Design and optimization of protection strategies based on the pro-MPEG COP3 codes for time-sensitive multimedia streams

Durante los últimos años, la cantidad de servicios relacionados con la transmisión de vídeo que se proporcionan a través de redes IP ha ido aumentando de manera continua. El motivo principal de este incremento es la serie de ventajas que este tipo de redes presentan: ubicuidad, integración y sincronización sencillas entre servicios, aumento de la capacidad de interacción, etc. Sin embargo, las redes IP no constituyen un buen medio por el que distribuir vídeo. Por ello, para aumentar su fiabilidad se emplean típicamente mecanismos de gestión de la calidad de servicio (QoS), en particular en entornos de transmisión centralizados en el servidor y donde el servicio presenta condicionantes temporales fuertes. En estos escenarios, los códigos de protección uniforme Pro-MPEG COP3 se emplean de forma habitual, debido a su capacidad para lidiar con ráfagas de errores y su baja complejidad. Sin embargo, su eficacia decrece al empeorar las condiciones del canal de comunicación. Por otro lado, las estrategias de protección que tienen en cuenta la importancia desigual de los distintos elementos que componen el flujo de vídeo suelen obtener mejores resultados. Por contra, suelen ser notablemente más complejos que los códigos Pro-MPEG COP3. En esta tesis se exploran estrategias que permitan mejorar la eficacia de los códigos Pro-MPEG COP3 sin comprometer su sencillez y conservando su funcionamiento básico. Las estrategias propuestas representan la generalización y optimización de dichos códigos, entre otras formas posibilitando que puedan proveer protección desigual al flujo de paquetes de datos. En primer lugar se proponen dos extensiones a los códigos Pro-MPEG COP3 estándar. La primera de ellas permite utilizar hasta tres niveles de profundidad de entrelazado para incrementar su adaptabilidad a las condiciones del canal de comunicación y la decorrelación de errores. La segunda es un marco de actuación de baja complejidad para la protección desigual de la información que permite distribuir los recursos disponibles entre diferentes grupos de paquetes en función de la relevancia de estos. Para ello, el método propuesto permite usar no solo una matriz de generación por bloque de protección, como ocurre en el estándar, sino varias matrices con distintas dimensiones, lo que permite emplear distintas tasas de código a paquetes de distinta importancia. A continuación se presente un procedimiento para la optimización de la selección de las configuraciones más apropiadas en función de las características específicas del sistema dentro del marco de protección desigual descrito anteriormente. Esta estrategia de protección se basa en la hibridación de dos metaheurísticas comunes: recocido simulado (simulated annealing -SA-) y búsqueda tabú (tabu search -TS-). Los procedimientos internos de ambas estrategias han sido modificados para encajar en las características del escenario de protección de la transmisión considerado, para así posibilitar la obtención de soluciones subóptimas en entornos en los que se imponen limitaciones temporales especialmente duras. Esta estrategia toma a su entrada una medida de la importancia de los paquetes que componen una ventana de observación, los valores de los parámetros que definen el comportamiento del canal y la cantidad de recursos disponibles, y encuentra en tiempo real configuraciones de protección cercanas a la óptima, en términos de número de matrices a utilizar y sus dimensiones. Finalmente presentamos un modelo de distorsión sencillo pero que tiene en cuenta un contexto muy amplio de cada uno de los paquetes considerados. El modelo propuesto estima la contribución de cada paquete a la distorsión total esperada que se introduce en la secuencia presentada al usuario. Esta contribución, que representa la relevancia real del paquete, se obtiene empleando características de alto nivel del flujo de vídeo codificado y del comportamiento del canal de comunicación. El valor final no solo tiene en cuenta la degradación que provocaría la pérdida de este paquete y la probabilidad de que esto ocurra, sino que también considera el efecto que la posible pérdida de paquetes en cuadros/tiras de referencia tiene en la capacidad de distorsión del paquete en cuestión. ABSTRACT In the recent years, an ever-increasing portion of the services related to video data transmission are supplied through IP networks, as they present numerous advantageous characteristics: ubiquity, easy service integration and synchronization, a far higher possibility for interactivity and many more. However, IP networks are not particularly well suited for video distribution. Thus, QoS management mechanisms are commonly employed to increase their reliability, particularly in server-driven, time-sensitive transmission scenarios. In these scenarios, the Pro-MPEG COP3 codes are commonly used, due to their capability to deal with packet loss bursts and to their very low complexity. However, their performance decreases with the packet loss rate. On the other hand, protection strategies that are aware of the uneven relevance of the different packets in the video data stream typically provide better performance, since they are capable of better distributing and using the available protection resources. However, their complexity usually exceeds that of the Pro-MPEG COP3 codes. This thesis examines strategies to improve the performance of the Pro-MPEG COP3 codes without compromising their simplicity and preserving their encoding and decoding procedures. These strategies aim at a generalization and optimization of these codes, through, among other ways, enabling that they can be used to protect unequally the data packet stream. First, we propose two extensions to the standard Pro-MPEG COP3 codes. The first one is an equal error protection (EEP) scheme that allows the use of up to three interleaving depths to boost further channel adaptation and error decorrelation. The second one is a low-complexity unequal error protection (UEP) framework that allows to allocate unequally the available protection resources among different sets of data packets regarding their relevance. To do that, the proposed approach enables the use of not only one, as in the standard Pro-MPEG COP3 codes, but a number of matrices of dissimilar dimensions per protection block. The use of this extension allows to apply uneven code rates to unevenly important data units. Then, we present a procedure for optimizing the selection of suitable configurations to protect data when using the proposed UEP framework. This optimization strategy is based on the hybridization of two very well known metaheuristics: simulated annealing (SA) and tabu search (TS), whose core procedures are modified to fit the characteristics of the considered scenario, and so find near-optimal solutions when strict time restrictions apply. This strategy takes as input the importance of the video data packets and the available resources, and finds in real time near-optimal configurations to protect them, in terms of number of matrices to be used and their dimensions. Finally, we introduce a full-context-aware, yet lightweight distortion model. The proposed approach estimates the contribution of any given video packet to the resulting overall expected distortion of the sequence, and thus, its actual relevance, by taking into account upper-level characteristics of the encoded video streams and the behavior of the communication channel. This contribution is estimated considering not only the image degradation that its loss will potentially introduce in the sequence and the likelihood of this event occurring, but also the effect that the potential loss of data in reference frames/slices have on the actual importance of that packet