Analisis Kualitas Transmisi Video Dengan Decodable Frame Rate
BAB II
DASAR TEORI
2.1
Sistem Transmisi Video
Video dapat ditransmisikan melalui jaringan kabel ataupun wireless.
Peningkatan jumlah penggunaan transmisi video pun seiring dengan peningkatan
penggunaan teknologi jaringan wireless. Transmisi video pada jaringan wireless
membutuhkan bandwidth yang besar, sehingga video yang akan ditransmisikan
perlu dikompresi dan dikodekan agar dapat menghemat penggunaan bandwidth.
2.1.1
Kompresi Video
Video adalah kumpulan dari gambar – gambar yang berurutan. Apabila
data urutan gambar ini langsung ditransmisikan akan membutuhkan bandwidth
yang besar dan waktu transmisi yang lebih lama. Kompresi diperlukan pada
transmisi video agar proses transmisi menjadi lebih cepat dan menggunakan
bandwidth yang lebih kecil. Kompresi video diperoleh dengan memanfaatkan
kesamaan atau perulangan (redundancy) yang ada dalam sebuah sinyal video.
Sebagai contoh, frame berturut – turut di urutan video menunjukkan redundancy
karena biasanya berisi objek yang sama, mungkin hanya terjadi beberapa gerakan
antara frame [2].
Dalam satu frame terdapat spatial redundancy, yaitu antar pixel yang
berhubungan. Sebuah urutan video terdiri dari urutan frame video atau gambar.
Setiap frame dapat dikodekan sebagai gambar yang terpisah, misalnya dengan
pengkodean JPEG untuk setiap frame. Namun biasanya urutan frame video sangat
6
Universitas Sumatera Utara
mirip sehingga kompresi dapat lebih tinggi dengan memanfaatkan kesamaan antar
frame [2].
Moving Picture Expert Group (MPEG) dibentuk oleh ISO pada tahun
1988 bertujuan mengembangkan standar untuk mengompresi gambar bergerak
(video) dan audio terkait pada media penyimpanan digital, standar yang
dihasilkan ini dikenal sebagai MPEG-1. Tahap kedua dari pengembangan ini,
dikenal sebagai MPEG-2 yang merupakan perpanjangan dari MPEG-1
dikembangkan untuk aplikasi televisi digital dan untuk bit rate yang lebih tinggi.
Standar ketiga disebut MPEG-3, awalnya dikembangkan untuk aplikasi bit rate
yang lebih tinggi seperti HDTV, tetapi kenyataannya bahwa aplikasi tersebut bisa
juga ditangani oleh konteks MPEG-2, maka tujuan pengembangan tersebut
dicakup dalam MPEG-2, akibatnya tidak ada standar MPEG-3.
Saat ini, standar sebagian video televisi digital dan HDTV untuk sebagian
besar wilayah Amerika Utara, Eropa dan Asia didasarkan pada MPEG-2. Tahap
ketiga dari pengembangan ini dikenal sebagai MPEG-4, dirancang untuk
memberikan efisiensi kompresi dan ketahanan terhadap kesalahan ditingkatkan
[2]. Selain kode MPEG terdapat berbagai jenis kode lain yang tidak dibahas
dalam Tugas Akhir ini.
2.1.2
Struktur Video
Frame video berturut – turut biasanya mengandung citra yang sama,
namun mungkin di lokasi spatial yang berbeda karena gerak. Oleh karena itu,
untuk meningkatkan prediktabilitas yang penting untuk memperkirakan gerakan
7
Universitas Sumatera Utara
yang terjadi antar frame dan kemudian membentuk prediksi yang tepat
mengompensasi sebuah gerakan video [2].
Terdapat tiga jenis umum frame yang terdapat pada video, yaitu frame I,
frame P dan frame B. Frame MPEG I (Intra-coded) frame dikodekan secara
independen dan diterjemahkan dengan sendirinya. Frame MPEG P (Predictivecoded) dikodekan berdasarkan prediksi hasil frame I atau frame P sebelumnya
dalam urutan video. Frame MPEG B (Bi-directionally predictive coded)
dikodekan berdasarkan prediksi dari frame sebelum dan sesudah frame I atau P
[1].
Secara umum, urutan seluruh video dapat diuraikan menjadi unit – unit
yang lebih kecil, kemudian dikodekan secara bersamaan, ini disebut sebagai GOP
(Group of Picture). Gambar 2.1 menunjukkan sebuah contoh GOP. Pola GOP
ditandai oleh dua parameter yaitu, G (N, M); N adalah jarak dari frame I ke frame
I berikutnya, sedangkan M adalah jarak dari frame P ke frame I. GOP terdiri dari
satu frame I, tiga frame P, dan delapan frame B, sehingga disebut G (12, 3).
