Dynamisches Retrieval von multimedialen Daten auf parallelen Architekturen

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1 Berichte aus der Informatik Odej Kao Dynamisches Retrieval von multimedialen Daten auf parallelen Architekturen D104 (Habil.-Schr. TU Clausthal) Shaker Verlag Aachen 2002

2 1 Einleitung Einsatzgebiete für multimediale Technologien und Anwendungen Multimediale Umgebungen Grafische Benutzeroberflächen Hyperdokumente und Hypermedia Mobile Multimediaanwendungen Organisation und Wiedergewinnung von multimedialen Daten Grundbegriffe und Definitionen von Multimedia Definition von Multimedia Definition von Hypermedia Multimedia in traditionellen Datenbanksystemen Multimediale Daten in relationalen Datenbanksystemen Multimediale Daten in objektorientierten Datenbanksystemen Multimediale Daten in erweitert- und objektrelationalen Datenbanksystemen Bemerkungen über Datenbanken mit multimedialem Inhalt Grundlagen ausgewählter Medien Bilder Farbmodelle Speicherung von Bildern Paradigmen und Operatoren der Bildverarbeitung Bildtransformationen Klassifikation von Bildern 38 V

3 VI Inhaitsverzeichnis 3.2 Video Videokomprimierung mit MPEG Verarbeitung von Videosequenzen Audio Digitalisierung von Audiosignalen Kodierung und Komprimierung von Audiosequenzen Verarbeitung von Audiosequenzen 58 4 Retrieval multimedialer Daten Definition des multimedialen Retrievals Grundanforderungen an eine multimediale Datenbank Datenbankmanagementfunktionen Datenbankarchitektur Retrievalkomponenten einer multimedialen Datenbank Benutzergruppen einer multimedialen Datenbank Entwurfstrategien für multimediale Datenbanken Zusammenhang zwischen multimedialen Datentypen Inhaltsbeschreibung mit globalen Merkmalen Regionbasierte Inhaltsbeschreibung Ahnlichkeitsvergleiche und Indexstrukturen Anfrageschnittstellen Browsing Anfragespezifikation mit Schlüsselwörtern Akustische Eigenschaften Subjektive visuelle Eindrücke Ahnlichkeitssuche Visuelle Wörterbücher und Konzepte Präsentation der Retrievalergebnisse Dreidimensionale Browser für Retrievalergebnisse 86

4 VII 5 Ähnlichkeitsfunktionen und Indexstrukturen Ähnlichkeitsfunktionen Abstandsbasierte Methoden Mengentheoretische Methoden Entscheidungstheoretische Methoden Weitere Ähnlichkeitsfunktionen Indexstrukturen K-d-Bäume K-d-B-Bäume R-Bäume SS-und SR-Bäume TV-Bäume VP-Bäume VA-File Datenmodelle, Anwendungen und Systeme für Bildretrieval Klassifikation von Bildinformationssystemen Anwendungsgebiete für Bilddatenbanken Digitales Archiv Bildauswertung Ähnlichkeitssuche Vorhandene Systeme für Bildretrieval Qbic Candid Iris Surfimage EINino Weitere Forschungsprojekte Kommerzielle Systeme für Bildretrieval Datenmodelle für Bilder und assoziierte Metainformationen Bewertung der Retrievalqualität einer Bilddatenbank 135

5 VIII Inhaltsverzeichnis 7 Bildretrieval mit a-priori extrahierten Merkmalen Farbmerkmale für Bildretrieval Farbhistogramme Histogrammbasierte Verfahren für Bildretrieval Blob-Histogramme Statistische Farbmomente Formbasierte Merkmale für Bildretrieval Merkmalsbasierte Ansätze Relationale und transformationsbasierte Ansätze Weitere Verfahren für formbasiertes Retrieval Texturbasierte Merkmale für Bildretrieval Texturmerkmale basierend auf Co-Occurrence-Matrizen Ansatz für geordnete Texturen nach LAWS Ansatz für gerichtete Texturen nach RAO Weitere Methoden für texturbasiertes Bildretrieval Suche nach einer vorgegebenen Textur Semantiklose Merkmale für Bildretrieval Gabormerkmale Cosinustransformation Waveletbasierte Merkmale Layoutbasierte Merkmale für Bildretrieval Einteilung in ein festes Gitter Fuzzyregionen Fensterpaarmethode Bildretrieval mit dynamisch extrahierten Merkmalen Dynamisches Bildretrieval Testreihen für die Bewertung der Retrievalqualität Mustervergleich Direkter Pixelvergleich zur Realisierung einer Detailsuche Retrievalgüte bei direktem Pixelvergleich 180

