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Title
Scalable media delivery chain with distributed adaptation / Michael Grafl
AuthorGrafl, Michael
CensorHellwagner, Hermann ; Concolato, Cyril
Published2013
DescriptionXIV, 250 S. : Ill., graph. Darst.
Institutional NoteKlagenfurt, Alpen-Adria-Univ., Diss., 2013
Annotation
Zsfassung in dt. Sprache
LanguageEnglish
Bibl. ReferenceOeBB
Document typeDissertation (PhD)
Keywords (DE)Multimedia / Videoübertragung / Skalierbare Videocodierung / Adaptierung / Netzwerke
Keywords (EN)Multimedia / Video Streaming / Scalable Video Coding / Adaptation / Networks
URNurn:nbn:at:at-ubk:1-26926 Persistent Identifier (URN)
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Scalable media delivery chain with distributed adaptation [8.27 mb]
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Abstract (German)

On TV screens, PCs, tablets, and mobile phones, video streaming has become a constant companion in our daily lives. For every video, we expect high visual quality, free from distortions, that is adjusted to the device at hand. But how can streaming systems cope with the increasing network traffic, the subsequent network congestions, and the different characteristics of end-user terminals? This thesis covers approaches for distributed adaptation of scalable video resources in media delivery. Scalable video resources consist of several layers that enable various spatial resolutions, frame rates, or qualities of a content. By dropping some of these layers, the video can be adjusted to the available bandwidth or to a specific end-user terminal. The adaptation can be performed on the sender side, on the receiver side, and on one or more network nodes. Scalable media coding can also help to reduce bandwidth requirements in multicast scenarios (e.g., for IPTV). One popular realization of scalable media coding is the Scalable Video Coding (SVC) standard. This thesis consists of three main parts, addressing various challenges towards efficient SVC adaptation. The first part of this thesis focuses on the encoding of SVC. In order to enable efficient adaptation, the configuration of layers has to be carefully chosen at encoding time. Thus, the performances of various encoding configurations and encoder implementations are evaluated.

Furthermore, encoding guidelines for SVC are developed, which are aligned with recommendations of industry streaming solutions. The evaluation results of the developed SVC encoding guidelines suggest that quality scalability should be preferred over spatial scalability for adaptive streaming scenarios. Different resolutions for supporting device classes should rather be provided as separate SVC streams. The second part of this thesis deals with the fact that scalable media formats, such as SVC, are still not widely adopted neither on the sender side nor on the end-user terminal. In order to enable the deployment of SVC for network transmission and to improve the support for streaming to heterogeneous devices, the concept of SVC tunneling is introduced in this thesis. The video is transcoded to SVC at the sender side and then transcoded back to another video format at the receiver side at an advanced home-gateway. However, the transcoding between video formats has a negative impact on the video quality. The trade-off between quality loss and bandwidth efficiency of SVC tunneling is evaluated. SVC tunneling with quality layers enables bandwidth savings at moderate quality loss (approx. 2.5 dB) compared to streaming separate non-scalable representations of the same qualities. In the third part of this thesis, adaptation techniques for content-aware networks are investigated. In content-aware networks, some network nodes are capable to dynamically adapt video streams in reaction to varying network loads. With the increasing adoption of HTTP streaming, adaptation at the client side becomes a main factor for the viewing experience. The switch between two representations (e.g., different bitrates) of a video can disrupt that viewing experience. To reduce the effect of an abrupt quality change, the approach of a smooth transition between representations is developed and evaluated. A subjective user study indicates that this approach can indeed improve the overall viewing quality. Finally, the findings of the previous parts are integrated in an adaptive end-to-end SVC streaming system.

Evaluations of this streaming system show that the developed adaptation framework significantly improves the video quality under packet loss (by up to 6 dB) compared to non-adaptive streaming.

Abstract (English)

