https://doi.org/10.37815/rte.v34n3.935
Artículos originales
Evaluatio=
n and
comparison of video codecs for deploying a resilient communication system
Paúl Astudillo1 <=
/span>https://orcid.org/0000-0=
001-8380-6103,
Christian Quind=
e1 =
https://orcid.org/0000-0=
002-9863-6941, Santiago González1 https://orcid.org/0000-0=
001-6604-889X, Iván Palacios1=
https://orcid.org/0000-0=
002-3894-3341
1
paul.astudillop@ucuenca.edu.ec
Enviado: 2022/05/13
Aceptado: 2022/09/19
Publicado:
2022/11/30
Resumen
En escenarios de emergencia usualmente es difíc=
il
contar con una infraestructura de red, especialmente en lugares remotos o
geográficamente complicados por el difícil acceso. Sin embargo, es necesario
disponer de herramientas para comunicarse o realizar una valoración de la
situación. En este sentido, las redes ad hoc surgen como una opción para
solucionar esta problemática. En el presente artículo se propone el desarro=
llo
de un sistema de comunicación de emergencia para la transmisión de tráfico
multimedia en un escenario real, entre los diferentes pisos de un edificio.
Para tal objetivo, se realizaron múltiples experimentos para determinar los
valores de métricas fundamentales (v.g. packet<=
/span>
loss, delay<=
/span> y
throughput) para la transmisión de audio=
y
video en tiempo real. En concreto, se desarrollaron herramientas de código
abierto con capacidad de extraer las métricas requeridas y comparar de forma
objetiva la calidad del video empleando mecanismos de codificación actuales
(v.g. VP8, VP9, H.264, H.265). Los resultados obtenidos muestran que VP8 es=
el
códec más adecuado para el escenario propuesto. Además, se desarrolló una
herramienta de videoconferencia con capacidad de adaptar las características
del video (v.g. bitrate) acorde a las
condiciones de la red.
Sumario: Introducción, Materiales y Métodos, Resultados y Discusión y
Conclusiones. Como citar:<=
/span> Astudillo, P., Quinde, C., González, S. & Palacios, I. (20=
22).
Evaluación y comparación de códecs de video para el despliegue de un
sistema de comunicación resiliente. Revista Tecnológica - Espol, 34=
(3),
12-30. http://www.rte.espol.e=
du.ec/index.php/tecnologica/article/view/935
<=
i>Palabras clav=
e: Ad hoc, delay, packet loss, PSNR, redes resilie=
ntes,
throughput.
Abstract
In emergency scenarios, it is usually difficult to = rely on network infrastructure, especially in remote or geographically difficult-to-access locations. However, it is necessary to have tools to communicate or assess the situation. Therefore, ad hoc networks emerge as an option to solve this problem. This paper proposes the development of an emergency communication system for the transmission of multimedia traffic i= n a real scenario, between the different floors of a building. For this purpose, multiple experiments were carried out to determine the values of fundamental metrics (e.g., packet loss, delay, and throughput) for real-time audio and video transmission. Specifically, open-source tools were developed with the ability to extract the required metrics and objectively compare video quali= ty using current encoding mechanisms (e.g., VP8, VP9, H.264, H.265). The resul= ts obtained show that VP8 is the most suitable codec for the proposed scenario= . In addition, a videoconferencing tool was developed with the ability to adapt = the video characteristics (e.g., bitrate) according to the network conditions.<= o:p>
Introducción
Una red resiliente hace referencia a la capacidad de la red para
proporcionar y mantener un nivel de servicio aceptable frente a diversos fa=
llos
y retos en el funcionamiento, sea cual sea la naturaleza del reto al que se
enfrenta (Frnda
et al., 2016). En particula=
r, los
sistemas de comunicación son susceptibles a fallos y pérdida de conectivida=
d,
usualmente ocasionados por eventos naturales como inundaciones, terremotos,
entre otros problemas derivados de la tecnología y actividades humanas mali=
ciosas
(Mauthe
et al., 2016).
