32
BAB III PEMODELAN SISTEM DAN SIMULASI
3.1
Diagram Alir Pemodelan Sistem Pemodelan H.264/MPEG-4 AVC ditetapkan berdasarkan feature yang ada sesuai dengan jenis profilnya. Dalam Tugas Akhir ini digunakan JM 18.0 sebagai encoder dan decoder video, serta NS-2.28 untuk mensimulasikan jaringan W-LAN.
Gambar 3.1 Diagram alir pemodelan dan simulasi
33
Simulasi pengiriman video dilakukan dengan memasukkan input video ke dalam model sistem. Input video dikodekan dari video yang berupa file YUV menjadi video terkompresi yang berupa file dengan ekstensi.264, input video dikodekan dengan menggunakan program yang dikembangkan oleh JM referensi software versi 18.0 yang dapat di-download dari http://iphome.hhi.de/suehring/tml/download/ dan bersifat freeware. JM 18.0 ini adalah software yang berbasiskan bahasa pemrograman C++ dan harus dibangun (compile) terlebih dahulu melalui software Microsoft Visual Studio 2008. Untuk menjalankannya, digunakan terminal cygwin. Dalam tugas akhir ini digunakan 2 jenis profile H.264 yaitu High 4:4:4 Intra Profile dan Main Profile untuk selanjutnya dikirimkan di dalam kanal wireless LAN dengan bantuan network simulator-2. Agar video inputan dapat dibaca maka network simulator-2 diintegrasikan dengan Evalvid, yang berarti menambah modul. Ada beberapa cara untuk menambahkan Evalvid ke dalam NS-2.28 yang telah ter-install, di antaranya adalah dengan menambahkan module atau mendapatkan patching yang sesuai.
3.2 Parameter yang divariasikan Pada tugas akhir ini penambahan profile dilakukan dengan mengubah parameter parameter yang mempengaruhi kualitas suatu video. Parameter tersebut sebagai berikut: a. Jumlah Coded Frame, adalah frame yang akan dikodekan untuk dapat ditransmisikan. Nantinya setiap profil akan dibandingkan
34
per-frame untuk membandingkan kualitas gambar terbaik suatu video. b. Profile dan Level IDC, adalah kemampuan suatu dekoder yang harus dipenuhi untuk men-decode bitstream pada suatu level. Hal ini mempengaruhi profil yang dikodekan dan kualitas gambar yang akan dikompresi. c. Nilai QP, adalah parameter kuantisasi dimana dengan mengubah nilai QP menjadi tinggi maka hasil video yang didapat semakin buruk dan sebaliknya jika nilai QP rendah maka hasil video yg didapat semakin bagus. d. NAL Unit, adalah bagian-bagian dari suatu data H.264 yang ditransmisikan dan berpengaruh pada saat proses decoding. e. Rate Control, adalah variasi nilai QP yang berpengaruh pada bitrate. f. FREXT stuff, adalah Parameter untuk meningkatkan aplikasi terhadap penyimpanan video dan transmisi berdefinisi tinggi dengan cara yang efisien
35
3.3 Karakteristik Video Video yang digunakan dalam simulasi ini seperti pada tabel dibawah
ini Tabel 3.1 Video Input Input Video
Deskripsi Ukuran
QCIF (176x144 piksel)
frame Ukuran file
11.138 KB
Format
4:2:0
YUV kids_qcif.yuv
Jumlah
300
frame Karakteristik
Objek tetap pada ibu dan anak dengan latarbelakang yang tetap ( tidak bergerak ), pergerakan hanya terjadi
pada ibu saja. Ukuran
CIF (352x288 piksel)
frame Ukuran file
44.550 KB
Format
4:2:0
YUV Jumlah
300
frame kids_cif.yuv Karakteistik
Objek tetap pada ibu dan anak dengan latarbelakang yang tetap ( tidak bergerak ), pergerakan hanya terjadi
pada ibu saja.
