UNIVERSIDADE FEDERAL DO SUL E SUDESTE DO PARÁ …...perspectiva de aumento para 80% em 2019, representando um crescimento anual de 27% sobre o tráfego global de dados IP e responsável

UNIVERSIDADE FEDERAL DO SUL E SUDESTE DO PARÁ

INSTITUTO DE GEOCIÊNCIAS E ENGENHARIAS

FACULDADE DE COMPUTAÇÃO E ENGENHARIA ELÉTRICA

BACHARELADO EM SISTEMAS DE INFORMAÇÃO

ANÁLISE COMPARATIVA DE TRANSMISSÃO DE VÍDEO HD E 4K NO CENÁRIO

ATUAL

Marcio Carneiro de Azevedo

Marabá/PA

2017



ATUAL

Trabalho de Conclusão de Curso, apresentado à

Universidade Federal do Sul e Sudeste do Pará,

como parte dos requisitos necessários para

obtenção do Título de Bacharel em Sistemas de

Informação.

Orientador: Profª. Msc. João Victor Costa Carmona.

Marabá/PA

2017



ATUAL

Trabalho de Conclusão de Curso, apresentado à

Universidade Federal do Sul e Sudeste do Pará,

como parte dos requisitos necessários para

obtenção do Título de Bacharel em Sistemas de

Informação.

Orientador: Prof. Msc. João Victor Costa Carmona.

Marabá: 20 de Abril de 2017.

Marabá/PA

2017

DEDICATÓRIA

Dedico este trabalho a minha Família e a

todos aqueles que contribuíram para

minha formação acadêmica.

AGRADECIMENTOS

Agradeço a todos que contribuíram no decorrer

desta jornada, em especialmente:

A Deus, a quem devo minha vida.

A minha Mãe Ana Lúcia, ao meu Pai Edson e

a minha Avó Rosa, que sempre me apoiou

nos estudos e nas escolhas tomadas.

A minha Esposa Carla e minha Filha Lorrany

por sempre me incentivar e compreender

nos momentos difíceis.

Ao orientador Prof. Msc. João Victor Costa

Carmona que teve papel fundamental na

elaboração deste trabalho.

Aos meus colegas pelo companheirismo e

disponibilidade para me auxiliar

em vários momentos.

RESUMO

Nos últimos anos, aplicações de vídeo tem se caracterizado como umas das atividades mais

realizadas pelos usuários na internet. Isso se deve, principalmente, a popularização da própria

internet e dos dispositivos móveis. Neste sentido, temos os vídeos HD (High Definition)

representando o formato atualmente adotado pelo mercado, sendo utilizado na internet, no

Sistema Brasileiro de Televisão Digital (SBTVD), entre outros aparelhos eletrônicos. Porém,

a evolução da resolução das imagens tornou em evidência os vídeos 4K (Ultra High

Definition). Tendo isso em vista, garantir uma boa qualidade do vídeo recebido pelo usuário

tem sido um grande desafio para indústria e academia. Este trabalho visa realizar uma análise

acerca da transmissão de vídeos HD e 4K com a finalidade de avaliar a transmissão e

qualidade dos vídeos percebidos pelos usuários, tendo em conta, o cenário atual.

Palavras-chaves: Avaliação. Qualidade. Vídeo. HD. 4K. Métricas.

ABSTRACT

In recent years, video applications have been characterized as one of the most accomplished

activities by users on the internet. This is mainly due to the popularization of the internet itself

and of mobile devices. In this sense, we have the HD (High Definition) videos representing

the format currently adopted by the market, being used on the internet, in the Brazilian Digital

Television System (SBTVD), among other electronic devices. However, the evolution of the

resolution of the images made evident the videos 4K (Ultra High Definition). With this in

mind, ensuring a good quality of the video received by the user has been a great challenge for

industry and academia. This work aims to analyze the transmission of HD and 4K videos with

the purpose of evaluating the transmission and quality of the videos perceived by the users,

taking into account the current scenario.

Keywords: Evaluation. Quality. Video. HD. 4K. Metrics.

LISTA DE FIGURAS

Figura 1 – Tráfico IP Global 2014 – 2019................................................................................10

Figura 2 – Relação Tipo de Conexão por Região.................................................................................14

Figura 3 - Tecnologia de Acesso mais utilizado 2013 –2016............................................................. .15

Figura 4 - Relação Padrão x Alcance...................................................................................................16

Figura 5 - Modo Infraestrutura Padrão 802.11......................................................................................17

Figura 6 - Atividades Realizadas na Internet.........................................................................................18

Figura 7 – Aplicações Utilizados pelos Usuários na Internet.................................................................19

Figura 8 - Taxa de Vídeo na Internet 2016 – 2022.................................................................................19

Figura 9 - Imagens Comparativa HD x 4K.............................................................................................21

Figura 10 - Processo PSNR................................................................................................................... 27

Figura 11 - Diagrama de Blocos VQM.....................................................................................29

Figura 12 – Diagrama de Transmissão Utilizando Evalvid......................................................34

Figura 13 – Imagem do Vídeo Rush_hour...... ................................................................................35

Figura 14 – Imagem do Vídeo Crowd_Run..............................................................................35

Figura 15 - Transmissão do Vídeo HD Via MP4Trace............................................................36

Figura 16 - Transmissão do Vídeo 4K Via MP4Trace.............................................................36

Figura 17 – Cenário de Medições.............................................................................................37

Figura 18 - Relação PSNR x Distância.....................................................................................41

Figura 19 - Relação VQM e Distância......................................................................................41

Figura 20 - Relação Perda de Pacotes x Distância....................................................................42

Figura 21 - Relação Perda de Pacotes x PSNR.........................................................................43

Figura 22 – Relação Perda de Pacotes x VQM.........................................................................43

Figura 23 - Relação Distância x Atraso x Perda de Pacotes (Vídeo HD).................................44

Figura 24 - Relação Distância x Atraso x Perda de Pacotes (Vídeo 4K)..................................45

LISTA DE TABELAS

Tabela 1 - Comparação entre Padrões IEEE 802.11.............................................................................17

Tabela 2 - Comparativo HD x 4K.............................................................................................21

Tabela 3 – Escala de Pontuação MOS......................................................................................26

Tabela 4 – Relação MOS x PSNR............................................................................................28

Tabela 5 - Características dos Videos Usados..........................................................................35

Tabela 6 - Resultados das Medições Vídeo HD.......................................................................40

Tabela 7 - Resultados das Medições Vídeo 4K........................................................................40

SUMÁRIO

RESUMO ................................................................................................................................... 6

ABSTRACT .............................................................................................................................. 7

1. INTRODUÇÃO .............................................................................................................. 11

1.1. Motivação ..................................................................................................................... 12

1.2. Objetivos ....................................................................................................................... 13

2. REVISÃO TEÓRICA .................................................................................................... 14

2.1. Padrões de Acessos .............................................................................................. 14

2.1.1. Rede de Acesso Sem Fio ...................................................................................... 14

2.2. Tecnologia de Vídeo HD e 4K ............................................................................. 18

2.3. Avaliação e Desempenho de Vídeo ..................................................................... 23

2.3.1 Transmissão de Vídeo ........................................................................................... 23

2.3.2 Métricas de Qualidade de Vídeo ........................................................................ 25

2.3.2.1 Métricas Subjetivas .......................................................................................... 26

2.3.2.1.1 MOS – Mean Opinion Score .......................................................................... 27

2.3.2.1.2 PSNR – Peak Signal To Noise Ratio .............................................................. 28

2.3.2.1.3 VQM – Video Quality Metric ......................................................................... 29

2.3.3 Métricas Objetivas ............................................................................................... 30 2.3.3.1 Perda de Pacotes..... ............................................................................................31

2.3.3.2 Atraso ................................................................................................................. 31

2.4 Trabalhos Correlatos........................................................................................... 32

3 METODOLOGIA DA PESQUISA ............................................................................... 34

3.3 Ferramentas ................................................................................................................. 34

3.4 Cenário de Transmissões ............................................................................................ 37

4 RESULTADOS ............................................................................................................... 39

4.1 Análise Comparativa e Discussão dos Resultados .................................................... 39

5 CONCLUSÃO ................................................................................................................. 46

6 REFERÊNCIAS ............................................................................................................. 48

11

1. INTRODUÇÃO

A Internet tornou-se uma ferramenta indissociável no mundo atual. Esta rede de

comunicação foi capaz de criar e fortalecer laços de contato entre os indivíduos,

independentemente do espaço físico ou cultural que os separe. Para isso, este meio de

comunicação suporta aplicações e serviços, os quais destacamos, o e-mail, consulta de

informações em páginas web e serviços multimídia (SILVA, 2015).