En consecuencia, cuando los servicios de red que forman parte de una
infraestructura esencial (v.g. hospitales, aeropuertos, centrales eléctrica=
s,
entre otros) dejan de estar disponibles, se generan problemas de comunicaci=
ón
como resultado inevitable (Mauthe
et al., 2016). Para solvent=
ar
este inconveniente se puede hacer uso de redes resilientes basadas en el
paradigma denominado redes ad hoc, las cuales permiten la comunicación sin =
la
necesidad de un sistema central o algún tipo de infraestructura de red
preexistente (Pan
et al., 2019). Por ejemplo,=
en (Salam
et al., 2018) se propone un=
a red
ad hoc resiliente basada en drones con el propósito de mantener la comunica=
ción
durante la ocurrencia de catástrofes.
Cabe destacar que las redes ad hoc son redes descentralizadas y sin
infraestructura, donde los nodos pueden operar como dispositivos terminales=
y
además como enrutadores para el reenvío de la información hacia dispositivos
que estén dentro de su radio de cobertura (Mohammed
et al., 2020). En este tipo=
de
redes, el comportamiento de métricas tales como el =
delay
o el throughput requieren de un análisis
detallado. Por ejemplo, en (González
et al., 2016) se realiza una
evaluación del rendimiento del streaming=
de
video escalable en una red MANET (Mobile Ad hoc Networks), y se
demuestra que a medida que aumenta el número de nodos, el throughput disminuye en el
receptor. Además, en (Iliana
et al., 2017) se establece =
que el
throughput=
también disminuye dependiendo del número de dispositivos que ocupan el mismo
canal inalámbrico.
De forma similar, en (Tolentino
Medrano, 2021) se recalca qu=
e la
característica dinámica y la alta movilidad ocasionan pérdida de enlaces, lo
que disminuye el throughput.
Por otro lado, en (Ahmed
et al., 2020), se demuestra=
que
el retardo de propagación (delay) de un enlace multisalto depende del número de
repetidores y de la distancia entre repetidores adyacentes. En tal contexto=
, en
(Castellanos
et al., 2015), se plantea u=
na
estrategia de transmisión adaptativa de video en función del ancho de banda
disponible en la red, lo que permitiría reducir la congestión y por tanto l=
a pérdida
de paquetes.
En lo que respecta a situaciones de emergencia, es importante dotar a
las personas afectadas y al personal de emergencia la capacidad de establec=
er y
utilizar rápidamente medios de comunicación independientes. De esta manera,=
en (Jagannath
et al., 2019) se presenta u=
na
solución completa de extremo a extremo que puede conectar a los supervivien=
tes
de una catástrofe entre sí y con las autoridades mediante una red ad hoc
autosuficiente. De la misma forma, gracias a la movilidad de los vehículos
aéreos no tripulados (UAVs), es posible crear u=
na
comunicación de red aérea para emergencias que apoye rápidamente y garantice
las condiciones estrictas de tiempo en la búsqueda y rescate.
En (Dinh
et al., 2019), se propone u=
na
arquitectura que apoya la comunicación entre los rescatistas y las víctimas
mediante el uso de la red aérea ad hoc para emergencias. Además, la mayor p=
arte
de las infraestructuras están dañadas o completamente destruidas en los
escenarios posteriores a las catástrofes, por ello, se puede utilizar una r=
ed
ad hoc vehicular (VANET) para llevar a cabo la operación de rescate, ya que=
no
requiere ninguna infraestructura preexistente. En este
Por otro lado, la vigilancia del tráfico es un aspecto importante pa=
ra
los Sistemas Inteligentes de Transporte (ITS) que ayudan a detectar inciden=
tes
automáticamente. En estos casos, las redes ad-hoc podrían ser una opción vi=
able
y de bajo coste, no obstante la transmisión de v=
ideo
manteniendo un nivel adecuado de calidad de servicio, es un desafío. Por tal
motivo, (Felici-castell
et al., 2021) presentan una técnica de transmisión de=
vídeo
adaptativo en tiempo real para transportar flujos de vídeo desde las cámara=
s a
los servidores externos de monitorización del tráfico.
