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Sistemas de comunicaci n audiovisual

AC - UMA.

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Sistemas de comunicaci n audiovisual

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    1. Sistemas de comunicacin audiovisual Nicols Guil Mata Dpto. Arquitectura de Computadores Universidad de Mlaga La creciente tendencia a la digitalizacin de la informacin audiovisual es un fenmeno imparable que aporta grandes ventajas a la manipulacin, almacenamiento y transporte de la seal de vdeo y audio. Nuevos estndares para la codificacin de esa seal han surgido y se han asentado durante la pasada decada, tal y como MPEG-1 y MPEG-2. As por ejemplo, las plataformas digitales que emiten va satlite en nuestro pas usan MPEG-2 como medio de difusin de los canales ofertados a los abonados y la mayor parte de las televisiones optan tambin por este estndar para el transporte de la informacin que an convide con otros menos recientes como DV o MJPEG. Tambin nuevos estndares estn surgiendo, como MPEG-4. Los requerimientos computacionales de estos nuevos estndares requieren el desarrollo de nuevos procesadores y sistemas de memoria que permitan realizar en tiempo real todas las tareas involucradas en la codificacin y decodificacin. El almacenamiento y la manipulacin de la informacin audiovisual necesita, asimismo,d el diseo de sistemas con arquitecturas eficientes desde el punto de vista de almacenamiento masivo de informacin, acceso a contenidos de forma rpida (indexacin del material audiovisual) y minimizacin de requeriemintos de E/S,ya sea del subsistema de almacenamiento como del de interconexin a red. Por otro lado, la tendencia actual del mercado de televisin es la de ofrecer televisin a la carta (vdeo bajo demada). Esta oferta necesita del desarrollo, no slo de redes de interconexin ms rpidas, sino del uso de servidores de vdeo distribuido en los que el reparto de la carga ser un punto crucial para la mejora de los tiempos de respuesta. La creciente tendencia a la digitalizacin de la informacin audiovisual es un fenmeno imparable que aporta grandes ventajas a la manipulacin, almacenamiento y transporte de la seal de vdeo y audio. Nuevos estndares para la codificacin de esa seal han surgido y se han asentado durante la pasada decada, tal y como MPEG-1 y MPEG-2. As por ejemplo, las plataformas digitales que emiten va satlite en nuestro pas usan MPEG-2 como medio de difusin de los canales ofertados a los abonados y la mayor parte de las televisiones optan tambin por este estndar para el transporte de la informacin que an convide con otros menos recientes como DV o MJPEG. Tambin nuevos estndares estn surgiendo, como MPEG-4. Los requerimientos computacionales de estos nuevos estndares requieren el desarrollo de nuevos procesadores y sistemas de memoria que permitan realizar en tiempo real todas las tareas involucradas en la codificacin y decodificacin. El almacenamiento y la manipulacin de la informacin audiovisual necesita, asimismo,d el diseo de sistemas con arquitecturas eficientes desde el punto de vista de almacenamiento masivo de informacin, acceso a contenidos de forma rpida (indexacin del material audiovisual) y minimizacin de requeriemintos de E/S,ya sea del subsistema de almacenamiento como del de interconexin a red. Por otro lado, la tendencia actual del mercado de televisin es la de ofrecer televisin a la carta (vdeo bajo demada). Esta oferta necesita del desarrollo, no slo de redes de interconexin ms rpidas, sino del uso de servidores de vdeo distribuido en los que el reparto de la carga ser un punto crucial para la mejora de los tiempos de respuesta.

    2. AC - UMA ndice Arquitectura de los sistemas de informacin audiovisual. Arquitecturas para codificacin/decodificacin de vdeo. Complejidad computacional. Arquitecturas de procesamiento. Sistemas de archivos multimedia. Almacenamiento y acceso al material audiovisual. Gestin: catalogacin y consulta. Servidores de vdeo. Balanceo de la carga para Video bajo Demanda.

    3. AC - UMA Sistemas de informacin audiovisual

    4. AC - UMA Sistemas de informacin audiovisual

    5. AC - UMA Sistemas de informacin audiovisual

    6. AC - UMA Sistema de informacin audiovisual

    7. Arquitecturas para codificacin y decodificacin

    8. AC - UMA Estndares de codificacin: MPEG-1 y MPEG-2 Uso DCT por bloques y compensacin de movimiento.

    9. AC - UMA Estndares de codificacin: MPEG-4 Contenidos: objetos de vdeo, mallas 2-D y 3-D, texturas, audios, ... Necesidad de decodificacin, composicin y renderizado.