36
Ukuran
HD (1280x720 piksel)
frame
Room.yuv
Ukuran file
44.500 KB
Format
4:2:0
YUV Jumlah
30
frame Karakteristik
Objek tulisan bergerak dengan cepat dan di akhir frame terjadi perpindahan objek menjadi objek manusia
Video Room adalah video dengan objek tulisan bergerak dengan cepat dan di akhir frame terjadi perpindahan objek menjadi objek manusia. Hal ini mengakibatkan pengurangan frame secara spatial dan temporal yang sangat rendah atau memiliki redundansi spatial dan temporal yang rendah.
37
3.4 Simulasi Transmisi H.264 dengan Network Simulator
Gambar 3.2 Model sistem pengiriman H.264 dengan Evalvid [12]
Evalvid adalah kumpulan tools yang diintegrasikan kedalam network simulator-2 dengan cara menambah modul evalvid kedalam network
simulator. Adapun modul yang ditambahkan adalah myTraffictrace3, myUdpSink3, myUdp, dengan penambahan ketiga modul tersebut data hasil keluaran tracing dapat dianalisa performansinya. Evalvid juga digunakan untuk mengevaluasi pengiriman video dari server ke user. 3.4.1 Trace file keluaran dari network simulator-2
Trace file keluaran diperoleh setelah simulasi telah selesai, data keluaran diperoleh dari ketiga agent yang diintegrasikan dengan network simulator-2 yakni MyTrafictrace3,MyUdp, dan MyUdpSink3. 3.4.1.1 MyTraffictrace3 MyTraffictrace3 adalah aplikasi untuk membaca video record hasil
parsing dari H.264 dan membangun hubungan paket dalam network simulator-2. Dalam Tugas akhir ini pengiriman video inputan hanya melalui base station 0 dan satu frame dikirim dalam waktu 100 ms (10 fps).
38
3.4.1.2 MyUdp MyUdp adalah aplikasi untuk tambahan dari Udp agent node. Agent ini adalah agent pengirim (sender trace), dimana agent ini dapat memberikan nama yang spesifik untuk file name output di sisi pengirim dan mendapatkan data rekaman dari pengirim berupa waktu satu frame dikirimkan,nomor Id paket yg dikirimkan, dan besarnya paket yang dikirimkan (dalam byte). 3.4.1.3 MyUdpSink3 MyUdpSink3 adalah aplikasi tambahan dari node sink. Agent ini adalah agent penerima (receiver trace) , dimana agent ini juga dapat memberikan nama spesifik untuk file name output disisi penerima dan mendapatkan data rekaman yang diterima berupa waktu satu frame diterima,nomor Id paket yang diterima, dan besarnya paket yang diterima (dalam byte).
3.4.2 Parser Parser adalah aplikasi untuk membaca file hasil kompresi video yang telah dikodekan dalam format ekstensi 264. Proses eksekusi untuk mem-parser hasil video yang telah diencoding maka file parser.exe harus berada dalam satu folder dengan config file. Config file adalah file tempat memasukkan file input video yang telah dikompresi dalam format file ekstensi.264. Perintah eksekusinya adalah:
$./parser.exe config
39
Setelah proses parsing selesai maka didapatkan file dengan ekstensi.txt yang berisikan informasi paket id, waktu, paketSize (dalam byte), dan prioritas
frame. File dengan ekstensi.txt adalah file inputan video yang digunakan dalam simulasi pengiriman video.
3.4.3 Konfigurasi Jaringan W-LAN
Gambar 3.3 Konfigurasi jaringan W-LAN
Simulasi pengiriman video dilakukan dengan cara memasukkan input berupa video yang sudah dilakukan proses encoder H.264 dan menyimpannya dalam sebuah server untuk selanjutnya dapat diakses melalui access point oleh user secara streaming. Simulasi dilakukan dengan bantuan
network
simulator-2
http://www.isi.edu/nsnam/dist
dan
yang untuk
bisa
di-download
pengiriman
di
videonya
menggunakan tools Evalvid. 3.4.3.1 Video Encoder Mengkodekan Raw YUV video menjadi format file ekstensi.264 dengan menggunakan JM 18.0. Dalam software ini pengaturan pemilihan
40
profile yang digunakan dilakukan dengan melakukan konfigurasi dalam file encoder_intra.cfg dan encoder_main.cfg. Proses encoding file raw video dilakukan dengan command prompt pada direktori bin program JM 18.0 dengan perintah eksekusinya adalah:
$ ./lencod.exe –d encoder_intra.cfg Output keluaran berupa hasil tracing file berformat file ekstensi.264, dengan mode profile yang dipilih adalah intra profile. Kemudian untuk
mode main profile, maka perintah eksekusinya adalah: $ ./lencod.exe –d encoder_main.cfg Sehingga menghasilkan output keluaran berupa hasil tracing file berformat file ekstensi.264.