Por otra parte, la gran popularidad de las aplicaciones multimedia, ha impulsado un rápido crecimiento del con=
sumo
de contenidos de alta resolución, incrementando de forma dramática la deman=
da
de ancho de banda. En tal sentido, el uso de códecs resulta fundamental ya =
que
permiten comprimir los datos, lo que contribuye a reducir la carga de tráfi=
co
en la red, el almacenamiento requerido y por tanto mejorar la velocidad de
trasferencia. Cabe indicar que, el desarrollo de códecs representa una líne=
a activa
de investigación y en constante evolución (Rao
et al., 2020). Entre los
estándares más usados se tiene: H264, H265, VP8 y VP9 (Bienik
et al., 2016).
En lo que respecta al análisis de códecs, en (Paredes
et al., 2016) se indica que=
para
aplicaciones en VANET’s (Vehicular Ad hoc
Networks) el estándar H.265/HEVC es superior en compresión a los estánd=
ares
H.264/AVC y VP9. En cuanto a velocidad de codificación, en (ZhangTicao
& MaoShiwen, 2019) se señala que
H264/AVC es más rápido que H.265/HEVC y VP9, no obstante presenta la mitad =
de
eficiencia de codificación.
Además, en (Grois
et al., 2013) se recalca qu=
e VP9
puede presentar un tiempo de codificación de hasta 100 veces el tiempo de
H.264, lo que ocasiona un retraso considerable en la emisión de un video. E=
n (Sharma
et al., 2019) se presenta un
estudio donde se indica que los
Así mismo, en (Barman
& Martini, 2017), se establece=
que
el rendimiento real de los códecs de video depende en gran medida de factor=
es
tales como, el tiempo de codificación, el tipo de contenido (videos natural=
es/de
animación/video sintético), la complejidad del video, la resolución, los
parámetros de codificación (v.g. GoP, fps, VBR/CBR) y las métricas de evaluación de la cali=
dad
(objetivo/subjetivo).
Por último, en cuanto al consumo de CPU, tanto VP9 como H.265
implementan más etapas durante la compresión que H.264, lo que aumenta la c=
arga
sobre los recursos computacionales. Sin embargo, se puede utilizar codifica=
ción
basada en hardware para disminuir el consumo o en su defecto aumenta=
r el
número de CPU empleados. Además, el estudio descrito en (Mengzhe
et al., 2015), demuestra qu=
e al
aumentar el número de CPU el tiempo de codificación disminuye
considerablemente, aunque como consecuencia se tiene una disminución del PS=
NR (Peak Signal
En tal contexto, en este artículo se presenta la evaluación experime=
ntal
de un sistema de comunicación multimedia robusto frente a eventos de
emergencia. La propuesta se basa en herramientas hardware/software de
tipo open source. En particular, se pres=
enta
un desarrollo a nivel de capa de aplicación, el mismo que permite la
transmisión de tráfico multimedia (audio/video) con capacidad de adaptarse a
las condiciones de la red, para lo cual se analizó previamente el mejor
mecanismo de compresión considerando las características de la red empleada=
.
Cabe indicar que el estudio fue realizado sobre un escenario real
consistente en el edificio matriz de la Empresa Eléctrica Regional Centro S=
ur
(Cuenca-Ecuador). Dicho escenario cuenta con una red ad hoc multi-salto,
la misma que fue desplegada previamente con el fin de monitorizar el
comportamiento dinámico del edificio (Palacios
et al., 2022). Donde, la
principal contribución de este artículo es el desarrollo de una metodología
para caracterizar una red resiliente para comunicaciones de emergencia, y la
implementación de una aplicación de videollamada con capacidades de video
adaptativo sobre dispositivos con bajo procesamiento utilizando el códec VP=
8.
