D.Milovanovic, Digital television, Technical report, BKTV, May 2000. [4] Recomm. ITU-T E.800, Terms and definitions related to Quality of Service and network performance including dependability. [5] Recomm. ITU-T M.60, Maintenance: introduction and general principles of maintenance and maintenance organization. [6] ITU-R Doc. 10-11Q/20, Liaison Statement from ITU-T SG9 to ITU-R Joint Working Party 10-11Q, Quality of service. [7] ETSI TR101200, A guideline for the use of DVB specifications and standards, Technical report, 1997-09. [8] ISO/IEC 13818-1, Generic coding of moving pictures and associated audio information. Part 1: System. [9] Recomm. ITU-R BT.601, Encoding parameters of digital television for studios. [10] Recomm. ITU-R BT.709-3, Parameter values for the HDTV standards for production and international programme exchange, 1994. [11] SMPTE 314M, Data structure for DV based audio, data and compressed video - 25 Mb/s and 50 Mb/s. [12] N.Linta, M.Mihailovic, D.Vuletic, Digital broadcasting distribution of MPEG-2 coded TV signal over SDH network with inverse multiplexing BKTV project, TELFOR 1999, pp.493-496. [13] Tektronix, Rohde&Schwarz, Wandle&Goltermann Group. [14] ITU-R BT.500, Methodology for the subjective assessment of the quality of television picture, Ver.7. [15] D.Milovanović, Z.Bojković, "Video on telecommunications and computer networks: quality metrics", in Proc. TELSIKS 1997, vol.1, pp.172-175. [16] D.Milovanović et al., "Video transmission over ATM networks: standards and systems", YUINFO 1998, pp.680-685. Abstract: In this paper, the aspects of quality of service management are presented based on an understanding of the complete television system. The following steps are key to maintaining video QoS: baseband video quality, select compression equipment, select operating data rates, monitor program defects to indicate potential problems and resolve operational or equipment failure problems. Future work in this area will include development of software analyzer/advisor for video quality measurement and localization/optimization of profesional equipment for QoS monitoring of digital television. QUALITY OF SERVICE MANAGEMENT IN DIGITAL TELEVISION D. Milovanović, Z.Bojković, M.Mihailović, P.Pavasović
A/V TADIRAN Scopus CODICO E-1000/110 MPEG-2 encoder RS TADIRAN Scopus IRD-250 Integral receiver A/V switch BETA Video!/" TV monitor Slika 1. Blok šema laboratorijskog eksperimenta za testiranje subjektivnog kvaliteta MPEG-2 video signala [3]. Slika 2. Softverski paket Video quality Analyzer/Advisor za procenu subjektivnog kvaliteta slike [3].