6 IX 8.4 Dynamisches Bildretrieval mit waveletbasierten Merkmalen CC-Suche DALC-Suche RGB-Suche Ätrous-Suche Bewertung der waveletbasierten Methoden Dynamisches Bildretrieval mit Gabor-Wavelets Dynamisches Bildretrieval mit Jets Dynamisches Bildretrieval mit Gabor-Wavelet-Netzwerken Inhaltsbasiertes Retrieval von Audiosequenzen Audiosequenzen in traditionellen Datenbanksystemen Anwendungsgebiete für Audioretrieval Retrieval von Musikstücken Ansatz von Arthur Ansatz mit Rhythmusanalyse Retrieval durch Auswertung akustischer Eigenschaften Transformationsbasierte Indizierungsmethoden Waveletbasiertes Verfahren für dynamisches Audioretrieval Vorgehensweise beim dynamischen Audioretrieval Waveletbasiertes Audioretrieval unter Verwendung von Dynamic Time Warping Qualitätsmessungen für das Audioretrieval Inhaltsbasierte Suche in Videoarchiven Grundkonzepte des Videoretrievals Beschreibung und Retrieval von Newsfeeds Analyse und Segmentierung der Videosequenzen Gewinnung von weltorientierten Informationen zur Videoarchivierung Modellierung und Retrieval von Newsfeeds Präsentation der archivierten Newsfeeds 249

7 11 Speicher- und Rechenkomplexität des multimedialen Retrievals Speicherbedarf multimedialer Datentypen Anforderung an Rechenleistung Dienstgüteanforderungen dynamischer Medien Parallele und verteilte Architekturen und Anwendungen Grundlagen, Notationen und Begriffe Entwicklung und Trends in der Parallelverarbeitung Klassifikation der parallelen Architekturen MIMD-Architekturen Architekturen mit gemeinsamem Speicher UMA-Architekturen NUMA-Architekturen Architekturen mit verteiltem Speicher Massiv-parallele Prozessorsysteme Cluster Vergleich der Cluster mit anderen parallelen und verteilten Architekturen Parallele und verteilte Anwendungen Parallele und verteilte VoD-Server Verteilte Datenbanksysteme Parallele Datenbanksysteme Leistungsbewertung paralleler Architekturen Leistungsmaße Methoden zur Leistungsbewertung Simulation Analytische Modellierung Leistungsmessung mit Prototypen Benchmarking Wahl der Methode zur Leistungsbewertung 299

8 XI 13.3 Modellierung von Architekturelementen, Daten und Prozessen Annahmen über Architekturen, Programme und Daten Modellierung von Verarbeitungselementen und primärem Speicher Modellierung von sekundärem Speicher und Kommunikationskomponenten Modellierung der parallelen Architekturen Validierung der Simulationsmodelle Simulationsergebnisse Bewertung der Simulationsergebnisse Leistungsbewertung mit einem SMP-Prototyp SMP-basiertes Retrieval multimedialer Daten SMP-Systemmodell für dynamisches Retrieval Leistungsmessungen mit dem SMP-Prototyp Leistungsbewertung mit einem clusterbasierten Prototyp Komponenten des clusterbasierten Prototyps Clusterarchitektur für dynamisches Retrieval Parallele Infrastruktur für Retrievaloperationen Leistungsmessungen mit dem clusterbasierten Prototyp Datenpartitionierung und Lastenausgleich Strategien für statische Datenverteilung Partitionierungsstrategien für Bilder Inhaltsunabhängige Partitionierung der Bilddaten Inhaltsbasierte Partitionierung der Bildmenge Strategien zum Lastenausgleich beim dynamischen Bildretrieval Annahmen und Parameter für den Lastenausgleich LTF-Strategie RBS-Strategie Erweiterung der LTF- und der RBS-Strategie Leistungsgrenzen der LTF- und der RBS-Strategie Rasensprengerstrategie 362

9 XII Inhaltsverzeichnis 15 Cairo - Clusterarchitektur für dynamisches Bildretrieval Funktionalität von Cairo Anforderungsanalyse und -Spezifikation Funktionale Anforderungen Nichtfunktionale Anforderungen Datenbankanforderungen Entwurf auf Systemebene Grafische Benutzeroberfläche Verzeichnisdienste Arbeitsabläufe Kommunikation zwischen den Modulen Systementwurf auf Knotenebene Extraktion und Speicherung von Merkmalen Hierarchische Speicherverwaltung des Systems Cairo Datensicherung und -replikation Wiedergabe dynamischer Medien Entwicklungsstatus des Systems Cairo Zusammenfassung und Ausblick 399 Literaturverzeichnis 401

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