El resto del artículo se encuentra organizado de la siguiente forma.=
En
la sección Materiales y Métodos, se presenta el procedimiento definido para
caracterizar la red ad hoc, la metodología para evaluar la calidad del video
empleando diferentes códecs, así como el desarrollo de una herramienta capa=
z de
transmitir audio y video en tiempo real con capacidad de adaptarse a las ca=
racterísticas
de la red. Posteriormente, en la siguiente sección se discuten los resultad=
os
obtenidos. Finalmente, se exponen las principales conclusiones del estudio.=
Figura =
1=
En la <=
!--[if supportFields]><=
/span> REF _Ref114571574 \h Figura
1 se presenta la metodología empleada para=
la
evaluación de la propuesta, la misma consta de cuatro etapas. En primer lug=
ar,
se desarrollaron un conjunto de experimentos con la finalidad de caracteriz=
ar
la red ad hoc disponible en el sitio de estudio. A continuación, se procedi=
ó a
analizar de forma subjetiva y objetiva la calidad del tráfico de video, en =
la
red, dicho proceso abarcó desde la selección de un conjunto de videos hasta=
la
comparación y análisis del códec más adecuado acorde a las características =
de
la red.
Posteriormente=
, se
procedió a transmitir audio y video en tiempo real para verificar la
comunicación en casos de emergencia, con tal finalidad se desarrolló una
solución a nivel de capa de aplicación. Para concluir, se procedió a evalua=
r de
forma objetiva el comportamiento del tráfico multimedia transmitido en térm=
inos
de packet loss, delay y throughput.
Caracterización de la red ad hoc
Antes de trans=
mitir el
video es necesario verificar la capacidad de la red, mediante un análisis de
métricas tales como el packet loss,=
el delay y e=
l ancho
de banda disponible. En tal sentido, se realizaron cuatro experimentos dond=
e se
ubicó un ordenador fijo en el sótano y otro ordenador en un piso superior (=
piso
uno, tres, cinco y siete), tal como se esquematiza en la Figura
2. Como se puede apreciar, el experimento
desarrollado entre el sótano y el piso 1 genera tres saltos (Figura 2=
a), el experimento con respecto al piso 3
genera cuatro saltos, el experimento en el piso 5 genera cinco saltos y
finalmente el experimento entre el ordenador del sótano y el piso 7 genera =
seis
saltos (Figura 2=
b). Por otro lado, cada experimento consi=
stió
en generar tráfico constante y transmitirlo desde un ordenador hacia el otr=
o,
aumentando el =
bitrate
desde los 100Kbps hasta los 10Mbps para de esta forma determinar el umbral =
del throughput en
cada piso.
Metodología para la evaluación subjeti= va y objetiva de la calidad de video
Para determina=
r el
códec más adecuado para la transmisión de video sobre la red, se realizaron
múltiples experimentos. En particular, se definió una metodología, la misma=
que
se esquematiza en la Figura
3. Como se aprecia, el primer paso fue
seleccionar videos en formato CIF (Common Intermediate Format),=
el
mismo que es ampliamente usado en aplicaciones de videoconferencia. En tal
sentido, se escogieron y descargaron las secuencias
Posteriormente=
, se
codificaron los videos empleando como parámetro principal el bitrate y como parámetros adicionales el GoP (Group of Pictures) y el
A continuación,
utilizando la herramienta GStreamer (GStreamer: Open Source Multimedia Fram=
ework,
2022), se codificaron y transmitieron en tiempo real los videos sobre el
propio ordenador, donde se capturaron todos los paquetes generados para obt=
ener
el perfil del tráfico de cada uno. En el sexto paso se realizó una valoraci=
ón
del perfil del tráfico vs. el umbral de la red ad hoc, para determinar si es
posible la transmisión del video sobre la red existente. A partir del análi=
sis,
en caso de ser necesario, se ajustan nuevamente las métricas y se regresa al
paso 2. El siguiente paso tiene como objetivo definir los parámetros de
Figura = 2=