Nos últimos anos, os serviços de multimídia, especialmente o vídeo tem se

mostrado como umas das mais importantes aplicações das redes de comunicação (CUNHA,

2012). Devido a facilidade de acesso, a distribuição de vídeos na internet vem se

popularizando bastante. O resultado pode ser visto no relatório da CISCO (2015), onde o

tráfego de vídeo na internet em 2014 representou 64% de todo tráfego da internet, com a

perspectiva de aumento para 80% em 2019, representando um crescimento anual de 27%

sobre o tráfego global de dados IP e responsável por quarto quintos (4/5) do tráfego em 2019.

Neste cenário a o crescimento da demanda de vídeos HD (High Definition) e

4K (Ultra High Definition) (GOMES; LOURENÇO, 2014). Para Coelho et. al (2010) as

Figura 1 - Tráfico IP Global 2014-2019

Fonte: Cisco (2015)

12

transmissões de vídeo em alta resolução na internet dominarão os mercados nos próximos

cinco anos.

Diante disso, garantir uma boa qualidade do vídeo recebido pelo usuário tem

sido um grande desafio. Como consequência deste contexto apresentado pela CISCO (2015),

Cunha (2012) ressalta que a transmissão de vídeo tem gerado uma série de novos problemas,

que incluem garantir qualidade de serviços para os diferentes receptores, utilizar ao máximo a

capacidade de cada receptor, prover o melhor aproveitamento de banda, evitar ou reagir

rapidamente a congestionamentos na rede e atender a variações repentinas do número de

usuários ativos.

Neste sentido, assegurar qualidade nos serviços de transmissão de vídeo é

fundamental, pois é desejável que haja um sincronismo entre as diversas mídias. Portanto, é

importante notar que ao mesmo tempo em que há a preocupação com a infraestrutura de

recursos da rede, é necessário, também, atenção com a qualidade na entrega de vídeo.

1.1. Motivação

Com o desenvolvimento e avanço tecnológico das tecnologias da informação e

comunicação (TIC), permitiu-se maior acesso as aplicações multimídias, em destaque, vídeos.

Contudo, as aplicações de vídeo exigem atenção aos requisitos de qualidade de serviço, pois

tratam de fluxo de dados contínuos e dependem do tempo em que são transmitidos (SANTOS;

IANO; BRANQUINHO, 2010). Os principais problemas relacionados à transmissão de vídeo

residem no volume de dados que devem ser transmitidos com baixa tolerância a atrasos,

consequentemente, exigindo uma largura de banda maior que transmissões de áudio e texto.

Desse modo, a transmissão e o armazenamento de vídeos tornam-se um problema sério

quando a resolução de vídeo é ampliada (BRAVO, et. al., 2012).

Dessa forma, a qualidade de experiência do usuário (QoE) é relevante neste

contexto. Com o crescimento do uso no formato de alta definição esses parâmetros tendem a

ser mais rígidos (FERREIRA; CASTRO, 2009). Considerando o aumento do tráfego de

vídeos na internet, os aspectos dos novos formatos vídeos, em atenção, 4K, o estado atual de

13

nossas redes, a discussão e a pesquisa em torno da infraestrutura e qualidade de transmissão

ganham importância para indústria e academia.

Desse modo, a proposta presente neste trabalho é analisar no contexto da

região amazônica as transmissões de vídeo HD e 4K a fim de fornecer um estudo acerca

destes formatos de vídeos e suas comparações. Aplicando métricas com objetivo de auferir a

qualidade de transmissão no cenário atual.

1.2. Objetivos

O trabalho tem como objetivo a Realização de um Estudo sobre Transmissão e

Qualidade de Vídeo percebida em Alta Resolução (HD e 4K) no contexto atual.

Para consecução deste objetivo, foi necessário de modo mais específico

alcançar os seguintes objetivos:

Estudar transmissão de vídeo em HD e 4K – envio e recepção;

Descrever cenários;

Definir perfis de envio de transmissão e recepção de vídeo;

Realizar uma análise comparativa das transmissões de vídeo HD e 4K.

14

2. REVISÃO TEÓRICA

Neste capitulo, serão abordados as principais tecnologias de acesso à internet.

Como também, as tecnologias de vídeos HD e 4K. Examinaremos, as técnicas e métricas

utilizados para medição da qualidade e desempenho do vídeo transmitido na rede. No tópico

Trabalhos Correlatos, os principais trabalhos que nortearam a proposta do trabalho.

2.1. Padrões de Acessos

Os meios de transmissão possuem especificidades, como, alcance, frequência,

largura de banda, facilidade de uso, entre outros, permitindo assim, a classificação em dois

grupos: meios guiados e não guiados (TANENBAUM, 2003).

Os meios guiados exigem um meio físico para ocorrer a transmissão,

caracterizando conexões cabeadas, como:

Cabo coaxial;

Cabo par trançado;

Cabo de fibra óptica.

Por sua vez, os meios não guiados, não precisam desse meio físico, ou seja,

caracterizam ausência de cabos, temos assim:

Ondas de rádios:

Satélite;

Padrões WIFI e WiMAX.

2.1.1. Rede de Acesso Sem Fio

O relatório da Pesquisa Nacional por Amostra de Domicílios 2015 (PNAD)

realizado pelo Instituto Brasileiro de Geografia e Estatísticas (IBGE), apresentou por regiões

o tipo de conexão à internet mais utilizado.

15

Nas regiões Norte, Nordeste e Centro-Oeste há o predomínio de conexões sem

fio, em destaque, a região Norte, cenário da pesquisa, onde mais de 83% das conexões são

realizados em redes wireless.

Figura 2 - Relação Tipo de Conexão por Região

No relatório TIC Domicílios 2015 promovido pelo Centro Regional de Estudos

para o Desenvolvimento da Sociedade da Informação (Cetic.br), reforça este cenário em

âmbito nacional, apontando que 79% dos domicílios brasileiros com acesso à internet as

conexões ocorrem por Wi-Fi.

A empresa de tecnologia CISCO reforçou este cenário no relatório Visual

Networking Index (VNI) Global Forecast and Service Adoption 2014-2019, que em 2019 67%

de todo tráfego IP será gerado por conexões sem fio, contrapondo, 33% das conexões

cabeadas.

Os resultados das pesquisas apontam a predominância de conexões sem fio, ou

wireless, o que indica que os desafios, ligados a custos, e compartilhamento de infraestrutura

para implantação de redes cabeadas continua grande. As redes sem fio são justificadas pela

busca da praticidade e acessibilidade nos meios de comunicação, solução aplicada em lugares

Fonte: IBGE (2015)

16

onde a infraestrutura não permite que o cabeamento tradicional possa ser utilizado, dessa

forma, a tecnologia de acesso em fio traz vantagens em comparação as redes cabeadas, como:

mobilidade, flexibilidade, escalabilidade, baixo custo de implantação e manutenção da rede.

