3 bis Settori di ricerca ERC (European Research Council) interessati dal Progetto di Ricerca

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1 MINISTERO DELL'ISTRUZIONE DELL'UNIVERSITÀ E DELLA RICERCA DIREZIONE GENERALE DELLA RICERCA PROGRAMMI DI RICERCA SCIENTIFICA DI RILEVANTE INTERESSE NAZIONALE RICHIESTA DI COFINANZIAMENTO (DM n del 4 dicembre 2008) PROGETTO DI RICERCA - MODELLO A Anno prot. 2008C59JNA 1 - Titolo del Progetto di Ricerca Testo italiano ARACHNE: Tecniche avanzate di streaming video per reti peer-to-peer Testo inglese ARACHNE: Advanced video streaming techniques for peer-to-peer networks 2 - Area Scientifico-disciplinare 09: Ingegneria industriale e dell'informazione 100% 3 - Settori scientifico-disciplinari interessati dal Progetto di Ricerca ING-INF/03 - Telecomunicazioni 3 bis Settori di ricerca ERC (European Research Council) interessati dal Progetto di Ricerca PE Mathematics, physical sciences, information and communication, engineering, universe and earth sciences PE5 Information and communication: informatics and information systems,computer science, scientific computing, communication technology, intelligent systems PE5_15 Signals, Speech and Image Processing PE5_11 Multimedia 4 - Parole chiave Testo italiano STREAMING VIDEO RETI PEER-TO-PEER TECNICHE AVANZATE DI CODIFICA VIDEO Testo inglese VIDEO STREAMING PEER-TO-PEER NETWORKS ADVANCED VIDEO CODING TECHNIQUES 5 - Coordinatore Scientifico OLMO GABRIELLA Professore Associato confermato 02/09/1962 LMOGRL62P42D742G Politecnico di TORINO Facoltà di INGEGNERIA III Dipartimento di ELETTRONICA (Prefisso e telefono) (Numero fax) MIUR - BANDO MODELLO A - 1 -

2 6 - Curriculum scientifico Ministero dell'istruzione dell'università e della Ricerca Testo italiano INFORMAZIONI GENERALI Gabriella Olmo è nata il 2 settembre Essa ha ricevuto la Laurea in Ingegneria Elettronica ("summa cum laude") presso il Politecnico di Torino nel Dal 1986 al 1988 essa è stata ricercatore presso CSELT (Centro Studi e Laboratori in Telecomunicazioni, ora TiLab - Telecom Italia Lab), Torino. Le sue principali attività di ricerca hanno riguardato la gestione delle reti di telecomunicazioni, i modelli non gerarchici e l'instradamento dinamico. Dal 1988 al 1991 essa è stata studente di dottorato di ricerca in Ingegneria Elettronica presso il Dipartimento di Elettronica del Politecnico di Torino. Nel febbraio 1992 le è stato conferito il titolo di Dottore di Ricerca in Ingegneria Elettronica presso il Politecnico di Torino, con una dissertazione dal titolo "Accesso multiplo a divisione di - codice con tecniche coerenti per reti di comunicazioni ottiche", sotto la supervisione del prof. Sergio Benedetto. Dal 1991 al 1995 essa ha svolto il ruolo di Tecnico Laureato presso il Dipartimento di Elettronica del Politecnico di Torino. Nel periodo essa è stata Ricercatore Universitario presso il Dipartimento di Elettronica del Politecnico di Torino, dove attualmente ricopre il ruolo di Professore Associato confermato. Gabriella Olmo è sposata e ha tre figli (nati nel 1994, 1995 e 2004). RESPONSABILITÀ ACCADEMICHE E AMMINISTRATIVE Gabriella Olmo fa parte del Gruppo Telecomunicazioni del Dipartimento di Elettronica del Politecnico di Torino. Essa coordina un gruppo di ricerca che comprende un ricercatore, diversi studenti di dottorato, borsisti e assegnisti di ricerca, sulle seguenti tematiche: codifica di immagini e video, comunicazioni multimediali robuste, trasmissione wireless di immagini e video, compressione di immagini telerilevate. Essa fa parte delle commissioni di laurea in Ingegneria Elettronica e delle Telecomunicazioni, e della commissione di dottorato di ricerca in Elettronica e Comunicazioni del Politecnico di Torino. Essa è stata responsabile per il Dipartimento di Elettronica della mobilità studenti (programma Erasmus) negli anni Essa ha svolto attività di esaminatore esterno per il conferimento del dottorato di ricerca per il Politecnico di Milano e per la Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne, Svizzera. INCARICHI DI INSEGNAMENTO Presso il Politecnico di Torino, Gabriella Olmo è stata titolare dei seguenti corsi: -Teoria dei segnali, corsi di laurea in ingegneria elettronica, ingegneria delle telecomunicazioni e ingegneria informatica (analisi di Fourier, sistemi lineari, processi casuali, campionamento e quantizzazione). -Elaborazione numerica dei segnali, corsi di laurea in ingegneria delle telecomunicazioni e ingegneria informatica (segnali e sistemi a tempo discreto, DFT/FFT, filtri FIR e IIR e relativo progetto, serie temporali, analisi spettrale). -Laboratorio di Telecomunicazioni, corso di laurea in ingegneria delle telecomunicazioni (realizzazione di algoritmi di codifica di immagini e video su piattaforme DSP). -Codifica di immagini e video, corsi di laurea in ingegneria delle telecomunicazioni e ingegneria del cinema e dei mezzi di comunicazione (elementi di teoria dell'informazione, codifica predittiva, codifica a trasformate, quantizzazione, codifica entropica, codifica video ibrida, co-decodificatori delle classi JPEG e MPEG). -Trasmissione di segnali multimediali su reti wireless, corsi di laurea magistrale in ingegneria delle telecomunicazioni e in ingegneria del cinema e dei mezzi di comunicazione (tecniche di codifica robusta, codifica a descrittori multipli, codifica congiunta di sorgente e canale, protezione ineguale dagli errori, "error concealment"). La prof. Olmo è stata tutore di diversi studenti di dottorato di ricerca sulle seguenti tematiche: compressione di immagini telerilevate, "pattern recognition" statistico e nel dominio trasformato, elaborazione di immagini da piattaforma aerea, trasmissione affidabile di immagini su reti a perdita, codifica a descrittori multipli di dati multimediali, co-decodifica H.264, trasmissione robusta di dati multimediali su reti IP, applicazioni dei codici a fontana digitale. PRINCIPALI INTERESSI DI RICERCA RECENTI. I principali interessi di ricerca della prof. Gabriella Olmo possono essere classificati come segue. Codifica di immagini e video. - Compressione di immagini fisse - codifica di immagini fisse mediante wavelet; ottimizzazione e realizzazione della trasformata wavelet a interi; codificatori congiunti senza perdite e con perdite basati sulla trasformata wavelet a interi; realizzazione di kernel wavelet su piattaforma DSP; "lifting scheme" e banchi di filtri per codifica di immagini;codifica aritmetica; realizzazione di codificatori MQ e CABAC. - Compressione video - "flexible macroblock ordering" (FMO) e altri strumenti di "resilience" per H.264/AVC; "video concealment" per il caso di perdita di interi frame, per applicazioni video a basso bit rate; concealment spazio-temporale con applicazioni a H.264/AVC; interpolazione direzionale MAP per error concealment; modi di predizione Intra per la estensione FRExt di H.264; allocazione del rate per codificatore video scalabile (H.264/SVC). - Codifica di sorgente distribuita - uso di codici LDPC e turbo per la codifica di Slepian-Wolf di sorgenti immagine e video (Motion JPEG 2000); de-quantizzazione congiunta di sorgenti distribuite; codifica distribuita di immagini telerilevate; codifica aritmetica distribuita per mezzo della sovrapposizione degli intervalli di probabilità (brevetto depositato). Trasmissione multimediale robusta - Codifica congiunta di sorgente e canale - protezione dalle perdite ineguale/ibrida per sorgenti progressive (SPIHT- JPEG2000) per mezzo di codici Reed Solomon; allocazione del rate e ottimizzazione dei rate dei codici per la trasmissione video su reti a perdita; sensitività agli errori delle strutture dati e strategie di ritrasmissione per applicazioni wireless usando JPEG 2000; codifica congiunta di sorgente e canale e decodifica MAP di codici aritmetici; codici turbo/ldpc/digital fountain a livello applicazione per comunicazioni multimediali; codifica e decodifica Raptor a finestre; realizzazione degli schemi di co-decodifica LT e raptor (R10). - Codifica a lunghezza variabile robusta - decodifica MAP di codici aritmetici con simbolo proibito; codificatore MQ robusto; strumenti di "error resilience" per JPEG 2000 basati sulla codifica aritmetica a correzione di errore; codici aritmetici casuali per la codifica congiunta di sorgente e canale e la protezione dell'informazione; trasmissione video robusta per mezzo di codici aritmetici a correzione di errore; codifica MAP iterativa di codici aritmetico e di canale concatenati serialmente. Gabriella Olmo ha contribuito alla standardizzazione di ISO/IEC JPEG2000 Part 11-JPWL (JPEG 2000 for wireless applications). MIUR - BANDO MODELLO A - 2 -

3 - Codifica a descrittori multipli - codifica a descrittori multipli (MDC) basata sulla curva rate-distorsione per JPEG 2000; MDC per immagini fisse basata su allocazione lagrangiana del rate; MDC di immagini fisse basata su pre- e post-elaborazione di dati JPEG 2000; ottimizzazione della ridondanza e del numero di descrittori per applicazioni JPEG 2000; confronti tra MDC e schemi di protezione ineguale per sorgenti progressive; applicazione di MDC a codificatore video scalabile (H.264/SVC); MDC per video H.264 basata sul concetto di slice ridondanti (brevetto depositato). Quest'ultima attività ha dato luogo a "DIVA" - progetto vincente del "Premio Innovazione" di I3P (Incubatore di Imprese del Politecnico) presentato da tre assegnisti di ricerca del gruppo coordinato dalla prof. Olmo (Marco Grangetto, Barbara Penna, Tammam Tillo). DIVA riguarda una tecnologia abilitante per applicazioni di video streaming su reti peer-to-peer, basata su MDC e slice ridondanti in H.264/AVC (dimostrazione web disponibile all'url - Esperimenti di ottimizzazione "cross layer" - sviluppo di un sistema client-server per lo streaming robusto di video codificato con H.264 usando le slice ridondanti (alcuni parametri di livello MAC, quali il numero di ritrasmissioni, la durata della finestra di contesa ecc., sono assegnati in modo differenziato alle rappresentazioni primaria e ridondante, in modo da garantire la ricezione almeno dello stream a qualità inferiore) Compressione con perdite e senza perdite di dati telerilevati. - Compressione di dati SAR e iperspettrali - compressione di immagini iperspettrali mediante uso di modello dei pixel anomali; tecniche di codifica a trasformate per la compressione con perdite di immagini iperspettrali, mediante varie trasformate sia 2D che 3D (inclusa una versione a bassa complessità della KLT); codifica senza perdite e quasi senza perdite di dati iperspettrali usando CALIC; codifica predittiva con perdite di dati SAR grezzi; realizzazione su piattaforma DSP di compressione CCSDS-Rice. - "pattern recognition" in immagini telerilevate - posizionamento di oggetti lineari mediante filtro adattato a molti stadi; selezione a bordo di immagini significative basata sul riconoscimento di oggetti lineari. - Tecniche di "watermarking" per il trasporto elettronico di immagini telerilevate. COINVOLGIMENTO IN PROGETTI RI RICERCA ( ) Gabriella Olmo ha partecipato (spesso con ruolo di responsabilità) a numerosi progetti di ricerca, finanziati dal Ministero dell'università e della Ricerca (MIUR), dall'unione Europea, da Agenzia Spaziale Europea (ESA), Agenzia Spaziale Italiana (ASI), ditte quali Carlo Gavazzi Space e STMicroelectronics. Le attività più rilevanti degli ultimi anni sono brevemente descritte nel seguito. - Sea: SEAmless Content Delivery, sottomesso al Settimo Programma Quadro dell'unione Europea (FP7), ICT Call 1, Challenge 1: "Pervasive and Trusted Network and Service Infrastructures," Objective 1.5: "Networked Media," strumento: small or medium-scale focused research project (STREP), numero della proposta: (in negoziazione; si prevede inizio a gennaio Punteggio pre-negoziazione: 13.5/15). Ruolo: responsabile scientifico per il Politecnico di Torino. Gabriella Olmo coordinerà attività di ricerca nei seguenti campi: codifica a descrittori multipli per video, codifica video scalabile, applicazioni della codifica a fontana digitale allo streaming video, ottimizzazione "cross-layer" di reti eterogenee. Il progetto sarà coordinato da STMicroelectronics e conterà 10 partecipanti, tra cui: Thompson Broadcast and Multimedia, Philips, Vodafone, Fraunhofer HHI, University of California, Los Angeles (UCLA). - NEWCOM++ : Network of Excellence in Wireless Communications++, sottomesso al Settimo Programma Quadro dell'unione Europea (FP7), ICT Call 1, Challenge 1: "Pervasive and Trusted Network and Service Infrastructures," Objective : "The Network of the Future," strumento: Network of Excellence (NoE), numero della proposta: (in negoziazione; si prevede inizio a gennaio 2008)Ruolo: partecipante (come membro di CNIT - Consorzio Nazionale Interuniversitario per le Telecomunicazioni). La prof. Olmo coordinerà attività nel campo delle comunicazioni multimediali wireless. NEWCOM++ rappresenta la continuazione della NoE NEWCOM descritta nel seguito. - MEADOW: Mesh adaptive home wireless nets, Ministero dell'università e della Ricerca (MIUR), Ruolo: membro del consiglio direttivo e responsabile scientifico delle attività di ricerca su applicazioni multimediali wireless. - "Tecniche avanzate e standard internazionali per la compressione di immagini e dati a bordo di piattaforme per telerilevamento", progetto finanziato dalla Regione Piemonte, Ruolo: responsabile scientifico e amministrativo. - NEWCOM: Network of excellence in wireless communications, VI Programma Quadro dell'unione Europea, priorità tematica: Information Society Technology (IST), (URL: newcom.ismb.it). Ruolo: coordinatore scientifico e amministrativo per il Politecnico di Torino, responsabile scientifico delle attività sulle comunicazioni multimediali wireless. NEWCOM era composta da 61 partecipanti provenienti da quasi tutti gli stati dell'unione Europea (Austria, Belgio, Danimarca, Finlandia, Francia, Germania, Grecia, Italia, Olanda, Spagna, Portogallo, Svezia, Regno Unito), e alcuni stati associati (Ungheria, Israele, Norvegia, Polonia, Svizzera e Turchia). La rete era organizzata in sette Dipartimenti, responsabili di una ricerca di base su argomenti ben stabiliti e raggruppanti gruppi di ricerca affermati a livello europeo su tali argomenti, e cinque Progetti, responsabili di altrettanti argomenti emergenti, tali da richiedere competenze multidisciplinari. NEWCOM è stata una della più grandi NoE del VI FP, e il Politecnico di Torino era tra i maggiori partecipanti. - PRIMO: Piattaforme riconfigurabili per comunicazioni radiomobili a larga banda, Ministero dell'università e della Ricerca (MIUR), programma FIRB (Fondo per gli Investimenti della Ricerca di Base), (URL: primo.ismb.it). Ruolo: membro del consiglio direttivo; responsabile delle attività di ricerca sulle applicazioni multimediali su reti wireless. - CERCOM: Centro di eccellenza per le radiocomunicazioni multimediali, Ministero dell'università e della Ricerca (MIUR), (URL: Ruolo: vice-coordinatore; membro del consiglio direttivo; responsabile delle attività di ricerca sul progetto del livello fisico per reti "beyond 3G". La missione del centro era fornire, per mezzo di ricerca, sviluppo e iniziative didattiche, un significativo contributo alla soluzione di alcuni dei maggiori problemi tecnologici nel campo delle comunicazioni wireless, integrando competenze già presenti nei Dipartimenti di Elettronica e di Automatica e Informatica del Politecnico di Torino. - DSC: Codifica distribuita di sorgenti video multiple, Ministero dell'università e della Ricerca (MIUR), Programmi di Ricerca Scientifica di Rilevante Interesse Nazionale 2005 (PRIN 2005), coordinatore scientifico Prof. Riccardo Leonardi (Università di Brescia). Ruolo: responsabile scientifico per il Politecnico di Torino. - "Sviluppo e realizzazione di algoritmi avanzati di compressione senza perdite e quasi senza perdite di dati ottici a singola banda e multi-iperspettrali, per applicazioni spaziali," Agenzia Spaziale Italiana (ASI), Ruolo: coordinatore scientifico. - ACHYDA: Advanced methods for lossless compression of hyperspectral data (metodi avanzati per la compressione senza perdite di dati iperspettrali), Agenzia Spaziale Europea (ESA), progetto coordinato da Carlo Gavazzi Space SpA, Ruolo: coordinatore scientifico per il Politecnico di Torino. - "Marchiatura robusta di immagini multispettrali," Ministero dell'università e della Ricerca (MIUR), Programmi di Ricerca Scientifica di Rilevante Interesse Nazionale 2003 (PRIN 2003), coordinatore scientifico Prof. Vito Cappellini (Università di Firenze). Ruolo: responsabile scientifico per il Politecnico di Torino. - "Sistemi di comunicazione personale a larga banda da satellite e piattaforma stratosferica," Ministero dell'università e della Ricerca (MIUR), Programmi di Ricerca Scientifica di Rilevante Interesse Nazionale 2002 (PRIN 2002), coordinatore scientifico Prof. Marina Ruggieri (Università di Roma "Tor Vergata"). Ruolo: partecipante. - HeliNet: network of stratospheric platforms for traffic monitoring, environmental surveillance and broadband services (rete di piattaforme stratosferiche per controllo del traffico, sorveglianza ambientale e servizi a larga banda), progetto IST V Programma Quadro dell'unione Europea, (URL: Ruolo: vice-coordinatore, membro del consiglio direttivo, responsabile delle attività di ricerca sul telerilevamento da piattaforma aerea. - MARVEL: Micro Air Vehicles for multipurpose remote monitoring and sensing, (Micro veicoli aerei per controllo remoto multifunzione), V Programma Quadro dell'unione Europea, Ruolo: partecipante. MIUR - BANDO MODELLO A - 3 -