3.4.3.2 Error Insertion Error insertion adalah aplikasi mendapatkan file distorted_video.264 yang didapatkan dari file nama video terkompresi dengan ekstensi.264, file nama output disisi pengirim dan file nama output disisi penerima sedangkan hasilnya adalah file dengan ekstensi distorted.264. Hal ini perlu agar kita bisa men-decoding video inputan di sisi penerima. Perintah eksekusinya adalah
$./errinsert.exe [input video.264][distorted.264] [sender_trace] [receiver _trace]
41
3.4.3.3 Video Decoder File [distorted.264] hasil aplikasi ./errinsert.exe menjadi inputan
decoder dalam JM 18.0 dan untuk melakukan proses file decoder disesuaikan dengan file inputan encoder agar proses decoder dapat berjalan dengan benar. Proses decoding dilakukan pada command prompt pada direktori bin program JM 18.0 dengan instruksi:
$./ldecod.exe –d decoder_[sesuai file.cfg] 3.4.4 Perhitungan Jitter Hasil keluaran simulasi dihitung jitter-nya dengan menggunakan file awk. Jitter yang dihitung adalah one-way jitter dan inter arrival jitter dari file hasil trace dari simulasi berupa output simulasi.tr, jitter digunakan untuk melihat delay kedatangan paket data selama proses pengiriman video di jaringan wireless LAN. Perintah eksekusi untuk menghitung jitter adalah
$awk –f jitter.awk [output simulasi.tr]
3.4.5 Evaluasi Performansi Video Evaluasi performansi dapat dilakukan dengan cara membandingkan PSNR, SSIM, bitrate, dan rasio kompresi antara video inputan referensi di sisi pengirim dan video keluaran di sisi penerima dan dianalisa penurunan kualitas video yang diterima oleh penerima.
42
3.5 Perangkat yang digunakan Untuk menjalankan network simulator-2 (ns-2) pada tugas akhir ini mengunakan perangkat keras berupa: Personal Komputer satu (1) buah komputer dengan spesifikasi
Processor Intel(R) Core(TM) i3 Memory RAM 1.85 GB.
Untuk menjalankan network simulator-2 (ns-2) pada tugas akhir ini mengunakan perangkat lunak berupa:
Windows Xp service pack 2 Emulator Cygwin versi 2.416 Ns-allinone-2.28.tar.gz Tools yang digunakan adalah EvalVid YUV Tools untuk mengkonversi video Ms. Visual Studio 2008
3.6 Skenario Simulasi Skenario pengukuran yang dilakukan dalam tugas akhir ini adalah menggunakan jaringan W-LAN yang menggunakan 1 base station dengan waktu pengiriman satu frame untuk base station (0) adalah 100 millisecond. 3.6.1 Skenario 1 Dalam skenario pertama digunakan video input dengan format YUV 4:2:0 untuk keseluruhan profil yang disimulasikan. Untuk ukuran frame yang digunakan adalah QCIF (176x144 piksel) dan CIF (352x288 piksel)
43
dengan jumlah frame 300. Skenario pengukuran pertama adalah seperti tabel dibawah ini Tabel 3.2 Kombinasi video inputan skenario 1
USER
Format
Format
Jumlah
Video
YUV
Frame
Kids
CIF
4:2:0
300
Kids
QCIF
4:2:0
300
Kids
CIF
4:2:0
300
Kids
QCIF
4:2:0
300
Sequence
Jenis Profile
High 4:4:4 Intra Profile
Main Profile
3.6.2 Skenario 2 Dalam skenario kedua digunakan video input dengan format YUV 4:2:0 untuk Main Profil dan format YUV 4:4:4 untuk High 4:4:4 Intra. Untuk mendapatkan format YUV 4:4:4 dari format video input pada Tabel 3.1, digunakan sebuah tool yaitu YUVTools yang di download pada www.sunrayimage.com. Dengan tool ini, juga dapat diperoleh potongan frame
untuk Skenario 2 yaitu 100 frame. Ukuran frame yang digunakan adalah QCIF (176x144 piksel),CIF (352x288 piksel) dan High Definition (1280x720 piksel) dengan jumlah frame 30. . Skenario pengukurannya adalah dengan seperti tabel dibawah ini : Tabel 3.3 Kombinasi video inputan skenario 2 USER
Sequence
Format Video
Format YUV
Jumlah Frame
Kids
CIF
4:4:4
100
Kids
QCIF
4:4:4
100
Room
HD
4:4:4
30
Kids
CIF
4:2:0
100
Kids
QCIF
4:2:0
100
Room
HD
4:2:0
30
Jenis Profile
High 4:4:4 Intra Profile
Main Profile
44
3.6.3 Skenario 3 Dalam skenario ketiga disimulasikan user melalukan perpindahan dengan jarak yang semakin menjauh dari access point (50 – 350 ft). dengan adanya pergerakan user ini akan dianalisa performa decoded video yang diterima.
