Multimedia-Technologie: Medien-Server und Datenbanksysteme

Inhaltsverzeichnis

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

2 Anforderungen an Multimedia-Serversysteme

3 Media Server
3.1 Server-Architektur eines Multimediasystems
3.2 Aufbau von Media Servern
3.2.1 Control Server
3.2.2 Data Server
3.3 Speicher Management
3.4 Media Server Topologien
3.4.1 Partitioned Server
3.4.2 Externaly Switched Server
3.4.3 Fully Switched Server

4 Datenbanken
4.1 Allgemeines zum Datenmodell
4.2 Das Drei-Schichten-Modell
4.3 Datenmodellierung in MMDBMS
4.3.1 Zeitliche Datenmodelle
4.3.2 Räumliche Daten
4.3.3 Modellierung von Dokumenten
4.3.4 Metadaten
4.4 Architektur eines Multimedialen Datenbanksystems

5 Das MILESS Projekt der Universität Essen – Ein Beispiel
5.1 Überblick
5.2 Systemarchitektur
5.3 Datenmodell

Abkürzungen

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

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.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Tabelle 1.3-1: Übersicht Multimedia-Daten

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:

Einige Multimedia-Datenobjekte, wie z.B. Videos, benötigen für ihre Speicherung große zusammenhängende Datenbereiche. Ebenso wird eine große Bandbreite (Menge an Daten, die in einem bestimmten Zeitraum einen Übertragungskanal passieren) für die Übertragung dieser Daten benötigt. Selbst wenn die Daten durch Kompressionsverfahren auf das 10- bis 100-fache reduziert werden, sind die Anforderungen an den Speicherplatzbedarf und die Bandbreite immer noch sehr hoch.

In diesem Zusammenhang ist auch zu berücksichtigen, dass vor allem Video- oder Audiodaten selten als eine Einheit verarbeitet werden. Erfolgt das Abspielen eines Videos, so werden die einzelnen Bildrahmen als Folge benötigt. Daher sollte die Verarbeitung von Datenströmen beherrscht werden [SiDa00].

- Verwendung von Daten auf tertiären Speichern

In vielen Fällen ist es nicht sinnvoll alle Daten in die Speicherbereiche der Datenbasis einzufügen. Hierbei sollten Daten, die auf tertiären Speichern vorliegen auch durch das DBMS zugreifbar sein. Ein Beispiel stellen in diesem Zusammenhang Foto-CDs dar.

Mit der Einbeziehung von externen Daten entstehen aber auch sehr viele Probleme. Die Konsistenz oder überhaupt die Verfügbarkeit dieser Daten sind wesentliche Problemfelder, die beachtet werden müssen [Runn98].

- Präsentation von Multimedia-Daten

Multimedia-Daten können in unterschiedlichen Formaten vorliegen. So ist es z.B. möglich, ein Bild im TIF- oder GIF-Format zu speichern. Die Präsentationstools von MMDBMS müssen daher die Darstellung unterschiedlichster Formate unterstützen oder, falls nötig, eine Formatumwandlung vor der Präsentation durchführen können. Bei der Präsentation zusammengesetzter Medien müssen nicht nur die zeitlichen Beziehungen korrekt präsentiert werden, sondern auch ihre räumlichen Beziehungen, d.h. zum Beispiel die Anordnung der Multimedia-Daten auf dem Bildschirm.

- Event-Behandlung

Während der Präsentation von Multimedia-Daten können die Nutzer Einfluss auf diese nehmen. Zum Beispiel können Videos angehalten werden oder auch vor oder zurück gespult werden. Die Vergrößerung oder Verkleinerung von Bildern ist ebenfalls eine Veränderung der Präsentation durch den Nutzer [Ramm02].

Die MMDBMS muss damit Mechanismen zur Verfügung stellen, welche die Behandlung und die Durchführung solcher Eingriffe von der Nutzerseite aus effizient handhabt.