Associação Brasileira de Telecomunicações (TELEBRASIL), que une as

operadoras e fornecedores de bens e serviços de tecnologia da informação e comunicação,

divulgou em 2016 um levantamento histórico referente ao período de 2013 a 2016 sobre a

tecnologia de acesso à internet refletindo na tecnologia de acesso Wi-Fi a mais utilizada para

acessos.

Figura 3 - Tecnologia de Acesso mais utilizado 2013 - 2016

Apesar da tecnologia 3G (WCDMA - Acesso Múltiplo por Divisão de Código)

e 4G (LTE – Evolução de Longo Prazo) também serem importantes comercialmente,

abordaremos somente as principais características e o funcionamento da tecnologia Wi-Fi, por

caracterizar e representar o cenário e por fazer parte do escopo deste trabalho.

Fonte: TELEBRASIL (2016)

17

A tecnologia Wi-Fi é baseada na norma 802.11, criada pela Instituto de

Engenheiros Eletricistas e Eletrônicos (IEEE) em 1997, com objetivo definir o funcionamento

da camada física e de acesso ao meio para redes locais sem fio. A tabela 1 apresenta a

comparação entre os diversos padrões do IEEE 802.11

Tabela 1 - Comparação entre Padrões IEEE 802.11

Padrão Banda de Frequência Taxa de Transmissão

802.11 2.4 GHz 2 Mbit/s

802.11a 5 Ghz 54 Mbit/s

802.11b 2.4 GHz 11 Mbit/s

802.11g 2.4 GHz 54 Mbit/s

Fonte: Elaborado pelo Autor

Diante disso, é importante frisar também o alcance interno do padrão 802.11. O

802.11a possui a o alcance de 25 a 100 metros. Os padrões 802.11b e 802.11g que são

tecnologias compatíveis possuem o alcance de 100 a 150 metros.

A estrutura fundamental da arquitetura do padrão 802.11 é o modo

infraestrutura, que consiste no conjunto Básico de Serviço (BSS), Sistema de Distribuição

(DS), Ponto de Acesso (AP) e estação ou nó móvel.

Figura 4 - Relação Padrão x Alcance

Fonte: Ferreira (2007)

18

O BSS é o conjunto de terminais que está sempre associado a um AP que possibilita a

comunicação entre os mesmos e entre outros APs. Essa arquitetura é definida como modo

infraestrutura. O ponto de acesso permite a comunicação entre os terminais e faz a mediação

entre a rede sem fio a rede cabeada. O sistema de distribuição é adotado para interligar o

ponto de acesso com o restante da rede ou com a internet. Essa tecnologia geralmente é

associada com a tecnologia Ethernet. Um BSS possui identificador chamado SSID (Service

Set Identifier). Em sua configuração padrão, um AP envia periodicamente quadros broadcast

que contém o seu SSID, para informar aos terminais móveis dos serviços oferecidos pela sua

rede. Com SSID obtido, as estações móveis podem conectar-se a essa rede (VALENZUELA,

2011).

2.2. Tecnologia de Vídeo HD e 4K

Nos meios de comunicação como Internet, TV e smartphone, o vídeo tem tido

um crescimento expressivo, sendo usado para diversas finalidades, destacando-se o

entretenimento, a publicidade e o uso pessoal através de redes sociais (JUNIOR, 2013). A

pesquisa TIC Domicílios 2015 realizada pelo Cetic.br, que mede os acessos e os usos da

população em relação às tecnologias de informação, apresentou entre as atividades

relacionadas a conteúdo multimídia, o vídeo como sendo atividade mais realizada.

Figura 5 - Modo Infraestrutura Padrão 802.11

Fonte: Valenzuela (2011)

19

Figura 6 - Atividades Realizadas na Internet

Nesta perspectiva, o vídeo têm apresentado várias soluções para uso

(SHIMAKO, 2012):

Vídeo sob demanda (VoD);

Videoconferência;

Ensino à distancia (EaD);

TV digital;

Sistema de vigilância remota;

Streaming de vídeo.

No relatório Mobility Report para América Latina 2016, estudo trimestral feito

pela empresa Ericsson sobre telefonia, banda larga e infraestrutura, no período de doze meses

o vídeo representou mais 60% das aplicações utilizadas pelos usuários na internet.

Fonte: Cetic.br (2015)

20

Figura 7 - Aplicações Utilizado pelos Usuários na Internet

O relatório traz também a expectativa de aumento do tráfego de aplicações de

vídeos na internet a uma taxa anual de 50% no período 2016 a 2022 superior as demais

aplicações.

A empresa Cisco (2015) também trouxe previsões para o tráfego IP global.

Destacando para o aumento de serviços de vídeo em HD e 4K.

Fonte: Ericson (2016)

Figura 8 - Taxa de Vídeo na Internet 2016 - 2022

Fonte: Ericson (2016)

21

Os vídeos HD (High Definition) representando o formato atualmente adotado

pelo mercado, utilizado na internet, Sistema Brasileiro de Televisão Digital (SBTVD), e em

diversos dispositivos. O HD se tornou, de fato, uma referência (BECKER;PACINE;LEMOS,

2014). Contudo, a evolução da resolução das imagens reflete atualmente nos vídeos 4K (Ultra

High Definition).

Nesta perspectiva, é importante traçar um paralelo entra as duas resoluções.

Tomando-se como referência a densidade de pixels do formato HD (~2.1 megapixels) o

formato UHD possui, aproximadamente, o quádruplo desta densidade (~8.3 megapixels) A

tabela 1 mostra uma comparação entre os formatos de vídeo HD e UHD. Além de uma

definição espacial superior ao do HD, o formato UHD possui uma gama de cores mais ampla

e com mais profundidade, ou seja, as cores são mais nítidas. Os sinais de 10 e12 bits são

capazes de representar 1,07 bilhões e 6,87 bilhões de cores, respectivamente (SILVA, 2016).

Tabela 2 - Comparativo HD x 4K

DESCRIÇÃO ITEM HD UHD-4K

Espaço Pixels 1920 x 1080 3820 x 2160

Tempo

Taxa de Quadros 60, 50, 30, 25, 24 120, 60, 50, 30, 25, 24

Scan

Progressivo,

Entrelaçado

Progressivo

Cores Primárias

Vermelho, Verde, Azul

(0.640, 0.300)

(0.150, 0.330)

(0.600, 0.060)

(0.708, 0.292)

(0.170, 0.797)

(0.131, 0.046)

Codificação - 8 e 10 bit 10 e 12 bit

A qualidade dos sinais em UHD-4K é bastante perceptível quando comparada

àquela do HD. A Figura 9 ilustra, para uma pequena região de pixels, a diferença de

qualidades entre os dois sinais.

Fonte: Adaptado de Silva (2016)

22

Neste sentido, União Internacional de Telecomunicações (ITU) editou ITU-R

BT.2020, que define aspectos da UHDTV (Ultra High Definition Television), tais como

resolução de vídeo, frame rate, chroma subsampling, profundidade de bits e espaço de cor.

Estabelecendo também a resolução 3840x2160 referente ao 4K para TV(BECKER; PACINE;

LEMOS, 2014).