    10. AC - UMA Tareas en MPEG-4

    11. AC - UMA Requerimentos computacionales para codificacin de MPEG-4

    12. AC - UMA Requerimientos computacionales para composicin de MPEG-4

    13. AC - UMA Requerimientos computacionales para renderizado de MPEG-4

    14. AC - UMA Caractersticas de los algoritmos multimedia (1) Tareas de bajo nivel (compresin de vdeo y audio). secuencias predefinidas. alta regularidad en acceso a operaciones y datos. alto grado de paralelismo. tareas de nivel medio. incluyen decisiones dependientes de los datos. menor regularidad. tareas de alto nivel. operan con objetos complejos de tamaos variables. flujo altamente dependiente de los datos.

    15. AC - UMA Caractersticas de los algoritmos multimedia (2) Tendencia a tareas de medio y alto nivel.

    16. AC - UMA Arquitecturas multimedia: Mejoras en PPG. Paralelismo a nivel de subpalabra. Explota el paralelismo de datos en cdigos muy regulares (split-ALU). VLIW. Compilador extrae ILP. Coprocesadores. Sistema de Memoria. Stream caches. SRAM para tablas o coeficientes muy usados.

    17. AC - UMA Arquitecturas de procesamiento futuras (1) Arquitecturas programables deben mejorar su eficiencia en: tratamiento de flujos con dependencia de datos y control irregular. tareas mltiples con paralelismo potencial a bajo nivel. manejo de varios streams de datos simultneamente.

    18. AC - UMA Arquitecturas de procesamiento futuras (2) FPGA con SRAM (computacin reconfigurable). Adaptacin del hardware a algoritmos especficos en tiempo de ejecucin. Software semiflexible con altas prestaciones. Algunos resultados muestran ganancias de un orden de magnitud respecto a PPG. Prototipado: tcnicas ms interesantes pueden ser adoptadas por PPG.

    19. AC - UMA Arquitecturas de procesamiento futuras (3) Multihebra simultneo. Granularidad: superescalar (ILP) a TLP. Posibilidad de trabajar con distintos streams simultneamente. Ineficiencias de threads trabajando en configuracin data-parallel.

    20. AC - UMA Arquitecturas de procesamiento futuras (4) Control Asociativo

    21. AC - UMA Arquitecturas futuras para MPEG-4 (5) Configuraciones de Control Asociativo. Divisin de DPs y CUs en subconjuntos (clusters). Cada cluster trabajar en modo SIMD, MIMD o Asociativo. Pueden variar en run-time (Dynamic Clustering): Scheduler. Divisin del cdigo fuente en segmentos (pseudo-I).

    22. Sistemas de Archivo Multimedia

    23. AC - UMA Sistemas de archivo de vdeo Caractersticas Multiformato: MPEG, DV, M-JPEG, AVI, ... Almacenamiento masivo. 1 hora MPEG-2 a 12 Mbits/seg -> 5.6 Gbytes. Indexacin eficiente. Bajo nivel: acceso directo -> indexacin temporal. Alto nivel: Descriptores -> Metadatos.

    24. AC - UMA Jerarqua sistema de archivo de vdeo

    25. AC - UMA Catalogacin Catalogacin manual vs. automtica. Tipos de metadatos. Metadatos tcnicos. Formato vdeo, audio, duracin, fecha, ... Metadatos generales. ndice visual, color, textura, forma, ... Metadatos especficos o semnticos. Eventos dependientes de la aplicacin. El parlamentario X comienza su intervencin, la clula Y se divide, esta escena de la pelcula es un dilogo, ... Descriptores MPEG-7.

    26. AC - UMA Herramientas de catalogacin Manual y automtica (o semiautomtica). Automtica.

    27. AC - UMA Herramientas de catalogacin (1) ndices visuales. Resumen de lo que acontece en un vdeo. Basado en la deteccin de efectos: cortes, transiciones graduales.

    28. AC - UMA Herramientas de catalogacin (2) Formas, Textura y color. Seguimiento de objetos.

    29. AC - UMA Herramientas de catalogacin (3) Eventos: persona aparece en el pasillo

    30. AC - UMA Herramientas de catalogacin (4) Eventos: clula girando, trayectoria

    31. AC - UMA Organizacin de la base de datos

    32. AC - UMA Almacenamiento de material audiovisual (1) Necesidad de almacenamiento masivo: Robots de cintas, CD/DVD JukeBoxes, ...

