Valutazione della qualità video percepita su reti wireless multi-hop.

INTRODUZIONE 
Gli ultimi dieci anni sono sta iluppo sempre crescente delle 
ili che integrano 
genee o nel caso di un singolo AP che 
e per la valutazione 
na condizione il più possibile prossima a 
a 
utilizzare, in modo da comprendere con una certa criticità a cosa sono dovuti taluni disturbi 
ti caratterizzati da uno sv
tecnologie di comunicazione senza fili e del mobile computing: PDA e telefoni cellulari di 
ultima generazione che dispongono di interfacce di comunicazione wireless. 
Si è assistito nel contempo alla nascita di una gran varietà di dispositivi mob
tecnologie wireless di vario tipo: Bluetooth, Infrarossi, wi-fi della famiglia IEEE 802.11. 
Questo consente di poter utilizzare connessioni senza fili sia in ambito domestico che in 
ambiti più ampi, infatti, con ogni tecnologia wireless viene messo a disposizione degli utenti 
uno o più Access Point (AP) collegati con la rete fissa. 
Quando si ha a che fare con infrastrutture wireless etero
deve gestire molto traffico a causa di un elevato numero di utenti, si possono verificare due 
diverse situazioni: nel primo caso spesso si verificano frequenti situazioni di hand-off in cui 
un terminale si disconnette dall’AP corrente e si connette ad uno nuovo sfruttando ad esempio 
la stessa tecnologia di comunicazione, o anche una differente. In conseguenza agli hand-off 
possono verificarsi perdite di pacchetti anche piuttosto elevate che comportano una 
degradazione della qualità video. Nel secondo caso la degradazione della qualità video si ha 
se il numero di utenti connessi allo stesso AP è molto elevato e la banda richiesta supera 
quella supportata dall’AP o comunque si è prossimi alla sua saturazione. 
Questo lavoro di tesi si è centrato sullo studio e sulla sperimentazion
oggettiva della qualità video percepita con trasmissioni wireless al fine di identificarne la 
relazione con i parametri della rete. A tal fine è stata condotta una ricerca attenta sulle 
metriche di valutazione della qualità video ponendo particolare attenzione alle metriche 
oggettive che permettono di automatizzare e quindi velocizzare l’analisi. Nel nostro caso si è 
utilizzata la metrica VQM poiché è quella più fedele alle valutazioni soggettive. Questa è 
preferita rispetto alle altre perché nella sua realizzazione sono state prese in considerazione le 
caratteristiche delle maggiori applicazioni video.  
Le maggiori difficoltà saranno quelle di creare u
quella di una reale architettura di rete al fine di effettuare un confronto obiettivo fra due video 
(video di riferimento e video trasmesso via streaming) ottenuti in condizioni differenti. Tale 
studio introduce delle difficoltà non indifferenti, dal momento che è noto il comportamento 
assolutamente instabile e molto variabile del traffico veicolato da un  Access Point wireless. 
Successivamente andremo ad analizzare come avviene la codifica e che tipo di codific
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introdotti nella trasmissione wireless; infine verrà implementato un sistema per la 
trasmissione di contenuti multimediali al fine di offrire servizi di download ad utenti mobili in 
una determinata area ed i video trasmessi tramite questa architettura verranno analizzati 
dettagliatamente al fine di determinare  l’indice di qualità offerto dalla rete. 
Per determinare l’indice di qualità offerto dalla rete dobbiamo tenere conto di diversi fattori 
quali: la qualità dei video in qualunque condizione trasmissiva, il traffico che appesantisce la 
ero di hop; 
a curva cambia gradualmente la sua 
 
