Qualitätsadaptives Video-Caching und Übertragen in Netzen

Die -Übertragung von Videoströmen in verteilten Multimedia-Systemen, denen komplexe, heterogene Kommunikationsnetze zu Grunde liegen, ist ein herausforderndes Problem. Derzeit werden vorwiegend zwei Klassen von Verfahren eingesetzt, um Videodatentransfers in derartigen Netzen zu ermöglichen: Techniken der Ressourcenreservierung und Adaptionsverfahren, bei denen die die Übertragung steuernden und adaptierenden Komponenten in den Endknoten realisiert sind, d.h. in Video-Servern und Applikationsprogrammen, welche die Videos darstellen. Das beantragte Projekt verfolgt einen anderen Ansatz: Es untersucht grundlegend und systematisch, wie Adaptation von Videos (bzgl. ihrer Qualität und ihrem Ressourcenbedarf) von der Netzwerkinfrastruktur, d.h., den Netzwerkknoten (z.B. Routern) und Proxy-Caches im Netzwerk, durchgeführt oder unterstützt werden kann. Konkret wird vorgeschlagen, dass "aktive" Netzknoten (Router) die Videoströme während ihres Transfers verändern, indem die Router sog. Skalierungsoperationen (und damit Qualitätsadaptionen) auf den Videodaten ausführen, wenn die Netzwerksituation dies erfordert. Dies kann beispielsweise in folgenden Fällen notwendig werden: bei sich reduzierender Dienstgüte im Netz, insbesondere in Überlastsituationen; bei Transfer der Videoströme über Netzwerkkanäle unterschiedlicher Kapazität (Bandbreite) oder zu Endknoten mit unterschiedlichen Darstellungsfähigkeiten (z.B. Bildschirmgröße oder -auflösung); oder bei Multicast-Übertragung. Die wesentliche "These" hinter unserem Vorschlag, ist, dass das "aktive" Netzwerk selbst schneller und besser auf solche Situationen reagieren kann als die Endknoten. Darüber hinaus werden für "aktive" Video-Proxy-Caches, die im Netzwerk die Videodaten (näher bei den Endanwendern) zwischenspeichern, neuartige Cache-Management- und Pufferungsverfahren entwickelt und untersucht, die die Möglichkeiten der Medienskalierung (und damit Qualitätsadaption) nutzen. Ein Beispiel ist, dass die Qualität (damit die erforderliche Speicherkapazität) eines Videos stufenweise reduziert wird, bevor es aus dem Cache verdrängt wird. Das beantragte Projekt nutzt und kombiniert in neuartiger Weise drei neue Entwicklungen und Forschungsergebnisse in den Gebieten Multimedia-Kommunikation und Rechnernetze: (1) Die Vielfalt an Videoskalierungsoperationen moderner Codierungsstandards wie etwa MPEG4 für audio-visuelle Daten. Die Skalierungsoperationen können sowohl auf strukturellen Eigenschaften von Videos (Filtertechniken, schichtenweise Codierung, feingranulare Skalierbarkeit) als auch auf inhaltsbezogenen Eigenschaften aufbauen (z.B. relative Prioritäten von Videoobjekten). (2) Beschreibende Daten (Metadaten) zu Videos und zu deren Adaptionsmöglichkeiten, in der Art, wie sie derzeit in MPEG-7 als Variationsdeskriptoren entwickelt werden. Diese Metadaten werden mit den Videodaten gespeichert und mit übertragen; sie können somit die Adaptionsvorgänge im Netz und in den Proxy-Caches steuern. (3) Konzepte und Prototypsoftware zu "aktiven" Netzen. Das Projekt soll: Videoskalierungssoftware (weiter)entwickeln, auf der Basis einer MPEG-4 Referenzimplementierung; Videoadaptionsdeskriptoren (XML-Beschreibungsschemata) ent-wickeln, wie sie derzeit in MPEG-7 diskutiert werden (gemeinsame Arbeit mit dem Projekt von Kosch/Böszörmenyi); die prinzipiellen Verfahren und eine Softwarearchitektur eines aktiven, Videos adaptierenden Routers entwerfen, implementieren und in einem Testnetzwerk evaluieren; neue, qualitätsadaptive Proxy-Cache-Management- und Pufferungsalgorithmen entwickeln, implementieren und evaluieren; und schließlich die entstandenen (Software- )Komponenten in einem Ende-zu-Ende-Multimediasystem (für Videoübertragung) integrieren und testen.