    33. AC - UMA Almacenamiento de material audiovisual (2) Cuellos de botella: E/S: Peticiones mltiples y simultneas. Red de interconexin.

    34. AC - UMA Escalabilidad. Extensin del concepto de memoria virtual (AST). Transferencia slo de los trozos requeridos. Acceso transparentes a las aplicaciones: gestin de fallos -> polticas de carga, reemplazo y ubicacin. Tamao fijo de pginas, chunks, en almacenamiento terciario.

    35. AC - UMA Localidad temporal 80.000 horas de vdeo durante un ao. 9 canales x 24 horas diarias.

    36. AC - UMA Lectura en AST

    37. AC - UMA Tablas de traduccin de AST: lectura sin fallo.

    38. AC - UMA Escritura en AST

    39. AC - UMA Carga por demanda en AST Equivalencia operaciones de lectura/escritura.

    40. AC - UMA Poltica de borrado de AST Borrado. No se pueden gestionar espacios vacios. Borrar cintas completas. Posibilidad de marcar cintas como semiborradas.

    41. AC - UMA Comparativa acceso a cinta de AST

    42. Emisin: Vdeo bajo demanda

    43. AC - UMA Video on Demand (VoD) Broadcast (No-VoD): usuario sin control. Pay-per-View (PPV): Usuario escoge canal. Quasi Video-on-Demand (Q-VoD): usuarios agrupados basados en umbrales de interes. Control temporal conmutando entre grupos. Near Video-on-Demand (N-VoD): Simulacin forward and backward en intervalos de tiempo discretos (del orden de cinco minutos). Mltiples canales con la misma programacin desplazada en el tiempo. True Video-on-Demand (T-VoD): VCR virtual.

    44. AC - UMA Arquitectura de un sistema VoD

    45. AC - UMA Modelo sistemas de VoD Vdeos residen en los servidores. Red ATM permite intercambio de material y reparto de la carga. Peticiones de streaming desde los clientes.

    46. AC - UMA Modelo de sistemas de VoD

    47. AC - UMA Rendimiento de Sistemas de VoD Objetivo: minimizar el tiempo medio de espera. Parmetro secundario: buen balanceo de la carga entre servidores. Recursos consumidos en peticiones locales: Bstream (recurso local). Ms consumo de recursos en peticiones remotas: Blink remoto, Bswitch, Blink local, Bstream local.

    48. AC - UMA Popularidad y replicacin

    49. AC - UMA Distribucin de los Vdeos M vdeos ordenados por popularidad Uso del porcentaje de replicacin: s vdeos ms populares son replicados en todos los servidores Los restantes M ?s vdeos son uniformemente distribuidos entre los servidores

    50. AC - UMA Objetivo: minimizar tiempo de espera Servidores con capacidad disponible ayudan a los servidores sobrecargados Influencia de la popularidad y de la replicacin de los vdeos en el tiempo de espera. Global Wait Queue. Popularity and Partial Replication Load Sharing Algoritmos balanceo de la Carga

    51. AC - UMA Algoritmos para Compartir la Carga (1) Algoritmo GWQ (Global Wait Queue): Replicacin total (vdeos replicados en todos los servidores) Peticiones Remotas slo cuando el servidor est sobrecargado Sin criterio de asignacin de servicios remotos

    52. AC - UMA Algoritmos para Compartir la Carga Algoritmo PRLS (Popularity and Partial Replication Load Sharing) Popularidad: Distribucin Zipf Vdeos estn replicados parcialmente Peticiones remotas: Servidor sobrecargado Vdeo no replicado en el servidor Criterio de asignacin de servicios remotos: Servidor menos cargado

    53. AC - UMA Efecto del Criterio de Asignacin de Servicios Remotos Parmetros: Tsleep: exponencial (7200) Tactive: uniforme (3600,10800) Replicacin: 100% Resultados: Criterio balancea la carga y disminuye Twait

    54. AC - UMA Modelo analtico Objetivos: Medir el rendimiento de PRLS Validar el modelo analtico Estudiar la influencia de la popularidad y la replicacin Principal mtrica: Twait Diferentes grados de popularidad ? y porcentajes de replicacin

    55. AC - UMA Efecto de replicacin para ?=1

    56. AC - UMA Efecto de la Replicacin para ?=1.8

    57. AC - UMA Lneas de investigacin Procesadores MPEG-4. Arquitecturas reconfigurables. Sistema de archivo: base de datos. Catalogacin automtica. Gestin de almacenamiento masivo. Planificacin en vdeo bajo demanda.

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