Parte VI Sistemi Multimedia

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1 Parte VI Sistemi Multimedia Sistemi Operativi - prof. Silvio Salza - a.a VI - 1

2 Multimedia Materiali multimediali: Letteralmente più di un medium (es. testo e immagini) Tipicamente filmati con audio (digital video) Modalità di distribuzione e fruizione: DVD: riprodotti direttamente dal PC Video clip: brevi filmati scaricati dalla rete Video on demand: film scelti dagli utenti e distribuiti su Video server Grandi server per la distribuzione in tempo reale di materiali multimediali Sistemi Operativi - prof. Silvio Salza - a.a VI - 2

3 Problemi Organizzazione e dimensione dei file Diversi tipi di informazione: video, audio, sottotitoli Lettura e scrittura veloce da e per la memoria di massa Trasmissione dell informazione Ampiezza della banda Non sempre possibili broadcast e multicast Riproduzione in tempo reale Modalità di fruizione simile a quella VCR Ritardi, anche brevi, percepiti come non accettabili Sistemi Operativi - prof. Silvio Salza - a.a VI - 3

4 Tecnologie di distribuzione (a) ADSL (b) Tramite cavo per TV Oggi anche cablaggio in fibra ottica dell utente finale Sistemi Operativi - prof. Silvio Salza - a.a VI - 4

5 Velocità di trasmissione Sistemi Operativi - prof. Silvio Salza - a.a VI - 5

6 File Multimediali Organizzati in molti subfile, con necessità di sincronizzazione Sistemi Operativi - prof. Silvio Salza - a.a VI - 6

7 Codifica dell audio (a) Segnale continuo (b) Campionamento (c) Quantizzazione Sistemi Operativi - prof. Silvio Salza - a.a VI - 7

8 Codifica dell audio: standard PCM (telefonia) Campionamento a 8 KHz 7 bit per campione (USA), 8 bit (Europa) 56 kbs, 64 Kbps CD (musicale) Campionamento a 44.1 KHz (insufficiente per i cani) 16 bit per campione (64k livelli) Mbps (stereo) NB Il range dinamico dell orecchio è dell ordine di 10 6 Sistemi Operativi - prof. Silvio Salza - a.a VI - 8

9 Codifica del video: standard NTSC (USA) Never Twice the Same Color 525 righe 30 frame al secondo, 4:3 PAL (Europa) È lo standard più diffuso 625 righe 25 frame al secondo, 4:3 SECAM (Francia) Adottato anche nell Europa dell Est Come PAL, differisce per la codifica del colore Sistemi Operativi - prof. Silvio Salza - a.a VI - 9

10 Codifica del colore Sui monitor codifica RGB (Red Green Blue) Nella TV Un segnale di luminanza Due segnali di crominanza Gli standard differiscono nella codifica di luminanza e crominanza Compatibile con il bianco e nero (luminanza) L occhio è più sensibile alla luminanza Sistemi Operativi - prof. Silvio Salza - a.a VI - 10

11 Video digitale Frame costituiti da matrici di pixel Codifica RGB (Red Green Blue), 24 bit per pixel 25 frame al secondo, progressivo (non interallacciato) Sfarfallio eliminato dalla frequenza di refresh (>50 Hz) Risoluzione dell immagine: VGA: 640 x 480 SVGA: 800 x 600 XGA: 1024 x 768 HDTV 720p: 1280 x 720 HDTV 1080i: 1920 x 1080 XGA a 25 frame/s richiede 427 Mbps Sistemi Operativi - prof. Silvio Salza - a.a VI - 11

12 Compressione delle immagini Riduce la banda necessaria entro limiti accettabili Può introdurre una perdita di informazione Lossless: processo invertibile senza perdita Lossy: con perdita di informazione Processo asimmetrico Codifica: nel server, in genere fuori linea Decodifica: nel client, in tempo reale Codifica lenta non accettabile in contesti in tempo reale: ad esempio videoconferenza Sistemi Operativi - prof. Silvio Salza - a.a VI - 12

13 Compressione JPEG (passo 1) Comprime immagini fisse con rapporti anche di 1:20 Standard ISO Immagine di partenza RGB, 640x480, 24 bit/pixel Codifica in tre matrici con elementi di 8 bit: Y: matrice 640x480 di luminanza I e Q: matrici 320x240 di crominanza Le matrici I e Q sono ottenute (con perdita) mediando su quattro punti contigui Si sottrae a ciascun elemento 128 per avere 0 nel caso medio Ogni matrice è divisa in blocchi di 8x8: Y ha 4800 blocchi I e Q hanno 1200 blocchi ciascuna Sistemi Operativi - prof. Silvio Salza - a.a VI - 13

14 Matrici di crominanza e luminanza Sistemi Operativi - prof. Silvio Salza - a.a VI - 14

15 Compressione JPEG (passo 2) Si applica una DCT (Discrete Cosine Transformation) a ciascun blocco di 8x8 elementi Perdite dovute alla discretizzazione Sistemi Operativi - prof. Silvio Salza - a.a VI - 15