Embora com as poucas as opções de visualização de conteúdo nesta resolução,

o 4K já se mostrou interessante comercialmente (ESPERANTE et. al., 2015). As plataformas

Youtube (GOMES;LOURENÇO, 2014) e Netflix (KULESZA;BIBBO, 2014) tem se

destacado como distribuidores de vídeo na internet que já dispõem de vídeos neste novo

formato.

Desse modo, com objetivo de consolidar a tecnologia de vídeo 4K, testes vêm

sendo realizados no Brasil e no mundo (BRAVO et. al, 2012). Em 2009 foi realizado no

Brasil um teste de transmissão de vídeo 4K entre três países: Brasil, Estados Unidos e Japão.

Neste teste foi reproduzido um filme 4K com 70 minutos de duração a partir do Brasil para os

outros dois países (MARGOLIS et. al., 2011).

Em 2016 a empresa Globosat, através do canal sportTV, transmitiu a semi-final

e final da Eurocopa em 4K. A transmissão comportou três perfis diferentes de vídeos em 4K,

um de 50 frames por segundos (FPS), a 20 Megabit por segundo (Mbps), outro de 30 FPS a

12 Mbps, e mais de 30 FPS a 16 Mbps, exigindo uma saída de 40 Mbps da Globosat, levando

ao consumo de 150 Gigabit por segundo (Gbps), com a finalidade de atender às diferentes

Figura 9 - Imagens Comparativa HD x 4K

Fonte: Silva (2016)

23

bandas do usuários e a compatibilidade dos modelos de TV. Com sucesso da transmissão,

ainda em 2016, a Globosat decidiu transmitir abertura das Olimpíadas do Rio de Janeiro, a

cerimônia de encerramento e exibição de jogos de futebol e de basquete em 4K. O conteúdo

foi disponibilizado pelo aplicativo Globosat Play, instalado em smart TVs Samsung, Sony e

LG. Segundo a empresa, a tecnologia de streaming usada é 100% brasileira (GLOBOSAT,

2016).

O formato de vídeo 4K vem atraindo também o interesse da área de jogos,

devido a sua capacidade para apresentar imagens de alta qualidade, permitindo, trabalhar com

áreas maiores tanto de projeção quanto de visualização. O jogo Fifa 16, produzido pela EA

Sports, já simula jogos de futebol em UHD (SILVA, 2016). Além deste, o UHD já possui

uma gama maior de aplicações em jogos (BATES, 2014).

O que se sabe é que a resolução 4K ainda tem muito o que evoluir com relação

a conteúdo disponível e aparelhos mais acessíveis para reproduzir este conteúdo, porém é algo

que daqui a algum tempo será tão comum quanto é a resolução HD hoje em dia.

2.3. Avaliação e Desempenho de Vídeo

Neste tópico serão analisados os aspectos da transmissão de vídeo na internet

como também a necessidade de compactação para uma transmissão mais eficiente.

Discutiremos as principais características acerca das métricas utilizadas e trabalhadas para

avaliação de desempenho e qualidade de vídeo.

2.3.1 Transmissão de Vídeo

Existem dois modelos de distribuição de vídeo: download e streaming. No

modelo de distribuição download, o usuário seleciona o vídeo que deseja que seja transferido

para seu dispositivo para ao final da transferência posso visualizar o conteúdo. O modelo de

distribuição streaming, permite que usuário visualize o vídeo à medida em que este

transferido para seu dispositivo, ou seja, a visualização inicia-se a partir da seleção do vídeo

feita pelo usuário (MULINARI, 2010).

24

No entanto, a transmissão de vídeo na internet gera uma série de novos

desafios, como garantir qualidade nos serviços para os diferentes tipos de receptores, utilizar

ao máximo a capacidade de cada receptor, prover o melhor aproveitamento da banda, permitir

o maior número de usuários utilizando a mesma banda e permanecendo em níveis aceitáveis

de qualidade, evitar ou reagir rapidamente a congestionamento na rede e atender a variações

repentinas do número de usuários, dentre outros (VALENZUELA, 2011 ).

Posto isso, apesar dos vídeos 4K compartilharem da mesma estrutura para

transmissão de vídeo HD, à de ressalta a diferencia na banda alocada na rede para os vídeos

4K. Exigindo uma quantidade grande de largura de banda. Considerando também a resolução

quatro vezes mais que a resolução de um vídeo HD, outros pontos também devem ser

considerados: a perda de pacotes, QoS e QoE, e delay/jitter (BRAVO et. al, 2012).

Ainda assim, encontramos problemas relacionados transmissão de vídeos

(ALMEIDA, 2004):

A internet não foi desenvolvida para aplicações multimídias;

A internet não oferece QoS e registra oscilações no seu comportamento;

A internet é um meio heterogêneo.

Nesse processo contém um mecanismo relevante para transmissão de vídeo,

que são os codificadores (BERGAZO, 2012). Os vídeos em geral apresentam a característica

de serem grandes, dessa maneira, sem o uso de codificadores a transmissão de vídeo no

formato 4K exige uma banda em média de 10 Gbit/s (BRAVO et. al., 2012). Inviabilizando

em muitos casos a transmissão.

Os codificadores possibilitam a viabilidade de transmissão de vídeos,

otimizando os recursos da rede. Tendo por objetivo, descartar o máximo de informação

redundante ou irrelevante com o mínimo impacto visual (BERGAZO, 2012).

Entre os principais padrões de codificação de vídeo, temos a família MPEG

(Moving Picture Experts Group) (SHIMAKO, 2012):

25

MPEG-1: primeiro padrão MPEG, ele é compreendido em cinco partes:

sistema; vídeo; áudio; teste de conformidade e software de simulação.

E utilizado em armazenamento de vídeo em CD-ROM.

MPEG-2: incorpora três técnicas de compressão: codificação preditiva;

codificação baseada em transformada e codificação de entropia. É o

padrão utilizado em aparelhos DVD e possui sinal de qualidade de TV

digital de alta definição (HDTV).

MPEG-4: além do vídeo e do áudio, o padrão MPEG-4 permite

combinar texto, gráficos e elementos 2D e 3D. Indicado para transmitir

em rede com pouco largura de banda, traz o recurso de escalabilidade,

onde um vídeo pode ser transmitido em uma camada básica acrescida

de uma ou mais camadas complementares, propiciando maior de

entrega de vídeos.

MPEG-4 part 10: também conhecido como H.264/AVC. Esse padrão é

atualmente utilizado para armazenamento e transmissão de vídeo

digital, cinema digital e TV digital, sistema utilizado no Brasil.

Apresenta ganho de eficiência sobre os demais, permitindo várias

aplicações para o codec, que vão desde a celulares à televisão digital.

Sendo utilizando geralmente para transmissão para receptores móveis.

2.3.2 Métricas de Qualidade de Vídeo

Com a crescente demanda mundial por vídeos vez surgi novos desafios. Isso se

torna mais evidente nas transmissões de vídeos em Ultra Alta Definição. Dessa forma, as

métricas de qualidade de vídeo tornam-se fundamental por permitir mensurar através de

diferentes técnicas o nível de satisfação do usuário no que tange a qualidade de reprodução de

vídeos (COELHO et. al., 2010).

Embora as medidas em nível de rede permitam garantir os níveis de qualidade

de serviço (QoS), elas não permitem estimar a qualidade de acordo com a percepção do

usuário. Sendo assim, necessário agregação, além das métricas objetivas, de um conjunto de

métricas subjetivas que permitam caracterizar a qualidade percebida pelo usuário, isto é,

qualidade de experiência (QoE).

