Application layer systematic network coding for sliced H.264/AVC video streaming

Application Layer Forward Error Correction (AL-FEC) with rateless codes can be applied to protect the video data over lossy channels. Expanding Window Random Linear Codes (EW RLCs) are a flexible unequal error protection fountain coding scheme which can provide prioritized data transmission. In this paper, we propose a system that exploits systematic EW RLC for H.264/Advanced Video Coding (AVC) slice-partitioned data. The system prioritizes slices based on their PSNR contribution to reconstruction as well as temporal significance. Simulation results demonstrate usefulness of using relative slice priority with systematic codes for multimedia broadcast applications

Contemporary Affirmation of SPIHT Improvements in Image Coding

Set partitioning in hierarchal trees (SPIHT) is actually a widely-used compression algorithm for wavelet altered images. On most algorithms developed, SPIHT algorithm from the time its introduction in 1996 for image compression has got lots of interest. Though SPIHT is considerably simpler and efficient than several present compression methods since it's a completely inserted codec, provides good image quality, large PSNR, optimized for modern image transmission, efficient conjunction with error defense, form information on demand and hence element powerful error correction decreases from starting to finish but still it has some downsides that need to be taken away for its better use therefore since its development it has experienced many adjustments in its original model. This document presents a survey on several different improvements in SPIHT in certain fields as velocity, redundancy, quality, error resilience, sophistication, and compression ratio and memory requirement

Enhanced Rateless Coding and Compressive Sensing for Efficient Data/multimedia Transmission and Storage in Ad-hoc and Sensor Networks

In this dissertation, we investigate the theory and applications of the novel class of FEC codes called rateless or fountain codes in video transmission and wireless sensor networks (WSN). First, we investigate the rateless codes in intermediate region where the number of received encoded symbols is less that minimum required for full datablock decoding. We devise techniques to improve the input symbol recovery rate when the erasure rate is unknown, and also for the case where an estimate of the channel erasure rate is available. Further, we design unequal error protection (UEP) rateless codes for distributed data collection of data blocks of unequal lengths, where two encoders send their rateless coded output symbols to a destination through a common relay. We design such distributed rateless codes, and jointly optimize rateless coding parameters at each nodes and relaying parameters. Moreover, we investigate the performance of rateless codes with finite block length in the presence of feedback channel. We propose a smart feedback generation technique that greatly improves the performance of rateless codes when data block is finite. Moreover, we investigate the applications of UEP-rateless codes in video transmission systems. Next, we study the optimal cross-layer design of a video transmission system with rateless coding at application layer and fixed-rate coding (RCPC coding) at physical layer. Finally, we review the emerging compressive sensing (CS) techniques that have close connections to FEC coding theory, and designed an efficient data storage algorithm for WSNs employing CS referred to by CStorage. First, we propose to employ probabilistic broadcasting (PB) to form one CS measurement at each node and design CStorage- P. Later, we can query any arbitrary small subset of nodes and recover all sensors reading. Next, we design a novel parameterless and more efficient data dissemination algorithm that uses two-hop neighbor information referred to alternating branches (AB).We replace PB with AB and design CStorage-B, which results in a lower number of transmissions compared to CStorage-P.Electrical Engineerin

Optimized cross-layer forward error correction coding for H.264 AVC video transmission over wireless channels

Forward error correction (FEC) codes that can provide unequal error protection (UEP) have been used recently for video transmission over wireless channels. These video transmission schemes may also benefit from the use of FEC codes both at the application layer (AL) and the physical layer (PL). However, the interaction and optimal setup of UEP FEC codes at the AL and the PL have not been previously investigated. In this paper, we study the cross-layer design of FEC codes at both layers for H.264 video transmission over wireless channels. In our scheme, UEP Luby transform codes are employed at the AL and rate-compatible punctured convolutional codes at the PL. In the proposed scheme, video slices are first prioritized based on their contribution to video quality. Next, we investigate the four combinations of cross-layer FEC schemes at both layers and concurrently optimize their parameters to minimize the video distortion and maximize the peak signal-to-noise ratio. We evaluate the performance of these schemes on four test H.264 video streams and show the superiority of optimized cross-layer FEC design.Peer reviewedElectrical and Computer Engineerin

