Multimedia Systeme Was ist Multimedia
Werbung
Multimedia Systeme Von der "Multimedia-Partnervermittlung" zum "Multimedia-fähigen Netzwerk-Hub" Was ist Multimedia ? Text + Grafik = 2 (multi) Medien Streng nach Wortsinn ist (praktisch) jede Webseite multimedial ! Viele Definitionen, z.B. „Mind. ein statisches und ein kontinierliches Medium“ © 2002 Till Hänisch, BA Heidenheim Kommunikationskanäle Sehen Hören Text Töne Bild Fühlen Kraft Sprache Riechen, Schmecken Molekulare Prozesse Temperatur Video Multimedia schwierig © 2002 Till Hänisch, BA Heidenheim Multimedia ! ! Verwendung mehrerer Kommunikationskanäle aus den Bereichen „Sehen“ und „Hören“ Herausforderungen ! ! Endgeräte Datenmenge/Datenrate ! ! ! ! Speicherung Übertragung Verarbeitung Integration (Verknüpfung, Navigation) ! ! ! Einfach bei Bild und Text (Links, Image maps) Gelegentlich bei Video (Links) Schwierig bei Audio (Telefonmenüs) © 2002 Till Hänisch, BA Heidenheim Platzbedarf ! Seite Text: 5 kB ! ! 1 sec Sprache (Telefon): 8 kB ! ! 44.1 kHz, 16 Bit, Stereo Bildschirm-Grafik: 2,25 MB ! ! 8kHz, 8 Bit Auflösung 1 sec Music (CD): 172 kB ! ! 60 Zeilen a 80 Zeichen 1024x768 Pixel, 3 Byte je Pixel (RGB) 1 sec Videosignal (PAL): 31 MB/sec ! 752x576, YUV, 3 Byte/Pixel, 25 Bilder/sec © 2002 Till Hänisch, BA Heidenheim Phasenmodell Phasen: Werkzeuge: Integrationsplanung Storyboard Objektgenerierung Integration medienspez. Editoren Autorensysteme, Workflow, Timeline-, Frame-, Objektbasiert Rendering © 2002 Till Hänisch, BA Heidenheim Literatur ! ! ! ! Henning, Taschenbuch Multimedia, Fachbuchverlag (Hanser), 2001 Steinmetz, Multimedia-Technologie, Springer, 2000 Froitzheim, Multimedia Kommunikation, dpunkt, 1997 Tanenbaum, Computer Networks © 2002 Till Hänisch, BA Heidenheim Retrieval © 2002 Till Hänisch, BA Heidenheim Ergebnis © 2002 Till Hänisch, BA Heidenheim Visualisiert © 2002 Till Hänisch, BA Heidenheim inhaltsbezogen © 2002 Till Hänisch, BA Heidenheim Ergebnis © 2002 Till Hänisch, BA Heidenheim Videotechnik ! räumliche Auflösung ! ! Farbdarstellung ! ! PAL: 625 Zeilen (SECAM), NTSC: 525 Zeilen, Seitenverhältnis 4:3 additive Mischung (RGB) zeitliche Auflösung ! ! ! ! kontinuierliche Bewegung: mind. 15 Bilder/sec, mind. 30/sec für "weiche" Bewegung (hängt vom Bild ab, große, schnell bewegte Objekte erfordern höhere Framerate, als etwa "Nachrichtensprecher" Abfolge: Frame - dunkel - Frame NTSC ca. 30/Frames/sec, PAL 25/sec Flimmern: periodische Helligkeitsschwankung bis etwa 50 Hz --> Tricks Kino: 16 Bilder/sec, Lichtstrom wird während eines Bilds zweimal unterbrochen --> 48 Hz Fernseher: 2 Halbbilder (gerade/ungerade Zeilen) oder (moderner) Zwischenspeicherr ("100 Hz Fernseher") © 2002 Till Hänisch, BA Heidenheim Signalformate ! ! Übertragung in einem Signal --> Mischung Luminanz + zwei Farbsignale ! ! ! ! Luminanz (Helligkeit) wird für SW-Fernseher benötigt Auge ist empfindlicher für Helligkeitsunterschiede, als für Farbinformationen --> höhere Auflösung (Bandbreite) für Helligkeit YUV-Kodierung (z.B. PAL) (rel. Empfindlichkeiten) Y=0.3R +0.59G +0.11B U=0.493(B-Y) V=0.877(R-Y) mit untersch. Bandbreite (4:2:2) Bandbreite 5.5+1.8+1.8 = 8 MHz (PAL) ! ! NTSC 4.2+0.6+1.0 = 6 MHz HDTV 10+5+5 = (?) 