26

Neste sentido, o conceito de qualidade de experiência (QoE) está relacionado

com avaliação da qualidade de uma aplicação multimídia conforme a percepção do usuário. O

termo surgiu com intuito de complementar questões não abordadas pela avaliação tradicional,

realizada pelas métricas de QoS, que apenas quantifica a qualidade do tráfego utilizando como

parâmetros: vazão; atraso; jitter e perdas de dados. Esses são atributos técnicos que avaliam o

desempenho da rede, porém não revelam a qualidade do serviço conforme a percepção dos

usuários finais. Com relação à avaliação multimídia, é primordial considerar a concepção

humana, e por isso, nesse quesito, as métricas de QoS não refletem a experiência do usuário

frente ao um vídeo (VALENZUELA, 2011).

Considerar os resultados dos estudos baseados nas métricas QoE permite

estender a análise de QoS na avaliação da qualidade de vídeo, contribuindo para melhorar o

desempenho da rede e os serviços das aplicações multimídias oferecidas ao usuário. Além

disso, QoE é considerado um termo amplo, que engloba QoS e opinião do usuário quanto

qualidade do serviço fim a fim (MULINARI, 2010).

No contexto abordado neste trabalho, o principal fator para determinar o QoE,

na perspectiva do usuário, é qualidade de vídeo percebida por este. Portanto, este trabalho

engloba métricas de QoE, referentes a qualidade de vídeo percebido pelo usuário, e duas

métricas QoS, atraso e perda de dados, importantes para complementação e consolidação dos

resultados das métricas QoE.

2.3.2.1 Métricas Subjetivas

As métricas subjetivas de QoE avaliam a qualidade das aplicações multimídias

baseadas na percepção do usuário. O vídeo é exibido para um grupo especifico de pessoas que

atribuem valores que refletem a sua experiência. Desse modo, as métricas levam em

consideração fatores que afetam diretamente a percepção do usuário, tal como o áudio ou

vídeo recebido (MARTINS; PINHEIRO, 2014).

Tendo em vista esses aspectos utilizaremos as métricas MOS (MeanOpinion

Score), PSNR (Peak Signal to Noise Ratio) e VQM (Video Quality Metric).

27

2.3.2.1.1 MOS – Mean Opinion Score

O MOS consiste em obter um valor para a qualidade de vídeo através das

opiniões dos usuários. A métrica fundamenta-se na exibição de vídeo para o usuário para

que esse possa avaliar e pontuar numa escala de 1 a 5 a qualidade do vídeo. A tabela nº 3

apresenta a escala de pontuação.

Tabela 3 - Escala de Pontuação - MOS

MOS AVALIAÇÃO Dano ao Vídeo

5 Excelente Imperceptível

4 Bom Perceptível

3 Razoável Levemente razoável

2 Pobre Irritante

1 Ruim Muito Irritante

Para obtenção de um resultado mais fidedigno é necessário que todas as

variáveis dos testes sejam controladas, incluindo desde o ambiente de exibição, a tela da

projeção, distância ângulo para a tela, os vídeos a serem testados e inclusive os próprios

usuários. Contudo, essa avaliação utilizando usuários se torna demorada e com alto custo.

Esses custos são decorrentes de altos níveis de exigências dos ambientes criados para

realização do testes, padronizados nas normas ITU-R BT. 500-13 2012 (SILVA, 2015).

Diante disso, o MOS foi mapeado para permitir uma correlação com a métrica

PSNR, podendo assim, avaliar MOS a partir da PSNR (VALENZUELA, 2011).

De acordo com o mapeamento feito do MOS, os valores de PSNR acima de

37dB (decibéis) correspondem a compressões que introduzem perdas imperceptíveis ao olho

humano, o que significa uma qualidade excepcional. Os vídeos com PSNR entre 31dB até

37dB tem qualidade boa, entre 25dB e 31dB teremos uma qualidade razoável, entre 20dB e

25dB teremos uma qualidade pobre e abaixo de 20dB a qualidade é ruim (VALENZUELA,

2011).


28

Tabela 4 - Relação MOS x PSNR

PSNR MOS QUALIDADE

Maior que 37dB 5 Excelente

31 – 37dB 4 Bom

25 – 31dB 3 Razoável

20 – 25dB 2 Pobre

Menor que 20dB 1 Ruim

2.3.2.1.2 PSNR – Peak Signal To Noise Ratio

A PSNR é uma relação entre o máximo possível de potência de um sinal, pela

potência do ruído, ao se comparar um sinal antes e depois de um processo de degradação,

sendo que a unidade utilizada para representa-la é o dB (decibel). Dessa forma, aplicando este

conceito em vídeos e imagens, temos que a PSNR é relação entre a entrada e a saída de um

processo de compressão com perdas, que avalia o quanto de ruídos a compressão introduziu

na imagem ou frame original. Além disso, a métrica PSNR é uma derivação da métrica MSE

(Mean Square Error), que compara o quadro original com o quadro recebido (MARTINS;

PINHEIRO, 2014).

Figura 10 - Processo PSNR

Fonte: Valenzuela (2011)


29

Para que um vídeo seja considerado com qualidade satisfatória é necessário

que o valor médio do PSNR esteja entre 25 a 31db, como ilustrado na tabela nº 4 que

apresenta o mapeamento de valores de MOS para PSNR.

Sendo assim, quanto maior o valor da PSNR, maior é relação entre potência do

sinal pela potência do ruído, o que significa melhor qualidade. A PSNR pode ser usada como

um bom indicador da variação da qualidade de vídeo quando o conteúdo e padrão de

codificação são os mesmos e sujeitos às mesmas condições do teste (VALENZUELA, 2011).

2.3.2.1.3 VQM – Video Quality Metric

O VQM é uma métrica que prediz as classificações de qualidade subjetiva que

seriam obtidas a partir de avaliações de usuários. Desenvolvido pelo ITS – Institute of

Telecommunication Sciences e pela NTIA – National Telecommunications and Information

Administration, o VQM fornece uma medida objetiva para qualidade de vídeo percebida. Ele

mede os efeitos perceptivos de vídeos, incluindo ruído, distorção de bloco, distorção de cor,

dentre outros, e combina-os em uma única métrica. Os resultados dos testes com VQM

apresentam uma elevada correlação com as avaliações do MOS (BERGAZO; RODRIGUEZ;

RAMÍREZ, 2011).

De acordo com Bergazo (2012), para medir o VQM, o vídeo original e o

processado são avaliados nos seguintes passos:

1. Calibração: neste ponto são calibrados os vídeos da amostra para extração dos

cálculos. A calibração estima e corrige e deslocamento espacial e temporal, o contraste

e compensa a luminosidade do vídeo processado em relação ao vídeo origina;

2. Extração de caraterísticas de qualidade: nesta etapa é extraído um conjunto de

características da qualidade das mudanças perceptivas das propriedades espaciais e

temporais da cor e dos blocos de vídeo;

3. Parâmetros para cálculo de qualidade: etapa em que se calcula um conjunto de

parâmetros que descrevem a qualidade perceptível de mudanças na qualidade de

vídeo, por meio da comparação de características extraídas do vídeo processado com

aquelas extraídas do vídeo original; e

30

4. Cálculo VQM: é realizado utilizando uma combinação linear dos parâmetros

calculados a partir das etapas anteriores, como apresentado na figura nº.

O VQM está estruturado em cinco modelos objetivos de qualidade de vídeo: 1

– geral; 2 – televisão; 3 – videoconferência; 4 – desenvolvedores; 5 – PSNR. O modelo geral

foi concebido para ser um objetivo geral para os sistemas VQM de vídeo que abrangem uma

gama muito ampla de qualidade. O modelo de televisão foi especificamente otimizado para

particularidades da TV, enquanto o modelo de videoconferência foi especificamente

otimizado para particularidades de videoconferência (por exemplo, H.263, MPEG-4). O

modelo para desenvolvedores foi otimizado utilizando a mesma escala de qualidade de vídeo

e de taxas de bits do modelo geral, adicionado fatores de comunicação.