4 - "Elaborazione e compressione di dati SAR," Agenzia Spaziale Italiana (ASI), Ruolo: coordinatore scientifico. - PEC-SAR: metodi avanzati per la compressione di dati SAR grezzi, programma Cosmo Skymed dell'agenzia Spaziale Italiana (ASI), Coordinato da Carlo Gavazzi Space SpA. Ruolo: responsabile scientifico e amministrativo per il Politecnico di Torino. - CNRAED: centro nazionale per la ricezione, archiviazione e elaborazione dati, Agenzia Spaziale Italiana (ASI), 2004, coordinato da Carlo Gavazzi Space SpA (2004). Ruolo: partecipante. PRINCIPALI COLLABORAZIONI INTERNAZIONALI - Ecole Polytechnique Fèdèrale de Lausanne (EPFL), su tematiche relative alla compressione e elaborazione di immagini telerilevate (prof. Kunt, prof. Thiran, prof. Ebrahimi). Risultati della cooperazione: partecipazione congiunta al progetto FP5 HeliNet; mobilità di tre studenti di dottorato di ricerca e svariati studenti della laurea in telecomunicazioni; organizzazione congiunta della conferenza EUSIPCO 2008; numerosi seminari e visite; pubblicazioni scientifiche congiunte. - University of California at San Diego - Center for wireless communications, su tematiche legate alle comunicazioni multimediali robuste (Prof. Cosman). Risultati della cooperazione: mobilità di uno studente di dottorato di ricerca; pubblicazioni scientifiche congiunte. - University of New South Wales, Sydney, su codifica video scalabile (prof. Taubman). Risultati della cooperazione: partecipazione congiunta al progetto FIRB "PRIMO"; mobilità di uno studente di dottorato di ricerca ; visite e seminari; pubblicazioni scientifiche congiunte (sottomesse). - University of California, Los Angeles, su argomenti legati a IPTV su reti P2P (Prof. Gerla). Risultati della cooperazione: partecipazione congiunta al progetto FP7 "SEA"; mobilità di uno studente di dottorato di ricerca; visite e seminari. - Numerose altre collaborazioni scientifiche (con EURECOM, ENST, Technical University of Munich, Chalmers University of Technology, University of Surrey, IMEC) derivano dalla partecipazione alle reti di eccellenza NEWCOM e NEWCOM++. SERVIZI EDITORIALI Associate Editor: EURASIP Signal Processing Associate Editor: Signal, Image and Video Processing, Springer ed. Membro del comitato organizzativo - "publicity chair", EUSIPCO 2008 Membro del comitato tecnico di alcune importanti conferenze internazionali, tra cui: IEEE ICIP, IEEE ICASSP, IEEE ICC, EUSIPCO, ACM Workshop on Mobile Video, IEEE International Symposium on Multimedia Revisore per numerose riviste internazionali, tra cui: IEEE Transactions on Image Processing, IEEE Transactions on Communications, IEEE Transactions on Signal Processing, IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing, IEEE Communications Letters, IEEE Signal Processing Letters, Signal Processing APPARTENENZA A SOCIETÀ PROFESSIONALI IEEE student member, IEEE member, IEEE senior member, 2006-oggi Membro della IEEE Communications Society e IEEE Signal Processing Society Membro della European Association for Signal Processing (EURASIP) PUBBLICAZIONI E BREVETTI Gabriella Olmo è co-autore di più di 150 articoli in riviste internazionali, atti di convegni, capitoli di libri. Di questi, circa 85 articoli sono stati pubblicati su riviste o atti di conferenze IEEE - IET Gabriella Olmo è co-autore di due brevetti internazionali sottomessi nel 2006 e nel Testo inglese GENERAL INFORMATION. Gabriella Olmo was born on September 2, She received the Laurea degree in electronics engineering ("summa cum laude") at Politecnico di Torino in From 1986 to 1988 she was researcher with CSELT (Centro Studi e Laboratori in Telecomunicazioni, now TiLab - Telecom Italia Lab), Turin. Her main activities were focused on network management, non hierarchical models and dynamic routing. From 1988 to 1991 she was PhD student in electronics engineering at the Department of Electronics, Politecnico di Torino. In February 1992 she received the PhD in electronic engineering at Politecnico di Torino, with a PhD dissertation entitled "Accesso multiplo a divisione di codice con tecniche coerenti per reti di comunicazioni ottiche" ("Coherent code division multiple access for optical communication networks"), under the supervision of prof. Sergio Benedetto. From she was research and laboratory assistant at the Department of Electronics, Politecnico di Torino. From she was assistant professor at the Department of Electronics, Politecnico di Torino. She presently serves as an associate professor at the same Department. Gabriella Olmo is married and has three children (born 1994, 1995 and 2004). MIUR - BANDO MODELLO A - 4 -

5 ACADEMIC AND ADMINISTRATIVE RESPONSIBILITIES. Gabriella Olmo is part of the Telecommunications group at the Department of Electronics, Politecnico di Torino. She leads a research group encompassing one assistant professor and several PhD students and post-doc researchers, on topics related to image and video coding, multimedia resilient communications, wireless image and video transmission, remote sensing image compression. She is graduate committee member and PhD committee member at Politecnico di Torino. She has been departmental responsible for foreign student mobility (Erasmus programme), She has been external Ph.D. examiner for Politecnico di Milano, Italy, and Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne, Switzerland. TEACHING RESPONSIBILITIES. At Politecnico di Torino, Gabriella Olmo has taught courses in: -Signal theory, "laurea" degrees in electronic engineering, telecommunication engineering, informatics engineering (Fourier analysis, linear systems, random processes, sampling and quantization). -Digital signal processing, "laurea" degrees in telecommunication engineering, informatics engineering (discrete time signals and systems, DFT/FFT, FIR and IIR filters and filter design, temporal series, spectral analysis). -Telecommunications Lab, "laurea" degree in telecommunication engineering (implementation of image and video coding algorithms on DSP boards). -Image and video processing, "laurea" degrees in telecommunication engineering and "ingegneria del cinema e dei mezzi di comunicazione" (basics of information theory, predictive coding, transform coding, quantization, entropy coding, video hybrid coding, co-decoders of the JPEG and MPEG classes). -Multimedia signal transmission and video communication", laurea magistrale" degrees in telecommunication engineering and "ingegneria del cinema e dei mezzi di comunicazione" (robust encoding techniques, multiple description coding, joint source-channel encoding, unequal error protection, error concealment). Gabriella Olmo has been advisor for several PhD students, on topics related to: remote sensing image compression, statistical and transform domain pattern recognition, processing of aerial images, reliable delivery of images in error prone environment, multiple description coding of multimedia data, H.264/AVC co-decoding, reliable multimedia data transmission over IP networks, applications of digital fountain codes. MAIN RECENT RESEARCH INTERESTS. The main recent research interests of Gabriella Olmo can be classified as follows. IMAGE AND VIDEO CODING - Still image compression - still image encoding using wavelets; optimization and implementation of the integer wavelet transform; common-core lossless and lossy image coders based on integer wavelets; implementation of wavelet kernels on DSP boards; lifting and filter banks for image coding; arithmetic coding; MQ and CABAC implementation. - Video compression - flexible macroblock ordering (FMO) and other resilience tools for H.264/AVC; video concealment for the situation of whole-frame losses for low bit-rate video; spatiotemporal error concealment with applications to H.264/AVC; MAP-based directional interpolation for error concealment; Intra prediction modes relevant to the FRExt extention of H.264/AVC; rate allocation for scalable video coding (H.264/SVC). - Distributed source coding - use of LDPC and turbo codes for Slepian-Wolf coding of image and video sources (Motion JPEG 2000); joint de-quantization of distributed sources; distributed encoding of remote sensing correlated images; distributed arithmetic coding by means of interval overlapping (patent pending). RESILIENT MULTIMEDIA TRANSMISSION - Joint source-channel coding - unequal/hybrid loss protection of progressive sources (SPIHT- JPEG2000) using Reed Solomon codes; rate allocation and code-rate optimization for video transmission over lossy correlated networks; error sensitivity data structures and retransmission strategies for robust JPEG 2000 wireless imaging; joint source/channel coding and MAP decoding of arithmetic codes; application layer turbo/ldpc/digital fountain codes for multimedia communications; sliding-window Raptor encoding and decoding; implementation of LT and raptor (R10) co-decoding. - Resilient variable length coding - MAP decoding of arithmetic codes with forbidden symbol; robust MQ coder; error resilience tools for JPEG 2000 based on error correcting arithmetic coding; randomized arithmetic coding for joint source, channel coding and secrecy; robust video transmission via error correcting arithmetic codes; iterative MAP decoding of serially concatenated arithmetic and channel codes. Gabriella Olmo has contributed to the standardization of ISO/IEC JPEG2000 Part 11-JPWL (JPEG 2000 for wireless applications). - Multiple description coding - rate-distortion based multiple description coding (MDC) for JPEG 2000; MDC for still images based on Lagrangian rate allocation; MDC of images based on pre-post processing of JPEG 2000 data; optimization of redundancy and number of descriptions for JPEG 2000 imaging; comparisons between MDC and unequal loss protection schemes for progressive sources; applications of MDC to scalable video (H.264/SVC); MDC for H.264 video based on redundant slices (patent applied for). This latter activity has led to "DIVA" - winner project of "Premio Innovazione" awarded by I3P (Incubatore di Imprese del Politecnico) to three post-doc researchers of the research group led by prof. Gabriella Olmo (Marco Grangetto, Barbara Penna, Tammam Tillo). DIVA addresses an enabling technology for peer-to-peer video streaming based on MDC and on the use of redundant slices with H.264/AVC (web demo available at URL: - Cross layer optimization experiments - development of a client-server system for robust streaming of H.264/AVC video using redundant slices (some MAC level parameters, such as number of retransmissions, contention window duration etc., are assigned in different fashion to primary and redundant representations, so as to guarantee the reception of at least the lowest quality stream). LOSSLESS AND LOSSY COMPRESSION OF REMOTE SENSING DATA - SAR and hyperspectral data compression - hyperspectral image compression employing a model of anomalous pixels; transform coding techniques for lossy hyperspectral data compression with several 2D and 3D transforms (including a low complexity KLT); low complexity lossless and near-lossless compression of hyperspectral data using CALIC; lossy predictive coding of SAR raw data; implementation of CCSDS-Rice compression on DSP boards. - Pattern recognition in remote sensed images - resolution positioning of straight patterns via multiscale matched filtering; on-board selection of relevant images based on linear feature recognition. - Watermarking techniques for electronic delivery of remote sensing images. INVOLVEMENT IN RESEARCH PROJECTS (2000-PRESENT) Gabriella Olmo has joined (often with responsibility roles) many research programs under contracts by Italian Ministry of Education and Research (MIUR), European Union, European Space Agency (ESA), Italian Space Agency (ASI), Carlo Gavazzi Space, STMicroelectronics, and so on. The most relevant recent activities are briefly described in the following. MIUR - BANDO MODELLO A - 5 -

6 - Sea: SEAmless Content Delivery, submitted to Seventh Framewok Programme of the European Union (FP7), ICT Call 1, Challenge 1: "Pervasive and Trusted Network and Service Infrastructures", Objective 1.5: "Networked Media", instrument: small or medium-scale focused research project (STREP), proposal number: (in negotiation; foreseen starting date: January Pre-negotiation score: 13.5/15). Role: scientific responsible for Politecnico di Torino. Gabriella Olmo will be leading research activities in the fields of: multiple description video coding, scalable video coding, applications of digital fountain codes to video streaming, cross layer optimization of heterogeneous networks. The project is coordinated by STMicroelectronics and accounts for 10 participants, among which: Thompson Broadcast and Multimedia, Philips, Vodafone, Fraunhofer HHI, University of California, Los Angeles (UCLA). - NEWCOM++: Network of Excellence in Wireless Communications++, submitted to Seventh Framewok Programme of the European Union (FP7), ICT Call 1, Challenge 1: "Pervasive and Trusted Network and Service Infrastructures", Objective : "The Network of the Future", instrument: Network of Excellence (NoE), proposal number: (in negotiation; foreseen starting date: January 2008). Role: participant (as part of CNIT - Consorzio Nazionale Interuniversitario per le Telecomunicazioni). She will be leading activities in the field of wireless multimedia communications. NEWCOM++ is devised as a follow up of the NEWCOM NoE (see below). - MEADOW: Mesh adaptive home wireless nets, Italian Ministry of Education and Research grant, Role: member of the steering committee and scientific responsible for research activities on wireless multimedia applications. - "Advanced techniques and international standards for image and data compression on board of remote sensing platforms," ("Tecniche avanzate e standard internazionali per la compressione di immagini e dati a bordo di piattaforme per telerilevamento"), Regione Piemonte, research grant Role: scientific and administrative coordinator. - NEWCOM: Network of excellence in wireless communications, VI Framework Programme of the European Union, thematic priority Information Society Technology (IST), (URL: newcom.ismb.it). Role: administrative and scientific coordinator for Politecnico di Torino; scientific responsible for activities related to wireless multimedia communications. NEWCOM accounted for 61 participants from almost all countries of the EU (Austria, Belgium, Denmark, Finland, France, Germany, Greece, Italy, the Netherlands, Spain, Portugal, Sweden, United Kingdom) and associated countries (Hungary, Israel, Norway, Poland, Switzerland and Turkey). It was organized into seven Departments, characterised by basic research on well-established topics and grouping leading European researchers active in those topics, and five Projects, dealing with "hot" topics whose solution requires multidisciplinary skills. NEWCOM was one of the largest NoEs of the VI FP, and Politecnico di Torino was one of the largest participants. - PRIMO: Reconfigurable platforms for broadband wireless communications, Italian Ministry of Education and Research grant, FIRB programme (Fondo per gli Investimenti della Ricerca di Base), (URL: primo.ismb.it). Role: member of the steering committee. Responsible for research activities on wireless multimedia applications. - CERCOM: Center of Excellence in Wireless Communications, Italian Ministry of Education and Research grant, years (URL: Role: deputy coordinator; member of the steering committee; responsible for research activities on the physical layer design of beyond 3G wireless networks. The mission of the Center was to provide, by means of research, development and education, a significant contribution to the solution of some of the most important technological problems in the field of wireless communications, integrating and coordinating several skills already present at the Department of Electronics and the Department of Informatics of Politecnico di Torino. - DSC: Distributed Coding of Multiple Video Sources (Codifica distribuita di sorgenti video multiple), Programmi di Ricerca Scientifica di Rilevante Interesse Nazionale 2005 (PRIN2005), Italian Ministry of Education and Research, national coordinator Prof. Riccardo Leonardi (University of Brescia). Role: scientific responsible for Politecnico di Torino. - "Development and realization of advanced algorithms suitable for space applications for lossless and near-lossless compression of single-band and multi-hyperspectral optical data," Italian Space Agency grant, Role: scientific coordinator. - ACHYDA: Advanced methods for lossless compression of hyperspectral data, European Space Agency grant, coordinated by Carlo Gavazzi Space SpA, Role: scientific coordinator for Politecnico di Torino. - "Robust watermarking of multispectral images" ("Marchiatura robusta di immagini multispettrali"), Programmi di Ricerca Scientifica di Rilevante Interesse Nazionale 2003 (PRIN 2003), Italian Ministry of Education and Research grant, , national coordinator Prof. Vito Cappellini (University of Florence). Role: scientific responsible for Politecnico di Torino. - "Personal wideband communication systems based on satellites and stratospheric platforms" ("Sistemi di comunicazione personale a larga banda da satellite e piattaforma stratosferica"), Programmi di Ricerca Scientifica di Rilevante Interesse Nazionale 2002 (PRIN 2002), Italian Ministry of Education and Research grant, , national coordinator Prof Marina Ruggieri(University of Rome "Tor Vergata"). Role: participant. - HeliNet: network of stratospheric platforms for traffic monitoring, environmental surveillance and broadband services, IST V Framework programme of the European Union, (URL: Role: deputy coordinator; member of the steering committee, member of the coordination unit; responsible for scientific activities on remote sensing from aerial platforms. - MARVEL: Micro Air Vehicles for multipurpose remote monitoring and sensing, V Framework programme of the European Union, years Role: participant. - "SAR data processing and compression," Italian Space Agency grant, year Role: scientific coordinator. - PEC-SAR: advanced methods for raw SAR data compression, Cosmo Skymed programme of the Italian Space Agency, Coordinated by Carlo Gavazzi Space SpA, Role: scientific and administrative responsible for Politecnico di Torino. - CNRAED: National center of data reception, achiving and processing, coordinated by Carlo Gavazzi Space SpA, funded by the Italian Space Agency (2004) Role: member. MAIN INTERNATIONAL COOPERATION - Ecole Polytechnique Fèdèrale de Lausanne (EPFL), on topics related to remote sensing image compression and processing (prof. Kunt, prof. Thiran, prof. Ebrahimi). Outcomes of the cooperation: common participation to the FP5 HeliNet project; mobility of three PhD students and several graduate students; joint organization of the EUSIPCO 2008 conference; several visits and seminars; joint scientific publications. - University of California at San Diego,- Center for wireless communications, on topics related to robust multimedia communications (Prof. Cosman). Outcomes of the cooperation: mobility of 1 PhD student, joint scientific publications. - University of New South Wales, Sydney, on topics related to scalable video coding (prof. Taubman). Outcomes of the cooperation: exchange of 1 PhD student; common participation to the PRIMO FIRB project; visits and seminars; joint scientific publications (submitted). - University of California, Los Angeles, on topics related to P2P IPTV (Prof. Gerla). Outcomes of the cooperation: mobility of 1 PhD student; common participation to the SEA FP7 project; visits and seminars. - Numerous other scientific cooperations (with EURECOM, ENST, Technical University of Munich, Chalmers University of Technology, University of Surrey, IMEC) stem from the participation to the NEWCOM and NEWCOM++ NoE. EDITORIAL SERVICE MIUR - BANDO MODELLO A - 6 -