16 Compressione JPEG (passo 3) I coefficienti DCT sono quantificati dividendoli per i coefficienti di una matrice di quantificazione I coefficienti meno importanti sono ridotti a 0 La matrice premette di stabilire il livello di compressione Sistemi Operativi - prof. Silvio Salza - a.a VI - 16

17 Compressione JPEG (passi 4 e 5) Il coefficiente (0,0), che è la media della matrice, è espresso come differenza da quello del blocco precedente Linearizzazione dei 64 coefficienti Sequenze di valori uguali sono compresse Sistemi Operativi - prof. Silvio Salza - a.a VI - 17

18 Compressione MPEG 2 Standard per la compressione di filmati digitali MPEG-1 (ISO 11172) per qualità VCR (352x240 NTSC) MPEG-2 (ISO 13818) per qualità broadcast Riesce ad usare un canale televisivo 5 MHz Due livelli di compressione: Ridondanza spaziale: ciascun frame è compresso con JPEG Ridondanza temporale: sfrutta la sovrapposizione di informazioni tra frame successivi DV (Digital Video) usa solo la ridondanza spaziale Sistemi Operativi - prof. Silvio Salza - a.a VI - 18

19 MPEG 2: tipi di frame Un filmato MPEG contiene tre tipi di frame: I (Intracoded frames): frame completi ed autocontenuti. Costituiscono punti fermi cui agganciare la decodifica del filmato (sintonizzazione, FF e RW, ) P (Predictive frames): espressi come differenza, blocco per blocco dal frame precedente B (Bidirectional frames): espressi come differenze, blocco per blocco, sia dal frame precedente che dal frame successivo. Presuppongono bufferizzazione di almeno tre frame in ricezione Sistemi Operativi - prof. Silvio Salza - a.a VI - 19

20 MPEG 2: macroblocchi Blocchi di 16x16 per la luminanza, e 8x8 per la crominanza Un frame aggancia i suoi macroblocchi a quelli del frame precedente (successivo), anche in posizione diversa L ampiezza della ricerca è lasciata all implementazione Si codificano le differenze con il macroblocco dell altro frame Le differenze sono compresse con JPEG Sistemi Operativi - prof. Silvio Salza - a.a VI - 20

21 Multimedia file server Consentono la fruizione tramite rete di materiale multimediale Il server gestisce più utenti che vedono, eventualmente, filmati diversi in tempi diversi Il server gestisce contemporaneamente più stream Ciascuna stream consta nell invio di una sequenza di quadri (frame), a 25 o 30 frame/s Per servire una stream il server utilizza due tipi di risorse: CPU per elaborare i frame, costruire i pacchetti e gestire i protocolli Dischi per leggere i frame dalla memoria di massa Sistemi Operativi - prof. Silvio Salza - a.a VI - 21

22 Strategie push e pull (a) strategia tradizionale, pull server, il client richiede ogni volta (b) push server, il client chiede solo la prima volta Sistemi Operativi - prof. Silvio Salza - a.a VI - 22

23 Scheduling dei processi Vincoli real-time per garantire flussi costanti Richieste di CPU potenzialmente diverse Processi con struttura periodica Sistemi Operativi - prof. Silvio Salza - a.a VI - 23

24 Schedulabilità Scheduling di m processi periodici C i : richiesta di CPU del processo i per ciascun frame P i : periodo con cui i frame del processo i devono essere trasmessi Condizione di schedulabilità: m Σ i=1 C i P i 1 Criterio di ammissione: prima di ammettere un nuovo processo occorre controllare la schedulabilità Sistemi Operativi - prof. Silvio Salza - a.a VI - 24

25 RMS: Rate Monothonic Scheduling Condizioni di applicabilità Periodicità dei processi Indipendenza dei processi Costanza delle richieste di CPU Nessun altro processo ha vincoli real time Preemption istantanea a costo nullo Sceduling a priorità fisse inversamente proporzionali ai periodi Le priorità sono preemptive Sistemi Operativi - prof. Silvio Salza - a.a VI - 25

26 EDF: Earlier Deadline First Condizioni di applicabilità Processi anche non periodici Richieste di CPU anche variabili I processi specificano di volta in volta la dedline Lo scheduler mantiene una lista delle deadline La CPU è data al processo con deadline più prossima Se arriva un nuovo processo con deadline più vicina, il processo corrente viene interrotto Dà sempre risultati migliori del RMS Sistemi Operativi - prof. Silvio Salza - a.a VI - 26

27 Esempio 1 Entrambi gli algoritmi danno buoni risultati (quasi gli stessi) Periodicamente la CPU rimane inattiva (utilizzazione < 1) Sistemi Operativi - prof. Silvio Salza - a.a VI - 27

28 Esempio 2 RMS fallisce perché il processo C manca la sua deadline EDF sceglie C perché ha una deadline più vicina di A Sistemi Operativi - prof. Silvio Salza - a.a VI - 28

