Multimedia-Technologie: Medien-Server
und Datenbanksysteme

von: Oliver Feltgen

Inhaltsverzeichnis

1 Einleitung 1

1.1 Motivation 1
1.2 Medium und Multimedia 1
1.3 Typen von Multimedia-Daten 1

2 Anforderungen an Multimedia-Serversysteme 2

3 Media Server 4

3.1 Server-Architektur eines Multimediasystems 4
3.2 Aufbau von Media Servern 5

3.2.1 Control Server 5
3.2.2 Data Server 6

3.3 Speicher Management 7
3.4 Media Server Topologien 8

3.4.1 Partitioned Server 8
3.4.2 Externaly Switched Server 9
3.4.3 Fully Switched Server 10

4 Datenbanken 11

4.1 Allgemeines zum Datenmodell 11
4.2 Das Drei-Schichten-Modell 11
4.3 Datenmodellierung in MMDBMS 13

4.3.1 Zeitliche Datenmodelle 13
4.3.2 Räumliche Daten 13
4.3.3 Modellierung von Dokumenten 14
4.3.4 Metadaten 14

4.4 Architektur eines Multimedialen Datenbanksystems 15

5 Das MILESS Projekt der Universität Essen – Ein Beispiel 18

5.1 Überblick 18
5.2 Systemarchitektur 19
5.3 Datenmodell 19

Zusammenfassung

Multimedia ermöglicht es, die Benutzerschnittstelle vieler Applikationen freundlicher zu gestalten und ihren Funktionsumfang zu erweitern. Hierzu verfügt der Markt bereits über eine Vielzahl an multimedialen Angeboten, wie z.B. Video-on-demand, Hypermedia und Videokonferenzen. Diese Funktionalitäten verfügen über eine breite Streuung an Anforderungen, deren effiziente Erfüllung eine komplexe Aufgabe darstellt. Performance und Verfügbarkeit, insbesondere in Verbindung mit der Bereitstellung von kontinuierlichen Datenströmen (z.B. Video, Audio), sind in diesem Zusammenhang wesentliche Kriterien. Aber auch die Extraktion und Verwaltung von Merkmalen und Beziehungen zur Ermöglichung von Abfrage auf multimediale Daten sowie die Speicherung großer zusammengehöriger Datenmengen bilden wesentliche Faktoren, die ein Multimedia-Management-System und insbesondere ein Multimedia-Datenbankmanagement-System erfüllen muss. Die Architektur und die Topologie von Media Servern bilden eine gewichtige Rolle in der Definition der Effizienz eines Multimedia-Gesamtsystems. Bei größeren Installationen kann es von Vorteil sein, Last und Services auf mehrere Server zu verteilen. Aber auch die Optimierung des Speichermanagements einzelner Komponenten ist nicht zu vernachlässigen. Aus Kostengründen kann dabei durchaus auf langsamerer Tertiärspeicher zugrückgegriffen werden, sofern mittels temporärer Zwischenspeicherungsverfahren die erforderliche Übertragungsrate gewährleistet werden kann. Auch die Datenmodellierung muss sich aufgrund der von alphanumerischen Daten abweichen Strukturen vieler multimedialer Daten neuen Herausforderungen stellen. Zeitliche und räumliche Unterscheidungsmerkmale stellen zentrale Aspekte bei der Identifizierung dar. Ggf. sind Metadaten in die Modellierung mit einzubeziehen, um die Merkmale eines Objektes transparent darzustellen. Eine Standardisierung der Architektur multimedialer Datenbanksysteme ist bislang noch nicht abzusehen. Heutige Konzepte und Systeme können lediglich als Ansätze und Vorschläge für die Entwicklung eines allgemein anerkannten MMDBMS angesehen werden.

1 Einleitung

1.1 Motivation

Da in den letzen Jahren mehr und mehr multimediale Informationen in Form von Bild-, Audio- und Video-Daten erfasst und gespeichert wurden, entstand ein großes Interesse daran, diese effizient speichern und verarbeiten zu können. Eine ähnliche Entwicklung geschah vor ca. 30 Jahren. Die zunehmende Abspeicherung alphanumerischer Daten in einer computer-lesbaren Form führte zur Entwicklung von Datenbankmanagementsystemen (DBMS). Diese DBMS sind jedoch aufgrund der unterschiedlichen Charakteristik von alphanumerischen Daten und Multimedia-Daten mit ihren speziellen Anforderung nicht imstande, Multimedia-Daten effektiv zu handhaben. Die Entwicklung von Multimedia Datenbankmanagementsystemen (MMDBMS) soll den neuen Anforderungen gerecht werden und der Verwaltung großer Mengen von Multimedia-Datenobjekten auf verschiedenen Datenträgern dienen, so dass sie für möglichst viele Anwendungen auffindbar und zugreifbar (nutzbar) sind. Diese Seminararbeit soll einen Überblick dazu geben welche neuen Anforderungen zu berücksichtigen sind und wie die Serversysteme, die die Speicherung der Multimedia-Daten vornehmen, daraufhin auszugestalten sind.