7 Associate Editor: EURASIP Signal Processing Ministero dell'istruzione dell'università e della Ricerca Associate Editor: Signal, Image and Video Processing, Springer ed. Member of the organizing committee - publicity chair, EUSIPCO 2008 Member of the technical committee of several major international conferences among which: IEEE ICIP, IEEE ICASSP, IEEE ICC, EUSIPCO, ACM Workshop on Mobile Video, IEEE International Symposium on Multimedia Reviewer for several international journals, among which: IEEE Transactions on Image Processing, IEEE Transactions on Communications, IEEE Transactions on Signal Processing, IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing, IEEE Communications Letters, IEEE Signal Processing Letters, Signal Processing. PROFESSIONAL MEMBERSHIP AND SERVICE IEEE student member, IEEE member, IEEE senior member, 2006-present. Member of the IEEE Communications Society and IEEE Signal Processing Society. Member of the European Association for Signal Processing (EURASIP). PUBLICATIONS AND PATENTS Gabriella Olmo has co-authored more than 150 papers in international journals, conference proceedings, book chapters; about 85 of such papers have been published in IEEE - IET periodicals and conference proceedings. She is coauthor of two international patent applications, filed in 2006 and 2007 respectively. 7 - Pubblicazioni scientifiche più significative del Coordinatore Scientifico 1. BACCAGLINI E, TILLO T, OLMO G. (2008). Slice Sorting for Unequal Loss Protection of Video Streams. IEEE SIGNAL PROCESSING LETTERS, vol. 15; p , ISSN: , doi: /LSP GRANGETTO M, MAGLI E, TRON R, OLMO G. (2008). Rate-compatible distributed arithmetic coding. IEEE COMMUNICATIONS LETTERS, vol. 12, Issue 8; p , ISSN: , doi: /LCOMM TILLO T, GRANGETTO M, OLMO G. (2008). Redundant slice optimal allocation for H.264 multiple description coding. IEEE TRANSACTIONS ON CIRCUITS AND SYSTEMS FOR VIDEO TECHNOLOGY, vol. 18, ISSUE 1; p , ISSN: , doi: /tcsvt TILLO T, OLMO G. (2008). Improving the Performance of Multiple Description Coding Based on Scalar Quantization. IEEE SIGNAL PROCESSING LETTERS, vol. 15; p , ISSN: , doi: /LSP B. PENNA, T. TILLO, E. MAGLI, OLMO G. (2007). Transform coding techniques for lossy hyperspectral data compression. IEEE TRANSACTIONS ON GEOSCIENCE AND REMOTE SENSING, vol. 45; p , ISSN: , doi: /TGRS E. BACCAGLINI, T. TILLO, OLMO G. (2007). A flexible R-D based multiple description scheme for JPEG IEEE SIGNAL PROCESSING LETTERS, vol. 14; p , ISSN: , doi: /TPS E. MAGLI, M. GRANGETTO, OLMO G. (2007). Joint Source, Channel Coding and Secrecy. EURASIP JOURNAL ON APPLIED SIGNAL PROCESSING 8. GRANGETTO M, MAGLI E, OLMO G. (2007). Distributed Arithmetic Coding. IEEE COMMUNICATIONS LETTERS, vol. 11, no. 11; p , ISSN: , doi: /LCOMM.2007/ GRANGETTO M, SCANAVINO B, OLMO G., BENEDETTO S (2007). Iterative decoding of serially concatenated arithmetic and channel codes for robust image transmission. IEEE TRANSACTIONS ON IMAGE PROCESSING, vol. 16; p , ISSN: , doi: /TIP PENNA B, TILLO T, MAGLI E, OLMO G. (2007). Hyperspectral Image Compression Employing a Model of Anomalous Pixels. IEEE GEOSCIENCE AND REMOTE SENSING LETTERS, vol. 4, ISSUE 4; p , ISSN: X, doi: /LGRS TILLO T, GRANGETTO M, OLMO G. (2007). Multiple Description Image Coding Based on Lagrangian Rate Allocation. IEEE TRANSACTIONS ON IMAGE PROCESSING, vol. 16, Issue 3; p , ISSN: , doi: /TIP TILLO T, GRANGETTO M, OLMO G. (2007). On Modeling Mismatch Errors Induced by Different Quantizers. IEEE SIGNAL PROCESSING LETTERS, vol. 14, ISSUE 11; p , ISSN: , doi: /LSP TILLO T, OLMO G. (2007). Data-Dependent Pre- and Postprocessing Multiple Description Coding of Images. IEEE TRANSACTIONS ON IMAGE PROCESSING, vol. 16; p , ISSN: , doi: /TIP BARBARA PENNA, TAMMAM TILLO, ENRICO MAGLI, OLMO G. (2006). Progressive 3D coding of hyperspectral images based on JPEG IEEE GEOSCIENCE AND REMOTE SENSING LETTERS, vol. 3; p , ISSN: X, doi: /LGRS MARCO GRANGETTO, ENRICO MAGLI, OLMO G. (2006). A syntax preserving error resilience tool for JPEG 2000 based on error correcting arithmetic coding. IEEE TRANSACTIONS ON IMAGE PROCESSING, vol. 15, No. 4; p , ISSN: , doi: /TIP MARCO GRANGETTO, ENRICO MAGLI, OLMO G. (2006). Multimedia selective encryption by means of randomized arithmetic coding. IEEE TRANSACTIONS ON MULTIMEDIA, vol. 8, Issue 5; p , ISSN: , doi: /TMM PIERPAOLO BACCICHET, ANTONIO CHIMIENTI, EMANUELE QUACCHIO, ENRICO MAGLI, OLMO G. (2006). Performance evaluation of FMO to improve the error resilience of H.264/AVC. ST JOURNAL, vol. 3, no. 2; p , ISSN: MARCO GRANGETTO, ENRICO MAGLI, OLMO G. (2005). Fast code-rate optimization for robust image transmission over lossy packet networks. IEEE TRANSACTIONS ON COMMUNICATIONS, vol. 53 N. 6; p , ISSN: , doi: /TCOMM MARCO GRANGETTO, PAMELA COSMAN, OLMO G. (2005). Joint source/channel coding and MAP decoding of arithmetic codes. IEEE TRANSACTIONS ON COMMUNICATIONS, vol. 53 N. 6; p , ISSN: , doi: /TCOMM S.BELFIORE, M. GRANGETTO, E. MAGLI, OLMO G. (2005). Concealment of whole-frame losses for wireless low bit-rate video based on multiframe optical flow estimation. IEEE TRANSACTIONS ON MULTIMEDIA, vol. 7, ISSUE 2; p , ISSN: , doi: /TMM MIUR - BANDO MODELLO A - 7 -

8 21. E. MAGLI, OLMO G., E. QUACCHIO (2004). Optimized on-board lossless and near-lossless compression of hyperspectral data using CALIC. IEEE TRANSACTIONS ON GEOSCIENCE AND REMOTE SENSING, vol. 1, ISSUE 1; p , ISSN: , doi: /LGRS M. GRANGETTO, E. MAGLI, OLMO G. (2004). Ensuring Quality of Service for image transmission: Hybrid Loss Protection. IEEE TRANSACTIONS ON IMAGE PROCESSING, vol. 13 N. 6; p , ISSN: , doi: /TIP OLMO G., TILLO T (2004). A novel multiple description coding scheme compatible with the JPEG 2000 decoding. IEEE SIGNAL PROCESSING LETTERS, vol. 11, no. 11; p , ISSN: , doi: /LSP E.MAGLI, OLMO G. (2003). Lossy predictive coding of SAR raw data. IEEE TRANSACTIONS ON GEOSCIENCE AND REMOTE SENSING, vol. 41; p , ISSN: , doi: /TGRS E.MAGLI, OLMO G. (2003). MAP harmonic retrieval in Gaussian colored noise with prior information. DIGITAL SIGNAL PROCESSING, vol. 13; p , ISSN: GRANGETTO M, MAGLI E, OLMO G. (2003). Error sensitivity data structures and retransmission strategies for robust JPEG 2000 wireless imaging. IEEE TRANSACTIONS ON CONSUMER ELECTRONICS, vol. 49; p , ISSN: , doi: /TCE M. GRANGETTO, E. MAGLI, OLMO G. (2003). Robust video transmission over error-prone channels via error correcting arithmetic codes. IEEE COMMUNICATIONS LETTERS, vol. 7; p , ISSN: , doi: /LCOMM S. BELFIORE, M. GRANGETTO, E. MAGLI, OLMO G. (2003). Spatiotemporal error concealment with optimized mode selection and application to H.264. SIGNAL PROCESSING-IMAGE COMMUNICATION, vol. 18; p , ISSN: M. BARNI, F. BARTOLINI, E. MAGLI, OLMO G. (2002). Watermarking techniques for electronic delivery of remote sensing images. OPTICAL ENGINEERING, vol. 41; p , ISSN: M.GRANGETTO, E.MAGLI, M.MARTINA, OLMO G. (2002). Optimization and implementation of the integer wavelet transform for image coding. IEEE TRANSACTIONS ON IMAGE PROCESSING, vol. 11; p , ISSN: , doi: /TIP Elenco delle Unità operative Unità Responsabile dell'unità di Ricerca I OLMO Gabriella Professore Associato confermato Qualifica Ente Disponibilità temporale indicativa prevista 1 anno 2 anno Politecnico di TORINO II RINALDO Roberto Professore Ordinario Università degli Studi di UDINE III CALVAGNO Giancarlo Professore Associato confermato Università degli Studi di PADOVA IV TUBARO Stefano Professore Ordinario Politecnico di MILANO V MIGLIORATI Pierangelo Professore Associato confermato 9 - Abstract del Progetto di Ricerca Università degli Studi di BRESCIA Testo italiano A seguito del successo di sistemi come BitTorrent, le reti peer-to-peer (P2P) hanno cambiato il paradigma client/server per la distribuzione di contenuti. Nelle reti P2P, ogni nodo mette a disposizione risorse di banda e spazio su disco, in cambio di servizi da parte degli altri nodi. Nonostante sussistano problemi aperti, principalmente legati alla sicurezza e alla protezione dei contenuti, oggi il P2P è una tecnologia matura nel campo della condivisione di file. Questo sta inducendo molta ricerca sull'applicazione di streaming video. Il P2P è per diversi motivi, una tecnologia promettente per lo streaming video. Innanzitutto, i fornitori di servizi possono gestire un grande numero di utenti, servendone direttamente solo una frazione. Per gli utenti, il P2P può rappresentare una fonte di servizi di buona qualità a costi ragionevoli. Inoltre, gli utenti possono agire da "pro-sumer": non solo consumare ma anche produrre contenuti, da distribuire all'interno di comunità virtuali. Tuttavia, la tecnologia non è ancora matura. Le applicazioni P2P per la condivisione di file non possono essere direttamente generalizzate per applicazioni in tempo reale, in quanto i sistemi esistenti presentano eccessiva latenza iniziale e instabilità. La banda aggregata di uplink è insufficiente per sostenere un sistema su larga scala, a causa dell'asimmetria delle connessioni domestiche a larga banda. I pacchetti possono essere persi per congestione e errori nella rete fisica, disconnessione dei nodi nella rete logica, tempistiche stringenti di ritardo. La mancanza di garanzia sulla consegna dei pacchetti causa degradazioni inaccettabili della qualità e interruzioni di servizio. In aggiunta a ciò, nel prossimo futuro ci si aspetta una crescente domanda di mobilità e accesso nomadico a Internet. Un insieme di peer potrà comprendere nodi con diverse capacità di banda e risoluzione, e reti di accesso differenziate anche wireless. L'uso di terminali alimentati a batteria imporrà vincoli alla complessità computazionale degli algoritmi di co-decodifica. Per tutte queste ragioni, la ricerca nel settore multimediale deve considerare aspetti che vanno al di là della pura efficienza di compressione: scalabilità, robustezza agli errori, ottimizzazione cross-layer. L'obiettivo generale del nostro progetto è: lavorare affinché lo streaming video in tempo reale su reti P2P diventi efficiente e gradevole per utenti anche eterogenei. Questo si può a sua volta ripartire in due obiettivi pratici: "cercare soluzioni innovative di codifica video per streaming su P2P" e "cercare soluzioni ai problemi legati a terminali e reti di accesso eterogenei". Per conseguire tali obiettivi, agiremo in molteplici direzioni. -Vogliamo migliorare la qualità percepita dall'utente, limitando le interruzioni del servizio in caso di congestione, trasmissione inaffidabile o disconnessione di nodi. Abbiamo identificato come strumenti la codifica scalabile, la codifica a descrizioni multiple (MDC) e loro combinazioni. -Vogliamo migliorare l'efficienza nello sfruttamento della banda di uplink, senza per questo aumentare il sovraccarico dovuto alla segnalazione. Useremo tecniche di codifica dei chunk, oppure sistemi "chunkless". -Vogliamo gestire l'eterogeneità dei peer, in modo da permettere a utenti con terminali a diversa risoluzione/potenza anche nomadici, di collaborare all'interno dello stesso insieme, scambiandosi contenuti non necessariamente identici (layer o descrizioni). Useremo strumenti quali codifica video distribuita, MDC con protezione ineguale, tecniche di robustezza di H.264/AVC o SVC. Prevediamo che alcuni stream (p. es. quelli ottenuti con telecamere amatoriali) siano disponibili già all'origine solo in forma compressa, e siano stati codificati al fine esclusivo di massimizzare la compressione. Affronteremo lo studio di tecniche di transcodifica per rendere robusti anche tali stream, senza decodificare e ricodificare completamente. Studieremo strategie cross-layer per ottimizzare i parametri di sorgente, canale e rete. Identificheremo metriche opportune per il monitoraggio e la valutazione oggettiva della qualità video, il più correlate correlate possibile con la qualità percepita da un osservatore umano. MIUR - BANDO MODELLO A - 8 -