Quality of Experience and Adaptation Techniques for Multimedia Communications

The widespread use of multimedia services on the World Wide Web and the advances in end-user portable devices have recently increased the user demands for better quality. Moreover, providing these services seamlessly and ubiquitously on wireless networks and with user mobility poses hard challenges. To meet these challenges and fulfill the end-user requirements, suitable strategies need to be adopted at both application level and network level. At the application level rate and quality have to be adapted to time-varying bandwidth limitations, whereas on the network side a mechanism for efficient use of the network resources has to be implemented, to provide a better end-user Quality of Experience (QoE) through better Quality of Service (QoS). The work in this thesis addresses these issues by first investigating multi-stream rate adaptation techniques for Scalable Video Coding (SVC) applications aimed at a fair provision of QoE to end-users. Rate Distortion (R-D) models for real-time and non real-time video streaming have been proposed and a rate adaptation technique is also developed to minimize with fairness the distortion of multiple videos with difference complexities. To provide resiliency against errors, the effect of Unequal Error protection (UXP) based on Reed Solomon (RS) encoding with erasure correction has been also included in the proposed R-D modelling. Moreover, to improve the support of QoE at the network level for multimedia applications sensitive to delays, jitters and packet drops, a technique to prioritise different traffic flows using specific QoS classes within an intermediate DiffServ network integrated with a WiMAX access system is investigated. Simulations were performed to test the network under different congestion scenarios

Video QoS/QoE over IEEE802.11n/ac: A Contemporary Survey

The demand for video applications over wireless networks has tremendously increased, and IEEE 802.11 standards have provided higher support for video transmission. However, providing Quality of Service (QoS) and Quality of Experience (QoE) for video over WLAN is still a challenge due to the error sensitivity of compressed video and dynamic channels. This thesis presents a contemporary survey study on video QoS/QoE over WLAN issues and solutions. The objective of the study is to provide an overview of the issues by conducting a background study on the video codecs and their features and characteristics, followed by studying QoS and QoE support in IEEE 802.11 standards. Since IEEE 802.11n is the current standard that is mostly deployed worldwide and IEEE 802.11ac is the upcoming standard, this survey study aims to investigate the most recent video QoS/QoE solutions based on these two standards. The solutions are divided into two broad categories, academic solutions, and vendor solutions. Academic solutions are mostly based on three main layers, namely Application, Media Access Control (MAC) and Physical (PHY) which are further divided into two major categories, single-layer solutions, and cross-layer solutions. Single-layer solutions are those which focus on a single layer to enhance the video transmission performance over WLAN. Cross-layer solutions involve two or more layers to provide a single QoS solution for video over WLAN. This thesis has also presented and technically analyzed QoS solutions by three popular vendors. This thesis concludes that single-layer solutions are not directly related to video QoS/QoE, and cross-layer solutions are performing better than single-layer solutions, but they are much more complicated and not easy to be implemented. Most vendors rely on their network infrastructure to provide QoS for multimedia applications. They have their techniques and mechanisms, but the concept of providing QoS/QoE for video is almost the same because they are using the same standards and rely on Wi-Fi Multimedia (WMM) to provide QoS

Open Profiling of Quality: A Mixed Methods Research Approach for Audiovisual Quality Evaluations