Frame I kedua ditandai sebagai awal untuk GOP berikutnya. Kemudian tanda
panah menunjukkan bahwa frame B dan frame P dikodekan berdasarkan pada
sebelum atau sesudah frame I atau frame P [1].
Gambar 2.1 MPEG Group of Picture [1]
8
Universitas Sumatera Utara
2.1.3
Codec FFMPEG
Fast Forward MPEG (FFMPEG) merupakan proyek yang berasal dari
grup video standar MPEG.
FFMPEG adalah program komputer yang dapat
merekam, mengonversikan dan streaming audio dan video digital dalam berbagai
format. FFMPEG merupakan aplikasi command line yang terdiri dari kumpulan
library perangkat open source. Termasuk libavcodec, library untuk audio codec
atau video codec yang digunakan oleh beberapa proyek lain, dan libavformat,
library untuk audio atau video mux kontainer dan demux kontainer.
2.2
Model Decodable Frame Rate
Ketika ditransmisikan ke jaringan frame video dibagi menjadi beberapa
paket kecil sesuai dengan ukuran paket maksimum dari jaringan. Sebuah frame
video dianggap sebagai sebuah frame yang decodable jika sebagian besar dari
paket yang dituju mampu membentuk frame yang diterima [3].
Decodable Frame Rate adalah model perhitungan yang digunakan untuk
mengevaluasi kualitas video [1]. Semakin besar nilai decodable, maka semakin
baik pula kualitas video yang diterima pada sisi end user [4]. Nilai decodable
didefinisikan sebagai pembagian dari Decodable Frame Rate, dimana jumlah dari
decodable frame dibagi dengan total jumlah dari frame dikirim oleh video sumber
secara matematis dituliskan pada Persamaan 1, dimana
dari
dan
adalah penjumlahan
[1].
(1)
9
Universitas Sumatera Utara
Sebuah frame dianggap decodable ketika semua data di setiap frame
diterima. Namun, frame hanya dianggap decodable jika, dan hanya jika, semua
frame di atasnya juga dapat decodable. Dalam kasus
terburuk, GOP tidak
dianggap decodable karena ada kesalahan pada frame I, karena semua frame lain
dalam GOP tergantung langsung atau tidak langsung terhadap frame I [1].
Parameter Decodable Frame Rate yang ditunjukkan pada Tabel 1
diperoleh berdasarkan struktur GOP MPEG pada Gambar 2.1.
Tabel 2.1 Notasi Parameter Decodable Frame Rate
Total jumlah dari masing-masing jenis frame.
Jumlah dari frame decodable pada setiap jenis.
Total jumlah dari decodable frame pada sebuah aliran
video.
Total jumlah dari GOP pada sebuah aliran video.
Jumlah rata – rata paket untuk data yang dikirimkan
dari masing-masing jenis frame
Packet loss rate
2.2.1
Jumlah dari Decodable Frame I yang Diharapkan (
)
Dalam sebuah GOP, frame I berhasil didekodekan hanya jika semua paket
frame I dikirim dan diterima dalam keadaan utuh atau tidak ada data yang hilang
[4]. Oleh karena itu, probabilitas bahwa decodable frame I berhasil adalah:
(2)
Sehingga, jumlah dari decodable frame I yang diharapkan untuk seluruh
video adalah [4]:
(3)
10
Universitas Sumatera Utara
2.2.2
Jumlah dari Decodable Frame P yang Diharapkan
Dalam sebuah GOP, decodable frame P berhasil hanya jika frame P atau I
sebelumnya juga decodable dan semua paket yang termasuk frame P yang
decodable. Dalam GOP , terdapat
frame P, dan probabilitas dari frame P yang
decodable adalah:
(4)
(5)
(6)
Dengan demikian, jumlah dari decodable frame P yang diharapkan untuk
seluruh video adalah:
∑
2.3
(7)
Jaringan Wireless
Teknologi wireless telah membantu untuk menyederhanakan jaringan
dengan memungkinkan beberapa pengguna komputer untuk secara bersamaan
berbagi sumber daya tanpa tambahan atau penggunaan kabel. Sumber daya ini
mungkin termasuk koneksi internet, jaringan printer, file data, dan bahkan
streaming audio dan video [5].