9 Infine, prevediamo due attività sperimentali: un simulatore di rete P2P, per ottenere informazioni sulle prestazioni dei sistemi studiati, e un dimostratore costituito da un protocollo di streaming P2P, che possa supportare metodologie di codifica studiate nel progetto. Tale sistema potrà essere impiegato, in fase di dimostrazione ma anche dopo la conclusione del progetto, per effettuare streaming di lezioni di dottorato tra le varie sedi coinvolte, più eventuali altre che vogliano sperimentare il servizio. Testo inglese After the success of peer-to-peer (P2P) file sharing systems such as BitTorrent, P2P networks have remarkably changed the standard client/server paradigm for content distribution. In P2P overlay networks, a peer node contributes resources, such as upload bandwidth and disk storage, in exchange for services from other peers. Despite some open issues, mainly related to security and content protection, nowadays P2P is a mature technology in the field of file sharing. This has boost considerable research in the next killer application, i.e. P2P video streaming. P2P is a promising technology for video streaming. It allows a broadcaster to serve a large audience, only a fraction of which is directly charging the provider resources. From the user point of view, P2P could represent a cost effective instrument to receive high quality video; moreover, users themselves can act as pro-sumers (providers and consumers), by distributing their own contents within virtual communities. However, the technology is not mature yet. File sharing applications cannot be straightforwardly extended to the case of real time video delivery. The P2P video technology still experiences problems of long start-time and churn-induced instability. The aggregated peer uplink bandwidth is insufficient to support large scale distribution, due to the asymmetry of residential broadband connections. Packets can get lost for router congestion and transmission errors on the physical network, node departure from the P2P overlay, strict timing out due to real time visualization. The lack of guarantee about the actual delivery of the data may cause unacceptable drops in the reproduction quality, and frequent service outages. Moreover, we expect for the near future an increasing demand for mobility and ubiquitous access to Internet. Users will join the service using terminals with different resolutions and bandwidth, and diverse, possibly wireless access technologies. The use of low power terminals will pose stringent challenges also in terms of computational complexity of the algorithms to be run for data co-decoding. For all these reasons, current research on multimedia coding ought to consider additional aspects besides compression efficiency, such as scalability, resilience, cross layer optimization. In our project, we plan to devise and validate technological solutions at the video coding level, able to cope with such a challenging scenario. The highest level objective of our project is to help enabling heterogeneous users to real time, TV-quality video streaming on P2P overlays. This can be divided into two specific objectives: "Innovative P2P video streaming solutions" and "Issues related to heterogeneous terminals and access networks". To fulfil such objectives, we plan to act in some directions. -We want to enhance the user perceived QoS, avoiding service interruptions to the maximum possible extent in case of difficult transmission or node departures. We have identified as proper instruments scalability, multiple description coding (MDC), and a combination of them. -We want to enhance the exploitation of the uplink bandwidth of peers, which is a critical resource, and at the same time limit the overhead due to signalling traffic among peers. To this end, we will explore chunk coding and "chunkless" strategies, making use of instruments such as MDC and digital fountain coding at the application level. -We want to cope with heterogeneous peers, so as to allow users with different resolution/power terminals, possibly including nomadic access, to join the same swarm, and exchange contents that are not necessarily identical (e.g. different layers or descriptions of the same stream). We intend to face such issues using distributed video coding, MDC associated with unequal error protection, error resilience tools such embedded in H.264/AVC or H.264/SVC. Transcoding techniques will be studied to convert incoming video streams, possibly natively encoded taking into account only the compression efficiency (such as in the case of consumer video cameras), so as to equip them with resilience tools. Cross layer strategies to optimize the source, channel and network parameters, will be investigated. Proper quality metrics will be identified, correlatred to the maximum possible extent to the subjective evaluation of human observers. Finally, the project foresees two main kinds of experimental activities: development of a P2P network simulator, to enable performance validation of the devised solutions, and implementation of a common demonstration test bed. This latter consists in a common P2P streaming protocol, which can support several video coding techniques developed during the project. Such a system will be employed, both during the final demonstration and after the project conclusion, to enable the streaming of PhD lessons among the involved universities (or other ones, which possibly want to experiment this application) Obiettivi finali che il Progetto si propone di raggiungere Testo italiano La diffusione di massa dell'accesso a banda larga mediante DSL o fibra ottica rappresenta un fenomeno globale ed una svolta nel modo di concepire e usare la rete. Applicazioni quali lo streaming audio, la condivisione dei file e la voce su IP, ne dimostrano le potenzialità. Nei prossimi anni ci si aspetta una forte crescita di IPTV, dato che la banda larga è ormai a disposizione di oltre 100 milioni di utenze domestiche. Molti fornitori di servizi stanno considerando IPTV come una nuova opportunità di mercato, e come misura difensiva nei confronti dei servizi di TV via cavo e satellite. Mediante IPTV, un utente potrà accedere ad un numero virtualmente illimitato di canali TV, a librerie di film ed una miriade di contenuti locali; la convergenza di questi servizi creerà nuove applicazioni a valore aggiunto (come la telemedicina). Rendere realtà questa visione è ineluttabile. Tuttavia, l'attuazione pratica in una rete che può contare milioni di utenti, i quali potranno richiedere flussi diversi attendendosi una risposta in tempo reale, è una notevole sfida tecnologica. Nel classico paradigma client/server, ogni singolo utente rappresenta un costo per il fornitore del servizio, in termini di banda e risorse di calcolo. Questo implica bassa scalabilità, ovvero un limite all'utenza massima raggiungibile; potenziali utenti potrebbero semplicemente vedersi negare l'accesso al servizio. Tuttavia, il recente successo delle reti P2P sta cambiando questa prospettiva. Popolari sistemi P2P, come KaZaa e BitTorrent, hanno attirato milioni di utenti, e funzionano in modo efficace per lo scambio di file. In tali sistemi, ogni nodo contribuisce alle risorse comuni, in termini di banda di "upload" e spazio su disco, in cambio di servizi dagli altri peer. Nonostante le questioni ancora aperte, i sistemi P2P prosperano, e oggi l'approccio P2P rappresenta una tecnologia matura nel campo della condivisione dei file. Questo ha gettato le basi per un'applicazione del P2P nel campo dello streaming video in tempo reale. Dal punto di vista del fornitore, l'approccio P2P permetterebbe di servire un pubblico più vasto, senza richiedere risorse proporzionalmente maggiori; infatti, solo una piccola parte del pubblico sarebbe servita direttamente. Dal punto di vista degli utenti, il P2P potrebbe consentire la ricezione di molti canali TV (e di molti altri servizi) con buon rapporto qualità/prezzo. I problemi da risolvere sono tuttavia numerosi. Le applicazioni P2P che operano nella modalità di "file download" non possono essere generalizzate in modo semplice al caso di streaming in tempo reale. La tecnologia P2P è tuttora affetta da problemi quali forte latenza iniziale e instabilità. Inoltre, soluzioni tecniche e commerciali per la sicurezza e la gestione dei diritti digitali sono ancora in fase di messa a punto. I mondi accademico e industriale stanno dando un contributo non indifferente per risolvere questi problemi, ed offrire al pubblico una trasmissione TV su P2P che sia legale, di qualità scalabile e a prezzi convenienti. Uno dei principali obiettivi di questo progetto è contribuire a realizzare questa visione. Altri aspetti rilevanti che riguardano la ricerca in campo multimediale sono l'inaffidabilità e l'eterogeneità. Internet è una rete "best effort", e non dà garanzia di consegna dei dati. Perdite possono avvenire per congestione e errori trasmissivi sulla rete fisica. In un sistema P2P, la vulnerabilità è dovuta anche al fatto che i nodi della rete logica si possono disconnettere in qualunque momento. In applicazioni come condivisione di file o navigazione web, specifici meccanismi di trasporto richiedono la ritrasmissione dei dati persi; tuttavia, questo non può avvenire in un contesto di streaming, a causa della rapida perdita di valore dei dati. Inutile dire che le perdite di dati spesso causano un'inaccettabile degradazione della qualità percepita dagli utenti, e frequenti interruzioni del servizio. Inoltre, ci si attende uno scenario in cui gli utenti siano equipaggiati con terminali eterogenei in termini di risoluzione e banda, e tecnologie di accesso che vanno da DSL a WiMAX, GPRS/UMTS. La richiesta di mobilità e accesso nomadico pone ardue sfide, dovute all'uso di terminali a bassa potenza e all'inaffidabilità del segmento di accesso. Pertanto, la ricerca nel campo della codifica multimediale dovrà riguardare aspetti che vanno oltre la pura efficienza di compressione. Scalabilità, robustezza agli errori, parametri di codifica ottimizzati in modo "cross-layer", supporto per la transcodifica sono caratteristiche necessarie per operare nel contesto descritto. L'obiettivo principale del nostro progetto è studiare e sperimentare soluzioni innovative per lo streaming video in tempo reale su internet, in modalità P2P. Si possono identificare due obiettivi principali, che portano ad attività di ricerca non necessariamente disgiunte tra loro. Obiettivo 1: soluzioni innovative di streaming P2P. Questo progetto si concentra su aspetti di codifica video, e non si propone di fare ricerca su aspetti specifici legati alla rete logica (come ottimizzazione di protocolli di streaming P2P o della rete di overlay) o di sicurezza/protezione dei contenuti. Si vuole invece: i) cooperare con gli esperti di reti nel nostro consorzio, nonché con progetti paralleli incentrati su temi complementari, al fine di ottenere una completa conoscenza delle caratteristiche più importanti per l'applicazione video in tempo reale su P2P; ii) individuare, esplorare e sperimentare tecniche avanzate di codifica video adatte all'applicazione di streaming su P2P (codifica video scalabile, codifica a descrizioni multiple, ottimizzazione cross layer, codifica distribuita); iii) misurarne l'impatto e le potenzialità, in termini di parametri quali latenza, ritardo e continuità di riproduzione, e anche identificando metriche il più prossime possibile alle valutazioni soggettive. Per questo ci si avvarrà di diversi strumenti: piccoli test-bed basati su macchine locali, un simulatore di rete P2P appositamente sviluppato, MIUR - BANDO MODELLO A - 9 -

10 eventuali simulazioni su planetlab, un dimostratore costituito da un protocollo comune su cui effettuare prove che includano lo streaming di lezioni di dottorato. Obiettivo 2: aspetti relativi all'eterogeneità di terminali e reti di accesso. Come già discusso, nelle reti di prossima generazione gli utenti saranno in grado di accedere a contenuti con terminali molto diversificati e mediante reti di accesso eterogenee ed eventualmente inaffidabili; un insieme di peer comprenderà anche nodi nomadici, se non a mobilità piena. Per questi motivi, le applicazioni di video streaming in P2P richiederanno strategie di codifica ad hoc, che dovranno essere realizzate a livello applicazione o con un approccio cross-layer. Gli argomenti principali trattati in questo progetto sono: i) uso degli strumenti di robustezza agli errori propri di standard come H.264/AVC or H.264/SVC (ordinamento flessibile dei macroblocchi, aggiornamento istantaneo del decodificatore, selezione dell'immagine di riferimento, partizione dei dati, slice ridondanti); ii) studio della codifica a descrizioni multiple, anche in sinergia con l'approccio di codifica scalabile; iii) Identificazione di tecniche di transcodifica mirate ad aumentare la robustezza del flusso video in ingresso; iv) controllo del rate e adattamento di banda per flussi video singoli o multipli; v) aspetti di ottimizzazione cross layer. Il risultato finale delle attività proposte sarà un insieme di algoritmi opportunamente sperimentati. Il dimostratore comune, che sarà in grado di ospitare almeno alcuni degli algoritmi per test in un contesto realistico, potrà essere sfruttato anche in seguito per lo streaming di lezioni di dottorato tra le varie sedi universitarie interessate alla sperimentazione. Testo inglese The mass market deployment of broadband access and the diffusion of high-speed DSLs, cable modems and optical-based access, represent a remarkable global phenomenon, and a breakthrough in the way we perceive and use the network. Many applications, such as audio streaming, P2P file sharing and voice over IP, are demonstrating the potentials of broadband global communications. In the coming years, residential IPTV is expected to grow at a brisk pace, as broadband is now available to more than 100 million household worldwide. Many of the major telecommunications providers are exploring IPTV as a new revenue opportunity from their existing markets and as a defensive measure against encroachment from more conventional cable or satellite television service providers. In this scenario, a user could access a virtually unlimited number of real-time broadcast TV channels, libraries of movies, and a myriad of local contents. Moreover, the convergence of such services in a seamless manner will create new value added applications (e.g. telemedicine). If making this vision reality is predicated on a network that can respond to millions of consumers, requesting different streams and expecting real-time response, designing and implementing it in a cost-effective fashion is quite a challenge. The Internet's usefulness as a video delivery medium is at present limited by its main pitfall that every user costs the service provider in terms of network and computational resources. This limited bandwidth/scalability turns out to limit the maximum reachable audience, meaning that potential users are simply denied access to the service. The recent success of P2P networks is considerably changing this situation. Popular P2P file sharing systems, such as KaZaa and BitTorrent, have attracted millions of users, and have efficiently distributed huge files, such as the Linux OS image. In such networks, a peer node contributes resources, such as upload bandwidth and disk storage, in exchange for services from the other peers. Despite various open issues, the P2P networks and systems flourish, and nowadays, the P2P approach to communications represent a mature technology in the field of file sharing. This has set the stage for the next likely killer-app, namely video streaming. The advantages in terms of robustness, reconfigurability and scalability make P2P a promising technology. From the point of view of the broadcaster, the P2P approach permits to serve a larger audience without the need of proportionally increased resources; in fact, only a small fraction of the audience should be served directly by the provider. From the user point of view, the P2P should allow to experience high quality video in a cost effective fashion. However, the time is not quite right yet. Most P2P file sharing applications operate in a file-download mode, and cannot be straightforwardly extended to the case of real time video delivery. The P2P video technology still experiences problems of long start-time and churn-induced instability. In addition, technical and business solutions to copyright protection are still under investigation. Great effort is being carried out in both academia and industry to solve these problems and offer to the public a scalable, affordable, legal TV quality broadcast of contents. It is one of the main objectives of this project to contribute to such a challenge. Another relevant aspect that is affecting research in multimedia is unreliability and heterogeneity. Internet is a best effort network, with no guarantee about the actual delivery of the transmitted data. Data get lost because of router congestion or transmission errors (especially over wireless channels). In a P2P system, the vulnerability is also due to node departure from the overlay network. In applications such as file download or web browsing, specific transport mechanisms request the retransmission of the lost data; however, these cannot be used in a streaming context, due to time out and network flooding problems. Needless to say, data losses often cause an unacceptable drop in the reproduction quality perceived by the user, and frequent service outage. Moreover, we expect for the next years a communication scenario where a user can access information in a seamless way, using terminals with very different characteristics in terms of resolution and bandwidth, and different access technologies, ranging from DSL, WiMax, GPRS/UMTS and so on. The demand for mobility and ubiquitous access poses stringent challenges, because of the use of low power terminals and unreliable access networks. This implies that current research on multimedia coding must consider additional aspects in addition to compression efficiency. Scalability, resiliency, transcoding, cross layer optimization are tools to be addressed to match the requirements of next generation multimedia distribution. The main objective of the present project is to study and test resilient, and innovative solutions for real time video streaming across the Internet in P2P modality. We can identify two main objectives, leading to non necessarily disjoint research activities. Objective 1: Innovative P2P video streaming solutions. This project focuses on video coding aspects, and does not aim at doing research on network-specific aspects (such as optimization of P2P streaming protocols, optimization of the overlay network) or security/content protection. Instead, we want to: i) cooperate with network experts encompassed in the consortium, as well as with parallel projects focused on complementary topics, in order to get a full perspective of the most relevant features for P2P real time video delivery; ii) devise, explore and validate advanced video coding techniques tailored for the real time P2P application (scalable video coding, multiple description coding, distributed source coding, coding techniques, cross layer optimization), aiming at the optimization of the visual quality; iii) measure their impact and potential, in terms of typical metrics such as setup and end-to-end delay and playback continuity, and also identifying proper metrics as close as possible to subjective evaluation. To this end, we will employ several tools: ad-hoc test-beds based on local machines, a proper P2P network simulator developed within the project, (possibly) planetlab simulations, and a common experimental set up, which will enable trials among the involved universities, including the streaming of PhD courses. Objective 2: Issues related to heterogeneous terminals and access networks. As discussed, in the near future we expect users to access the contents with both diverse terminals and heterogeneous/unreliable access networks; a P2P swarm will possibly include nomadic or full mobility peers. For these reasons, the P2P video streaming application will demand for ad hoc coding strategies. These may be implemented at the application layer, or in a cross-layer fashion. The main topics that will be addressed are: i) exploitation of error-resilience tools embedded in standards such as H.264/AVC or H.264/SVC (flexible macroblock ordering, instantaneous decoder refresh, reference picture selection, data partitioning, redundant slices) ii) study of multiple description coding techniques also jointly with a scalable video approach iii) transcoding techniques aiming at increasing the robustness of the incoming video streams, which have been possibly encoded taking into account only the compression efficiency iv) rate control and bandwidth adaptation for both single streams and multiple stream multiplexing v) cross layer optimization issues. The outcome of all such activities will be a set of well assessed algorithms and a common demonstration testbed. This latter, which will enable the validation of a set of algorithms in a realistic environment, will be possibly exploited also after the end of the project, to enable streaming of PhD courses among the interested universities Stato dell'arte Testo italiano Dopo il successo di BitTorrent per la condivisione di file, si è assistito al proliferare di lavori relativi allo streaming video su P2P. Molte applicazioni commerciali sono state sviluppate in Cina, e trasmettono principalmente stazioni TV asiatiche. NARADA costruisce una rete logica che connette i nodi in base ad una stima del "round trip time" (RTT). I nodi della rete logica sono raggruppati in strutture ad albero, lungo le quali i dati si propagano con minimo ritardo. Il sistema è stato sperimentato per applicazioni di video conferenza, ed è la tecnologia su cui si basa ESM (End System Multicast, NICE è stato progettato inizialmente per applicazioni di streaming a banda stretta con un numero elevato di ricevitori. Esso costruisce una gerarchia di nodi basandosi su RTT. I nodi mantengono informazioni dettagliate sui peer vicini (in termini di gruppi gerarchici), e sintetiche su quelli lontani; non vengono mantenute informazioni sulla topologia globale della rete. SPLITSTREAM, di Microsoft Research, rende più equa la condivisione delle risorse costruendo alberi multipli; un nodo può appartenere a tutti gli alberi tranne uno. I dati vengono divisi in segmenti, ciascuno dei quali è propagato usando un albero diverso. Un ricevitore che desidera una certa qualità di servizio, riceve un certo numero di segmenti collegandosi agli alberi corrispondenti. Questo schema ricorda molto il principio della codifica a descrizioni multiple, adottato anche in Avalanche di Microsoft; quest'ultimo usa concetti di "network coding" per consentire il download parallelo di file. VIDTorrent di MIT realizza una "foresta" di alberi, che trasportano flussi indipendenti di dati. I nodi ricostruiscono lo stream aggregando i flussi, similarmente a MDC. Il popolare protocollo PPLive è proprietario, ma può essere classificato come di tipo mesh. A differenza di BitTorrent, i pacchetti sono vincolati a rispettare un limite nel ritardo di consegna. Per allentare i vincoli su tempi e ritardi, si definiscono due buffer: uno gestito da PPLive e un altro dal media player. Uno svantaggio di questa architettura è l'elevato ritardo iniziale; tuttavia, PPLive ha più volte dimostrato buone prestazioni. Il 28 gennaio 2006 ha trasmesso in Cina un programma popolare MIUR - BANDO MODELLO A