3.7 Parameter Simulasi Jaringan W-LAN Parameter yang di setting di dalam network simulator adalah : Tabel 3.4 Parameter Simulasi W-LAN Parameter
Nilai
Data Rate Wireless Packet Size
11 Mbps (802.11g) 188 Byte
Traffic
VBR
Bandwidth LAN
100 Mbps
Delay
10 ms
Mode Pengalamatan
Hierarchical
3.8 Parameter Performansi (QoS) Performansi dari video dapat diukur dengan menggunakan parameter performansi, atau biasa disebut sebagai QoS. Parameter performansi video yang digunakan dalam mengukur performasi video adalah: PSNR, PEVQ, SSIM, bitrate, dan rasio kompresi sedangkan parameter performansi jaringan diwakilkan dengan jitter yang terjadi saat user mengakses server.
3.8.1 Peak Signal to Noise Ratio (PSNR)
Peak Signal to Noise Ratio (PSNR) digunakan bersama dengan Mean Square Error (MSE) untuk membandingkan video yang original
45
dengan video yang telah dikompresi berdasarkan amplitude sinyal maksimum dari sinyal dengan n adalah jumlah sampel bit per gambar (2 n − 1) 2 .Persamaan matematis dari PSNR adalah
PSNR db = 10
10
(2 log
)
−1 MSE n
(3.1)
2
Dimana persamaan matematis MSE adalah
MSE =
1 m −1 n −1 2 I (i, j ) − K (i, j ) ∑∑ mn i =0 j =0
(3.2)
Dalam MSE M dan N adalah dua buah blok untuk gambar
monochrome I dan K dimana salah satu gambar dianggap sebagai sebuah taksiran kasar dari gambar yang lainnya. PSNR memiliki 3 komponen utama yaitu PSNR Y (nilai luminance), PSNR U (nilai chominance/cb), dan PSNR V (nilai chrominance/cr). Nilai PSNR dinyatakan dalam satuan dB dan sebuah frame video dikatakan memiliki kualitas yang bagus diatas 30 dB, dengan keterangan berikut: Tabel 3.5 ITU-T P.800 quality and Impairment Scale [11] Scale
Quality
Impairment
PSNR
5
Excellent
Imperceptible
> 37
4
Good
Perceptible, not annoying
31-37
3
Fair
Slighty annoying
25-31
2
Poor
Annoying
20-25
1
Bad
Very annoying
< 20
46
3.8.2 Structure Similarity (SSIM) SSIM adalah sebuah metoda untuk mengukur performansi berdasarkan kemiripan dari dua buah gambar yaitu gambar input dan output, pengukuran dilakukan berdasarkan 3 komponen warna yaitu luminance similarity, contrast
similarity, dan structure similarity. Matrik dari SSIM ukuran N X N dalam domain ruang x,y adalah
SSIM( x, y ) =
(2µ µ
(µ
x
2 x
y
+ c1 )(2 cov x , y + c2 )
)(
+ µ y2 + c1 σ x2 + σ y2 + c2
)
(3.3)
dengan µ x = average dari x, µ y = average dari y, cov x , y =covariance dari y, c1 = (k1 L) 2 , c 2 = (k 2 L )2 dua buah variable untuk menstabilkan pembagian dengan
angka yg rendah. L adalah ruang dinamis dari nilai pixel dengan format ( 2 bitperpixel − 1 ), = 0.01, =0.03.