2.3.1
Jaringan 802.11
Wireless Fidelity (Wi-Fi) sebagai merk dagang dari aliansi Wi-Fi menjadi
teknologi nirkabel yang paling banyak digunakan pada saat ini. Secara teknis
11
Universitas Sumatera Utara
WiFi mengacu pada standar komunikasi IEEE (Institute of Electrical and
Electronic Engineers) yang dikenal dengan IEEE 802.11 untuk Wireless Local
Area Networks (WLAN) [6]. IEEE merilis spesifikasi 802.11 pada Juni 1999.
Spesifikasi awal dikenal sebagai 802.11, menggunakan frekuensi 2,4 GHz dan
didukung data rate maksimum 1 sampai 2 Mbps. Pada akhir 1999, dua spesifikasi
baru dirilis, 802.11b (dikenal sebagai Wi-Fi) dengan peningkatan kinerja hingga
11 Mbps pada frekuensi 2,4 GHz sedangkan 802.11a dengan frekuensi 5 GHz
mampu mencapai 54 Mbps [7].
2.3.2
Mode Infrastruktur
Pada mode infrastruktur, seperti yang terlihat pada Gambar 2.2, semua
perangkat nirkabel, mobile dan komputer terhubung ke sebuah access point yang
menyediakan koneksi dari frekuensi radio nirkabel ke jaringan LAN. Access point
melakukan konversi dari standar 802.11 ke standar 802.3 Ethernnet LAN. Data
dari jaringan kabel LAN dikonversikan oleh Access point menjadi sinyal radio
dan ditransmisikan keluar lingkungan. Semua client nirkabel dan perangkat dalam
jangkauan dapat menerima data tersebut [8].
LAN
Access
Point
Access
Point
Laptop
Laptop
Gambar 2.2 Mode Infrastruktur
12
Universitas Sumatera Utara
2.3.3
Mode Ad-Hoc
Pada mode Ad-hoc, semua komputer terhubung secara langsung
menggunakan gelombang radio tanpa melalui Access Point. Pada Gambar 2.3
menunjukkan jaringan komputer berkomunikasi secara langsung dengan
komputer lainnya. Jaringan dengan mode Ad-Hoc dapat digunakan dimana saja,
hal ini berguna dalam situasi yang menuntut pengaturan jaringan cepat pada
daerah– daerah yang tidak memiliki infrastruktur jaringan lainnya [8].
Laptop
Laptop
Gambar 2.3 Mode Ad-hoc
13
Universitas Sumatera Utara
DASAR TEORI
2.1
Sistem Transmisi Video
Video dapat ditransmisikan melalui jaringan kabel ataupun wireless.
Peningkatan jumlah penggunaan transmisi video pun seiring dengan peningkatan
penggunaan teknologi jaringan wireless. Transmisi video pada jaringan wireless
membutuhkan bandwidth yang besar, sehingga video yang akan ditransmisikan
perlu dikompresi dan dikodekan agar dapat menghemat penggunaan bandwidth.
2.1.1
Kompresi Video
Video adalah kumpulan dari gambar – gambar yang berurutan. Apabila
data urutan gambar ini langsung ditransmisikan akan membutuhkan bandwidth
yang besar dan waktu transmisi yang lebih lama. Kompresi diperlukan pada
transmisi video agar proses transmisi menjadi lebih cepat dan menggunakan
bandwidth yang lebih kecil. Kompresi video diperoleh dengan memanfaatkan
kesamaan atau perulangan (redundancy) yang ada dalam sebuah sinyal video.
Sebagai contoh, frame berturut – turut di urutan video menunjukkan redundancy
karena biasanya berisi objek yang sama, mungkin hanya terjadi beberapa gerakan
antara frame [2].
Dalam satu frame terdapat spatial redundancy, yaitu antar pixel yang
berhubungan. Sebuah urutan video terdiri dari urutan frame video atau gambar.
Setiap frame dapat dikodekan sebagai gambar yang terpisah, misalnya dengan
pengkodean JPEG untuk setiap frame. Namun biasanya urutan frame video sangat
6
Universitas Sumatera Utara
mirip sehingga kompresi dapat lebih tinggi dengan memanfaatkan kesamaan antar
frame [2].
Moving Picture Expert Group (MPEG) dibentuk oleh ISO pada tahun
1988 bertujuan mengembangkan standar untuk mengompresi gambar bergerak
(video) dan audio terkait pada media penyimpanan digital, standar yang
dihasilkan ini dikenal sebagai MPEG-1. Tahap kedua dari pengembangan ini,
dikenal sebagai MPEG-2 yang merupakan perpanjangan dari MPEG-1
dikembangkan untuk aplikasi televisi digital dan untuk bit rate yang lebih tinggi.