2.3.3 Métricas Objetivas

Sempre que uma rede é estruturada, uma das principais dificuldades

encontradas é o atendimento das características de desempenho almejadas. Com isso,

oferecer níveis aceitáveis de QoS é um fator importante, principalmente quando os recursos

de rede são escassos. Isso se torna evidente em aplicações multimídias com VOIP e

Figura 11 - Diagrama de Blocos VQM

Fonte: Bergazo, Rodriguez, Ramírez (2011)

(2011)

31

transmissão de vídeo que são sensíveis ao atraso, e toleram pequenas perdas (FERREIRA;

MONTEIRO, 2009). Dentre as métricas QoS este trabalho utilizou: perda de pacotes e

atraso ou latência.

2.3.3.1 Perda de Pacotes

A perda de pacotes causa um impacto direto nas transmissões multimídias.

Quando essa perda é elevada, o nível de qualidade da aplicação fica prejudicado, podendo

ocasionar a interrupção da transmissão, não podendo ser superior a 5% dos pacotes

transmitidos (SANTOS; IANO; BRANQUINHO,2010). Tais perdas podem estar relacionadas

aos seguinte fatores:

Limitação de dispositivos de rede: dispositivos como roteadores

podem ter um buffer limitado, assim quando o limite da fila é atingido,

pacotes posteriores serão descartados;

Erros de transmissão: a perda é ocasionada principalmente pelo meio

utilizado na transmissão, é bem comum em redes sem fio onde o meio é

compartilhado, e que por conta disso esse erro é afetado por

interferências externas, seja provenientes de outras faixas de frequência,

ou até mesmo obstáculo como arvores e edifícios;

Descarte por parte do usuário: esse tipo de perda ocorre quando o

usuário recebe um pacote fora de ordem, ou quando a recepção do

mesmo está bastante atrasada em relação aos demais.

2.3.3.2 Atraso

O atraso é outra métrica que pode afetar o nível de qualidade de uma aplicação.

Cada tipo de aplicação possui uma tolerância de atraso, sendo que para vídeos a tolerância

máxima é de 400 milissegundos (ida e volta) para garantir a qualidade (SANTOS; IANO;

BRANQUINHO,2010).

Entre os fatores que afetam no atraso está (MULINARI, 2010):

Atraso de propagação: Este tipo de atraso está diretamente ligado ao

meio através do qual os pacotes estão sendo transmitidos. Transmissões

32

realizadas através de cabos sofrem menos atrasos quando comparados

com transmissões realizadas em meios sem fio, que possuem largura de

banda maior.

Atraso de processamento: Entre os fatores que estão ligados a esse

tipo de erro estão: o tempo gasto para examinar o cabeçalho de um

pacote e determinar o seu; tempo necessário para verificação de erros

de bits durante a transmissão.

Atraso de fila: É o tempo que o pacote leva enquanto espera para ser

transmitido no enlace. O tamanho do atraso é proporcional a quantidade

de pacotes que está trafegando na rede.

Atraso de Transmissão: É o tempo requerido para que todos bits do

pacote sejam inseridos no enlace.

2.4 Trabalhos Correlatos

Na literatura é possível encontrar vários trabalhos abordando a transmissão de

vídeo. Ferreira e Monteiro (2009), trabalhou com testes realizados em redes IEEE 802.11, na

presença de tráfego na rede, definiu alguns parâmetros para análise da qualidade de serviço e

qualidade de experiência para avaliação de desempenho na transmissão de vídeo. Desta

maneira, pode-se constatar que as transmissões, com um tráfego inferior a 20 Mbps tiveram

pouco impacto na qualidade do vídeo, isso devido o tráfego se manter abaixo da largura da

banda suportada pelas redes 802.11g. Ao realizar streaming, com tráfegos de fundo superiores

a 20 Mbps, foi verificado que as métricas de QoS tiveram uma variação negativa, impactando

diretamente na qualidade da transmissão. Quando o tráfego foi elevado aos 30 Mbps, houve

uma grande variação negativa na qualidade de serviço, tornando o streaming inviável, por

apresentar imagens de baixíssima qualidade.

Em Shimako (2012) é feito uma abordagem acerca das qualidades subjetivas e

objetivas de vídeo, demonstrando o método de compressão MPEG (MPEG-1, MPEG-2,

MPEG-3 e MPEG-4), descreve as recomendações estabelecidas pela ITU-R BT. 500-12 para

avaliações subjetivas, traz, também, as métricas objetivas Mean Square Error (MSE), Peak-

Signal-to-NoiseRatio (PSNR), Signal-to-Noise-Ratio (SNR) e Structural SIMilarity (SSIM).

33

Bravo et. al (2012) apresentou um estudo sobre a transmissão dos jogos da

copa do mundo em 4K, descrevendo a transmissão de vídeo em 4K, arquitetura proposta para

a transmissão utilizando o codificador JPEG200.

Santos, Iano e Branquinho (2010) avaliar as transmissões de vídeos nas redes

IEEE 802.11b e IEEE 802.11g buscando a estruturação de canais de retorno para TV digital,

de modo, a utilizar a tecnologia IEEE 802.11 para a provisão de interatividade na TV digital.

No trabalho desenvolvido por Cunha (2012), é realizado uma comparação entre

a qualidade do vídeo codificado nos padrões H.264/SVC (Scalabe Video Coding) e MPEG-4

(Moving Picture Experts Group) transmitidos em redes de 3º geração, levando em conta, as

métricas objetivas de avaliação de qualidade de vídeo.

Em hirose (2012), é elaborado um estudo na visando contribuir para uma

transmissão de vídeo streaming com melhor qualidade através do protocolo UDP (User

Datagram Protocol). Begazo (2012), avalia como vídeo streaming em uma rede TCP/IP pode

ser afetado por condições adversas da rede. As avaliações utilizam métodos subjetivos: índice

por categorias absolutas (ACR – Absolute Category Rating), e índice por categorias de

degradação (DCR – Degradation Category Rating) e métricas objetivas: relação sinal-ruído

de pico (PSNR – Peak Signal to Noise Ratio), índice de similaridade estrutural (SSIM –

Structural Similarity Index) e medição de qualidade de vídeo (VQM – Vídeo Quality Metric),

assim, a partir dos resultados é estabelecido intervalos de valores de variação de atraso para

quais a qualidade do vídeo é considerada aceitável ou não para o usuário final.

Em face disso, o trabalho destaque-se propor uma avaliação de desempenho da

qualidade na transmissão de vídeos em HD e 4K com objetivo de compara-los sobre os

aspectos das métricas de QoS e QoE.

34

3 METODOLOGIA DA PESQUISA

A metodologia de pesquisa empregada no presente trabalho lançou mão de um

conjunto de ferramentas necessários para medição e aferição da qualidade do vídeo, contando

também com um cenário real para as transmissões dos vídeos.

3.3 Ferramentas

A compilação dos dados e resultados apresentados neste trabalho, foram

resultados de testes utilizando Evalvid. O Evalvid é um framework que contém um conjunto

de ferramentas que permite a transmissão, recepção, codificação, decodificação e a avalição

da qualidade de vídeos. Evalvid é utilizado em diversas pesquisas com objetivo de avaliar

projetos de redes ou avaliar a visão do usuário em termos de percepção de qualidade de vídeo

(SILVA, 2015). A figura nº 12 apresenta o processo para transmissão e avaliação da

qualidade dos vídeos dividido em três etapas: pré processamento do vídeo; transmissão do

vídeo e remontagem e avaliação do vídeo, usando as ferramentas do Evalvid.