29 Funzioni VCR Il server deve supportare le funzioni tipiche dei VCR Pausa: non crea problemi, ma congela le risorse Rewind: ok soprattutto se si torna all inizio FF e FB: avanti e indietro a velocità k, crea problemi a causa della compressione MPEG2 Non tutti i frame sono di tipo I, cioè autocontenuti Troppo costoso per il server decomprimere, a velocità k, e generare uno stream di frame I Troppo costoso inviare al client tutto lo stream a velocità k Sistemi Operativi - prof. Silvio Salza - a.a VI - 29

30 Stream precalcolati Sono parte del file multimediale predisposta fuori linea Contengono un sottoinsieme dei frame (p.es. 1 su 10), poi compressi separatamente Il server mantiene la corrispondenza fra i tre stream Quando salta cerca il primo frame I per agganciarsi Sistemi Operativi - prof. Silvio Salza - a.a VI - 30

31 Near Video on Demand Gli stream che partono a tempi fissi ΔS (es. ogni 5 minuti) Il cliente si aggancia al prossimo stream (con un attesa) Lo stesso stream è destinato a molti utenti Pochi stream per ogni film (es. 24 per ΔS = 5 minuti, e film di 2 ore) Sistemi Operativi - prof. Silvio Salza - a.a VI - 31

32 Near Video on Demand con VCR Si vogliono aggiungere le funzioni di controllo VCR Ogni client, in condizioni di regime, bufferizza un intervallo ΔT sia all indietro che in avanti Questo richiede, in certi periodi, di ricevere due stream Nella finestra bufferizzata ci si muove senza difficoltà Se si salta oltre il buffer: Viene fatto partire uno stream privato Questo dura fino a che non si aggancia il più vicino stream, al massimo ΔS Nel frattempo si legge anche dallo stream successivo Sistemi Operativi - prof. Silvio Salza - a.a VI - 32

33 Esempio ΔS = ΔT = 5 minuti L utente inizia la visione alle 8.15 Per cinque minuti vengono ricevuti lo stream delle 8.15 e quello delle 8.20, poi il buffer è pieno e si continua su quello delle 8.20 Dopo un po l utente comincia a fare FB Si invia uno stream privato di FB, fino a che non torna a play Si invia all utente uno stream privato, ma riceve anche lo stream successivo Lo stream privato cessa quando si cominciano ad usare i frame bufferizzati dello stream successivo L uso di stream privati consente anche di iniziare la visione in un momento qualsiasi Sistemi Operativi - prof. Silvio Salza - a.a VI - 33

34 Esempio (continua) (a) situazione a regime (b) salto al minuto 12 (c) tre minuti dopo il salto (d) 4 minuti dopo il salto (e) di nuovo a regime Sistemi Operativi - prof. Silvio Salza - a.a VI - 34

35 Allocazione di file multipli Più file sullo stesso disco Minimizzare le seek in base alle frequenze dei file Distribuzione delle frequenze di Zipf: Verificata in moltissimi casi simili: libri più letti, lettere più usate, nomi più usati, città più popolate.. Con N film la frequenza del film i-simo in ordine di popolarità è C/i dove C è una costante di normalizzazione C/1 + C/2 + C/3 + C/4 +.+ C/N = 1 Sistemi Operativi - prof. Silvio Salza - a.a VI - 35

36 Distribuzione di Zipf Zipf per N=20 Popolazione delle 20 maggiori città degli Stati Uniti Sistemi Operativi - prof. Silvio Salza - a.a VI - 36

37 Distribuzione a canne d organo Ordinamento spaziale, sui cilindri, basato sulla frequenza Il film più visto al centro del disco Si dimostra che minimizza il tempo complessivo di seek Con 100 film, la Zipf dice che il 30% del tempo si rimane nei cilindri allocati ai 5 film più visti Sistemi Operativi - prof. Silvio Salza - a.a VI - 37

38 Caching Il normale caching del file system (LRU) non è efficace Accesso tipicamente sequenziale, salvo rewind Occorre sfruttare la predicibilità intrinseca dell applicazione Block caching Sfrutta la concomitanza di più stream Caching dei soli film con più utenti File caching Impossibile tenere su disco tutti i film a catalogo Alcuni film sono residenti su disco Per altri viene mantenuto l inizio per ridurre lo startup Sistemi Operativi - prof. Silvio Salza - a.a VI - 38

39 Disk scheduling statico Tempo diviso in round, della durata di un frame Le richieste di ogni round vengono riordinate per ottimizzarle Si massimizza il numero di stream che possono essere gestite Necessario comunque il doppio buffering Possibili anche più frame per round, e più round per frame Sistemi Operativi - prof. Silvio Salza - a.a VI - 39

40 Disk scheduling dinamico Ogni richiesta ha associata una deadline ed un cilindro Algoritmo Scan-EDF Raggruppa le richieste in batch in base alla deadline Ottimizza all interno del batch in base al cilindro (es. ascensore) L ammissione di un nuovo utente dipende dalle caratteristiche del film: meglio commedie e love story che film d azione Sistemi Operativi - prof. Silvio Salza - a.a VI - 40