• 
he il traffico di background cresce, peggiora. 
• 
umentare del traffico di background peggiora la qualità 
Tal
mat di qualità percepita in tempo reale al fine di 
 
 
rete parallelamente al nostro video e il peso in termini di bitrate del video stesso. 
 Da un attenta analisi dei campioni deduciamo che: 
• a parità di traffico di background le curve cambiano all’aumentare del num
• aumentando il traffico di background, l
inclinazione e questo ci permette di capire che il traffico di background influisce sulla
qualità dei video in base al loro bitrate. 
Dall’analisi della qualità percepita in funzione di bitrate e background nel 1 hop a 
parità di bitrate la qualità, man mano c
Mentre a parità di traffico di background all’aumentare del valore di bitrate la qualità 
VQM migliora sempre di più. 
Dall’analisi della qualità percepita in funzione di bitrate e background nel 2 e 3  hop a 
parità di bitrate del video, all’a
VQM. Mentre a parità di traffico di background, all’aumentare del bitrate la qualità 
VQM rimane più o meno la stessa.   
e analisi rappresenta un ottimo punto di partenza per l’implementazione di un modello 
ematico che possa stimare l’indice
adattare dinamicamente e prontamente la trasmissione dei contenuti video. 
 
 
 
 
 
 
 
 
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CAPITOLO 1 
etriche di valutazione della qualità video 
one della qualità video sono presenti svariate metriche, di tipo 
iudizio umano di osservatori specializzati e, per questo, rispecchiano 
 calcolare in 
indicata dall’ILG (Independent Laboratori 
sizione il tool chiamato anch’esso con il nome VQM. 
pplicare una metrica soggettiva vuol dire effettuare una valutazione dell’immagine che 
soggettiva del sistema visivo umano (HVS – Human Visual 
utazione della qualità video. Tali metriche sono state utilizzate per molti 
I metodi di test sono: 
M
In letteratura, per la valutazi
oggettivo o soggettivo.  
Le prime mirano a calcolare matematicamente l’impairment introdotto nel video, mentre le 
seconde sono basate sul g
le valutazioni che saranno date poi dagli utenti del servizio. Mentre le metriche soggettive 
sono, in termini di tempo ed economici, molto onerose (bisogna organizzare riproduzioni di 
video, a cui persone più o meno esperte daranno un giudizio secondo una certa scala), per le 
metriche oggettive il giudizio è ottenuto in maniera automatica e quindi meno onerosa, ma ha 
lo svantaggio di non rispecchiare perfettamente la valutazione dell’utente finale. 
È per questo che vari eventi sono stati organizzati, per comprendere quali metriche oggettive 
fossero più correlate con le metriche soggettive e, quindi, fossero più adatte a
automatico la qualità percepita dall’utente finale. 
VQM è la metrica utilizzata in questo lavoro di tesi per la valutazione oggettiva della qualità 
video. È stata scelta dal momento che è stata 
Group) come la migliore fra le metriche oggettive, per la sua capacità di prevedere la qualità 
percepita dai fruitori del servizio: per la sua correlazione, dunque, con i risultati soggettivi 
corrispondenti. 
Questa metrica è stata proposta da NTIA/ITS, un ente il quale, visti i buoni risultati raggiunti, 
ha messo a dispo
 