35

Os vídeos utilizados neste trabalho estão disponíveis publicamente e fazem

parte de uma coletânea amplamente utilizado em pesquisas relacionadas à transmissão e

avaliação de conteúdo multimídia (SILVA, 2015). Os critérios de escolha dos vídeos foram

baseadas na estrutura de movimentação e formato das imagens. As principais características

dos vídeos usados são apresentados na tabela nº 5.

Figura 12 - Diagrama de Transmissão Utilizando Evalvid


36

Tabela 5 - Características dos Vídeos Usados

Vídeo Quadros Tempo(seg) Formato Resolução Fps

Rush_hour 500 20 HD 1920x1080 25

Crowd Run 500 10 UHD 3840x2160 50


A preparação do vídeo para uso se inicia na codificação do vídeo. Os vídeos

em formatos YUV são codificados com H.264 utilizando a ferramenta FFMEPG.

Figura 13 - Imagem do Vídeo Rush_hour


Figura 14 - Imagem do Vídeo Crowd_Run


37

Os resultados desta compactação é uma versão do vídeo armazenado em

arquivo com a extensão .m4v. Na etapa seguinte o vídeo compactado (.m4v) é utilizado para

criação do hind track pela ferramenta MP4Box. O hind track configura para qual padrão de

protocolo de transmissão os pacotes serão usados. Desse modo, o MP4Box resulta no arquivo

de extensão .mp4.

Com a ferramenta MP4Trace é realizada a transmissão do vídeo. O próprio

programa faz o envio do vídeo via protocolo RTP/UDP, para um endereço IP e porta de

destino. Como resultado, é gerado um arquivo contendo a lista completa dos quadros gerados

especificando o tipo, o tamanho em bytes, a quantidade de pacotes gerados e o tempo da

geração do quadro, e também um segundo arquivo com a lista de todos os pacotes gerados

com a informação do tipo de quadro ao qual pertence o pacote, o instante de tempo da geração

e o tamanho em bytes do pacote.

3.4 Cenário de Transmissões

Para realização das transmissões o cenário utilizado foram os laboratórios de

informática 1, 2 e 3, e a sala dos professores da Faculdade de Computação e Engenharia

Elétrica da Universidade Federal do Sul e Sudeste do Pará – FACEEL/UNIFESSPA.

Figura 15 - Transmissão do Vídeo HD Via MP4Trace

Figura 16 - Transmissão do Vídeo 4K Via MP4Trace



38

Neste cenário, foram usados dois notebooks, sendo um transmissor (servidor)

localizado junto com roteador (sala dos professores) e outro receptor (cliente) que percorria os

14 pontos demarcados na figura nº 17, e um roteador D-Link para caracterizar transmissão

sem fio através do padrão 802.11g na frequência 2,4 GHz.

O cenário de transmissão dos vídeos foi totalmente controlado, ou seja, sem

nenhum tráfego de dado adicional que pudesse influenciar nas avaliações realizadas.

Feito as transmissões do vídeos os pacotes gerados foram remontados para

reconstrução do vídeo. A reconstrução é feita com auxílio do Evaluate Traces of MP4-

filetransmission (Etmp4) que gera um vídeo de formato H.264. O Etmp4 utiliza os arquivos

de envio, recebimento e um playout buffer de tamanho configurável. Posteriormente, é usado

Figura 17 - Cenário de Medições


39

o FFMPEG para converter o vídeo H.264 recebido para o formato YUV, que será usado para

avaliação da qualidade do vídeo.

Realizado a remontagem dos vídeos, utilizamos a ferramenta MSU (Video

Quality Measurement Tool), que trabalha com as métricas PSNR, VQM, MSE, SSIM, entre

outras, além de oferecer suporte a YUV, AVI, WMV, MOV (CARMONA, 2011). Neste

sentido, inserimos o vídeo no MSU para que os cálculos das métricas sejam gerados para

poder analisar a medição de qualidade do vídeo recebido pelo usuário. Ressaltando que o

MSU realiza a comparação do vídeo original e o recebido e assim permitindo avaliar

transmissão do vídeo através das métricas MOS, PSNR e VQM.

4 RESULTADOS

Neste capitulo serão apresentados os resultados obtidos com a metodologia

utilizada para avaliação de desempenho e qualidade da transmissão de vídeo.

4.1 Análise Comparativa e Discussão dos Resultados

Durante o processo de transmissão dos vídeos, para cada ponto do cenário

foram realizados três medições tanto para vídeos HD e 4K, dessa forma, foi considerada a

média destas três medições como resultado daquele ponto.

Com os resultados obtidos através das medições foi gerado uma tabela para o

vídeo HD e outra para vídeo 4K. As tabelas trazem os resultados das métricas para cada

vídeo. Sendo a identificação dos pontos medidos, a distância em metros entre a localização do

transmissor e da localização do ponto medido, as métricas de QoS, percentual de perda de

pacotes e atraso da transmissão em milissegundos, e as métricas QoE, VQM, PSNR e MOS.

40

A tabela nº 6 traz os dados das transmissões do vídeo HD com as métricas QoS

e QoE para todos os pontos, exceto o ponto 14. Durante a fase de testes de transmissão, os

vídeos transmitidos para o ponto 14 não tiveram sucesso na remontagem, uma vez que, os

pacotes entregues não era suficiente para o processo de remontagem do vídeo. Desse modo,

não foi possível extrair nenhuma métrica deste ponto.

VIDEO HD - 1920X1080

Ponto

Medido

Distância

(mt)

Perda de

Pacotes (%)

Atraso

(ms)

VQM

PSNR

MOS

1

4,20

3,68%

0,050

2.80

38.57

Excelente

2

6,60

0,96%

0,032

1.14

37.44

Excelente

3

7,80

1%

0,049

1.21

36.01

Excelente

4

6,40 0,81% 0,025 1.05 37.51 Excelente

5

4,80 2,56% 0,019 1.01 37.89 Excelente

6 12,38 11,45% 19,97 2.67 33.78 Bom

7 15,82 2,27% 22,99 2.81 35.40 Bom

8 19,43 82,99% 42,82 5 24.53 Pobre

9 23,14

90,99% 32,05 5 21.58 Pobre

10 26,90

86,11% 29,93 4.19 24.56 Pobre

11 35,70

96,14% 72,67 4.69 22.19 Pobre

12 7,0

0,28% 0,21 2.64 38.77 Excelente

13 23,46 26,25% 65,86 3.51 31.12 Bom

14 35,91 - - - - -


Tabela 6 - Resultados das Medições Vídeo HD

41

Diante da grande quantidade de dados para interpretar e compreender o

processo de avaliação da qualidade e desempenho nas transmissões de vídeos foi gerado uma

série de gráficos para que possa facilitar a leitura dos dados.