Standar ketiga disebut MPEG-3, awalnya dikembangkan untuk aplikasi bit rate
yang lebih tinggi seperti HDTV, tetapi kenyataannya bahwa aplikasi tersebut bisa
juga ditangani oleh konteks MPEG-2, maka tujuan pengembangan tersebut
dicakup dalam MPEG-2, akibatnya tidak ada standar MPEG-3.
Saat ini, standar sebagian video televisi digital dan HDTV untuk sebagian
besar wilayah Amerika Utara, Eropa dan Asia didasarkan pada MPEG-2. Tahap
ketiga dari pengembangan ini dikenal sebagai MPEG-4, dirancang untuk
memberikan efisiensi kompresi dan ketahanan terhadap kesalahan ditingkatkan
[2]. Selain kode MPEG terdapat berbagai jenis kode lain yang tidak dibahas
dalam Tugas Akhir ini.
2.1.2
Struktur Video
Frame video berturut – turut biasanya mengandung citra yang sama,
namun mungkin di lokasi spatial yang berbeda karena gerak. Oleh karena itu,
untuk meningkatkan prediktabilitas yang penting untuk memperkirakan gerakan
7
Universitas Sumatera Utara
yang terjadi antar frame dan kemudian membentuk prediksi yang tepat
mengompensasi sebuah gerakan video [2].
Terdapat tiga jenis umum frame yang terdapat pada video, yaitu frame I,
frame P dan frame B. Frame MPEG I (Intra-coded) frame dikodekan secara
independen dan diterjemahkan dengan sendirinya. Frame MPEG P (Predictivecoded) dikodekan berdasarkan prediksi hasil frame I atau frame P sebelumnya
dalam urutan video. Frame MPEG B (Bi-directionally predictive coded)
dikodekan berdasarkan prediksi dari frame sebelum dan sesudah frame I atau P
[1].
Secara umum, urutan seluruh video dapat diuraikan menjadi unit – unit
yang lebih kecil, kemudian dikodekan secara bersamaan, ini disebut sebagai GOP
(Group of Picture). Gambar 2.1 menunjukkan sebuah contoh GOP. Pola GOP
ditandai oleh dua parameter yaitu, G (N, M); N adalah jarak dari frame I ke frame
I berikutnya, sedangkan M adalah jarak dari frame P ke frame I. GOP terdiri dari
satu frame I, tiga frame P, dan delapan frame B, sehingga disebut G (12, 3).
Frame I kedua ditandai sebagai awal untuk GOP berikutnya. Kemudian tanda
panah menunjukkan bahwa frame B dan frame P dikodekan berdasarkan pada
sebelum atau sesudah frame I atau frame P [1].
Gambar 2.1 MPEG Group of Picture [1]
8
Universitas Sumatera Utara
2.1.3
Codec FFMPEG
Fast Forward MPEG (FFMPEG) merupakan proyek yang berasal dari
grup video standar MPEG.
FFMPEG adalah program komputer yang dapat
merekam, mengonversikan dan streaming audio dan video digital dalam berbagai
format. FFMPEG merupakan aplikasi command line yang terdiri dari kumpulan
library perangkat open source. Termasuk libavcodec, library untuk audio codec
atau video codec yang digunakan oleh beberapa proyek lain, dan libavformat,
library untuk audio atau video mux kontainer dan demux kontainer.
2.2
Model Decodable Frame Rate
Ketika ditransmisikan ke jaringan frame video dibagi menjadi beberapa
paket kecil sesuai dengan ukuran paket maksimum dari jaringan. Sebuah frame
video dianggap sebagai sebuah frame yang decodable jika sebagian besar dari
paket yang dituju mampu membentuk frame yang diterima [3].
Decodable Frame Rate adalah model perhitungan yang digunakan untuk
mengevaluasi kualitas video [1]. Semakin besar nilai decodable, maka semakin
baik pula kualitas video yang diterima pada sisi end user [4]. Nilai decodable
didefinisikan sebagai pembagian dari Decodable Frame Rate, dimana jumlah dari
decodable frame dibagi dengan total jumlah dari frame dikirim oleh video sumber
secara matematis dituliskan pada Persamaan 1, dimana
dari
dan
adalah penjumlahan
[1].
(1)
9
Universitas Sumatera Utara
Sebuah frame dianggap decodable ketika semua data di setiap frame
diterima. Namun, frame hanya dianggap decodable jika, dan hanya jika, semua
frame di atasnya juga dapat decodable. Dalam kasus
terburuk, GOP tidak
dianggap decodable karena ada kesalahan pada frame I, karena semua frame lain
dalam GOP tergantung langsung atau tidak langsung terhadap frame I [1].