11 collegando più di 200K utenti ad una velocità di Kbps, raggiungendo una velocità aggregata di 100Gbps. Un altro sistema di successo è DONet (o COOLSTREAMING), su cui sono disponibili informazioni dettagliate. Per quanto riguarda l'accesso alla rete, la ricerca dei peer e la distribuzione dei segmenti video ("chunk"), esso è simile a PPLive. I chunk più rari sono trasferiti per primi, e vengono selezionati tra i nodi che hanno maggiore disponibilità di banda. Un nodo ANYSEE si comporta diversamente; esso partecipa alla costruzione della rete logica, ma non richiede direttamente i chunk. Ogni nodo mantiene invece un percorso attivo per i dati e un insieme di percorsi sostitutivi in caso di fallimento di quello attivo. Questo schema introduce il concetto di ottimizzazione della rete logica coinvolgendo tutti i nodi (per esempio, usa la banda inutilizzata dei nodi che stanno ricevendo un canale per aiutare altri nodi). Anysee richiede buffer più piccoli in confronto ad altri schemi; esperimenti indicano un ritardo massimo di 30 s. SOPCAST è nato come progetto studentesco alla Fudan University, ed è un sistema chiuso. Esso fornisce servizi sia per i consumatori che per i produttori. I consumatori possono connettersi e sintonizzarsi sul canale desiderato, mentre i produttori possono creare un proprio canale e trasmettere i propri contenuti, oppure possono trasmettere acquisizioni di altri canali in modo simile a quanto avviene in "youtube". SopCast stato un successo immediato; in un'intervista al Wall Street Journal, gli sviluppatori hanno dichiarato che esso ha già raggiunto le connessioni simultanee. Da questa breve e certamente non esaustiva digressione, si può notare come le soluzioni per streaming video su P2P abbiano enormi potenzialità. Considerata però l'asimmetria tipica delle connessioni domestiche, non è ancora possibile trasmettere IPTV di buona qualità su larga scala affidandosi alla sola banda fornita dai peer; invece, è necessario che il fornitore del servizio supplisca una certa banda addizionale, oppure che si riduca la qualità del video. Per cambiare questa situazione, è necessario conseguire notevoli progressi tecnologici. Noi abbiamo identificato i seguenti argomenti, che riteniamo cruciali per ottenere miglioramenti significativi nel prossimo futuro. -Scalabilità. Nel P2P, la qualità del video (che dipende dal numero di utenti) è soggetta a brusche fluttuazioni. Sebbene questo problema sia intrinseco, alcune contromisure possono essere adottate a livello di codifica video. Per esempio, la codifica video scalabile (SVC) è uno strumento interessante. Infatti, da un flusso scalabile si possono ricostruire diversi livelli di qualità, a patto che si garantisca la ricezione del layer di base. Questo permette di evitare interruzioni del servizio, e inoltre può rendere plausibile lo scambio dati tra utenti con video a diverse risoluzioni. Un impulso alla ricerca su scalabilità è dato dall'esistenza del co-decoder MPEG/ITU-T JVT SVC. Esso è un'estensione di H.264/MPEG-4 Part 10 AVC, e realizza scalabilità temporale, in risoluzione, in qualità e una qualsiasi combinazione di queste, con moderata perdita di efficienza di compressione rispetto ad AVC. H.264/SVC costituirà uno degli strumenti fondamentali di questo progetto. Ciò nonostante, non possiamo ignorare il suo principale difetto, ovvero l'elevata complessità. Sono stati proposti altri sistemi per la scalabilità, ad esempio basati sulle wavelet (WSVC). Gli schemi noti come "2D+t+2D" o piramidi multi-scala offrono le migliori prestazioni in termini di bit-rate e scalabilità, e verranno analizzati in questo progetto. L'uso di SVC nel contesto di streaming in P2P è argomento relativamente nuovo. Le proposte apparse recentemente in letteratura condividono l'approccio di classificare in qualche modo i peer, assegnando il trasporto del layer di base ai peer più affidabili. I peer possono essere chiamati a sottoscrivere a priori un determinato livello di qualità. Sono state proposte anche strutture a alberi multipli, che trasportano differenti layer e vengono gestiti dinamicamente in modo da massimizzare la qualità del segnale ricevuto. Tutti questi contributi si devono considerare assai preliminari. - Codifica a descrizioni multiple (MDC). Un flusso MDC è costituito da sotto-flussi, o descrizioni, che sono codificati e trasmessi separatamente. In modo simile a SVC, MDC fornisce qualità scalabile; un livello base di qualità si ottiene dalla decodifica di una singola descrizione, mentre miglioramenti si ottengono ricevendo ulteriori descrizioni. A differenza di SVC, che richiede la ricezione del livello di base, in MDC le descrizioni non sono organizzate in modo gerarchico, e sono quindi tutte utilizzabili. Per contro, MDC è uno schema tipicamente ridondante. Infatti, le descrizioni devono essere in qualche modo correlate tra loro, in modo che l'informazione mancante possa essere stimata dalle descrizioni ricevute. Di conseguenza, è necessario prevedere un certo aumento di rate nel bilanciamento complessivo rate-distorsione. Sono stati proposti molti metodi MDC: quantizzatori, trasformate correlanti, "lapped orthogonal transform", banchi di filtri correlanti, sotto-campionamento in vari domini. Recentemente sono stati proposti schemi MDC compatibili con codificatori standard quali JPEG 2000 e H.264/AVC, sicuramente rilevanti per il nostro progetto. Una delle obiezioni all'utilizzo di MDC in reti P2P è che i peer che ricevono un sottoinsieme di descrizioni non possono ricostruire esattamente quelle mancanti; di conseguenza, i peer si trovano costretti a scambiare contenuti non identici. Questo problema non è certo insolubile, e va affrontato anche per il caso SVC. Comunque, è bene notare che esistono schemi MDC che permettono di ricostruire esattamente il segnale. Negli schemi MDC che usano basi ridondanti ("frame"), le descrizioni si ottengono all'uscita di banchi di filtri sovracampionati. Esse presentano un tipo di ridondanza deterministica, che può essere sfruttata per ricostruire esattamente i coefficienti persi. Siccome le descrizioni possono essere visivamente significative, esse si possono singolarmente comprimere con codificatori video standard; in questo modo, la generazione e decodifica delle descrizioni si possono realizzare come strumenti di pre-post elaborazione al trasmettitore/ricevitore. Un interessante campo di ricerca riguarda il confronto e/o la fusione delle caratteristiche di SVC e MDC, e l'adattamento di MDC in modo tale da generare descrizioni scalabili. Un altro argomento degno di rilievo è l'analisi della relazione tra MDC, SVC e streaming video distribuito, che fa uso dei principi della codifica di sorgente distribuita per sorgenti correlate (per esempio, versioni a diversa risoluzione dello stesso video). Tutti questi argomenti sono in larga misura inesplorati, e saranno oggetto di analisi in questo progetto. -Sfruttamento della banda di uplink. Le connessioni a larga banda per uso domestico presentano una tipica asimmetria tra le larghezze di banda di downlink e uplink; quest'ultima risulta essere un parametro critico per le prestazioni del sistema. Di conseguenza, una soluzione P2P deve realizzare uno sfruttamento ottimo di questa risorsa. Negli algoritmi a chunk, quali quelli che derivano dal protocollo BitTorrent, è noto che l'efficienza dello sfruttamento della banda di uplink dipende dalla dimensione dei chunk. Ma se da una parte chunk piccoli consentono maggiore efficienza, dall'altra essi implicano una maggiore dimensione della mappa del buffer che deve essere scambiata tra i peer, e quindi un maggior sovraccarico del protocollo di trasporto associato al trasferimento dei chunk. Questo impone la soluzione di un complicato compromesso tra efficienza di banda e sovraccarico. Il problema è stato recentemente affrontato in Octoshape (www.octoshape.com), che propone un approccio "senza chunk". Il flusso di dati originale è partizionato in N sotto-flussi; lo stream può essere ricostruito da M minore di N sotto-flussi ricevuti. Quindi, ogni nodo può ricostruire il video da M sotto-flussi ricevuti da M peer. In questo modo, l'utente vede una larghezza di banda in download M volte più grande di quella in upload. Anche se Octoshape è un sistema chiuso, e non esistono dettagli pubblicamente disponibili, il principio ricorda da vicino la codifica a descrizioni multiple ridondanti (RMDC), e le tecniche "blind" di generazione delle descrizioni senza la necessità di negoziazione tra i vari peer. Tecniche di codifica senza chunk, strettamente legate al concetto di descrizioni multiple ridondanti e/o "blind", verranno realizzate, sperimentate e confrontate nel nostro progetto. In alternativa, sono stati proposti schemi di codifica dei chunk entro un determinato segmento di dati. Ad esempio, nel protocollo rstream, i chunk sono ricodificati in ogni nodo, usando lo stesso codice LT, in modo da limitare la trasmissione di informazioni di controllo. Inoltre, rstream propone un meccanismo ibrido push-pull per lo scambio di dati, che porta a una buona efficienza nello sfruttamento della banda.. I codici a fontana digitale (DFC), come gli LT e i raptor proposti da Luby e Shokrollahi e recentemente inclusi negli standard 3GPP-MBMS e DVB-H, hanno caratteristiche che li rendono adatti per questa applicazione. Essi consentono la generazione casuale di un numero arbitrario di simboli codificati, con complessità lineare di co-decodifica, a spese di un minimo overhead rispetto ai codici RS. Per questo motivo, essi verranno studiati nel progetto. -Transcodifica e controllo del rate. In una visione di reti logiche interoperabili, si dovrà considerare la presenza di collegamenti instabili causati da nodi con segmento di accesso wireless. Inoltre, le risorse dei nodi in termini di risoluzione e banda posso essere differenti. La gestione di nodi altamente inaffidabili ed eterogenei pone nuovi problemi e richiede l'utilizzo di strumenti di robustezza agli errori e di transcodifica di formati. Lo standard H.264/AVC è stato sviluppato in modo da includere strumenti di resistenza agli errori, quali interlacciamento di slice, ordinamento flessibile dei macroblocchi (FMO), partizione dei dati in classi (associate a strategie di protezione ineguale), selezione del frame di riferimento, inserimento di slice ridondanti, frame SI/SP. Tutti questi strumenti sono disponibili anche per il livello base di H.264/SVC (che è per definizione compatibile con AVC). Tra tutti questi strumenti, l'inserzione nel flusso di MB codificati intra aiuta a limitare la propagazione degli errori. La scelta dei MB intra può essere fatta in maniera casuale oppure ottimizzata. Un algoritmo recursivo (ROPE - Recursive Optimal per Pixel Estimate) è stato sviluppato per H.263 e recentemente generalizzato a H.264/AVC, al fine di stimare la distorsione totale con approccio pixel per pixel. In alcune applicazioni, come video ripreso da telecamere amatoriali, il contenuto è disponibile solo in forma compressa, e la codifica è realizzata con il solo fine dell'efficienza di compressione. In questo caso, la letteratura propone l'uso di un transcodificatore in un nodo della rete, che modifichi il flusso rendendolo robusto. La maggior parte delle tecniche per la robustezza sono disponibili anche per la transcodifica. Tuttavia, siccome si lavora direttamente nel dominio compresso, ci sono problematiche specifiche per questo scenario. La stima della distorsione è complicata dalla non disponibilità del segnale originale. Inoltre, per motivi di complessità, la transcodifica deve evitare di decodificare e ricodificare completamente il video, riusando piuttosto le informazioni di codifica presenti nel video in ingresso. Questi argomenti verranno trattati nel progetto, unitamente all'uso di codici di canale per scopi di robustezza, possibilmente associati a schemi scalabili per ottenere protezione ineguale. In modo simile, studieremo approcci cross-layer per ottenere compromessi tra le ridondanze da inserire a livello di sorgente e di canale. -Un aspetto importante riguarda la valutazione oggettiva della qualità dei contenuti video fruibili su ciascun peer. In questo ambito vi sono una serie di aspetti importanti, ed ancora poco considerati in letteratura: è necessario mettere a punto metriche oggettive per la stima della qualità video che siano il più correlate possibile con la reale qualità percepita da un osservatore umano (Mean Opinion Score, MOS, ottenibili da un panel di osservatori). Tali metriche devono essere principalmente orientate a valutare gli artefatti dovuti alle perdite di dati/pacchetti avvenuti nella rete; infine tali tecniche devo essere di tipo "no reference" cioè senza la disponibilità della sequenza decodificata senza errori. Anche questo aspetto verrà considerato con attenzione nell'ambito del progetto. MIUR - BANDO MODELLO A

12 Per riferimenti bibliografici, si prega di consultare le descrizioni degli argomenti specifici presenti nei modelli B. Testo inglese Following the success of BitTorrent for file-sharing, there has been considerable work in the area of P2P video streaming. Many of the commercial applications were developed in China, and mainly broadcast Asian TV stations. NARADA builds an overlay topology that connects nodes selecting the links based on round-trip-time (RTT) estimates. On top of the overlay, it builds a source rooted minimum delay data delivery tree. It has been tested with conferencing applications and is the underlying technology used in ESM (End System Multicast, NICE was initially designed for low bandwidth data streaming applications with a large number of receivers. Based on round-trip-time information between hosts, it builds a hierarchy of nodes. Nodes keep detailed knowledge of close peers (in terms of hierarchy) and coarse knowledge of nodes in other groups; no global topological information is needed. SPLITSTREAM, from Microsoft Research, improves fair sharing of resources by building multiple trees, where a node can be a leaf in all trees but one. Data, divided into stripes, is propagated using a different multicast tree per each stripe. A receiver that wishes to attain a certain quality of service by receiving a given number of stripes, joins the trees that correspond to those stripes. This concept strictly resembles the multiple description coding paradigm, also pursued in the Microsoft Avalanche project, which uses network coding concepts for parallel download of files. VIDTorrent, from MIT, also implements a "forest" of independent trees that carry multiple interleaved sub-streams; nodes reconstruct the stream by aggregating the sub-streams, in an MDC-like fashion. PPLive is by far the most popular video streaming client. The protocol is proprietary, but it could be classified as mesh-based. The major difference with BitTorrent is that packets must meet the playback deadline. In order to relax the time requirements and smooth out the jitter, packets flow through two buffers: one is managed by PPLive, the second by the media player. A downside of such architecture is the long startup delay. Nevertheless, PPLive has proven to perform remarkably well in several important applications. On January 28, 2006 it delivered a popular TV program in China, hosting over 200K users, at data rates Kbps, reaching an aggregate bit rate of 100Gbps. DONet (or Coolstreaming) is probably the next most successful system implementation to date, and extensive information about the internals of the scheme are available. For features such as registration, peer discovery and chunk distribution, it works the same as PPLive. It implements an algorithm that downloads the rarest chunks first, and chooses the chunks owned by nodes with largest bandwidth. Differently from the above mentioned schemes, an ANYSEE node participates in mesh building but it does not pull chunks from its peers. Every node in the mesh keeps an active path for data, and a set of backup paths, in case the active path fails. This scheme first introduces the concept of inter-overlay optimization. It involves all nodes (e.g. it uses the spare bandwidth capacity of the nodes that are receiving a given channel to help those nodes that are receiving another one) increasing network efficiency. Smaller buffers are then required compared to chunk-based schemes. Experimental results evaluate the average delay within 30 s. Born as a student project at Fudan University, SopCast as a protocol is a closed system. It provides services to both consumers and producers of content. Consumers can log on and tune on the desired channel; producers can register a channel and broadcast content. Likewise, a producer can stream a file by acquiring such a channel, similar to what can be done with a system such as "youtube". SopCast was an almost instant success; as reported by the developers in a Wall Street Journal interview, it had already supported more than 100,000 simultaneous users. From this brief and non exhaustive overview, it turns clear that the new generation of P2P streaming solutions have enormous potential. However, given the asymmetry of typical residential broadband connections, at present IPTV-quality streaming exclusively relying on the P2P upload bandwidth is not possible; one should either provide additional bandwidth (e.g. from a service provider), or reduce the video quality. In order to enhance the P2P streaming experience, significant technological progresses are required. We deem the following topics crucial to achieve significant quality improvements in the near future. Scalability. In P2P, the video quality (related to the number of connected peers) is subject to deep variations. Even though this problem is intrinsic in the P2P paradigm, some countermeasures can be adopted at the video coding level. To this end, scalable video coding (SVC) is an interesting tool. In fact, several quality levels can be recovered from a scalable video stream, provided that some basic information (the so-called base layer) is received. This helps avoiding abrupt service breakdown, and also facilitates the exchange of contents among users equipped with different display resolution. A major boost to scalabiliy is given by the MPEG/ITU-T JVT H.264/SVC co-decoder, which at present is final draft international standard (FDIS). H.264/SVC is conceived as an extension of H.264/MPEG-4 Part 10 AVC; it implements temporal, resolution and quality scalability and any combination of them, with almost negligible compression penalty with respect to AVC. H.264/SVC will be explored as a fundamental tool in this project. However, we cannot ignore its main drawback, i.e. the co-decoding complexity. Other tools for scalability have also been proposed, e.g. wavelet based SVC (WSVC) of various flavors. In this project we will consider multi-scale pyramids and adapt the related architectures to the P2P context, also paying attention to the main protocol modifications that enable the exchange of scalable streams among peers. The use of SVC encoded data in the P2P video streaming context is a relatively new topic. A few proposal have appeared, where peers are somehow ranked, and the transport of the base layer is devoted to the most reliable peers. Each peer may be called to subscribe a priori a given quality level. Also, multiple tree architectures have been proposed, with each tree carrying a different layer, dynamically managed so as to maximize the overall quality. Such proposal should be considered as very preliminary. Multiple Description Coding. An MDC stream is divided into multiple substreams (or descriptions), which are separately encoded and transmitted. Similarly to SVC, MDC allows for graceful degradation, in that a basic quality level is obtained from a single description, and quality enhancement stem from the decoding of further descriptions. Different from SVC, which requires the reception of the base layer, no hierarchy exists among descriptions, so any description is useful to improve quality. On the other hand, MDC is typically redundant. In fact, descriptions must be somewhat correlated to each other, so that the information of the missing ones can be estimated from the received ones. As a consequence, some extra rate must be accounted for in the overall rate-distortion trade off. Several MD techniques have been proposed, such as MD quantization, correlating transforms, lapped orthogonal transforms, correlating filterbanks, video subsampling. Recently, MDC schemes compatible with coding standards such as JPEG2000 or H.264/AVC have been proposed, which are beyond doubt relevant to this project. One of the objections to the use of MDC in P2P is that peers receiving a subset of the descriptions generally recover an estimated version of the missing ones; consequently, peers may be called to share non equal contents. This drawback is not void of solutions, and is also relevant to SVC. However, is worth noticing that MD schemes allowing for exact reconstruction of the signal do exist. In MDC using redundant bases (frames), the descriptions, obtained as the output of an oversampled filter bank, exhibit deterministic redundancy and enable exact recover of missing information. As such descriptions are generally visually meaningful, they can be individually compressed using standard tools; this way, the description generation and decoding can be conceived as pre-/post-processing tools at the transmitter/receiver. Interesting research topics regard the comparison/merging of MDC and SVC features, and the adaptation of MDC tools so as to create scalable descriptions. Another issue is the relationship between MDC, SVC and distributed video streaming, which makes use of the distributed source coding principles for efficient encoding of correlated sources (e.g. different resolution versions of the same video). All these topics are almost unexplored, and will be addressed in this project. Uplink bandwidth exploitation. Typical domestic broadband connections exhibit an asymmetry between the downlink and the uplink bandwidth; this latter turns out to be a critical parameter for the system performance. Consequently, a P2P solution ought to implement an optimized exploitation of such a scarce resource. In chunk-based algorithms, such as those stemming from the BitTorrent protocol, it is well known that the uplink bandwidth exploitation efficiency depends on the chunk size. However, whereas small chunks yield better efficiency, they also imply larger buffer maps to be exchanged among the peers, and ultimately a larger protocol overhead associated with the chunk transfer. This imposes a complicated trade off between bandwidth efficiency and overhead. This problem has been recently faced by Octoshape (www.octoshape.com), which proposes a "chunkless" approach. The original data stream is further partitioned into N sub-streams, and the stream is reconstructed as soon as M less than N sub-streams are received. Thus, each node can recover the original video from M sub-streams received from M peers; users experience a download bandwidth that is M times larger than the upload one. Even though Octoshape is a closed system, and no internals are publicly available, it strictly resembles the concept of redundant multiple description coding (RMDC), and also methods for blind generation of descriptions, without the need for peer negotiation. Chunkless coding techniques, related to the concept of redundant/blind MDC, will be studied in this project. Alternatively, chunk coding schemes within given video segments have been proposed. For example, in the rstream protocol data chunks are re-encoded in each node using the same LT code, so as to avoid the exchange of overhead information. A hybrid push-pull mechanism is proposed for data exchange, leading to a very high efficiency in bandwidth exploitation. Digital fountain codes (DFC) such as LT and raptor, proposed by Luby and Shokrollahi and recently included in the 3GPP-MBMS and DVB-H standards, exhibit a number of features that make them suitable for this application. In fact, they allow for the random generation of an arbitrary number of encoded symbols with linear co-decoding complexity, at the expenses of some overhead with respect to RS coding. This is the reason why these codes will be explored in this project for chunk encoding. Transcoding and rate control. In a vision of future interoperable and seamless overlay networks, one must account for the presence of unreliable links, due to the fact that some peers can be connected via a wireless, possibly mobile access segment. Moreover, the peer resources in terms of resolution and bandwidth may be different. Including heavily unreliable/heterogeneous peers in a swarm is challenging, and demands for resilience and transcoding strategies. The H.264/AVC standard has been designed to include resilience tools such as slice interleaving, flexible MB ordering (FMO), data partitioning (possibly associated to unequal error protection), multiple reference frame, redundant slices, SI/SP frames; all of them are also available for the H.264/SVC base layer, which is AVC-compliant by definition. Among such tools, the insertion of intra-coded MB is known to be effective in that it can stop error propagation. The selection of intra-coded MB can be done either randomly or preferably evaluating the impact of error propagation on the signal quality. To this end, the ROPE algorithm (Recursive Optimal per Pixel Estimate) has been MIUR - BANDO MODELLO A