Den Anforderungen der Konsumenten gerecht zu werden und ihnen eine immer besser werdende Quality of Experience zu bieten, ist eine der großen Herausforderungen jeder Neuentwicklung im Bereich der Multimediasysteme. Doch proportional zur technischen Komplexität neuer Systeme, in denen Komponenten unterschiedlicher Technologien zu neuen System wie zum Beispiel mobilem 3D-Fernsehen verschmolzen werden, steigt auch die Frage, wie eine optimierte Quality of Experience eigentlich zu erreichen ist. Daher werden seit langer Zeit Nutzertests zur subjektiven Qualitätsbewertung durchgeführt. Deren Ziel über den gesamten Entwcklungsprozesses ist es, die kritischen Komponenten des Systems mit so wenig wie möglich wahrnehmbarem Einfluss auf diewahrgenommene Qualität des Nutzers zu optimieren. Bereits seit den 1970er Jahren werden hierfür Leitfäden verschiedener Standardisierungsgremien zur Verfügung gestellt, in denen unterschiedliche Evaluationsmethoden definiert sind, um die wahrgenommene Gesamtqualität des Systems mit Hilfe von Skalen quantitativ evaluieren zu können. Aktuelle Ansätze erweitern diese klassische Methoden um Sichtweise, die über die klassische Evaluation hedonistischer Gesamtqualität hinausgehen, um das Wissen über individuell zugrundeliegende Qualitätsfaktoren zu erweitern.Die vorliegende Dissertation verfolgt dabei zwei Ziele. Zum einen soll eine audiovisuelle Evaluationsmethode entwickelt werden, die eine kombinierte Analyse quantitativer und qualitativer Daten ermöglicht, um eine Verknüpfung hedonistischer Qualität und zugrundeliegender Qualitätsfaktoren zu ermöglichen. Weiter soll diese Methode innerhalb des Gebiets der mobiler 3DTV-Systeme erprobt und validiert werden.Open Profiling of Quality (OPQ) als Evaluationsmethode kombiniert quantitative Evaluation wahrgenommener Gesamtqualität und deskriptive, sensorische Analyse zur Erhebung individueller Qualitätsfaktoren. Die Methode ist für Erhebungen mit naiven Probanden geeignet. OPQ wurde unter besonderer Beachtung von Validität und Reliabilität in einem konstruktivem Ansatz entwickelt und in einer Folge von Studien während der Entwicklung eines mobilem 3DTV-Systems mit über 300 Probanden angewendet. Die Ergebnisse dieser Studien unterstreichen die sich ergänzenden Ergebnisse quantitativer und sensorischer Analysen.Neben der Entwicklung von OPQ werden in der vorliegenden Arbeit weitere Ansätze sensorischer Analyse präsentiert und miteinander verglichen. Gerade dieser Vergleich ist ein wichtiger Bestandteil der Validierung der OPQ-Methode. Um die Stärken und Schwächen jeder Methode ganzheitlich erfassen und vergleichen zu können, wurde hierfür ein Methodenvergleichsmodell entwickelt und operationalisiert, das den methodischen Beitrag der Arbeit vervollständigtTo meet the requirements of consumers and to provide them with a greater quality of experience than existing systems do is a key issue for the success of modern multimedia systems. However, the question about an optimized quality of experience becomes more and more complex as technological systems are evolving and several systems are merged into new ones, e.g. systems for mobile 3D television and video. To be able to optimize critical components of a system under development with as little perceptual errors as possible, user studies are conducted throughout the whole process. A variety of research methods for different purposes have been provided by standardization bodies since the 1970s. These methods allow researchers to evaluate the hedonic excellence of a set of test stimuli. However, a broader view to quality has been taken recently to be able to evaluate quality beyond its hedonic excellence to obtain a greater knowledge about perceived quality and its subjective quality factors that impact on the user.The goal of this thesis is twofold. The primary goal is the development of a validated mixed methods research approach for audiovisual quality evaluations. The method shall allow collecting quantitative and descriptive data during the experiment to combine evaluation of hedonic excellence and the elicitation of underlying subjective quality factors. The second goal is the application of the developed method within a series of studies in the domain of mobile 3D video and television to show its applicability.Open Profiling of Quality (OPQ) is a mixed-methods research approach which combines a quantitative, psychoperceptual evaluation of hedonic excellence and a descriptive sensory analysis of underlying quality factors based on naive participants' individual vocabulary. This combination allows defining the excellence of overall quality, understanding the characteristics of quality perception, and, eventually, constructing a link between preferences and quality attributes. The method was developed under constructive research with respect to validity and reliability of test results. A series of quality evaluation studies with more than 300 test participants was conducted along different critical components of a system for optimized mobile 3DTV content delivery over DVB-H.The results complemented each other, and, even more importantly, quantitative quality preferences were explained by sensory descriptions in all studies. Beyond the development of OPQ, the thesis proposes further research approaches, e.g. a conventional profiling in which OPQ's individual vacobulary is substituted by a fixed set of Quality ofExperience components or Descriptive Sorted Napping which combines a sorting task and a short post-task interview. All approaches are compared to Open ProVling of Quality at the end of the thesis. To be able to holistically contrast strengths and weaknesses of each method, a comparison model for audiovisual evaluation methods was developed and a Vrst conceptual operationalization of the model was applied in the comparison

Design and evaluation of echocardiograms codification and transmission for Teleradiology systems