Parameter Decodable Frame Rate yang ditunjukkan pada Tabel 1
diperoleh berdasarkan struktur GOP MPEG pada Gambar 2.1.
Tabel 2.1 Notasi Parameter Decodable Frame Rate
Total jumlah dari masing-masing jenis frame.
Jumlah dari frame decodable pada setiap jenis.
Total jumlah dari decodable frame pada sebuah aliran
video.
Total jumlah dari GOP pada sebuah aliran video.
Jumlah rata – rata paket untuk data yang dikirimkan
dari masing-masing jenis frame
Packet loss rate
2.2.1
Jumlah dari Decodable Frame I yang Diharapkan (
)
Dalam sebuah GOP, frame I berhasil didekodekan hanya jika semua paket
frame I dikirim dan diterima dalam keadaan utuh atau tidak ada data yang hilang
[4]. Oleh karena itu, probabilitas bahwa decodable frame I berhasil adalah:
(2)
Sehingga, jumlah dari decodable frame I yang diharapkan untuk seluruh
video adalah [4]:
(3)
10
Universitas Sumatera Utara
2.2.2
Jumlah dari Decodable Frame P yang Diharapkan
Dalam sebuah GOP, decodable frame P berhasil hanya jika frame P atau I
sebelumnya juga decodable dan semua paket yang termasuk frame P yang
decodable. Dalam GOP , terdapat
frame P, dan probabilitas dari frame P yang
decodable adalah:
(4)
(5)
(6)
Dengan demikian, jumlah dari decodable frame P yang diharapkan untuk
seluruh video adalah:
∑
2.3
(7)
Jaringan Wireless
Teknologi wireless telah membantu untuk menyederhanakan jaringan
dengan memungkinkan beberapa pengguna komputer untuk secara bersamaan
berbagi sumber daya tanpa tambahan atau penggunaan kabel. Sumber daya ini
mungkin termasuk koneksi internet, jaringan printer, file data, dan bahkan
streaming audio dan video [5].
2.3.1
Jaringan 802.11
Wireless Fidelity (Wi-Fi) sebagai merk dagang dari aliansi Wi-Fi menjadi
teknologi nirkabel yang paling banyak digunakan pada saat ini. Secara teknis
11
Universitas Sumatera Utara
WiFi mengacu pada standar komunikasi IEEE (Institute of Electrical and
Electronic Engineers) yang dikenal dengan IEEE 802.11 untuk Wireless Local
Area Networks (WLAN) [6]. IEEE merilis spesifikasi 802.11 pada Juni 1999.
Spesifikasi awal dikenal sebagai 802.11, menggunakan frekuensi 2,4 GHz dan
didukung data rate maksimum 1 sampai 2 Mbps. Pada akhir 1999, dua spesifikasi
baru dirilis, 802.11b (dikenal sebagai Wi-Fi) dengan peningkatan kinerja hingga
11 Mbps pada frekuensi 2,4 GHz sedangkan 802.11a dengan frekuensi 5 GHz
mampu mencapai 54 Mbps [7].
2.3.2
Mode Infrastruktur
Pada mode infrastruktur, seperti yang terlihat pada Gambar 2.2, semua
perangkat nirkabel, mobile dan komputer terhubung ke sebuah access point yang
menyediakan koneksi dari frekuensi radio nirkabel ke jaringan LAN. Access point
melakukan konversi dari standar 802.11 ke standar 802.3 Ethernnet LAN. Data
dari jaringan kabel LAN dikonversikan oleh Access point menjadi sinyal radio
dan ditransmisikan keluar lingkungan. Semua client nirkabel dan perangkat dalam
jangkauan dapat menerima data tersebut [8].
LAN
Access
Point
Access
Point
Laptop
Laptop
Gambar 2.2 Mode Infrastruktur
12
Universitas Sumatera Utara
2.3.3
Mode Ad-Hoc
Pada mode Ad-hoc, semua komputer terhubung secara langsung
menggunakan gelombang radio tanpa melalui Access Point. Pada Gambar 2.3
menunjukkan jaringan komputer berkomunikasi secara langsung dengan
komputer lainnya. Jaringan dengan mode Ad-Hoc dapat digunakan dimana saja,
hal ini berguna dalam situasi yang menuntut pengaturan jaringan cepat pada
daerah– daerah yang tidak memiliki infrastruktur jaringan lainnya [8].
Laptop
Laptop
Gambar 2.3 Mode Ad-hoc
13
Universitas Sumatera Utara