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I INTRODUCTION : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 1

A. Problem Statement 1

B. Objective and Approach . 2

C. Main Contributions 3

D. Dissertation Overview 5

II SCALABLE VIDEO CODING : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 7

A. Video Compression Standards 7

B. Basics in Video Coding 10

1. Compression . 11

2. Quantization and Binary Coding 12

C. Motion Compensation 16

D. Scalable Video Coding 20

1. Coarse Granular Scalability . 21

a. Spatial Scalability 21

b. Temporal Scalability 22

c. SNR/Quality Scalability 23

2. Fine Granular Scalability 23

III RATE-DISTORTION ANALYSIS FOR SCALABLE CODERS : 25

A. Motivation . 26

B. Preliminaries . 28

1. Brief R-D Analysis for MCP Coders 28

2. Brief R-D Analysis for Scalable Coders . 30

C. Source Analysis and Modeling 31

1. Related Work on Source Statistics . 32

2. Proposed Model for Source Distribution 34

D. Related Work on Rate-Distortion Modeling . 36

1. R-D Functions of MCP Coders . 36

2. Related Work on R-D Modeling 40

3. Current Problems 42

E. Distortion Analysis and Modeling 45

1. Distortion Model Based on Approximation Theory 45

a. Approximation Theory . 46

b. The Derivation of Distortion Function 47

2. Distortion Modeling Based on Coding Process . 50

F. Rate Analysis and Modeling . 54

1. Preliminaries . 54

2. Markov Model 56

G. A Novel Operational R-D Model . 61

1. Experimental Results 65

H. Square-Root R-D Model . 66

1. Simple Quality (PSNR) Model . 67

2. Simple Bitrate Model 69

3. SQRT Model . 72

IV QUALITY CONTROL FOR VIDEO STREAMING : : : : : : : 76

A. Related Work . 76

1. Congestion Control . 76

a. End-to-End vs. Router-Supported . 77

b. Window-Based vs. Rate-Based 78

2. Error Control . 78

a. Forward Error Correction (FEC) . 79

b. Retransmission . 80

c. Error Resilient Coding . 80

d. Error Concealment . 85

B. Quality Control in Internet Streaming 85

1. Motivation 86

2. Kelly Controls 88

3. Quality Control in CBR Channel 92

4. Quality Control in VBR Networks . 94

5. Related Error Control Mechanism . 98

V TRAFFIC MODELING : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 100

A. Related Work on VBR Tra±c Modeling . 102

1. Single Layer Video Tra±c 102

a. Autoregressive (AR) Models 102

b. Markov-modulated Models . 104

c. Models Based on Self-similar Process . 104

d. Other Models 105

2. Scalable Video Tra±c 106

B. Modeling I-Frame Sizes in Single-Layer Tra±c . 107

1. Wavelet Models and Preliminaries . 107

2. Generating Synthetic I-Frame Sizes 110

C. Modeling P/B-Frame Sizes in Single-layer Tra±c . 114

1. Intra-GOP Correlation . 115

2. Modeling P and B-Frame Sizes . 117

D. Modeling the Enhancement Layer 121

1. Analysis of the Enhancement Layer 123

2. Modeling I-Frame Sizes . 126

3. Modeling P and B-Frame Sizes . 127

E. Model Accuracy Evaluation . 129

1. Single-layer and the Base Layer Tra±c . 132

2. The Enhancement Layer Tra±c . 133

VI CONCLUSION AND FUTURE WORK : : : : : : : : : : : : : : 137

A. Conclusion . 137

B. Future Work 139

1. Supplying Peers Cooperation System 140

2. Scalable Rate Control System 141

REFERENCES : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 142

VITA : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 15