Las enfermedades cardiovasculares son la mayor causa de muerte en el mundo. Aunque la mayoría de muertes por cardiopatías se puede evitar, si las medidas preventivas no son las adecuadas el paciente puede fallecer. Es por esto, que el seguimiento y diagnóstico de pacientes con cardiopatías es muy importante. Numerosos son las pruebas médicas para el diagnostico y seguimiento de enfermedades cardiovasculares, siendo los ecocardiogramas una de las técnicas más ampliamente utilizada. Un ecocardiograma consiste en la adquisición de imágenes del corazón mediante ultrasonidos. Presenta varias ventajas con respecto otras pruebas de imagen: no es invasiva, no produce radiación ionizante y es barata. Por otra parte, los sistemas de telemedicina han crecido rápidamente ya que ofrecen beneficios de acceso a los servicios médicos, una reducción del coste y una mejora de la calidad de los servicios. La telemedicina proporciona servicios médicos a distancia. Estos servicios son de especial ayuda en casos de emergencia médica y para áreas aisladas donde los hospitales y centros de salud están alejados. Los sistemas de tele-cardiología pueden ser clasificados de acuerdo al tipo de pruebas. En esta Tesis nos hemos centrado en los sistemas de tele-ecocardiografia, ya que los ecocardiogramas son ampliamente usados y presentan el mayor reto al ser la prueba médica con mayor flujo de datos. Los mayores retos en los sistemas de tele-ecocardiografia son la compresión y la transmisión garantizando que el mismo diagnóstico es posible tanto en el ecocardiograma original como en el reproducido tras la compresión y transmisión. Los ecocardiogramas deben ser comprimidos tanto para su almacenamiento como para su transmisión ya que estos presentan un enorme flujo de datos que desbordaría el espacio de almacenamiento y no se podría transmitir eficientemente por las redes actuales. Sin embargo, la compresión produce pérdidas que pueden llevar a un diagnostico erróneo de los ecocardiogramas comprimidos. En el caso de que las pruebas ecocardiograficas quieran ser guardadas, una compresión clínica puede ser aplicada previa al almacenamiento. Esta compresión clínica consiste en guardar las partes del ecocardiograma que son importantes para el diagnóstico, es decir, ciertas imágenes y pequeños vídeos del corazón en movimiento que contienen de 1 a 3 ciclos cardiacos. Esta compresión clínica no puede ser aplicada en el caso de transmisión en tiempo real, ya que es el cardiólogo especialista quien debe realizar la compresión clínica y éste se encuentra en recepción, visualizando el echocardiograma transmitido. En cuanto a la transmisión, las redes sin cables presentan un mayor reto que las redes cableadas. Las redes sin cables tienen un ancho de banda limitado, son propensas a errores y son variantes en tiempo lo que puede resultar problemático cuando el ecocardiograma quiere ser transmitido en tiempo real. Además, las redes sin cables han experimentado un gran desarrollo gracias a que permiten un mejor acceso y movilidad, por lo que pueden ofrecer un mayor servicio que las redes cableadas. Dos tipos de sistemas se pueden distinguir acorde a los retos que presenta cada uno de ellos: los sistemas de almacenamiento y reenvió y los sistemas de tiempo real. Los sistemas de almacenamiento y reenvió consisten en la adquisición, almacenamiento y el posterior envió del ecocardiograma sin requerimientos temporales. Una compresión clínica puede ser llevada a cabo previa al almacenamiento. Además de la compresión clínica, una compresión con pérdidas es recomendada para reducir el espacio de almacenamiento y el tiempo de envío, pero sin perder l ainformación diagnóstica de la prueba. En cuanto a la transmisión, al no haber requerimientos temporales, la transmisión no presenta ninguna dificultad. Cualquier protocolo de transmisión fiable puede ser usado para no perder calidad en la imagen debido a la transmisión. Por lo tanto, para estos sistemas sólo nos hemos centrado en la codificación de los ecocardiogramas. Los sistemas de tiempo real consisten en la transmisión del ecocardiograma al mismo tiempo que éste es adquirido. Dado que el envío de video clínico es una de las aplicaciones con mayor demanda de ancho de banda, la compresión para la transmisión es requerida, pero manteniendo la calidad diagnóstica de la imagen. La transmisión en canales sin cables puede ser afectada por errores que distorsionan la calidad del ecocardiograma reconstruido en recepción. Por lo tanto, métodos de control de errores son requeridos para minimizar los errores de transmisión y el retardo introducido. Sin embargo, aunque el ecocardiograma sea visualizado con errores debido a la transmisión, esto no implica que el diagnóstico no sea posible. Dados los retos previamente descritos, las siguientes soluciones para la evaluación clínica, compresión y transmisión han sido propuestas: - Para garantizar que el ecocardiograma es visualizado sin perder información diagnóstica 2 tests han sido diseñados. El primer test define recomendaciones para la compresión de los