BAB III PEMODELAN SISTEM DAN SIMULASI

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

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

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

3.3 Karakteristik Video

Video yang digunakan dalam simulasi ini seperti pada tabel dibawah ini

Input Video

kids_qcif.yuv

kids_cif.yuv Karakteristik Video

Video yang digunakan dalam simulasi ini seperti pada tabel dibawah

Tabel 3.1 Video Input

Deskripsi Ukuran

frame

QCIF (176x144 piksel)

Ukuran file 11.138 KB Format

YUV

4:2:0

Jumlah frame

300

Karakteristik Objek tetap pada ibu dan anak latarbelakang yang tetap ( tidak bergerak ), pergerakan hanya terjadi pada ibu saja.

Ukuran frame

CIF (352x288 piksel)

Ukuran file 44.550 KB Format

YUV

4:2:0

Jumlah frame

300

Karakteistik Objek tetap pada ibu dan anak latarbelakang yang tetap ( tidak bergerak ), pergerakan hanya terjadi pada ibu saja.

Video yang digunakan dalam simulasi ini seperti pada tabel dibawah

ibu dan anak dengan latarbelakang yang tetap ( tidak bergerak ), pergerakan hanya terjadi

ibu dan anak dengan latarbelakang yang tetap ( tidak bergerak ), pergerakan hanya terjadi

Room.yuv

Ukuran frame

HD (1280x720 piksel)

Ukuran file 44.500 KB Format

YUV

4:2:0

Jumlah frame

30

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.

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).

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

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 yang bisa di-download di http://www.isi.edu/nsnam/dist dan untuk pengiriman 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

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]

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.

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)

dengan jumlah frame 300. Skenario pengukuran pertama adalah seperti tabel dibawah ini

Tabel 3.2 Kombinasi video inputan skenario 1

USER Sequence

Format Video

Format YUV

Jumlah Frame

Jenis Profile

Kids CIF 4:2:0 300

High 4:4:4 Intra Profile

Kids QCIF 4:2:0 300

Kids CIF 4:2:0 300

Main Profile

Kids QCIF 4:2:0 300

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 Jenis Profile

Kids CIF 4:4:4 100

High 4:4:4 Intra Profile

Kids QCIF 4:4:4 100

Room HD 4:4:4 30

Kids CIF 4:2:0 100

Main Profile

Kids QCIF 4:2:0 100

Room HD 4:2:0 30

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 11 Mbps (802.11g)

Packet Size 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

dengan video yang telah dikompresi berdasarkan amplitude sinyal maksimum dari sinyal dengan n adalah jumlah sampel bit per gambar

)2

1 2

( ⁿ − .Persamaan matematis dari PSNR adalah

( )

PSNR MSE

n db

2

10

2 1

log

10 −

=

^(3.1)

Dimana persamaan matematis MSE adalah

( ) ( )

∑∑

⁻

=

−

=

−

=

¹

0 1

0

,

2

1

^m

,

i n

j

j i K j i mn I

MSE

(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

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

( ) ( )( )

(

^{22 2 11}

)(

^{2cov2 , 2 22}

)

, c c

c y c

x SSIM

y x y

x

y x y

x

+ + +

+

+

= +

σ σ µ

µ µ

µ

(3.3)

dengan µ_x⁼ average dari x, µ_y= average dari y, cov_{x ,y}=covariance dari y,

2 1

1 ( Lk )

c = , c2 =

( )

k2L ²dua buah variable untuk menstabilkan pembagian dengan angka yg rendah. L adalah ruang dinamis dari nilai pixel dengan format (

1

2^bitperpixel − ),
_= 0.01,
_=0.03.

Stuktur dari SSIM adalah:

Gambar 3.4 Struktur SSIM

` 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

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.

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.