스마트 홈 미디어 서비스를 위한 엣지 컴퓨팅 기반 16K급 360 VR 분할 영상 스트리밍에 관한 연구 :A study on the 16K 360 VR tiled video streaming based on edge computing for smart home media service

김현욱

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자료유형: 학위논문

저자정보: 김현욱 (광운대학교, 광운대학교 대학원)

지도교수: 양성현

발행연도: 2019

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이 논문의 연구 히스토리 (2)

2019

스마트 홈 미디어 서비스를 위한 엣지 컴퓨팅 기반 16K급 360 VR 분할 영상 스트리밍에 관한 연구

김현욱 전자공학과 2019.01 학위논문

방송 케이블 망 기반 고품질 360 VR 분할 영상 엣지 스트리밍에 관한 연구

김현욱 , 양진욱 , 윤상필 외 2명 한국융합학회논문지 2019.01 학술저널

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최근 스마트 홈 미디어 서비스인 IPTV(Internet Protocol Television)를 통해 스포츠 생중계, 홈쇼핑, 게임 등을 가상현실(VR, Virtual Reality)으로 제공하는 서비스가 출시되고 있다. 또한 5G가 상용화됨에 따라 360 VR IPTV 서비스가
주목 받고 있다[1]. 현재 상용화 된 360 VR IPTV 영상 서비스의 경우 4K(좌/우 2K)급 영상으로 실제로 HMD(Head Mount Display)상에서는 480P 정도의 화질로 보이기 때문에 사용자의 만족도가 높지 않다. 최근에는 5G를 사용하여
HMD에서 720P 정도로 볼 수 있는 8K 3D(7680x2160) 360 VR 영상 스트리밍을 시도하고 있지만, 이 역시 사용자가 고품질로 느끼기에는 부족한 해상도이다[2, 3]. 360 VR 영상 서비스에서 사람이 고품질로 인식하기 위해서는 전체 해상도가
12K ~ 16K 정도인 360 VR 영상을 스트리밍 해야 한다[4]. 이를 위해서는 하드웨어 디코더에서 지원하는 최대 해상도가 8K 정도로 제한적인 부분과, 영상이 디스플레이 되는 영역(Viewport)이 변경됨에 따른 영상 변경 지연 시간 (Switching Delay) 문제가 해결되어야 한다. 이를 위해 스마트 홈 환경에서 IPTV 셋톱박스를 엣지 스트리밍 서버(Edge Streaming Server)로 사용하여 16K 360 VR 영상을 스트리밍 할 수 있는 디스플레이 영역 기반의 Simulcast 렌더링(Rendering) 기법과 MPEG DASH(Dynamic Adaptive Streaming over HTTP) SRD(Spatial Relationship Description)[5]를 확장한 분할 영상 기반 Simulcast 스트리밍 프로토콜을 제안 한다. 제안한 Simulcast 렌더링 기법을 적용한 플레이어와 스트리밍 프로토콜을 적용한 엣지 스트리밍 서버를 구현하여 스마트 홈 스트리밍 서비스 환경에 적용하였다. 그리고 실험을 통해 기능을 검증하고 성능 측정을 수행하였다. 실험 결과 16K 360 VR 스트리밍을 위해 필요한 네트워크 대역폭은 100mbps 미만으로 측정되었다. 디스플레이 영역 변경에 따른 고해상도 분할 영상 타일의 전환 지연 시간은 602.57ms 이하로 측정되었다. 기존 MPEG DASH SRD 스트리밍 방식과 성능 비교 결과 전환 지연시간은 약 15% 정도, 사용되는 네트워크 대역폭은 평균 40% 정도 개선됨을 확인하였다. 이에 제안한 Simulcast 렌더링과 스트리밍 프로토콜을 사용하여 스마트 홈 엣지 스트리밍 환경에서 100mbps미만의 네트워크 대역폭으로 602.57ms 미만의 전환 지연 시간을 갖는 16K 360 VR 영상 스트리밍 서비스를 제공할수 있음을 확인하였다.

Numerous virtual reality (VR) services such as sports broadcasting, home shopping, and games have been released recently via IPTV (Internet Protocol television), one of the smart home media services. Moreover, 360° VR IPTV services will gain more attention as 5G networks are launched[1]. However, the 360° VR IPTV video service, currently available in the market, is insufficient in satisfying customers because the actual video displayed through a head-mounted display (HMD) has low-quality pictures (appx. 480p). Although there have been some attempts to deliver 8K 3D (7680 x 2160) 360° VR video, which is visible at 720p in a HMD via 5G, they still fail to satisfy the customers [2, 3]. A minimum resolution of 12K is required for the streaming of 360° video to enable users to recognize it as high-quality video; therefore, the issues of a limited maximum resolution of the hardware decoder (only up to 8K) and the switching delay generated from the viewport change need be resolved [4]. To achieve these goals, I propose the viewport-based simulcast rendering method, which can stream 16K 360° VR video by using IPTV set-top box as an Edge Streaming Server in a smart home environment. Further, I suggest the tiled-video-based simulcast streaming protocol, which extends the MPEG Dynamic Adaptive Streaming over HTTP Spatial Relationship Description (DASH SRD) [5]. First, I construct a smart home streaming service environment by employing a media player (where the proposed simulcast rendering method is to be applied) and an Edge Streaming Server by applying the proposed streaming protocol. Then, I verify its functionality and measure the performance through an experiment. The results show that the required network bandwidth for delivering 16K 360° VR video service is below 100 Mbps and the switching delay time is below 602.57 ms. Performance measurements show 15% of improvement in transition latency compared to traditional MPEG DASH SRD. It also checks for an average 40% improvement in network bandwidth. I conclude that the proposed simulcast rendering method and the streaming protocol can sufficiently provide a 16K 360° VR video streaming service with 100 Mbps of network bandwidth and switching delay of below 602.57 ms in a smart home edge streaming environment.

1장 서 론 1
2장 관련 연구 4
2.1 MPEG DASH (Dynamic Adaptive Streaming over HTTP) 4
2.1.1 MPEG DASH 개요 4
2.1.2 MPEG DASH 기반 360 VR 분할 영상 스트리밍 10
2.2 MPEG DASH SRD(Spatial Relationship Description) 12
2.2.1 MPEG DASH SRD개요 12
2.2.2 MPEG DASH SRD 기반 360 VR 분할 영상 스트리밍 14
3장 본 론 18
3.1 Simulcast 스트리밍 프로토콜 설계 22
3.1.1 Simulcast MPD(Media Presentation Description) 설계 23
3.1.2 Simulcast Request URI(Uniform Resource Identifier) 정의 24
3.1.3 Simulcast 메시지 교환 프로토콜 설계 26
3.2 Simulcast 렌더링 알고리즘 제안 28
3.2.1 Simulcast 렌더링을 위한 플레이어 구조 설계 30
3.2.2 Simulcast 렌더링 알고리즘 설계 31
4장 실험 및 결과 43
4.1 스마트 홈 엣지 스트리밍 실험 환경 43
4.2 Simulcast 렌더링 알고리즘 검증 실험 52
4.2.1 실험 방법 52
4.2.2 실험 결과 53
4.3 16K 360 VR 분할 영상 스트리밍 네트워크 대역폭 실험 73
4.3.1 실험 방법 73
4.3.2 실험 결과 77
4.4 16K 360 VR 스트리밍 영상 전환 성능 측정 실험 83
4.4.1 실험 방법 83
4.4.2 실험 결과 85
5장 결 론 90
참고 문헌 92

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