Studio e sviluppo di un sistema indipendente di misura della QoS per servizi video mobili

Capitolo 1
servivano una data area non erano in grado di gestire il trasferimento di una chia-
mata tra una stazione e l’altra. Mentre si effettuava una chiamata non era possibile
continuarla se si superava un certo limite. Nel 1970 Amos Edward Joel, un altro in-
gegnere dei Bell Labs, sviluppo` il sistema di gestione della chiamata tra piu` stazioni
base. Questa nuova tecnologia permetteva di continuare una chiamata durante il
passaggio tra un’area e l’altra, senza far cadere la telefonata.
Fu nel 1971 che la AT&T sottomise una richiesta all’FCC, ossia la commissione
americana incaricata della gestione dell’allocazione di tutto lo spettro radio, per
i servizi cellulari. Ci vollero piu` di 10 anni per l’approvazione, e nel 1982 la FCC
alloco` la frequenza compresa tra gli 824 e gli 894 MHZ per le Advanced Mobile Phone
Service (AMPS). Dal 1982 al 1990 gli AMPS erano servizi analogici, successivamente
a partire dal 1990 si inzio` lo sviluppo della tecnologia digitale.
Nel 1983 la Motorola presento` il primo vero telefono realmente portatile; era
il Motorola DynaTAC 8000X, ed il suo utilizzo negli Stati Uniti fu approvato dal-
l’FCC. La Motorola impiego` decenni per lo sviluppo della tecnologia necessaria per
i telefoni cellulari, e ci vollero 15 anni affinche` questo telefono arrivasse nei mercati,
con una spesa superiore ai 100 milioni di dollari in ricerca. Il DynaTAC800X era
estremamente leggero per quei tempi, con un peso di circa 1kg. Le sue dimensioni
erano pari a 33cm x 5cm x 10cm ed era conosciuto come il Mattone.
Dal 1983 alla fine degli anni ’80 la popolarita` dei telefoni cellulari crebbe notevol-
mente, grazie alle innovazioni raggiunte nelle sviluppo delle reti. Mentre molti cel-
lulari non erano stati creati per essere utilizzati con una sola mano, tutti i telefoni
erano realizzati per essere installati permanentemente nelle automobili.
I telefoni cellulari dei primi anni ’90 sono considerati appartenenti alla seconda
generazione (2G) ed erano capaci di lavorare su sistemi di telefonia mobile come il
GSM, l’IS-136 (TDMA) e l’IS-95 (CDMA). Reti di telefonia mobile digitale furono
usati negli Stati Uniti a partire dal 1990 e in Europa dal 1991. I telefoni 2G offrivano
un segnale di rete piu` veloce, una minore perdita di chiamate e un notevole aumento
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della qualita` delle telefonate. Inoltre ci fu un notevole diminuzione del peso dei
telefoni, che raggiunse i 100 o 200 grammi, e una diminuzione delle dimensioni.
La Terza Generazione di telefoni cellulari e` quella attualmente disponibile sul
mercato ed e` comunemente chiamata 3G. Nonostante i 3G sono usciti sul mercato
solamente pochissimi anni dopo i 2G, grazie alle grandi innovazioni in tecnologia e
servizi, gli standard 3G sono solitamente differenti e dipendono notevolmente dal
tipo di rete.
Da pochi anni, l’UMTS, permette l’utilizzo del telefono cellulare anche per
videotelefonate, registrazione e visualizzazione videofilmati e visione di TV e pro-
grammi dedicati; ma gia` da alcuni anni la generazione GSM offre in commercio
cellulari con schermi a colori, possibilita` di connessione a internet nello speciale
protocollo WAP (Wireless Application Protocol) e fotocamere digitali.
I nuovi modelli di telefono cellulare possono essere dotati di schermo a colori, fo-
tocamera digitale, lettore MP3, Bluetooth, Wi-Fi e la possibilita` di sincronizzare in-
formazioni (messaggi, calendario, rubrica indirizzi) con programmi denominati PIM
(iniziali di Personal Information Manager) installati sul proprio computer. Alcuni
cellulari chiamati Smartphone offrono anche la possibilita` di installare programmi
complessi come per il fotoritocco, per il controllo del computer o altri innumerevoli
applicativi.
Con la diffusione delle nuove tecnologie, ed in particolar modo della tecnolo-
gia 3G, il telefono e` diventato uno strumento fondamentale non solo per l’invio e la
ricezione di chiamate, ma anche per una serie di applicazioni che potrebbero erronea-
mente essere considerate secondarie, quali la navigazione su internet e la possibilita`
di effettuare videochiamate o di vedere veri e propri film in streaming sul proprio
apparecchio.
Viste le nuove aspettative degli utenti dei telefoni cellulari, e` sorto negli ultimi
tempi il problema di valutare quanto i servizi offerti siano graditi dagli utenti stessi.