13 proposed for H.263, and recently extended to H.264/AVC, for the estimation of the end-to-end distortion on a pixel-by-pixel basis. In practical applications, video contents (e.g. stemming from consumer video cameras) are only available in compressed from, and the encoding process merely pursues compression efficiency, with no prior knowledge of the network characteristics. In this situation, video transcoding in network nodes has been proposed to insert error resilience into the bit stream. Most of the error resilience tools described for the uncompressed domain can be used for transcoding. Nevertheless, since transcoding works directly in the compressed domain, there are issues that are specific to this scenario. First, the problem of distortion estimation is complicated by the unavailability of original data. Second, transcoding must avoid complete decoding/encoding to limit complexity, but instead re-use the coding information of the incoming compressed stream. Such topics will be addressed in this project, along with the use of channel coding for resiliency purposes, possibly associated to a layered bit-stream to achieve unequal packet loss protection scheme. Similarly, we will study cross layer approaches, to achieve better trade off between source redundancy (resiliency) and channel coding protection. An important aspect is related to objective evaluation metrics of the quality of contents available on the peer nodes. The design of such metrics, not so explored in the literature, must take into account several important aspects: the metric outputs should be highly correlated to the quality actually perceived by a final user (be in accordance with MOS, Mean Opinion Score, collected from an observer panel); the metrics should be mainly oriented towards the evaluation of the artifacts introduced by the data/packet losses; finally, "no-reference" metrics should be considered, as the content decoded without losses is not available at the peer-nodes. All these topics will be considered in our project. For bibliographic references on specific topics, please refer to the "background" sections in the B-forms from each RU Articolazione del Progetto e tempi di realizzazione Testo italiano La pianificazione generale del lavoro prevede un'organizzazione gerarchica in workpackage e task (fig. 1). WP0: Coordinamento e gestione. Si effettueranno: organizzazione di riunioni iniziale e intermedie, workshop finale; creazione e manutenzione del sito Web, della libreria di SW e documenti, del dimostratore; coordinamento e gestione di aspetti amministrativi e di rendicontazione; attuazione di procedure di autovalutazione. WP1: Scalabilità e codifica a descrizioni multiple per il P2P. SVC e MDC condividono alcuni elementi comuni, quali la disponibilità di diversi livelli di qualità al ricevitore. Si vuole valutare l'efficacia di tali strumenti nel contesto di streaming su P2P, e individuare schemi ibridi. T1.1 Analisi dei punti di forza e debolezza del P2P per lo streaming video. Si considereranno i principali protocolli e topologie di reti P2P esistenti, e se ne analizzeranno le caratteristiche principali, i punti di forza e debolezza, i potenziali vantaggi indotti da tecniche avanzate di codifica video. Ciò determinerà una serie di requisiti per le tecniche di codifica da sviluppare. Se possibile, si stabiliranno contatti con altri progetti focalizzati su aspetti di sicurezza e di rete. T1.2 H.264/SVC in P2P. H.264/SVC è una scelta privilegiata qualora si voglia attuare la scalabilità. Si affronteranno: a) Selezione dei layer da implementare e ottimizzazione rate-distortion; l'ottimizzazione RD inter-layer è molto complessa, soprattutto quando il flusso è organizzato in molti layer. b) Specifica di un protocollo di streaming P2P in grado di gestire flussi SVC. Si identificheranno topologie di rete e protocolli di streaming capaci di gestire lo scambio di flussi scalabili, e si realizzerà un client ad hoc per analisi delle prestazioni. T1.3 Altri approcci alla scalabilità. Nonostante l'esistenza di H.264/SVC, strutture differenti per la scalabilità possono presentare caratteristiche interessanti per il contesto P2P. Ad esempio, H.264/SVC non è stato progettato vincolando la complessità computazionale, che tuttavia è un aspetto critico per i dispositivi mobili. Inoltre, l'analisi multi risoluzione pare ben adattarsi ad architetture ad albero multiplo. Si vogliono approfondire le questioni inerenti la complessità, e inoltre adattare e perfezionare l'approccio basato su wavelet per l'applicazione di streaming video P2P. Si studierà la decodifica a risoluzione adattativa spazio-variante, che permette di decodificare una regione ad alta risoluzione mantenendo lo sfondo ad una risoluzione più bassa. Inoltre, saranno presi in considerazione i concetti di trasmissione basata sulla priorità delle sottobande con protezione ineguale, e di trasmissione a risoluzione adattativa nei confronti delle caratteristiche del terminale e della rete. MIUR - BANDO MODELLO A

14 T1.4 Codifica a descrittori multipli per streaming P2P. Vogliamo verificare i potenziali benefici di MDC per lo streaming P2P. Pertanto, partiremo da schemi noti in letteratura, con buone caratteristiche di efficienza e che generano descrittori ciascuno dei quali è un flusso H.264-compatibile. Quest'ultima proprietà ci sembra molto importante per un'applicazione pratica. Quindi, integreremo MDC in un opportuno protocollo di streaming P2P, e valideremo i benefici comportati da MDC per quanto riguarda qualità e continuità del servizio. Inoltre, l'uso congiunto di MDC e SVC è un argomento di ricerca ancora in larga parte inesplorato e tuttavia promettente. Si può infatti pensare di codificare le descrizioni come flussi scalabili; in questo modo, vi è un'alta probabilità che le perdite non incidano su tutta la descrizione, ma solo su alcuni dei layer costituenti. Si effettuerà uno studio teorico sulla fattibilità di costruire descrizioni scalabili, e si progetteranno schemi pratici, che verranno sperimentati e confrontati tra loro e con il caso non scalabile. WP2: Tecniche di codifica e robustezza per lo streaming P2P. T2.1 Codici a fontana digitale nelle reti mesh overlay. Nelle reti logiche di tipo mesh, ciascun nodo contatta un sottoinsieme di peer per ottenere un certo numero di chunk. Ogni nodo deve sapere quali chunk sono di proprietà dei suoi peer, e richiederli esplicitamente. Questi sistemi sono resistenti ai fallimenti dei nodi, ma provocano sovraccarico dovuto allo scambio delle mappe dei buffer. L'uso di chunk grandi limita il sovraccarico, ma diminuisce efficienza di sfruttamento della banda di uplink. Si analizzerà l'uso di codici per la soluzione di questo problema. Nel dettaglio: a) Si esamineranno diverse famiglie di codici (RS, LT, raptor) per la codifica dei chunk, prendendo ispirazione dal sistema rstream. Il fine è evitare lo scambio di informazione di segnalazione, rendendo possibile la ricezione di un segmento video (per esempio un Group of Pictures - GOP) da un qualsiasi insieme di pacchetti dati di sufficiente cardinalità senza negoziare lo scambio di chunk specifici. Le prestazioni saranno valutate in termini di efficienza spettrale e sovraccarico totale, rispetto ai convenzionali protocolli basati sui chunk. b) I DFC presentano un penalità limitata rispetto ai limiti teorici di prestazioni, quando il blocco di dati codificati è grande. In caso di contenuti video, i dati devono essere adeguatamente segmentati, in modo da permettere agli utenti di recuperare l'informazione per il playout. A tal fine, un approccio a finestra può essere realizzato per ingrandire virtualmente il blocco di dati. T2.2 Codifica video distribuita. Il paradigma DVC afferma che sorgenti video correlate possono essere codificate in modo efficiente da utenti che non comunicano tra loro, se i dati codificati sono forniti a un unico decodificatore. Lo streaming video distribuito può essere visto come un problema di codifica di sorgenti correlate. Per esempio, se due utenti hanno versioni a diversa risoluzione di uno stesso contenuto, il primo utente può inviare la versione a bassa risoluzione, mentre il secondo può trasmettere una descrizione DVC dell'alta risoluzione. La differenza principale di questo approccio rispetto a MDC è che gli utenti non devono necessariamente avere a disposizione un identico video originale. Studieremo: a) DVC nel P2P. Esamineremo lo stato dell'arte di DVC e individueremo modelli di correlazione tra i frame da decodificare congiuntamente. Siccome gli utenti possono avere a disposizione stream a differente risoluzione temporale e spaziale, le tecniche di codifica dovranno gestire entrambi i tipi di correlazione. b) Fusione di DVC e SVC. Si esamineranno tecniche DVC per SVC. Un particolare scenario è rappresentato dal caso in cui un utente abbia a disposizione una versione a bassa risoluzione di un video, e un altro una a risoluzione più alta. In tal caso, il ricevitore può essere interessato a ricevere la versione a bassa risoluzione dal primo utente e un layer di miglioramento dal secondo. La situazione è simile a quella riscontrata in SVC, con l'eccezione che il layer di miglioramento deve essere estratto senza conoscenza del layer di base. In tal caso le tecniche DVC possono essere utilizzate per realizzare una forma di SVC. c) Super-risoluzione. Si esamineranno tecniche per l'estrazione di un singolo video ad alta risoluzione da un insieme di video eventualmente a diversa risoluzione. Si progetteranno efficienti tecniche di super-risoluzione per la particolare correlazione e lo scenario considerati. d) Codici per il problema del CEO. Ciò che di solito interessa al ricevitore è la ricostruzione della migliore possibile stima dei dati originali da cui le diverse versioni sono state estratte. Questo è noto in letteratura come problema del CEO. La progettazione di codici per questo problema potrebbe trovare interessante applicazione nei sistemi DVC. T2.3: Resistenza agli errori e transcodifica. Vogliamo analizzare tecniche per incrementare la robustezza del segnale video rispetto alla perdita di pacchetti. Il video può essere disponibile nel formato originale oppure già compresso (massimizzando l'efficienza di compressione); l'adattamento deve essere gestibile in entrambi gli scenari. Considereremo due significativi tipi di adattamento: transcodifica per robustezza e controllo del rate. a) Transcodifica per garantire robustezza. Normalmente il video originale non è disponibile al transcodificatore, e le risorse di calcolo possono essere limitate. Gli algoritmi normalmente usati per la stima della distorsione attesa dovuta alle perdite (p. es. ROPE) dovranno essere modificati. D'altra parte, strumenti come la divisione in slice, FMO, etc. possono essere usati in fase di transcodifica per migliorare l'error concealment al decodificatore. b) Controllo del rate per la transcodifica. Analizzeremo l'uso della codifica di canale per applicazioni di transcodifica, concentrandoci sull'allocazione ottima del rate tra ridondanza di sorgente e di canale. Di nuovo, questo richiede tecniche per la stima accurata della distorsione, ad hoc per la transcodifica. Infatti, nelle tradizionali tecniche di controllo del rate, vi è dipendenza tra ottimizzazione rate-distorsione e parametri di quantizzazione. Nella transcodifica tale problema non sussiste, in quanto il flusso compresso contiene già in sé le diverse scelte di parametri fatte dal codificatore. D'altra parte, la mancanza del video originale rende la stima dei parametri del modello rate-distorsione più impegnativa. T2.4: P2P chunkless. Data l'analogia con MDC (un singolo flusso è suddiviso in più sotto-flussi), si possono definire schemi chunkless che forniscano anche una qualità progressiva, usando le descrizioni multiple ridondanti (RMD). Dato che RMD agisce a livello di segnale, ci aspettiamo un controllo più accurato del flusso dati in uscita quando si cambia la modalità di codifica delle singole descrizioni (ad es., variando il passo di quantizzazione). a) Affronteremo l'analisi teorica. Anche se la struttura basata su RMD è una soluzione praticabile, è necessario analizzare anche approcci alternativi. Il numero minimo dei flussi e il miglior rate dovranno essere identificati. Infine, va notato che ogni nodo deve produrre una descrizione differente. La presenza di un controllo centralizzato che imponga a ciascun nodo la descrizione da produrre è contro lo spirito del P2P. Un altro approccio può essere permettere a ciascun nodo di scegliere in maniera casuale la descrizione da generare (descrizione multipla "cieca" - BMD). b) Realizzeremo un modulo SW che: riceva le descrizioni dagli altri nodi attraverso porte UDP; utilizzi le descrizioni per ricostruire il contenuto multimediale; utilizzi il contenuto per creare una nuova descrizione da trasmettere agli altri nodi attraverso UDP. L'indipendenza del modulo MD dal particolare protocollo P2P ne permette il test anche su elaboratori singoli. Questo modulo sarà possibilmente integrato nel dimostratore finale del progetto. T2.5 Algoritmi di ottimizzazione cross-layer. Al fine di raggiungere una certa QoS in un sistema caratterizzato da molti gradi di libertà, il consueto paradigma della separazione sorgente, canale e rete va superato. Se SVC o MDC o entrambi sono realizzati a livello di codifica video, questi complicano ulteriormente il problema di ottimizzazione. Questo è il motivo per cui lo studio di strategie di ottimizzazione congiunta (cross-layer) è un argomento impegnativo. Studieremo: a) Algoritmi di ottimizzazione cross-layer per codificatori H.264/SVC. Studieremo ed realizzeremo strategie per ottimizzare congiuntamente una sorgente scalabile e i parametri di trasmissione in base a criteri di qualità. b) Strategie cross-layer per MDC scalabile. Combineremo tecniche UEP cross-layer e MDC in un'unica architettura ottimizzata in grado di adattarsi alle condizioni della rete e la banda a disposizione. T2.6 Metriche di qualità. Un aspetto importante nel monitoraggio e valutazione della qualità del servizio delle reti P2P per video streaming riguarda la valutazione oggettiva della qualità dei contenuti disponibili a ciascun peer. In questo ambito vi sono una serie di aspetti importanti. E' necessario mettere a punto metriche oggettive per la stima della qualità video che siano quanto più correlate possibile con la reale qualità percepita da un osservatore umano (cioè correlati con i Mean Opinion Score, MOS). Tali metriche devono essere principalmente orientate a valutare gli artefatti dovuti alle perdite di dati/pacchetti avvenuti nella rete; devono essere di tipo "no reference" cioè senza la disponibilità della sequenza decodificata senza errori. Ci si ripromette sia di raccogliere MOS relativi ad un numero statisticamente significativo di sequenze la cui decodifica sia affetta da distorsioni legate alle perdite di dati (assolutamente non disponibili in letteratura), sia di mettere a punto metriche oggettive no-reference per la valutazione della qualità, la cui efficacia verrà valutata in confronto ai dati di MOS raccolti. WP3: Dimostrazione, valutazione delle prestazioni e diffusione dei risultati. Oltre al SW di simulazione sviluppato all'interno di ciascun WP/task per convalidare i relativi algoritmi, il progetto prevede due tipi di attività sperimentali: sviluppo di un simulatore di rete P2P e realizzazione di una piattaforma comune di dimostrazione. T3.1 Simulatore di rete P2P. Vogliamo fornire al progetto uno strumento che consenta un'analisi quantitativa di sistemi di video streaming P2P. Il simulatore sarà scalabile e comprenderà topologie ad albero e mesh; modellerà la rete logica e la rete fisica sottostante. Gestirà la segnalazione tra nodi, la costruzione della rete logica e la sua manutenzione. Servirà come strumento di validazione delle tecniche sviluppate da tutte le UR del progetto. T3.2 Sperimentazione P2P. Un protocollo P2P comune sarà selezionato per dimostrare i risultati del progetto. Esso si interfaccerà con un co-decodificatore open-source in modo da permettere la validazione di molte tecniche di codifica video studiate nel progetto. Ci si propone di effettuare sperimentazione di streaming video tra le varie sedi coinvolte, adottando come applicazione di test la diffusione di lezioni di dottorato tra le diverse università. Tale dimostratore potrà essere usato anche dopo la fine del progetto, e esteso a altre università interessate a questo tipo di applicazione. Le tecniche di codifica avanzata (SVC, MDC ecc.) da portare sul dimostratore saranno definite in dettaglio nel corso del progetto, sulla base dei risultati ottenuti nell'ambito ciascuna attività usando test-bed specifici, tipicamente implementati su macchine locali. T3.3 Diffusione dei risultati. Saranno concordate opportune strategie di diffusione dei risultati del progetto. MIUR - BANDO MODELLO A