9 MHz (Kodierung) © 2002 Till Hänisch, BA Heidenheim HDTV ! ! ! ! ! ! ! Ursprünglich: Bildqualität ähnlich 35 mm Film, heute bescheidener Auflösung ca. doppelt so hoch (1280x720 oder 1920x1080) Framerate 50 oder 60 Hz (keine Einigung) Seitenverhältnis 16:9 Viele unterschiedliche „Standards“, Nomenklatur z.B. ! 1080p24 = 1920x1080 Pixel, 24 Vollbilder/sec ! 720p50 = 1280x720 Pixel, 50 Vollbilder/sec ! 1152i50 = 2048x1125 Pixel, 50 Halbbilder/sec ! Usw. Hohe Bandbreite: z.B. ! 1080i50 mit MPEG2 27 Mbit/sec Nicht nur positiv ;-) "Take Britney Spears," said Swann. "If you see her in high definition you realise she's actually not so very attractive.“ © 2002 Till Hänisch, BA Heidenheim Digitalisierung ! Abtastung ! ! Quantisierung ! ! Nyquist Theorem (Kontinuierliche) Helligkeitswerte (Graustufen) müssen diskretisiert werden, z.B. mit 8 Bit = 256 Graustufen Kodierung ! ! Verbundkodierung: FBAS (Gesamtsignal, Farbbild, Austast, Synchron) Signal wird abgetastet, einfach, Probleme: Übersprechen, Abhängig vom Standard, Bandbreite gleich für alle 3 Kanäle --> Verschwendung Komponentenkodierung Getrennte Digitalisierung von Luminanz und Farbdifferenzsignalen, Luminanz mit 13,5 MHz, Chrominanz mit 6,75 MHz --> 864 Werte pro Zeile für Luminanz, je 432 für Chrominanz Probleme: Hohe Datenrate, passt nicht in PCM Raster --> Substandards, z.B. 13.5 MHz (6.75 MHz), 720 Werte pro Zeile, 576 Zeilen, 166 Mbit, (4:2:2) Format oder etwa (4:2:0, Chrominanz jede zweite Zeile) © 2002 Till Hänisch, BA Heidenheim Videoserver Architektur Digitalisierung Quelle Server Transport-Netzwerk Client isochrone Übertragung © 2002 Till Hänisch, BA Heidenheim circuit-switched (illustration) © 2002 Till Hänisch, BA Heidenheim packet-switched (illustration) © 2002 Till Hänisch, BA Heidenheim Parameters ! Bandwidth Amount of data transmitted per time interval ! ! Latency Duration between sending and arrival on receiver side ! ! ! ! important when transmitting large blocks of data important when exchanging synchronous messages (time till acknowledge is > 2*network latency) usually constant for circuit switched systems variable for packet switched systems (sequencing) Jitter Variation in Latency ! important when transmitting speech (isochronous streams) © 2002 Till Hänisch, BA Heidenheim Synchronitätsfehler (Skew) (Lippensynchronisation, Steinmetz, 100 Probanden) Fehler bis etwa 160 msec werden zwar erkannt, aber nicht als störend empfunden Video vor Audio eher tolerierbar, als umgekehrt (--> Schallgeschwindigkeit) © 2002 Till Hänisch, BA Heidenheim Zeigersynchronisation Zeiger auf Grafik (Zeichnung eines Segelschiffs, Route auf Karte) Steinmetz Fehler bis etwa -1000...