Uno dei campi di maggior interesse e` diventato quello della valutazione dei servizi
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video che offrono i diversi gestori di telefonia, quali videochiamate o film trasmessi
in streaming. Con il continuo miglioramento di tali servizi e con i miglioramenti
introdotti in termini di tecnologie per schermi LCD, l’utente preferisce un servizio
che offra una qualita` nei dettagli maggiore rispetto agli altri.
Queste esigenze comportano la ricerca di tecnologie che consentano di valutare
la qualita` del servizio in maniera totalmente automatica, in modo tale da poter
apportare nel piu` breve tempo possibile le correzioni al sistema al fine di garantire
un servizio migliore e soddisfacente per gli utenti.
Negli ultimi anni e` nata quindi l’esigenza, soprattutto da parte delle aziende
interessate nel settore della telefonia mobile, di individuare tecnologie e metodologie
adeguate al compito della valutazione della qualita` del servizio, effettuando notevoli
investimenti in tal senso.
E’ in questo contesto che e` nato il progetto realizzato in questa tesi, in collab-
orazione con l’azienda Com.Tek Lugano. Il sistema che si vuole realizzare ha come
obiettivo quello di valutare in maniera automatica la qualita` dei video ricevuti sui
telefoni cellulari, cos`ı come verrebbe percepita da un utente.
Contenuto della tesi
Il contenuto della tesi e` il seguente:
Capitolo 2: Descrizione approfondita del problema della valutazione della qualita`
video. Vengono analizzati i requisiti fondamentali dell’applicazione da realiz-
zare e vengono introdotti i concetti che riguardano il contesto di applicazione
del sistema.
Capitolo 3: Il problema viene suddiviso in piu` sottoproblemi sviluppabili in maniera
indipendente. Dall’unione dei risultati ottenuti e` possibile risolvere l’intero
problema.
Capitolo 4: Descrizione del problema dell’acquisizione dei video. Si riportano le
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Capitolo 1
sperimentazioni effettuate al fine di valutare quale sia la soluzione migliore
affinche` il video acquisito sia il piu` possibile fedele rispetto al video rice-
vuto. Vengono infine introdotte alcune procedure necessarie tra la fase di
acquisizione e la fase di elaborazione.
Capitolo 5: Vengono descritti in maniera approfondita quali sono gli artefatti in
base ai quali valutare la qualita` dei video. Si introducono alcuni algorit-
mi, corredati dalle dovute sperimentazioni, che consentono di quantificare la
presenza dei diversi artefatti all’interno dei video considerati.
Capitolo 6: Si introducono alcune metodologie che consentono di passare dalle
misure sui diversi artefatti, descritte nel capitolo precedente, ad una misura
unica che stimi la qualita` globale dei video cos`ı come viene percepita da un
insieme di utenti.
Capitolo 7: Descrizione approfondita dei requisiti del sistema che si vuole realiz-
zare. Descrizione delle tecnologie che consentono di realizzare l’applicazione
e analisi delle scelte effettuate in fase di implementazione dell’applicazione
stessa.
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Capitolo 2
Problema
Verranno di seguito descritti brevemente quali sono gli obiettivi del sistema da re-
alizzare, e verranno discussi dei requisiti di “massima” per il sistema, cos`ı come
concordati con i committenti del sistema.
Successivamente verra` introdotto il contesto in cui si colloca il sistema per la va-
lutazione della qualita`; verra` discusso il concetto di qualita` e si fara` una panoramica
sugli studi effettuati in materia.
Infine verranno introdotte le definizioni relative agli artefatti di interesse per il
sistema.
2.1 Descrizione del problema
2.1.1 Obiettivi
Il sistema che si vuole realizzare ha come obiettivo quello della valutazione della
qualita` delle immagini, cos`ı come vengono riprodotte da dispositivi mobili, come ad
esempio:
• GSM
• UMTS
• DVB-H
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Capitolo 2
Come unico vincolo si ha che l’acquisizione delle immagini necessaria alla va-
lutazione della qualita` deve essere effettuata mediante un dispositivo esterno, fo-
tocamera oppure videocamera, in maniera tale da rendere il sistema di misura del
tutto indipendente dal tipo di terminali, dalla disponibilita` o meno di una interfaccia
standard di accesso all’immagine stessa, come alcuni parametri del decoder, oppure
dalla disponibilta` del segnale in ingresso al dispositivo.
In Figura 2.1 viene riportato uno schema generale del sistema da realizzare.
Figura 2.1: Schema del sistema da realizzare
2.1.2 Requisiti e funzionalita`
Vengono di seguito descritti dei requisiti e delle funzionalita` generali per l’appli-
cazione da realizzare.
Il sistema deve essere in grado di:
• Campionare l’immagine ad una frequenza tale da riprodurre in maniera fedele
la Quality of System (QoS) percepita da un utente, sia per immagini a bassa
definizione sia per immagini ad alta definizione
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