Stuktur dari SSIM adalah:
Gambar 3.4 Struktur SSIM
47
`
Rentang dari nilai SSIM adalah antara -1 sampai dengan 1, dengan catatan
nilai 1 adalah video hasil decoding sama persis dengan video aslinya (100 % sama).
3.8.3 Bitrate Banyak parameter encoder dapat mempengaruhi keluaran bitrate contohnya jenis slice, motion search range, mode selection algorithm, tetapi parameter yang paling berguna untuk kontrol bitrate adalah Parameter quantizer (QP). Salah satu cara untuk mengendalikan bitrate adalah dengan mencoba mempertahankan sejumlah bit yang konstan per coded frame, dengan mengukur kecepatan bitrate output dan dikembalikan untuk mengontrol QP. Meningkatkan QP dapat mengurangi mengurangi coded bitrate sedangkan menurunkan QP dapat meningkatkan coded bitrate.
Gambar 3.5 Alokasi Bitrate untuk Rate Control [6]
Pendekatan yang lebih fleksibel diuraikan pada Gambar 3.7. Bitrate saluran yang tersedia, dalam bit per detik, digunakan untuk menentukan target
48
jumlah bit untuk Group of Pictures (GOP), biasanya I slice diikuti sejumlah P dan/atau B slice. Bit-bit yang tersedia untuk GOP tersebut kemudian dialokasikan ke I, P dan B slice, dengan alokasi yang berubah tergantung pada jenis slice. Sebuah I slice biasanya dialokasikan paling banyak bit karena intra prediction cenderung kurang efisien dari pada inter prediction, diikuti dengan P slice dan B
slices. Dalam masing-masing slice, sejumlah bit akan dialokasikan untuk setiap makroblock. Algoritma rate control kemudian mencoba untuk mengendalikan
encoder untuk menghasilkan target jumlah bit.
3.8.4 Rasio Kompresi Rasio kompresi adalah perhitungan dengan membandingkan besar ukuran file asli dengan besar ukuran file hasil kompresi, semakin besar rasio kompresi berarti semakin kecil besar data video hasil kompresi. Perhitungan dilakukan dengan persamaan: Rasio Kompresi =
(3.4)
3.8.5 Jitter
Jitter adalah variasi dari delay. Jitter disebabkan oleh adanya variasi waktu dalam kedatangan paket data. Variasi kedatangan paket ini dapat disebabkan oleh panjang antrian data, lamanya waktu pengolahan data,kemacetan. Ada data yang bertubrukan dan lamanya waktu yang dibutuhkan untuk menghimpun paket-paket data pada akhir proses transmisi untuk menjadi satu kesatuan frame yang utuh. Dalam tugas akhir ini dihitung one way jitter dengan
inter arrival jitter.
49
One way jitter adalah rata-rata waktu selisih one way delay,dimana oneway delay adalah selisih dari delay kedatangan paket data frame ke n dikurang dengan delay frame ke n-1 dari node sumber ke node tujuan.
Gambar 3.6 One way jitter [10]
Inter arrival jitter adalah rata-rata waktu selisih dari intter arrival delay, dimana inter arrival delay adalah selisih kedatangan paket data frame ke n dikurangi selisih kedatangan paket data frame ke n-1 di sisi node penerima tanpa melihat sumber pengirimnya.
Gambar 3.7 Inter Arrival jitter [10]
Standar jitter One way jitter dan Inter Arrival Jitter
•
Menurut standar ITU-T nilai One way jitter bernilai < 5 ms, sedangkan standar CISCO bernilai < 50 ms.
•
Merurut standar ITU-T nilai Inter arrival jitter berkisar antara 0-150 ms, sedangkan standar CISCO 4-5 s.