+1250 werden zwar bemerkt, aber nicht als störend empfunden © 2002 Till Hänisch, BA Heidenheim © 2002 Till Hänisch, BA Heidenheim Zwischenpuffer ! (Netzwerk) Parameter nicht ausreichend für isochrone Übertragung (etwa wegen store and forward Architektur): Pufferung eingehende Datenpakete, Zeitbezug durch Übertragungsstrecke verloren Puffer, Kapazität = Verzögerung dt=max(Jitter)+S ausgehende, isochrone, verzögerte Datenpakete Jitter hier << "tolerable Verzögerung" © 2002 Till Hänisch, BA Heidenheim Wenn max(Jitter) undefiniert, Extrem: vollst. Medium wird vor Beginn des Abspielens komplett gepuffert Medienserver ! ! viele kritische Bereiche, etwa Festplattenlayout ! ! Festplatten-Scheduling ! ! ! ! ! ! Single Track vs. Spuren,Sektoren,ZBR, variable Blockgröße, Film/Track, Striping, RAID First-Come-First-Served (FCFS) Shortest Seek Time First (SSTF) SCAN (ähnl. SSTF, aber berücksichtig Kopfbewegung) Multimedia: z.B. EDF (Earliest Deadline First), SCAN-EDF usw. z.B. Tigershark Dateisysteme, Datenanordnung, Speicherverwaltung, CPU-Scheduling © 2002 Till Hänisch, BA Heidenheim Verzögerung im Endgerät ! Betriebssystem ! Scheduling von ! ! ! ! ! critical sections (nicht unterbrechbar) Latenz von Speichermedien Rendering ! ! IO (wie beim Server) Prozessen (Player) etwa bei MPEG untersch. Frametypen virtueller Speicher © 2002 Till Hänisch, BA Heidenheim Die ATM-Zelle... ! ! ! ! transportiert Signalisierungsund Nutzinformation hat eine feste Länge von 53 Byte gliedert sich in Zellkopf (Header, 5 Byte) und Nutzdatenfeld (Payload, 48 Byte) wird dann gesendet, wenn das Nutzdatenfeld gefüllt ist (und sie in das Zellraster der Leitung eingefügt werden kann ! ggf. Wartezeit!) Header (Wegesuche, Steuerinformation) Payload (Nutzdaten, Signalisierung) 53 Byte © 2002 Till Hänisch, BA Heidenheim Das Zellmapping ! ! ! Eine sendefertige Zelle muß warten (Pufferung), bis sie in das Zellraster eingefügt werden kann Sind keine Daten zu transportieren, so werden Leerzellen eingefügt Hieraus resultiert ggf. eine Varianz der Zellverzögerung (!t ) abgesandte Zellen (äquidistant) Zellraster einsortierte Nutz- und Leer- Zellen !t 1 © 2002 Till Hänisch, BA Heidenheim !t 2 !t 3 ATM - Netzkomponenten • Switches: VNK (Vermittelnde Netzknoten) UNI • Links: Netzschnittstellen (NNI, Network-NetworkInterface) • Kundenschnittstellen NNI (UNI, User-NetworkInterface) • Endstellen UNI MA N ATMNetz (WAN) NNI LA N LA N UNI © 2002 Till Hänisch, BA Heidenheim Der Zelltransport (2) ! ! Die gesamte Verkehrslast im ATM-Netz wird von vielen voneinander unabhängigen Quellen erzeugt, starke Schwankungen bzw. Überlastfälle sind somit möglich Im Überlastfall werden Zellen ... ! ! die nicht den mit dem Nutzer vereinbarten Parametern entsprechen, verworfen die den Vereinbarungen entsprechen, zwischengespeichert und bei nächster Gelegenheit wieder ausgelesen (FIFO-Pufferung). GesamtVerkehrsaufkommen Verkehr im Netz LinkBandbreite FIFObu!er © 2002 Till Hänisch, BA Heidenheim ATM - Verbindungen (1) ! ATM-Verbindungen erfolgen über virtuelle Kanäle V C (virtual Link channel) ! Jeder VC erhält eine eigene Kanalnummer V C I V P2 (virtual channel identifier) VC ! ! Mehrere VC ergeben ein Kanalbündel V P (virtual path) Jeder VP erhält eine eigene Pfadnummer V P I (virtual path identifier) 3 VC1 1 2 V P1 4 3 2 1 ! Ein L i n k (Übertragungsweg) kann mehrere VP beinhalten 4 2 3 VC © 2002 Till Hänisch, BA Heidenheim ATM - Verkehrsparameter ! Die Verkehrsparameter werden zwischen Nutzer und Netzbetreiber vereinbart: ! ! ! ! ! ! ! ! SCR PCR MBS sustainable cell rate: peak cell rate: max. burst size: CTD CDV CLR cell transfer delay: cell delay