1.2 Medium und Multimedia

Als Medium bezeichnet man i.a. ein Mittel zur Verbreitung und Darstellung von Informationen. Beispiele von Medien sind Text, Grafik, Bild, Sprache und Musik.Eine Aggregation, die mindestens ein kontinuierliches (zeitabhängiges) und mindestens ein diskretes (zeitunabhängiges) Medium enthält, wird im engeren Sinne als Multimedia bezeichnet. Im weiteren Sinne stellt Multimedia aber auch einen Sammelbegriff für jegliche Medienaggregationen, unabhängig davon, ob sie kontinuierlich oder diskret sind, dar.

1.3 Typen von Multimedia-Daten

Die folgende Aufstellung stellt einen Überblick der unterschiedlichen Typen von Multimedia-Daten dar. Um die Unterschiede zu verdeutlichen, wird in der Übersicht nicht nur das Medium (Informationsträger) aufgeführt, sondern auch die Elemente, aus welchen die Daten bestehen, wie sie angeordnet sind, typische Größen der Daten und ob sie zeitabhängig sind. Tabelle 1.3-1: Übersicht Multimedia-Daten [Tabelle in der Downloaddatei vorhanden]

2 Anforderungen an Multimedia-Serversysteme

Um der großen Vielfalt an multimedialen Verwendungszwecken zu genügen, muss ein Multimedia-Serversystem einer Vielzahl von Anforderungen genügen. Hierzu gehören sowohl die „normalen“ Kriterien, wie Persistenz, Sicherheit, Performance, Zuverlässigkeit, etc., aber auch Anforderungen, die aus den besonderen Eigenschaften von Multimedia-Daten resultieren. Diese seien nachfolgend aufgeführt:
- Datentypen:
Es werden zum einen multimediaspezifische Sprachprimitive zur Modellierung von Datenbankentwürfen benötigt (wie in relationalen Datenbanken z.B. das Entity-Relationship-Model), die auch für die Abfrage von Inhalten der Multimedia-Datenbank zur Verfügung stehen sollen. Vor allem müssen aber neue Datentypen für Multimedia-Daten wie Video, Bilder, Texte usw. sowie deren Operationen vom MMDBMS zur Verfügung gestellt werden.
- Semantische Struktur von Multimedia-Daten
In alphanumerischen Informationen ist jedes Zeichen eindeutig bestimmt und z.B. durch seinen ASCII-Code identifiziert. Rechnern ist es somit auf Basis der Codierung möglich, alphanumerische Informationen in einer Datenbank zu suchen und wiederzugewinnen. Audio-, Video- und Bild-Daten enthalten dagegen keine semantischen Strukturen, sondern sind lediglich abgetastete Werte.
Um nun das Wiedergewinnen von Informationen zu erleichtern, müssen Merkmale und/oder Inhalte der Multimedia-Daten extrahiert werden. Damit ist die Merkmalsextraktion, die Organisation der extrahierten Merkmale und der Vergleich von Ähnlichkeiten zwischen Merkmalsbeschreibung für das Wiedergewinnen und das Abfragen von Multimedia-Daten eine weitere Anforderung an ein MMDBMS [Ramm02].
- Beziehungen zwischen Daten
Oft existieren zwischen Daten eines Mediums oder zwischen unterschiedlichen Medien Beziehungen. Dabei unterscheidet man:
- Attributbeziehung: verschiedene Beschreibungen bzw. Darstellungen desselben Objekts (z.B. Objekt Vogel: jeder Vogel wird durch die Stimme (Audio), den Flug(Video), durch Bilder und Text beschrieben)
- Komponentenbeziehung: Beschreibt alle zu einem Datenobjekt gehörenden Teile (PKW-Ersatzteilkatalog)
- Substitutionsbeziehung: Beschreibt unterschiedliche Präsentationsformen der selben Information (z.B. Darstellung einer Information als Tabelle oder als Graph).
- Synchronisationsbeziehung: Beschreibung der zeitlichen Beziehung zwischen Dateneinheiten (Lippensynchronität bei Video und Audio).
An das MMDBMS besteht die Anforderung, diese Beziehungen zu verwalten und dafür zu sorgen, dass die Beziehungen entsprechend der angegebenen Spezifikation erhalten bleiben. Außerdem sind diese Beziehungen für Abfragen und Datenausgaben zu verwenden [Stein00].
- Anforderung an Speicherplatz und Bandbreite:

[...]