3 Media Server

3.1 Server-Architektur eines Multimediasystems

Die Architektur eines Multimedia-Serversystems besteht im wesentlichen aus zwei Komponenten, dem Application Server und dem Media Server. Beide können sowohl als logische Einheiten auf einem physikalischen Rechner zum Einsatz kommen, als auch physikalisch getrennt implementiert werden.

Der Application Server empfängt die Anfragen der Anwendersysteme. Diese können, wie bereits in Kapitel 2 beschrieben sehr unterschiedlich ausfallen. Dabei kann es sich um kleinere Bild- oder Textdaten handeln, die z.B. in Einkaufkatalogen verwendet werden, oder aber auch um die Darstellung von Videokonferenzen, wobei große Datenmengen an mehrere geografisch verteilte Standorte versendet werden müssen. Zur Darstellung der angeforderten Informationen, erstellt der Application Server bei der Verarbeitung der Anwenderanfragen eigene Anfragen an den Media Server zur Bereitstellung der benötigten Bilder, Videos, etc.

Der Media Server ist daraufhin zuständig für die fristgerechte Recherche und Versendung der Multimedia-Informationen. Dabei ist es erforderlich diese schnell und zuverlässig zur Verfügung zu stellen. Dazu gehört insbesondere auch die Beachtung der Zeitsensitivität bei Videodaten, also die Unterstützung von kontinuierlichen Datenströmen.

3.2 Aufbau von Media Servern

Media Server lassen sich bezüglich ihrer Funktionalität weiter unterteilen in Control und Data Server. Während der Control Server im Wesentlichen die Steuerung der Zugriffe sowie die Reservierung der zur Versendung benötigten Ressourcen (Systemleistung, Netzwerkbandbreite, etc.) vornimmt, ist der Data Server für die Speicherung und Wiedergabe der Medien zuständig [SiDa00].

3.2.1 Control Server

Zur Erfüllung seiner Steuerungsaufgaben verfügt der Control Server über zwei Servicefunktionen, dem Verzeichnis- und dem Ressourcendienst. Das Vorhandensein der gewünschten Daten sowie die auf sie bestehende Zugriffsberechtigung wird über den Verzeichnisdienst geprüft. Hierbei ist zu berücksichtigen, dass sich die Datenhaltung nicht zwingend nur auf einen Server beschränken muss, sondern in komplexen Umgebungen eine Vielzahl von unterschiedlichen Data Servern zum Einsatz kommen können. Auch der Zugriff auf Drittsysteme, wie z.B. Mail Server oder Websites ist denkbar. Die Verwaltung der Verzeichnisse erfolgt typischerweise durch Multimedia-Datenbanken.

Der Ressourcendienst ist für die Steuerung der Serverressourcen bezüglich jedes einzelnen Datenstroms zuständig. Er hat dafür Sorge zu tragen, dass die Last möglichst effizient verteilt wird und die einzelnen Komponenten nicht überfordert werden. Hierzu muss er über umfangreiche Kenntnisse bezüglich der einzelnen Kapazitäts- und Performancewerte verfügen. In diesem Zusammenhang sind insbesondere drei Messgrößen von Bedeutung. Dabei handelt es sich um Speicherkapazität, Zugriffszeit und Bandbreite. Eine hohe Speicherkapazität ist insbesondere bei Videomedien, die häufig weit mehr als 100 MB benötigen, von Bedeutung. Die Zugriffszeit, also die Zeit, die zwischen dem Erhalt eines Lese- oder Schreibbefehls und seiner Durchführung vergeht, ist aus zwei Gründen wichtig. Zum einen sind Komponenten mit hoher Zugriffszeit ungeeignet für interaktive Applikationen, wo schnelle Antwortzeiten benötigt werden, zum anderen reduzieren sie die effektive Datentransferrate. Auch die Bandbreite ist in diesem Zusammenhang von Bedeutung. Hat beispielsweise eine Komponente eine Bandbreite von 10 MB/s und eine Applikation benötigt eine Bandbreite von 0,5 MB/s, so können höchstens 20 Sitzungen der Applikation bedient werden.

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