Verbesserung der Dateiverarbeitungskette in Betriebssystemen durch Nutzung der Skalierbarkeit moderner Kompressionsverfahren

Sparenberg, Heiko GND

Motivated by the current challenges in the field of computerized processing of multimedia information, this work contributes to the field of research on data processing and file management within computer systems. It presents novel techniques that enhance existing file- and operating systems by utilizing the scalability of modern media formats. For this purpose, the compression formats JPEG 2000 and H.264 SVC will be presented with a focus on how they achieve scalability. An analysis of the limiting hard- and software components in a computer system for the application area is presented. In particular, the restrictions of the utilized storage-devices, data interfaces and file systems are laid out and workarounds to compensate the performance bottlenecks are depicted. According to the observation that compensating the defiles requires extra efforts, new solution statements utilizing scalable media are derived and examined, subsequently. The present work reveals new concepts for managing scalable media files comprising a new rights management as well as a use-case-optimized storage technique. The rights management allows for granting access to certain parts of a file by which the scalability of the media files can be exploited in a way that users get access to various variants depending on their access rights. The use-case-optimized storage technique increases the throughput of hard disk drives when the subsequent access pattern to the media content is known a-priori. In addition, enhancements for existing data workflows are proposed by taking advantage of scalable media. Based on the Substitution Strategy, where missing data from a scalable file is compensated, a real-time capable procedure for reading files is shown. Using this strategy, image-sequences comprising a video can be shown at a given frame rate without interruptions caused by insufficient throughput of the storage device or low-speed interfaces used to connect the storage device. Adapted caching-strategies facilitate an increase of images residing in cache compared to non-scalable-variants. Additionally, a concept called Parameterizable File-Access is introduced which allows users to request a certain variant of a scalable file directly from the file system by adding side-information to a virtual file name.

Motiviert durch die aktuellen Herausforderungen im Bereich der computergestützten Bearbeitung vom Multimediadaten, leistet die vorliegende Arbeit einen Beitrag zum Forschungsgebiet der Datenverarbeitung und Dateiverwaltung innerhalb von Computersystemen durch neuartige Verfahren zur Nutzung skalierbarer Medien unter Verwendung vorhandener Datei- und Betriebssysteme. Hierzu werden die Kompressionsformate JPEG 2000 und H.264 SVC vorgestellt und gezeigt, wie die Eigenschaft der Skalierbarkeit innerhalb der verschiedenen Verfahren erreicht wird. Es folgt eine Analyse der limitierenden Hard- und Softwarekomponenten in einem Computersystem für das o.g. Einsatzgebiet. Ausgehend vom hohen Aufwand zur Kompensation der Leistungsengpässe werden anschließend neue Lösungsansätze unter Nutzung skalierbarer Medienformate abgeleitet, die nachfolgend untersucht werden. Die vorliegende Arbeit zeigt hierzu neue Konzepte zur Verwaltung skalierbarer Mediendaten, die durch ein neues Rechtemanagement sowie durch eine speicheradaptive Ablagestrategie abgedeckt werden. Das Rechtemanagement erlaubt die Vergabe von Zugriffsrechten auf verschiedene Abschnitte einer Datei, wodurch die Skalierbarkeit der Medien derart abgebildet werden kann, dass verschiedene Benutzer unterschiedliche Varianten einer Datei angezeigt bekommen. Die speicheradaptive Ablagestrategie erreicht Durchsatzsteigerungen der verwendeten Datenträger, wenn das spätere Zugriffsverhalten auf die gespeicherten Medien vorab bekannt ist. Weiter werden Verbesserungen der Verarbeitungsabläufe unter Ausnutzung skalierbarer Medien gezeigt. Auf Basis der entwickelten Substitutionsmethode zur Kompensation fehlender Daten einer skalierbaren Datei wird eine echtzeitfähige Einlesestrategie vorgestellt, die unzureichende Durchsatzraten von Speichermedien bzw. langsamen Schnittstellen derart kompensieren kann, dass eine unterbrechungsfreie Ausspielung von Bildsequenzen bei einer vorgegebenen Bildwiederholrate gewährleistet werden kann. Angepasste Cache-Strategien ermöglichen eine Steigerung der im Cache vorhaltbaren Einzelbilder im Vergleich zu nicht skalierbaren Varianten. Darüber hinaus wird das Konzept eines parametrisierbaren Dateiaufrufes eingeführt, wodurch mittels Zusatzinformationen im virtuellen Dateinamen eine gewünschte Variante einer skalierbaren Datei vom Datenspeicher angefragt werden kann.

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Sparenberg, Heiko: Verbesserung der Dateiverarbeitungskette in Betriebssystemen durch Nutzung der Skalierbarkeit moderner Kompressionsverfahren. 2015.

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