ecocardiogramas. Consiste en dos fases para un ahorro en el tiempo de realización, pero sin perder por ello exactitud en el proceso de evaluación. Gracias a este test el ecocardiograma puede ser comprimido al máximo sin perder calidad diagnóstica y utilizando así más eficientemente los recursos. El segundo test define recomendaciones para la visualización del ecocardiograma. Este test define rangos de tiempo en los que el ecocardiograma puede ser visualizado con inferior calidad a la establecida en el primer test. Gracias a este test se puede saber si el ecocardiograma es visualizado sin pérdida de calidad diagnóstica cuando se introducen errores en la visualización, sin la necesidad de realizar una evaluación para cada video transmitido o diferentes condiciones de canal. Además, esta metodología puede ser aplicada para la evaluación de otras técnicas de diagnóstico por imagen. - Para la compresión de ecocardiogramas dos métodos de compresión han sido diseñados, uno para el almacenamiento y otro para la transmisión. Diferentes propuestas son diseñadas, ya que los ecocardiogramas para los dos propósitos tienen características diferentes. Para ambos propósitos un método de compresión en la que las facilidades que incorporan los dispositivos de segmentar la imagen y en la que las características de visualización de los ecocardiogramas han sido tenidas en cuenta ha sido diseñado. Para la compresión del ecocardiograma con el propósito de almacenarlo un formato de almacenamiento fácilmente integrable con DICOM basado en regiones y en el que el tipo de datos y la importancia clínica de cada región es tenido en cuenta ha sido diseñado. DICOM es el formato para el almacenamiento y transmisión de imágenes más ampliamente utilizado actualmente. El formato de compresión propuesto supone un ahorra de hasta el 75 % del espacio de almacenamiento con respecto a la compresión con JPEG 2000, actualmente soportado por DICOM, sin perder calidad diagnostica de la imagen. Los ratios de compresión para el formato propuesto dependen de la distribución de la imagen, pero para una base de datos de 105 ecocardiogramas correspondientes a 4 ecógrafos los ratios obtenidos están comprendidos entre 19 y 41. Para la compresión del ecocardiograma con el propósito de la transmisión en tiempo real un método de compresión basado en regiones en el que el tipo de dato y el modo de visualización han sido tenidos en cuenta se ha diseñado. Dos modos de visualización son distinguidos para la compresión de la región con mayor importancia clínica (ultrasonido), los modos de barrido y los modos 2-D. La evaluación clínica diseñada para las recomendaciones de compresión fue llevada a cabo por 3 cardiologos, 9 ecocardiogramas correspondientes a diferentes pacientes y 3 diferentes ecógrafos. Los ratios de transmisión recomendados fueron de 200 kbps para los modos 2-D y de 40 kbps para los modos de barrido. Si se comparan estos resultados con previas soluciones en la literatura un ahorro mínimo de entre 5 % y el 78 % es obtenido dependiendo del modo. - Para la transmisión en tiempo real de ecocardiogramas un protocolo extremo a extremo basada en el método de compresión por regiones ha sido diseñado. Este protocolo llamado ETP de las siglas en inglés Echocardiogram Transmssion Protocol está diseñado para la compresión y transmisión de las regiones por separado, pudiendo así ofrecer diferentes ratios de compresión y protección de errores para las diferentes regiones de acuerdo a su importancia diagnostica. Por lo tanto, con ETP el ratio de transmisión mínimo recomendado para el método de compresión propuesto puede ser utilizado, usando así eficientemente el ancho de banda y siendo menos sensible a los errores introducidos por la red. ETP puede ser usado en cualquier red, sin embargo, en el caso de que la red introduzca errores se ha diseñado un método de corrección de errores llamado SECM, de las siglas en inglés State Error Control Method. SECM se adapta a las condiciones de canal usando más protección cuando las condiciones empeoran y usando así el ancho de banda eficientemente. Además, la evaluación clínica diseñada para las recomendaciones de visualización ha sido llevada a cabo con la base de datos de la evaluación previa. De esta forma se puede saber si el ecocardiograma es visualizado sin pérdida diagnostica aunque se produzcan errores de transmisión. En esta tesis, por lo tanto, se ha ofrecido una solución para la transmisión en tiempo real y el almacenamiento de ecocardiogramas preservando la información diagnóstica y usando eficientemente los recursos (disco de almacenamiento y ratio de transmisión). Especial soporte se da para la transmisión en redes sin cables, dando soluciones a las limitaciones que estas introducen. Además, las soluciones propuestas han sido probadas y comparadas con otras técnicas con una red de acceso móvil WiMAX, demostrando que el ancho de banda es eficientemente utilizado y que el ecocardiograma es correctamente visualizado de acuerdo con las recomendaciones de visualización dadas por la evaluación clínica