Digitale Medien - Graphiken, Bilder, Videos, Audioinhalte - haben im letzten Jahrzehnt in Computeranwendungen rapide an Bedeutung gewonnen. Es ist abzusehen, dass multimedi-ale Inhalte, Anwendungen und Bedienschnittstellen in Zukunft den täglichen Umgang mit Computern, Kommunikations- und Unterhaltungsgeräten entscheidend prägen werden. Solche digitale Medien werden in einer Vielfalt von Formaten erzeugt und angeboten, etwa MP3 für Musik oder MPEG-2 für digitales Fernsehen. Gleichzeitig steht schon heute - und vermehrt in Zukunft - eine große Palette an Endgeräten zur Verfügung, vom hoch auflösen-den Fernsehgerät bis zum videofähigen Handy. Ähnliches gilt für die Netze, über welche die Multimediainhalte übermittelt werden, vom Satellitennetz bis zu Wireless LAN und UMTS. Damit stellt sich das grundlegende Problem, wie diese vielfältigen multimedialen Inhalte über die heterogene Netzinfrastruktur, die auch noch dynamischen Schwankungen etwa der Auslastung unterworfen ist, zu den unterschiedlichen Endgeräten transportiert und auf diesen optimal angezeigt bzw. abgespielt werden können - und dies bei möglichst geringem Aufwand, denn man will nicht für jede erdenkliche Kombination Medienformat / Netz / Endgerät eine eigene Version eines Bildes, Musikstücks oder Videos erzeugen und speichern müssen. Dieses Projekt hat für den Bereich digitaler Videos konsequent die Technik der Adaptation von Videos als Lösung des skizzierten Problems untersucht und prototypisch umgesetzt. Für die Übermittlung entstand so ein adaptives Video-Streaming-System, das sich an Endge-räteeigenschaften und vor allem dynamisch an schwankende Netzkapazitäten anpassen kann, indem es Videoströme in mehrfacher Hinsicht adaptiert: zeitlich (Änderung der Bildrate), räumlich (etwa Verkleinerung der Bilder, was aber durch den Video-Player kompensiert wird und damit nicht störend wirkt) und qualitativ (höhere Kompressionsrate). In einem weiteren Teilprojekt entstand ein adaptiver Video-Proxy-Server, der Inhalte etwa nahe bei den Konsumenten vorhalten (Cache-Funktionalität) sowie den Anforderungen entsprechend anpassen kann (Adaptationsfunktionalität). Diese Komponente wirkt als Vermittler (Gateway) zwischen den Fähigkeiten der Endgeräte und den verfügbaren Videovarianten und kann, falls erforderlich, neue Versionen in Echtzeit erzeugen. In beiden Teilprojekten wurden konsequent moderne Standards der Video- und Audiokom-pression (MPEG-4), für Metadaten (MPEG-7 und MPEG-21) sowie der Internet-Protokollwelt (etwa RTP) eingesetzt. Im Detail wurden zahlreiche Forschungsfragestellungen behandelt, etwa wie man rasche Erkenntnis über den aktuellen Netzzustand gewinnt oder zu optimalen Adaptationsentscheidungen kommt, was ein Qualitäts- und Kostenmodell erfordert. Die umfangreiche Software, die im Projektverlauf entstand, wurde unter dem Titel "The Video Tool-Kit (ViTooKi)" der Open-Source-Gemeinschaft verfügbar gemacht (vitooki.sourceforge.net).