15 Le attività saranno organizzate in 3 fasi. Nella fase 1 (mesi 1 e 2) approfondiremo lo stato dell'arte, elencheremo i principali problemi aperti, concorderemo scenari di simulazione e strumenti SW comuni, definiremo il piano di lavoro dettagliato. Durante la prima riunione (mese 1), presenteremo il know-how dei partecipanti, definiremo il calendario della seconda fase, organizzeremo gruppi di lavoro e altri strumenti di integrazione. Nella fase 2 (mesi 3-18), tutte le attività di ricerca verranno eseguite in parallelo. Sarà mantenuto lo scambio di informazioni tra le UR al fine di evitare duplicazioni del lavoro e di coordinare la ricerca. Incontri di verifica saranno organizzati al mese 6 e al mese 12; durante tali incontri, si andrà definendo la struttura del dimostratore comune, e la lista delle tecniche che verranno su esso sperimentate. Sulla base di tali verifiche, il lavoro sarà eventualmente riorganizzato per soddisfare gli obiettivi del progetto. La fase 3 (mesi 19-24) sarà pianificata nel corso di un'ulteriore riunione plenaria (mese 18), e sarà dedicata al test finale, all'allestimento finale del dimostratore e alla preparazione del workshop. La pianificazione delle riunioni di progetto è riassunta in tab. 1. Testo inglese The general project workplan, described here, is hierarchically organized into workpackages and tasks (Fig. 1). WP0: Coordination and management. This WP will include: organization of kick-off, progress meetings and final workshop; set up and maintenance of Web site, common SW and document repository; coordination and management of administrative aspects and reporting; implementation of self assessment procedures. WP1: Scalability and multiple description coding for P2P. SVC and MDC are enabling technologies, which share some common elements such as the availability of several quality levels at the receiver. We want to assess such instruments in the context of P2P video streaming, and to identify hybrid schemes getting the best from both approaches. T1.1 Analysis of the strengths and pitfalls of P2P approach for video delivery. P2P protocols and overlay network topologies will be considered, and their main features will be analyzed, so as to identity their main strengths and pitfalls, and potential advantages yielded by the use of advanced video coding techniques. This analysis will drive a set of requirements related to the coding techniques to be developed. If possible, links will be established with other projects more focused on network and security aspects. MIUR - BANDO MODELLO A

16 T1.2 H.264/SVC in P2P. The H.264/SVC co-decoder is almost a due choice when exploring scalability. In order to enable an effective use of this tool, we will address: a) Selection of the layers to be implemented and rate-distortion optimisation. Inter-layer rate distortion optimisation turns out to be very critical especially when many layers are implemented. b) Specification of a protocol for P2P video streaming able to support SVC. We will identify network topologies and streaming protocols able to deal with SVC-encoded streams. We will implement an ad-hoc client so as to validate the performance. T1.3 Other approaches to scalability. Besides H.264/SVC, different structures for scalability may offer interesting features in the P2P context. For instance, H.264/SVC deserves little consideration to computational complexity, which in turn is a critical aspect for battery operated mobile devices. Moreover, multi-scale pyramids seem well suited to multiple tree P2P protocols. We want to further explore complexity issues, in order to permit users with battery-operated devices to cooperate with the other nodes of the network. We want to adapt and refine wavelet based approach to scalability so as to match the P2P video streaming paradigm. Space variant resolution adaptive decoding will be studied, which make it possible to decode a certain region at high spatial resolution while keeping the background at a lower resolution. Priority based transmission of the various subbands with UEP will be addressed, along with resolution adaptive transmission according to terminal and network characteristics. T1.4 Multiple description coding for P2P video streaming. We want to explore the possible benefits of MDC for P2P video streaming. We will start from a scheme known in the literature, which exhibits good efficiency and generates descriptions that are H.264-compatible streams (this property seems important in practical applications). We will integrate MDC into a proper P2P streaming protocol, and will validate the benefits induced by MDC in terms of quality and continuity index. Moreover, the joint use of MDC and SVC is an almost unexplored, yet promising research topic. In fact, one can think of encoding descriptions as scalable streams; this way, there is a high chance that losses do not affect a whole description but only some of its layers. Practical schemes will de devised, validated and compared among them and with the non scalable situation. WP2: Encoding and resiliency techniques for P2P video streaming. T2.1 Digital fountain codes in mesh overlays. Mesh-based overlays implement a distribution graph, where each node contacts a subset of peers to obtain a number of chunks. Every node needs to know which chunks are owned by its peers and explicitly pulls such chunks. These systems offer good resilience to node failures, but involve overhead, due to the exchange of buffer maps between nodes and to the pull process itself. Using large chunks limits the overhead, but has a negative impact on the upload bandwidth exploitation. We want to explore encoding techniques to solve this problem. In more detail: a). We will take into account different encoding strategies and code families (RS, LT, raptor) to experiment chunk coding, similarly to the rstream protocol. The goal is to limit the negotiation among peers, making possible the decoding of a video segment (e.g. a group of pictures, GOP) from any sufficient subset of received packets. The performance will be validated in terms of bandwidth efficiency and total overhead, with respect to usual chunk based protocols. b) DFC are known to exhibit a limited overhead penalty with respect to theoretical performance bounds, when the encoded block of data is large. In case of video content the data must be properly segmented, so as to guarantee that users are able to recover information within the playout deadline. To this end, a windowing approach will be implemented to virtually enlarge the data block. T2.2 Distributed video coding. The DVC paradigm states that different correlated video sources can be efficiently encoded by non communicating users if the encoded data is provided to a single decoder. Distributed video streaming can be recast in terms of encoding correlated sources. For example, if two users have different resolution versions available, the low resolution one could be sent by the first user, whereas a DSC description of the high resolution could be transmitted by the second user. The main difference of this approach with respect to MDC is that users are not required to have the same original video data available. We will face the following topics. a) Using DVC principles in P2P. We will study the state of the art of DVC. Different models of correlations will be considered between the frames to be jointly decoded. Indeed, as different users may have different time and space resolution data available, the encoding techniques will be intended to deal with both temporal and spatial correlation. b) Merging DVC and SVC. We will study DVC techniques for SVC. A particular scenario is the case when a user has a low resolution version of a video, and another has a higher resolution version. In that case, the receiver may be interested in receiving the low resolution version from the first user and an enhancement layer from the second one. The situation is similar to the one encountered in SVC, with the exception that the enhancement layer has to be extracted without knowledge of the base layer. In that case DVC techniques can be used to perform SVC. c) Super-resolution. We will study techniques to be used for the extraction of a single high resolution video from a collection of possibly different resolution ones. We will devise efficient techniques for the particular correlation and scenario considered in our application. d) Codes for the CEO problem. What the receiver is often interested in, is reconstructing the best possible estimation of the original data from which all the different versions had been extracted. This is known in the literature as the CEO problem and it well known in the IT community. Practical design of codes for this problem could find interesting application in DVC systems. T2.3: Resiliency and transcoding. We want to investigate techniques for improving the robustness of video transmission in the presence of packet losses. Video data might be available either in original or compressed domain (in this case, only compression efficiency has been taken into account at the encoder side), and video content adaptation needs to be performed in both cases. We consider two relevant types of adaptation: robust (error resilient) transcoding and rate control. a) Robust transcoding. Unlike conventional robust encoding, original frames may be unavailable, and computational resources are limited. Owing to these facts, algorithms used for distortion (due to packet losses) estimation at the encoder (e.g. ROPE) need to be revisited. On the other hand, coding tools such as slicing, FMO, etc. are available, and can be efficiently exploited also at the transcoding stage in improve error concealment capabilities at the decoder. b) Rate control for transcoding. We will investigate the use of conventional channel coding for robust transcoding, focusing on the optimal rate allocation between source and channel redundancy. Again, this calls for accurate end-to-end distortion estimation techniques specifically designed for transcoding. In conventional rate control, there is a chicken-and-egg dilemma due to the mutual dependency between rate-distortion optimization and quantization parameters. Conversely, in transcoding such a problem does not exist, since the compressed stream already contains mode decisions performed by the encoder. On the other hand, the lack of the original frames makes the estimation of parameters of rate-distortion models more challenging. T2.4 Chunkless P2P. Given its similarity with MDC (a single media stream is divided into several data streams), one can devise chunkless schemes that additionally provide graceful degradation, exploiting redundant multiple descriptions (RMD). We expect that, since RMD works at the signal level, one will achieve a finer control of the output bit rate by changing the way each description is coded (e.g. the quantization step). a) We will face a theoretical work. Even though frame-based RMD is no doubt a viable solution, some investigation is required considering also alternative approaches. The minimum number of sub streams and the best bit rate assignment have to be addressed. Finally, it should be noted that each node must produce a different description. The presence of a centralized control, assigning to each node the distribution to be produced, is against the spirit of P2P. Another approach is to let each node to choose its description at random (blind multiple descriptions - BMD). b) We will develop an MD SW module that: receives descriptions from the other peers through UDP ports; uses the descriptions to reconstruct the multimedia content; uses the content to create a new description and forward it to other peers via UDP. The independence of the MD module of the P2P protocol allows for testing it even in a standalone computer. This module will possibly be integrated in the final demonstrator of the project. T2.5 Cross-layer optimization algorithms. In order to achieve a certain quality of service in a system characterized by many degrees of freedom, the usual separation paradigm is to be overcome to some extent. In our scenario, if either SVC or MDC or both are implemented at the video coding layer, these represent a further challenge in the problem of optimizing the source, channel and network parameters. This is why the investigation of cross layer optimization strategies is challenging. We will face: a) Cross-layer optimization algorithms for the H.264/SVC coder. We will study an implement strategies to jointly optimize the scalable source and the transmission parameters according to an overall quality criterion. b) Cross-layer strategies for scalable MDC. We will combine cross layer UEP strategies and MDC in a single, optimized architecture, able to adaptively match the network conditions and the bandwidth availability. T2.6 Quality metrics. An important aspect in the QoS evaluation and monitoring is the design of objective evaluation metrics of the video quality available at the peer nodes. The design of these metrics must take in to account several important aspects. The metric outputs should be highly correlated with the quality really perceived by a final user (i.e., in accordance with the correspondence MOS, Mean Opinion Score, collected from an observer panel); the metrics should be mainly oriented toward the evaluation of the artifacts introduced by the data/packet losses; finally, "no-reference" metrics should be considered, in fact at the peer-nodes it is not available the content decoded without any loss. We will work both on collecting subjective data in terms of mean opinion scores (MOS) of video sequences affected by packet losses (absolutely unavailable in the literature) and in the study of novel "no-reference video quality metrics specifically designed for capturing the effects of packet losses. The performances of the developed metrics will tested by comparing their outputs with the collected MOS data. WP3: Demonstration, performance assessment and dissemination. Besides the simulation SW developed within each WP/task to validate the related algorithms, the project foresees two kinds of experimental activities: development of a P2P network simulator, and implementation of a common demonstration platform. T3.1 P2P network simulator. The aim is to provide the project with a tool enabling quantitative analysis of P2P video streaming systems. This simulator will be scalable; both tree and mesh topologies will be considered. It will model both the overlay and the underlay network. Signalling among P2P peers and the construction MIUR - BANDO MODELLO A

17 of the overlay topology as well as its maintenance will be accounted for. It will be made available to all RUs for validation of the proposed techniques. T3.2 P2P experiments. A common P2P protocol will be implemented for demonstrating the project achievements. It will be interfaced with an open source co-decoder, so as to allow validation of many video coding techniques studied in the project. We want to do streaming tests among the involved RUs, adopting as a case study the distribution of Phd lessons among the involved universities. Such a test-bed will also possibly be used beyond the end of the project, and extended to other universities interested in such an application. The set of advanced coding tools (MDC, SVC etc.) to be ported in the demonstration test-bed will be detailed during the project, based on the partial achieved results within each task using reduced test-beds, based on local machines. T3.3 Dissemination of results. Effective dissemination strategies will be agreed upon and implemented. The activities of the project will be organized in three phases. In phase 1 (months 1 and 2) we will investigate the state-of-the-art of the various research topics, list the major open problems, agree upon simulation scenario and common SW tools, define the detailed work plan. A meeting will be organized at month 1 to present the consortium know-how, define the exact schedule of the second phase, organize common tools, define working groups and other instruments for integration. In phase 2 (months 3-18), all the research activities will be run in parallel. A continuous exchange of information between the RUs will be carried out in order to avoid work duplication and coordinate research on correlated topics. Verification events will be held at month 6 and month 12, to check the state of the research. Based on this verification, the work will be possibly reorganized to fulfil the project objectives. Phase 3 (months 19-24) will be devoted to final testing and organization of the demonstrator. This phase will be planned during a plenary meeting held at month 18, and will include the integration and comparison of the techniques developed by the various RUs and the preparation of the final workshop. The project meeting schedule is reported in table Ruolo di ciascuna unità operativa in funzione degli obiettivi previsti e relative modalità di integrazione e collaborazione Testo italiano Il consorzio che propone questo progetto comprende cinque UR, le quali apportano competenze complementari, serie e approfondite relative alle tematiche in oggetto. I ricercatori coinvolti hanno notevole esperienza nel settore della codifica video, nonché di partecipazione e gestione di progetti di ricerca nazionali e internazionali. In sintesi, la UR1 si occuperà di integrare in sistemi di streaming P2P video codificato con H.264/SVC e MDC compatibile con H.264/AVC; dell'applicazione di codici a fontana digitale per la codifica dei chunk; del coordinamento del progetto. Infine, la UR1 ospiterà ricercatori del Department of Computer Science di UCLA e della Xi'an Jaotong-Liverpool University di Suzhou, Cina, per rinforzare le competenze nel settore di reti e protocolli P2P e MDC. La UR2 si occuperà di MDC basati su banchi di filtri sovracampionati, "redundant" e "blind" MDC per P2P "chunkless", e realizzerà un simulatore SW di tali metodi. La UR3 studierà tecniche di codifica scalabile a bassa complessità basate su trasformate wavelet e techniche di codifica scalabile a descrizioni multiple; inoltre, affronterà tematiche di ottimizzazione cross-layer. La UR4 tratterà problematiche di robustezza agli errori e transcodifica, e modellizzazione della qualità video nei sistemi P2P. Inoltre, essa completerà le competenze retistiche del consorzio, e allestirà un simulatore SW di sistemi P2P che verrà usato da tutte le UR. Infine, la UR5 si occuperà della codifica video distribuita, e di scalabilità basata su piramidi multirisoluzione. Resta inteso che tutte le UR sono coinvolte nel Task 1.1 "Analisi dei punti di forza e debolezza del P2P per lo streaming video", T3.2 "Esperimenti P2P" e T3.3 "Diffusione dei risultati". Le UR potranno essere coinvolte in attività riguardanti il WP0 "Coordinamento e gestione" (come manutenzione del sito Web e della libreria SW comune). Le attività di ricerca di ogni UR sono descritte nel seguito in modo dettagliato.. UR1. -Codifica video scalabile: H.264/SVC nel P2P (T1.2). Ci si riferirà a H.264/SVC, e si identificheranno strategie per la scelta dei layer da realizzare, specifiche di co-decodifica SVC nei client P2P, implementazione e validazione di un client P2P con supporto SVC. Questa attività sarà svolta con l'ausilio degli esperti di reti di questa UR (inclusi i ricercatori di UCLA) e UR4, e in stretta collaborazione con UR3 e 5 (le quali si concentreranno sulla scalabilità a bassa complessità e WSVC). -Codifica a descrizioni multiple nel P2P (T1.4). Si studierà l'integrazione della codifica a descrizioni multiple in sistemi di streaming P2P, partendo dagli schemi che fanno uso dell'opzione slice ridondanti di H.264/AVC. Si identificheranno e realizzeranno le relative soluzioni di streaming, che saranno sperimentate e confrontate con altri metodi MDC e DVC esplorati da UR3 e UR5. -Codici a fontana digitale nelle overlay mesh (T2.1). L'uso dei DFC per applicazioni realistiche di streaming video è promettente, anche se vari argomenti di ricerca vanno approfonditi. L'efficienza dei DFC è sub-ottima in caso di blocchi corti, situazione tipica delle applicazioni di streaming video. Si proporranno soluzioni a questo problema, basate sul concetto di "sliding fountain", in grado di fornire addizionalmente protezione ineguale errori e codifica congiunta di sorgente e canale. Inoltre, si studierà l'applicazione di DFC per la codifica dei chunk. Si analizzeranno differenti strategie di codifica e varie famiglie di codici (RS, LT e raptor). Le prestazioni dei sistemi selezionati verranno analizzate e confrontate con le strategie "chunkless" sviluppate da UR2. -Coordinamento, gestione e diffusione dei risultati (WP0, T3.3). Si realizzeranno strategie efficienti di coordinamento. Si creerà e manterrà un sito Web e una libreria comune di SW. Si organizzeranno le riunioni di verifica e il workshop finale. Si proporrà un piano per la divulgazione dei risultati. Si promuoverà la preparazione di articoli congiunti, e la partecipazione congiunta ad ulteriori progetti di ricerca. Ci si occuperà della rendicontazione tecnica e amministrativa. MIUR - BANDO MODELLO A