 1.1 Metriche soggettive 
A
tenga conto della percezione 
System).                   
   Le metriche soggettive sono basate sull’utilizzo di un giudizio umano da parte di osservatori 
specializzati nella val
anni e continuano ad essere utilizzate anche oggi; proprio per queste raccomandazioni 
internazionali, come la ITU-R BT.500-8-11, [1] hanno definito un insieme di test e 
metodologie per assistere le varie fasi della valutazione soggettiva della preparazione dei 
viewers alla formalizzazione dei risultati ottenuti. 
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• SSCQE (Single Stimulus Continuos Qualità Scale) 
• DSIS (Double Stimulus Impairment Scale) 
le Stimulus Continuos Qualità Scale) 
      per una volta allo spettatore. Tali 
vid l la qualità istantanea 
del d una scala continua che va da 0 
tano il video di riferimento e quello 
• DSCQS (Doub
         Nel SSCQE una serie di videoclip è presentata 
eoc ip possono contenere o meno impairment e le persone valutano 
vi eoclip tramite uno spider messo a disposizione con
(qualità pessima) a 1 (qualità ottima). La SSCQE produce, quindi, la valutazione della qualità 
ad intervalli regolari di tempo e può così catturare la variazione di qualità percepita nel tempo. 
Le valutazioni sono assolute nel senso che allo spettatore non sono mostrati esplicitamente i 
video clip di riferimento. Questo corrisponde all’effettiva situazione di una visione a casa, 
dove il video di riferimento non è disponibile all’utente. 
                 Nel Double Stimulus, lo spettatore valuta la qualità o il cambiamento della stessa 
tra due flussi video, quello impaired e quello di riferimento. Nel DSIS, in particolare, sono 
mostrate coppie di videoclip in sequenza che rappresen
impaired, entrambi sono molto brevi (circa 8 secondi). Lo spettatore valuta l’ammontare 
dell’impairment che fa riferimento alla singola coppia mostrata, in un breve intervallo di 
tempo. La scala di valutazione è discreta ed è formata da 5 livelli: 
 
                                    Figura 1.1 Scala di valutazione per la metrica DSIS 
 
I video sono proiettati in questa sequenza: 
aired 8 sec) → 
chermo grigio e votazione 8 sec) → si ripete la sequenza un’altra volta. 
c’è molta differenza di qualità tra due videoclip, 
 viene mandata in 
(Videoclip di Riferimento 8 sec) → (schermo grigio 2 sec) →(Videoclip Imp
(s
Il DSCQS è invece preferito quando non 
esso è stato ampiamente applicato per valutare sequenze della TV di alta qualità. Il modo in 
cui le sequenze sono presentate è simile al DSIS. Con questo metodo
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esecuzione una coppia di videoclip in un ordine pseudo-random che viene preservato nella 
seconda coppia. Alla fine delle due coppie le persone hanno il tempo (10 sec schermo grigio) 
per dare un loro giudizio usando una scala graduata. La scala graduata è suddivisa nei 5 
giudizi utilizzati nella tecnica DSIS. Lo spettatore utilizza delle scale verticali poste in coppia 
e registra la valutazione del videoclip di riferimento e quello impaired. Al termine della 
valutazione il punteggio viene convertito da una lunghezza in uno score nel range che va da 0 
a 100 e viene effettuata la differenza tra il videoclip di riferimento e quello impaired. Raccolti 
i punteggi derivanti da tutti gli osservatori, si traggono valutazioni di tipo statistico sulla 
qualità dei video presentati. 
 
1.2 Metriche oggettive 
Come si può intuire i metodi soggettivi sono complessi e richiedono costi elevati, in termini 
conomici e di tempo, per arrivare a risultati soddisfacenti.  
mi esposti si è ritenuto necessario sviluppare metriche oggettive 
na computazione che, attraverso 
service quando ci sono limiti di tempo come nel caso in cui la sequenza sta 
 
La t
(impaired) ed è stata in principio utilizzata per le immagini e poi estesa su un video. 
 figura 1.2 viene esposto il principio di funzionamento. 
e
Allora per risolvere i proble
che automizzino la procedura e riducano i costi legati a quelle soggettive. 
Applicare una metrica oggettiva vuol dire mettere in atto u
l’ausilio di formule matematiche, elabora in maniera automatica la valutazione di 
un’immagine, senza alcuna interazione col sistema visivo umano.  
Le metriche oggettive hanno lo scopo di determinare la qualità di un video in assenza 
dell’intervento (visione) da parte dell’uomo; tali metriche possono essere utilizzate in due 
modalità: 
•  Out of service quando per il confronto si dispone della sequenza originale e non ci 
sono vincoli di tempo; 
• In-
scorrendo (streaming). 
me rica utilizza un algoritmo che confronta la sequenza originale con quella danneggiata 
In
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