variation: cell loss ratio: Langzeitmittelwert der erzeugten Nutzdatenrate maximal zulässige Datenrate max. Anzahl der zusammenhängenden Zellen mit PCR max. Zellverzögerung von der Quelle zum Ziel max. Verzögerungsvarianz max. Zellverlustrate (bei Einhaltung der vereinbarten Parameter) Die Einhaltung der vereinbarten Parameter wird an den Kundenschnittstellen des ATMNetzes (UNI) überwacht Mit den Verkehrsparametern wird eine definierte Dienstegüte (QoS, quality of service) und die genutzte ATM-Dienstekategorie festgelegt © 2002 Till Hänisch, BA Heidenheim ATM - Dienstekategorien ! Je nach den Erfordernissen seiner Anwendungen nutzt der Anwender bestimmte Dienstekategorien: ! CBR constant bit rate: konstante Datenrate; eng begrenzte Zellverzögerung, Verzögerungsvarianz und Zellverlustrate (z.B. für Sprache) PCR ! VBR variable bit rate: PCR MBS SCR Verzögerungsvarianz – ABR available bit rate:" " " Verbindungsaufbau " variable Datenrate; eng begrenzte Zellverlustrate (z.B. für Datenübertragung), sowohl „rt“ (realtime) als auch „nrt“ (non-real-time) rt/nrt bezieht sich auf Zellverzögerung/ Lückenfüller: momentan freie Netzkapazität, " " Bandbreite wird beim " " " vereinbart – UBR" unspecified bit rate:"Lückenfüller ohne feste Bandbreite © 2002 Till Hänisch, BA Heidenheim QoS Requirements © 2002 Till Hänisch, BA Heidenheim QoS Approaches ! Resource Reservation (integrated services) Network resources are apportioned according to the applications’ QoS requests, and subject to bandwidth policy. ! ! Prioritization (differential services) Network traffic is classified. To enable QoS, network elements give preferential treatment to classifications identified as having more demanding requirements. Different techniques, no real (established) standards © 2002 Till Hänisch, BA Heidenheim RSVP Reservation Set Up © 2002 Till Hänisch, BA Heidenheim Queuing and Scheduling Most current Internet routers employ FIFO scheduling and a drop-on-overflow buffer management. When a buffer overflow occurs packets of the most connections will be lost. © 2002 Till Hänisch, BA Heidenheim Random Early Discard (RED) ! RED drops packets before a buffer overflow occurs ! the TCP connections to which the packets belong are slowed down the average of the traffic is kept below the critical point ! Weighted RED combines the capabilities of the RED algorithm with IP precedence. It discards rather packets of lower-priority traffic than of high-priority traffic. © 2002 Till Hänisch, BA Heidenheim Priority Queuing (PQ) ! Arriving packets are placed into the queue according to the packet priority ! This algorithm gives higher-priority queues absolute preferential treatment over low-priority queues © 2002 Till Hänisch, BA Heidenheim Weighted Fair Queuing (WFQ) ! For each class a weight is specified and a portion of the output bandwidth is allocated in proportion to the weight. ! In times of congestion the classes will be restricted to their portion of bandwidth. ! When a class is not using its allocated bandwidth, the excess bandwidth is shared among the other classes. © 2002 Till Hänisch, BA Heidenheim Bandwidth Mgmt. Algorithms © 2002 Till Hänisch, BA Heidenheim