VIDEO 4K - 3840x2160

Ponto

Medido

Distância

(mt)

Perda de

Pacotes (%)

Atraso

(ms)

VQM

PSNR

MOS

1 4,20 0% 0,26 3.48 22.44 Pobre

2 6,60 0,5% 0,26 3.47 24.03 Pobre

3 7,80 0% 0,18 3.39 24.02 Pobre

4 6,40 0,01% 0,27 3.37 22.59 Pobre

5 4,80 0,50% 0,25 3.47 23.22 Pobre

6 12,38 0,98% 0,27 3.39 20.35 Pobre

7 15,82 0% 0,22 3.49 23.22 Pobre

8 19,43 18,76% 24,09 4.82 21.86 Pobre

9 23,14

75,29 32,38 5 20.94 Pobre

10 26,90

82,60% 130,04 5 22.47 Pobre

11 35,70

93,22% 625,61 5 20.22 Pobre

12 7

0,39% 27,53 3.41 23.78 Pobre

13 23,46 0,03% 0,45 3.47 22.59 Pobre

14 35,91

80,28% 217,81 5 20,96 Pobre


Tabela 7 - Tabela com Resultados das Medições Vídeo 4K

42

Figura 18 - Relação PSNR x Distância

O gráfico acima apresenta a comparação entre o PSNR do vídeo HD e vídeo

4K, tendo em conta a distância sobre os pontos medidos. Vídeo HD sofreu perda de qualidade

a partir do ponto 8 ao ponto 11 apresentando qualidade pobre na visualização do vídeo e

enquanto nos demais a qualidade do vídeo variou entre bom e excelente. A PSNR do vídeo

4K manteve sobre todos os pontos uma qualidade pobre, prejudicando a percepção do usuário.


Figura 19 - Relação VQM e Distância


43

O VQM buscar medir os efeitos perceptivos de vídeos, incluindo ruído,

distorção de bloco, distorção de cor, dentre outros, e combina-os em uma única métrica. A

escala de resultados do VQM varia entre 0 a 5, sendo que 0 o vídeo é considerado excelente e

5 considerado ruim para qualidade do vídeo.

Identificamos que o VQM do vídeo HD teve perda na qualidade nos pontos 8

ao ponto 11, proporcional ao aumento da distância do transmissor, natural em decorrência da

transmissão do vídeo em redes sem fio, ainda assim, manteve uma qualidade boa na

percepção do vídeo. O vídeo 4K perdeu bastante qualidade, tendo danos prejudiciais na

qualidade de exibição do vídeo, seguiu mais uma vez uma média pobre.

A primeira métrica QoS analisar, tem como objetivo proporcionar meios que

garantam limites aceitáveis de perdas que não comprometam a qualidade da aplicação. Dessa

forma, a perda de pacotes estabelece uma taxa de 5% de perda para os pacotes transmitidos na

rede. O percentual de perda de pacotes do vídeo HD foi alta nos pontos 8 ao 11 e perda total

no ponto 14. Neste aspecto, devemos perceber que no cenário de medições os pontos 8, 9, 10,

11 e 14 têm duas ou mais paredes que os separe do transmissor, com isso, o vídeo tende a

perder pacotes na transmissão, pois uma característica negativa das redes sem fio é a

facilidade de interferência no meio. Embora o gráfico (figura 20) aponte que vídeo 4K tenha

Figura 20 - Relação Perda de Pacotes x Distância


44

perdido menos pacotes que o vídeo HD, devemos considerar que o vídeo 4K têm mais que o

dobro de pacotes a ser transmitidos.

Figura 21 - Relação Perda de Pacotes x PSNR

Este gráfico (figura 21) complementa o último gráfico (figura 20), a considerar

a métrica PSNR para os vídeos HD e 4K, demonstrando a proporcionalidade de perda de

pacotes na qualidade e transmissão do vídeo.

Figura 22 - Relação Perda de Pacotes x VQM



45

Com o mesmo objetivo do último gráfico (figura 21), no entanto, levando em

conta a métrica VQM, reforçando a relação de proporcionalidade de perda de pacotes e as

métricas subjetiva de percepção pelo usuário.

O gráfico apresenta uma importante relação para qualidade de serviço a fim de

avaliar o desempenho da rede na transmissão de vídeo HD. A métrica a ressalta aqui é o

atraso que afeta o nível de qualidade de uma aplicação. Tendo em vista nosso cenário de

medição, contando com vários obstáculos físicos e tecnológicos, observamos um padrão nos

pontos 8 a 11 e o ponto 14, pois estes pontos estão localizados entre obstáculos oferecendo

medições abaixo da média verificada nos demais pontos.

Figura 23 - Relação Distância x Atraso x Perda de Pacotes (Vídeo HD)


46

Este gráfico apresenta os mesmos parâmetros de medições do último, porém,

realizado com vídeo 4K. Tendo em conta os obstáculos presente no cenário de medição e

considerando a resolução do vídeo transmitido, verificou nos pontos 9, 10, 11 e 14 altas taxas

de atrasos provocando na perda de pacotes e consequentemente na qualidade do vídeo.

5 CONCLUSÃO

O trabalho desenvolvido teve como objetivo avaliar a qualidade e a

transmissão de vídeo em high definition (HD) e ultra high definition (4K) observando o

cenário atual reflexo de redes sem fio. Desse modo, a transmissão de vídeo na internet gera

uma série de novos desafios, como garantir qualidade nos serviços para os diferentes tipos de

receptores, utilizar ao máximo a capacidade de cada receptor, prover o melhor aproveitamento

da banda, permitir o maior número de usuários utilizando a mesma banda e permanecendo em

níveis aceitáveis de qualidade, evitar ou reagir rapidamente a congestionamento na rede e

atender a variações repentinas do número de usuários, dentre outros.

Com a crescente demanda mundial por vídeos vez surgi novos desafios. Isso se

torna mais evidente nas transmissões de vídeos em 4K. Dessa forma, as métricas de qualidade

de vídeo tornam-se fundamental por permitir mensurar através de diferentes técnicas o nível

Figura 24 - Relação Distância x Atraso x Perda de Pacotes (Vídeo 4K)


47

de satisfação do usuário no que tange a qualidade de reprodução de vídeos. Neste sentido,

considerar os resultados dos estudos baseados nas métricas QoE permite estender a análise de

QoS na avaliação da qualidade de vídeo, contribuindo para melhorar o desempenho da rede e

os serviços das aplicações multimídias oferecidas ao usuário. Tendo em vista esses aspectos

trabalhamos com as métricas MOS, PSNR, VQM, Perda de Pacotes e Atraso.

A compilação dos dados e resultados apresentados neste trabalho, foram

resultados de testes utilizando o framework Evalvid que contém um conjunto de ferramentas

que permite a transmissão, recepção, codificação, decodificação e a avalição da qualidade de

vídeos, sendo utilizado em diversas pesquisas com objetivo de avaliar projetos de redes ou

avaliar a visão do usuário em termos de percepção de qualidade de vídeo.

O cenário de medição para realização das transmissões foram os laboratórios

de informática 1, 2 e 3, e a sala dos professores da Faculdade de Computação e Engenharia

Elétrica da Universidade Federal do Sul e Sudeste do Pará – FACEEL/UNIFESSPA.

Através dos resultados gerados percebemos que os vídeos 4K sofreram

bastante dano na imagem tornando-se na maioria das vezes ruim ou pobre a qualidade do

vídeo. Pode-se constatar ainda que nos aspectos da transmissão o vídeo 4K teve taxas altas

de perda de pacotes e atraso na transmissão, mas devido grande quantidade de pacotes

gerados na transmissão compensou na remontagem, do contrário, o vídeo HD que sofria na

remontagem quando perdia acima do 5% dos pacotes transmitidos.

Embora o contexto atual possa conduzir o usuário para redes sem fio, está

ainda precisa aperfeiçoar o desempenho na transmissão de vídeo em 4K de modo que

ofereça níveis aceitáveis de desempenho e qualidade.

Ainda que com poucas opções de visualização de conteúdo os vídeos 4K já se

mostrou interessante comercialmente. Nesta perspectiva, é importante assegurar qualidade

de vídeo percebida pelo usuário para que esse possa continuar a usar as diversas finalidades

que o vídeo pode apresentar.

48

6 REFERÊNCIAS

ALMEIDA, Rui Jorge dos Santos. Transmissão de Vídeo em Tempo Real na Internet.

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