Auf Fernsehern, PCs, Tablets und Mobiltelefonen ist Videostreaming ein stÃ$ndiger Begleiter unseres tÃ$glichen Lebens geworden. FÃr jedes Video erwarten wir hohe visuelle QualitÃ$t, frei von Unterbrechungen oder Verzerrungen, die an das jeweilige GerÃ$t angepasst ist. Aber wie kÃnnen Streaming-Systeme mit steigendem Datenverkehr, daraus resultierenden NetzwerkÃberlastungen, sowie den verschiedenen Charakteristika der AusgabegerÃ$te umgehen? Diese Dissertation behandelt AnsÃ$tze zur verteilten Adaptierung skalierbarer VideostrÃme fÃr MedienÃbertragungen. Skalierbare VideostrÃme bestehen aus mehreren Schichten, die verschiedene AuflÃsungen, Bildwiederholraten oder QualitÃ$tsstufen des Inhalts ermÃglichen. Durch das Weglassen einiger dieser Schichten kann das Video an die verfÃgbare Bandbreite oder ein bestimmtes AusgabegerÃ$t angepasst werden. Die Adaptierung kann auf der Senderseite, auf der EmpfÃ$ngerseite, sowie auf einem oder mehreren Netzwerkknoten durchgefÃhrt werden. Skalierbare Videocodierung kann auch helfen, Bandbreitenanforderungen in Multicast-Szenarios (z.B. fÃr IPTV) zu reduzieren. Eine berÃhmte Realisierung skalierbarer Videocodierung ist der Scalable Video Coding (SVC) Standard. Diese Dissertation besteht aus drei Hauptteilen, die sich mit verschiedensten Herausforderungen fÃr effiziente SVC Adaptierung befassen. Der erste Teil dieser Dissertation widmet sich der Codierung von SVC. Um effiziente Adaptierung zu ermÃglichen, muss zum Zeitpunkt der Codierung die Konfiguration der Schichten sorgfÃ$ltig gewÃ$hlt werden. Daher wird die Performanz verschiedenster Codierungskonfigurationen und Encoder-Implementierungen evaluiert. AuÃerdem werden Codierungsrichtlinien fÃr SVC entwickelt, die im Einklang mit den Empfehlungen industrieller Streaming-LÃsungen stehen. Die Evaluierungsresultate der entwickelten Codierungsrichtlinien legen nahe, dass QualitÃ$tsskalierung gegenÃber Auf Unterschiedliche AuflÃsungen zur UnterstÃtzung von AusgabegerÃ$te-Klassen sollten stattdessen als separate SVC-StrÃme bereitgestellt werden. Der zweite Teil dieser Dissertation beschÃ$ftigt sich mit der Tatsache, dass skalierbare Medienformate, wie beispielsweise SVC, nach wie vor weder auf der Senderseite noch auf AusgabegerÃ$ten weit verbreitet sind.

Um die Verwendung von SVC fÃr die NetzwerkÃbertragung zu ermÃglichen und um die Streaming-UnterstÃtzung zu verschiedenartigen AusgabegerÃ$ten zu verbessern, wird in dieser Dissertation das Konzept des SVC Tunneling eingefÃhrt. Das Video wird auf der Senderseite in SVC transcodiert und spÃ$ter auf der EmpfÃ$ngerseite auf einem erweiterten Home-Gateway wieder zurÃck in ein anderes Videoformat transcodiert. Das Transcodieren zwischen Videoformaten hat jedoch einen negativen Einfluss auf die VideoqualitÃ$t. Der Trade-Off zwischen dem QualitÃ$tsverlust und der Bandbreiteneffizienz wird evaluiert. SVC Tunneling mit QualitÃ$tsschichten ermÃglicht Bandbreiteneinsparungen bei moderatem QualitÃ$tsverlust (ca. 2,5 dB) im Vergleich zum Streaming separater nicht-skalierbarer ReprÃ$sentationen der gleichen QualitÃ$ten. Im dritten Teil dieser Dissertation werden Adaptierungstechniken fÃr sogenannte Content-Aware Networks untersucht. In Content-Aware Networks sind manche Netzwerkknoten fÃ$hig, VideostrÃme in Reaktion auf schwankende Netzwerklasten dynamisch zu adaptieren. Mit der steigenden Verbreitung von HTTP Streaming wird client-seitige Adaptierung zu einem Hauptfaktor des Betrachtungserlebnisses. Das Umschalten zwischen zwei ReprÃ$sentationen (z.B. unterschiedlichen Bitraten) eines Videos kann dieses Betrachtungserlebnis stÃren. Um den Effekt eines abrupten QualitÃ$tswechsels zu reduzieren, wird das Konzept eines weichen Ãbergangs zwischen den ReprÃ$sentationen entwickelt und evaluiert. Eine subjektive Benutzerstudie deutet darauf hin, dass durch d BetrachtungsqualitÃ$t tatsÃ$chlich gesteigert werden kann.

AbschlieÃend werden die Erkenntnisse der vorherigen Teile in einem adaptiven Ende-zu-Ende-SVC-Streaming-System integriert. Evaluierungen dieses Streaming-Systems zeigen, dass das entwickelte Adaptierungsframework die VideoqualitÃ$t unter Paketverlust im Vergleich zu nicht-adaptivem Streaming maÃgeblich (um bis zu 6 dB) verbessert.

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