Quality of experience driven video encoding adaptation strategies for cloud gaming under network constraints

doctoral thesis

• Title (croatian): Strategije prilagodbe videokodiranja usmjerene poboljšavanju iskustvene kvalitete za igre zasnovane na računalnom oblaku uslijed ograničenja mreže
• Author: Ivan Slivar
• Mentor: Lea Skorin-Kapov (mentor)
• Committee member: Lea Skorin-Kapov (član povjerenstva)
• Granter: University of Zagreb; Faculty of Electrical Engineering and Computing; (Department of Telecommunications); Zagreb
• Defense date and country: 2021, Croatia
• Scientific / art field, discipline and subdiscipline: TECHNICAL SCIENCES; Computing
• Universal decimal classification (UDC): 004 - Computer science and technology. Computing. Data processing

Abstract

Cloud gaming has been recognized as a promising shift in the online game industry, with the aim of implementing the ``on demand`` service concept that has achieved market success in other areas of digital entertainment such as movies and TV shows. The concepts of cloud computing are leveraged to render the game scene as a video stream which is then delivered to players in real-time. The main advantage of this approach is the capability of delivering high-quality graphics games to any type of end user device, however at the cost of high bandwidth consumption and strict latency requirements. A key challenge faced by cloud game providers lies in configuring the video encoding parameters so as to maximize player Quality of Experience (QoE) while meeting bandwidth availability constraints. The main research challenge addressed in the scope of this thesis is how to configure these parameters to meet network resource constraints while maximizing QoE, and how to categorize games for the purpose of assigning appropriate video encoding adaptation strategies. In this thesis, we present the results of six conducted empirical user studies that investigated the impact of network and video encoding parameters on user's QoE for cloud gaming. Nine different games were tested during experiments, and the collected data about overall QoE was then used as an input for QoE modeling for six of the tested games based on manipulated parameters. Furthermore, the result indicated that the same video codec configuration could be utilized for different games under low network bandwidth availability. Besides subjective studies, we gathered a large number of video gameplay traces and collected player actions from 25 different games. Based on a cluster analysis of obtained data, we propose a novel game categorization based on objective video metrics and gameplay characteristics that groups games into three game categories. The proposed categorization is then utilized for assigning appropriate video encoding adaptation strategies, proposed based on collected empirical data during subjective studies, for derived game categories. The proposed video encoding adaptation strategies are evaluated in a case study of QoE-aware resource allocation for multiple cloud gaming users sharing a bottleneck link. The results have shown that the algorithms utilizing proposed video encoding adaptation strategies achieve higher average MOS scores compared to a baseline algorithm that allocates the same amount of resources to all active players.

Abstract (croatian)

Igre zasnovane na računalnom oblaku (engl. cloud gaming) su prepoznate kao obećavajući novi trend u industriji mrežnih igara, implementirajući koncept usluge na zahtjev (engl. on demand) koji je postigao tržišni uspjeh u drugim područjima digitalne zabave, poput filmova i TV emisija. Tehnologija računarstva u oblaku je iskorištena kako bi se iscrtana scena igre u obliku video strujanja dostavila do krajnjeg korisnika u stvarnom vremenu. Glavna prednost ovog pristupa je mogućnost igranja grafički visokokvalitetnih igara na bilo kojoj vrsti uređaja, što rezultira visokim zauzećem širine propusnog pojasa mreže i strogim zahtjevima za niskim mrežnim kašnjenjem. Ključni izazov s kojim su suočeni davatelji usluga igara zasnovanih na računalnom oblaku je prilagodba parametara videokodiranja kako bi se maksimizirala korisnikova iskustvena kvaliteta (engl. Quality of Experience, QoE), poštujući ograničenja širine propusnog pojasa mreže. Glavni istraživački izazov koji je istražen u okviru ovog doktorskog rada jest kako prilagoditi ove parametre, a da se pritom maksimizira iskustvena kvaliteta i zadovolje ograničenja mrežnih resursa, te kako kategorizirati igre u svrhu dodjeljivanja odgovarajuće strategije prilagodbe videokodiranja. U ovom radu predstavljeni su rezultati šest empirijskih korisničkih studija koje su istraživale utjecaj parametara mreže i videokodiranja na korisničku iskustvenu kvalitetu za igre zasnovane na računalnom oblaku. Devet različitih igara bilo je testirano tijekom eksperimenata, te su prikupljeni podaci o sveukupnom QoE-ju korišteni za dobivanje modela za procjenu QoE-ja za šest testnih igara. Rezultati su pokazali da se ista konfiguracija video kodeka može koristiti za igre iz različitih žanrova igara tijekom ograničenja širine propusnog pojasa mreže. Pored subjektivnih studija, prikupljen je velik broj video zapisa igranja te pripadajućih igračevih akcija za 25 različitih igara. Na temelju provedene klaster analize dobivenih podataka (engl. cluster analysis), predložena je nova kategorizacija igara zasnovana na objektivnim video metrikama i karakteristikama igranja koja grupira igre u tri kategorije. Predložena kategorizacija igara je s prethodno prikupljenim empirijskim podacima korištena pri odabiru pripadajuće strategije prilagodbe videokodiranja za dobivene kategorije igara. Predložene strategije prilagodbe videokodiranja su evaluirane u studijskom slučaju dodjeljivanja resursa, koje je vođeno iskustvenom kvalitetom, korisnicima usluge igara zasnovanih na računalnom oblaku koji dijele mrežnu vezu. Rezultati su pokazali da algoritmi koji koriste predložene strategije prilagodbe videokodiranja ostvaruju veće prosječne MOS rezultate u usporedbi s osnovnim algoritmom (engl. base algorithm) koji dodjeljuje istu količinu resursa svim aktivnim igračima.

• Keywords: cloud gaming; Quality of Experience; QoE estimation; clustering; video encoding adaptation strategies
• Keywords (croatian): igre zasnovane na računalnom oblaku; iskustvena kvaliteta; predviđanje iskustvene kvalitete; grupiranje; strategije prilagodbe videokodiranja
• Language: english
• URN:NBN: urn:nbn:hr:168:823938
• Study programme: Title: Computer Science; Study programme type: university; Study level: postgraduate; Academic / professional title: Doktor znanosti (Doktor znanosti)
• Catalog URL: http://lib.fer.hr/cgi-bin/koha/opac-detail.pl?biblionumber=52327
• Type of resource: Text
• Extent: xviii, 185 str.
• File origin: Born digital
• Access conditions: Open access
• Created on: 2022-03-09 14:13:34