18 UR2. La UR2 analizzerà tecniche di descrizioni multiple per codifica "chunkless" e codifica robusta (T1.4, T2.4). In particolare, si considereranno schemi di redundant multiple description (RMD) ottenuti mediante banchi di filtri sovracampionati, e schemi di tipo "blind". Lavori teorici e pratici piloteranno la scelta degli schemi più appropriati per le applicazioni di video streaming, e del miglior numero di descrizioni per ottimizzare il trade-off tra robustezza e efficienza di codifica. Inoltre, saranno presi in considerazione vincoli specifici delle architetture P2P, come il tempo di inizializzazione, la qualità di riproduzione, la probabilità di disconnessione di un nodo. I risultati saranno confrontati con i metodi di codifica dei chunk sviluppati da UR1. UR2 svilupperà un modulo SW per realizzare RMDC. Esso sarà usato come strumento in una generica struttura trasmissiva P2P. Invece, il modulo P2P, che sarà il più possibile indipendente dal modulo MD, sarà sviluppato in collaborazione con le altre UR. Inoltre, UR2 svilupperà un player, il quale sarà messo a disposizione di tutti i partner come strumento di simulazione. I moduli SW verranno integrati nel dimostratore comune sviluppato durante il progetto. UR3. L'attività della UR3 sarà organizzata in tre fasi. La prima fase si focalizzerà su una descrizione formale dei requisiti di codifica video P2P in termini di scalabilità e larghezza di banda (T1.1). Si effettuerà anche l'analisi dello stato dell'arte relativa a trasmissione robusta e soluzioni cross-layer per SVC. I risultati di queste attività verranno usati per definire un piano più dettagliato per le fasi successive. Nella seconda fase, le seguenti attività di ricerca procederanno in parallelo: -SVC a bassa complessità (T1.3). Al fine di permettere agli utenti con dispositivi mobili di cooperare con gli altri nodi di una rete P2P, è utile considerare algoritmi SVC a bassa complessità e confrontarli con altre soluzioni SVC, in termini di efficienza di codifica e complessità. Sarà analizzato in particolare un algoritmo appartenente alla famiglia delle "piramidi multirisoluzione" (2D+t+2D). -Si studierà la realizzabilità di descrizioni multiple scalabili (T1.4) basate sullo schema precedente descritto. -Si studieranno e valideranno algoritmi di ottimizzazione cross-layer per H.264/SVC) e strategie per MDC scalabile (T2.5), che permetteranno un adattamento ottimo alla banda disponibile, mantenendo una ragionevole complessità computazionale. Nell'ultima fase del progetto ci si focalizzerà sull'integrazione e sul confronto delle tecniche sviluppate con quelle prese in esame dalle altre UR. UR4. Le attività di UR4 si orienteranno in tre direzioni: a) sviluppo di strumenti di codifica video robusti progettati in modo specifico per soluzioni di streaming video P2P (T2.3) b) metriche innovative per la validazione oggettiva della distorsione in sistemi P2P (T2.6), c) realizzazione di un modello accurato e la simulazione delle reti P2P (T3.1). Gli attuali standard di codifica video non sono stati ideati per lavorare in uno scenario di streaming video su P2P. Pertanto, è necessario adattare gli strumenti di codifica esistenti al nuovo scenario, rielaborandone le componenti o introducendo nuove tecniche di codifica. La maggior parte dei dati video che vengono scambiati nelle reti P2P sono disponibili solo in formato compresso. Inoltre, il flusso di bit compresso potrebbe essere stato generato da differenti codificatori non scalabili o scalabili (come H.264/SVC). UR4 si propone di: -Esaminare nuove tecniche di transcodifica progettate in modo specifico per H.264/AVC, al fine di aumentare la robustezza dei dati compressi; esaminare l'uso degli strumenti di codifica di canale convenzionali per una transcodifica robusta. Ciò richiede che tecniche di stima della distorsione end-to-end siano progettate in modo specifico per la transcodifica. -Mettere a punto metriche oggettive "no-reference"per la stima della qualità video che siano quanto più correlate possibile con la reale qualità percepita da un osservatore umano (cioè correlati con i Mean Opinion Score, MOS, ottenibili da un panel di osservatori); raccogliere MOS relativi ad un numero statisticamente significativo di sequenze la cui decodifica sia affetta da distorsioni legate alle perdite di dati, e confrontarli con le metriche oggettive selezionate. L'ultima attività riguarda lo sviluppo di un simulatore per misurare le prestazioni dei sistemi di streaming video P2P per una vasta serie di tecniche di codifica. Le prestazioni saranno misurate come velocità di riempimento del buffer di playout, ritardo end-to-end, ecc. Il simulatore modellerà sia la rete logica sia la rete fisica sottostante; esso terrà conto delle caratteristiche fisiche dei client (p.es. l'asimmetria delle connessioni internet ADSL) e delle caratteristiche dell'overlay, quali dimensioni del buffer di playout, ricostruzione e reinstradamento di segmenti, multicasting a livello applicazione, costruzione e manutenzione della rete logica. Si prenderanno in considerazione tecniche di codifica come MDC e una generica struttura di ripartizione dei dati. Il simulatore riceverà in ingresso sequenze video pre-elaborate UR5. La UR5 sarà coinvolta nelle seguenti attività di ricerca. -Codifica video distribuita (T2.2). Si studieranno tecniche di codifica distribuita di sorgente, o meglio, nel caso specifico di sorgente video, di DVC. Il paradigma DVC si basa sull'idea che differenti sorgenti correlate possano essere codificate in modo efficiente da utenti non comunicanti, se i dati codificati vengono forniti a un singolo codificatore. Pertanto, in base ai principi di DVC, lo streaming video distribuito si può interpretare come un problema di codifica di sorgenti correlate; ciò significa che utenti che hanno a disposizione diverse versioni dello stesso video, possono contribuire al funzionamento dello streaming inviando descrizioni DSC dei loro stream, al fine di innalzare la qualità della decodifica al ricevitore. UR5 partirà dallo stato dell'arte sull'uso del principio DSC per la codifica di immagini correlate, e svilupperà tecniche DVC adatte alla codifica video scalabile. Inoltre, saranno individuate nuove tecniche per l'estrazione di un video ad alta risoluzione/qualità da un insieme di video a risoluzioni/qualità diverse ("super-resolution"). Si individueranno tecniche efficienti di super-resolution per i particolari tipi di correlazione e gli scenari considerati nel progetto. Infine, questa UR studierà codici progettati ad hoc per il noto problema del CEO. In questo problema, il ricevitore non è interessato a ricostruire tutte le versioni del video, ma solamente a estrarre quella a risoluzione massima possibile. Per meglio dire, il ricevitore ricostruirà la migliore approssimazione possibile dei dati originali da cui tutte le diverse versioni sono state estratte. -Approcci wavelet per SVC (WSVC) (T1.3). UR5 eseguirà un'analisi dello stato dell'arte relativo a questi algoritmi. Architetture già proposte e giudicate promettenti saranno raffinate per i problemi specifici legati al video streaming su 2P. Si considereranno tecniche di decodifica adattativa a risoluzione variabile, e trasmissione con priorità delle varie sottobande protette in modo differenziato; l'obiettivo è massimizzare la qualità della trasmissione e ottenere una trasmissione adattativa in funzione delle caratteristiche della rete e del terminale. Infine, UR5 valuterà le prestazioni degli algoritmi selezionati e curerà la divulgazione dei risultati ottenuti. Il coinvolgimento delle UR nei WP/task è riassunto in Tabella 2. Le attività sono organizzate in modo da evitare duplicazioni nelle ricerche, ma allo stesso tempo enfatizzando cooperazione e confronti tra tecniche simili o complementari. Qualora più UR siano coinvolte in un argomento di ricerca (per esempio, scalabilità o MDC), il piano di lavoro è organizzato in modo da assegnare ad ogni UR la responsabilità di un compito specifico; il coordinamento sarà mantenuto mediante la creazione di gruppi di lavoro e prevedendo momenti di verifica e confronto dei risultati. I gruppi di lavoro saranno individuati durante il primo incontro di progetto. A livello puramente indicativo, si possono individuare gruppi di lavoro sui seguenti argomenti: video scalabile (UR1, UR3, UR5); MDC/DVC (UR1 - Suzhou University, UR2, UR3, UR5); reti e protocolli P2P (UCLA - UR1, UR4). Noi crediamo che l'organizzazione in gruppi di lavoro, una collaborazione attiva tra tutte le UR nelle attività di dimostrazione e l'impegno ad effettuare pubblicazioni congiunte permetteranno un livello di collaborazione ottimale. MIUR - BANDO MODELLO A

19 Testo inglese The consortium that is proposing the present project encompasses five RUs, which yield complementary and deep skills pertinent to the research topics addressed. The involved researchers have considerable experience in participating to and managing national and international research projects related to video coding. In summary, RU1 will address applications of H.264/SVC, MDC methods compatible with international standards such as H.265/AVC, applications of digital fountain codes to chunk coding, project management aspects. Finally, it is worth mentioning that RU1 hosts researchers from the Computer Department of University of California, Los Angeles, and from Xi'an Jaotong-Liverpool University di Suzhou, China, to strengthen skills on P2P network and protocol aspects and MDC techniques. RU2 will deal with MDC techniques based on oversampled filterbanks and redundant MDC for chunkless P2P. RU2 will implement an MDC module, to be integrated with the project experimental test bed. RU3 will study low-complexity scalable video coding techniques based on wavelet transforms, and scalable Multiple Description Coding techniques. Moreover, they will deal with cross layer parameter optimization. RU4 will address issues related to resilience and transcoding, and metrics for objective video quality assessment. Moreover, they will contribute to network aspects, implementing a P2P network simulator to be used by all RUs. Finally, RU5 will study distributed video coding techniques, and scalability by means of multi scale pyramids. It is intended that all RUs are involved in Task 1.1 "Analysis of the strengths and pitfalls for P2P approach for video delivery", T3.2 "P2P experiments" and T3.3 "Dissemination of results". RUs will be possibly involved in activities relevant to WP0 "Coordination and management", such as Web site and SW/document repository maintenance. The research activities in charge of each RU are detailed in the following. MIUR - BANDO MODELLO A

20 RU1. RU1 will contribute on the following activities: -Scalable video coding: H.264/SVC in P2P (T1.2). H.264/SVC will be addressed, and strategies will be devised for the selection of the layers to be implemented. RU1 will face the specification of SVC co-decoding within a P2P client, and the implementation of such a client with SVC support. This activity will be performed with the help of network experts from this RU (including the researchers hosted from UCLA), and in strict cooperation with RU3 and 5 (which will focus on wavelet based and low complexity scalability). -Multiple description scalable coding in P2P (T1.4). The integration of multiple description coding features in P2P video streaming systems will be addressed, starting from a recently proposed MDC scheme making use of the H.264/AVC redundant slice option. The problem of matching the native scalability of MDC with SVC will be faced; the related coding solutions will be devised, validated, and compared with other MDC methods explored by RU3 and RU5. -Digital fountain codes in mesh overlays (T2.1). The use of DFC for realistic video streaming applications is promising, even though a number of research topics are to be addressed. DFC performance is suboptimal in case of short block length, which is typical of video streaming applications. Solutions to this problem will be proposed, based on the "sliding fountain" concept, possibly providing unequal error protection and joint source channel coding. Moreover, the use of DFC for chunk encoding will be explored. Different encoding strategies and code families (Reed Solomon, LT or raptor codes) will be employed to experiment segmentation of chunks. The performance of the identified systems will be validated and compared with the chunkless strategies developed by RU2. -Coordination, management and dissemination (WP0, T3.3). Efficient coordination strategies will be implemented, including: set up and maintenance of project a Web site and SW library. Organization of review meetings and final workshop. Dissemination plan. Promotion of joint papers and joint participation to further research projects. Administrative and technical reporting. RU2. RU2 will investigate the use of multiple description techniques in the context of chunkless and resilient P2P (T1.4, T2.4). In particular, redundant MD schemes obtained from oversampled filterbanks, and blind schemes will be considered. Theoretical and simulative work will help selecting the most appropriate RMD scheme for the video streaming application, and the best number of descriptions to optimize the trade-off between error resilience and coding efficiency. Also, more general quality constraints typical of the P2P architecture will be taken into account, such as setting time, reproduction quality, probability of node departures. The results will be compared to the chunk coding methods of RU1. -RU2 will develop a software solution implementing an MD module to be used as a tool in a general P2P transmission framework ). The P2P module, which is mostly independent of the MD module, will be developed in collaboration with the other RUs. RU2 will develop a player module, which will be made available to all partners as a simulation tool. The SW modules and the comparison with the techniques developed by the other RUs, will be demonstrated within the common simulation framework developed during the project. RU3. The activity of RU3 will be organized in three phases. Since a formal description of the P2P video coding requirements in terms of scalability and bandwidth is mandatory, the first phase will be focused on this aspect (T1.1). Investigation of the state-of-the-art about robust transmission and cross-layer solutions for SVC will be addressed as well. The results of these activities will be possibly used to define a more detailed plan for the following phases. In phase two, the following research activities will be run in parallel: - Low complexity SVC (T1.3). In order to permit users with battery-operated devices to cooperate with the other nodes of a P2P network, it is useful to explore the utilization of low-complexity SVC algorithms and compare them with other SVC solutions, in terms of both coding efficiency and computational complexity. A coding algorithm belonging to the multi-scale pyramid family will be analyzed. - -The feasibility of building multiple descriptions which are also scalable (T1.4) will be investigated, based on the previously described scheme. - Cross-layer optimization algorithms for the H.264/SVC coder and cross-layer strategies for scalable MDC (T2.5) will be then devised, analyzed and validated, allowing to optimally adapt to bandwidth constraints at a reasonable computational complexity. In the last phase of the project, the focus will be on the integration and/or comparison of the developed techniques with the ones investigated by the other RUs. RU4. The activities of RU4 will be oriented in three main directions: a) development of resilient video coding tools specifically designed for P2P video streaming (T2.3), b) innovative metrics for objective evaluation of the video quality in P2P systems (T2.6), and c) accurate modeling and simulation of P2P networks (T3.1). State-of-the-art video coding standards are not devised to address the video streaming P2P scenario. As such, there is the need to adapt existing coding tools to the new scenario, by revisiting their features, as well as to introduce novel coding techniques. Most of the video data exchanged in P2P networks is likely to be available in compressed format. In addition, the compressed bitstream might have been produced by many heterogeneous non-scalable codec, or by a scalable codec (e.g. H.264/SVC). RU4 will: -Investigate novel transcoding techniques specifically designed for H.264/AVC, in order to increase the robustness of the incoming compressed video data towards packet losses; investigate the use of conventional channel coding tools in robust transcoding. This calls for accurate end-to-end distortion estimation techniques specifically designed for transcoding; -Design objective "no-reference" metrics, for video quality assessment, which are highly correlated with the quality really perceived by a final user (the metric outputs should be in accordance with the correspondence MOS, Mean Opinion Score, collected from an observer panel); collect MOS data related to a statistically significant number of sequences, whose decoding is affected by distortion due to data losses, and compare these ones to the selected objective metrics. The last activity regards the development of a simulator to measure the performance of P2P video streaming systems for a wide set of coding techniques. End-to-end performance will be measured as the rate of underflows of the play-out buffers, end-to-end delay, etc. The simulator will model both the overlay system and the underlay transport network; it will model the user client underlay features (i.e. asymmetric capacity of ADSL Internet connection) and overlay subsystem (play-out buffer, reconstruction of segments, rerouting of segments, application-level multicasting, overlay topology building and maintenance). Multiple coding techniques will be accounted for, by supporting a general MDC and a general structure of sub-frames, frames and segments. The simulator will receive as an input real coded videotraces, pre-processed by a special module extracting the sequence of frames and segments, together with their characteristics and timing. RU5. RU5 will be involved in the following research issues. -Distributed video coding (DVC) (T2.2). The use of DSC techniques and DVC in the specific case of video sources, will be explored. This paradigm is essentially based on the idea that different correlated sources can be efficiently encoded by separated non-communicating users if the encoded data is to be provided to a single decoder. Thus, within the DVC paradigm it is possible to consider the distributed video streaming problem as the problem of encoding correlated sources to a single user. This means that different users that have available different versions of a same video, can contribute to the streaming operation by sending DSC descriptions of their video in order to enable higher quality decoding of the receiver. RU5 will start from state of the art for the use of DSC principles in encoding sets of correlated images, and will develop DVC techniques for the problem of scalable video coding. Then, novel techniques will be identified for the extraction of a single high resolution and high quality video from a collection of possibly different resolution and quality videos coming from the senders (super-resolution). Efficient super-resolution techniques will be identified for the particular type of correlation and scenario considered in our application. Finally, RU5 will study codes designed ad hoc for the well known CEO problem. In the proposed problem indeed, the receiver is not actually interested in reconstruct all the versions of the video available to the different users, to extract the higher resolution one. Actually, what the receiver is interested in is reconstructing the best possible estimation of the original data from which all the different versions had been extracted. -Wavelet approaches to SVC (WSVC) (T1.3). RU5 will perform an analysis of the state of the art related to such algorithms. Then, promising already proposed architectures will be refined for the specific problems related to P2P video streaming. Space variant resolution adaptive decoding and priority based transmission of the various sub-bands with unequal error protection will be addressed, so as to maximize the quality of received transmission and achieve resolution adaptive transmission according to terminal and network characteristics. Finally, RU5 will implement performance evaluation and dissemination of the obtained results. The involvement of the RUs to WP/tasks is summarized in Table 2. It can be noticed that the activities are organized so as to avoid any research duplication, but at the same time enforcing cooperation and cross-validation of similar or complementary techniques. In fact, when more than one RU are involved in a research topic at large (e.g., scalability or MDC), the workplan is organized so as to assign each RU the responsibility of a specific task, while keeping coordination by means of the to-be-created working groups and planned comparison stages. Such working groups will be identified during the first project meeting. A purely indicative list of sub-groups may be: Scalable video team (RU1-Suzhou University, RU3, RU5); MDC/DVC team (RU1, RU2, RU3, RU5); P2P network team (RU1-UCLA, RU4). We believe that the organization of working sub-groups, a proactive collaboration of all RUs to demonstration activities and the engagement to pursue joint publications will enable an optimal level of cooperation. MIUR - BANDO MODELLO A

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