Nazwa modułu: Sieciowe systemy multimedialne Rok akademicki: 2017/2018 Kod: IIN-2-204-WO-s Punkty ECTS: 5 Wydział: Informatyki, Elektroniki i Telekomunikacji Kierunek: Informatyka Specjalność: Wytwarzanie oprogramowania Poziom studiów: Studia II stopnia Forma i tryb studiów: Stacjonarne Język wykładowy: Polski Profil kształcenia: Ogólnoakademicki (A) Semestr: 2 Strona www: http://upel.agh.edu.pl/weaiie/course/view.php?id=99 Osoba odpowiedzialna: dr inż. Czekierda Łukasz (luke@agh.edu.pl) Osoby prowadzące: dr inż. Czekierda Łukasz (luke@agh.edu.pl) dr inż. Kwolek Bartosz (bkwolek@agh.edu.pl) Krótka charakterystyka modułu Celem przedmiotu jest zapoznanie studentów z zagadnieniami kodowania danych multimedialnych, mechanizmami ich transmisji w sieciach komputerowych i realizacjami współczesnych systemów multimedialnych Opis efektów kształcenia dla modułu zajęć Kod EKM Student, który zaliczył moduł zajęć wie/umie/potrafi Powiązania z EKK Sposób weryfikacji efektów kształcenia (forma zaliczeń) Wiedza M_W001 podstawowe pojęcia związane z problematyką sieciowych systemów multimedialnych IN2A_W08, IN2A_W07, IN2A_W10 Egzamin M_W002 problematykę kodowania i kompresji obrazu statycznego, obrazu ruchomego i dźwięku IN2A_W03, IN2A_W11 Egzamin, Kolokwium M_W003 problematykę strumieniowania mediów w sieciach komputerowych oraz zna podstawowe mechanizmy zarządzania i sygnalizacji. IN2A_W08, IN2A_W07, IN2A_W05 Aktywność na zajęciach, Egzamin, Kolokwium Umiejętności 1 / 6
M_U001 Student umie korzystać z dostępnych w sieci Internet materiałów opisujących standardy związane z zakresem modułu IN2A_U02, IN2A_U01, IN2A_U03 Zaliczenie laboratorium M_U002 Student ma umiejętność budowy efektywnych systemów transmisji strumieniowych danych multimedialnych w sieciach IP i krytycznej oceny ich funkcjonalności i wydajności IN2A_U19, IN2A_U02, IN2A_U13, IN2A_U17, IN2A_U18 Aktywność na zajęciach, Kolokwium, Odpowiedź ustna, Studium przypadków, Wykonanie ćwiczeń laboratoryjnych, Zaliczenie laboratorium M_U003 Student umie zbudować i skonfigurować sieć do realizacji usług Voice over IP IN2A_U12, IN2A_U05, IN2A_U13, IN2A_U16, IN2A_U14 Aktywność na zajęciach, Studium przypadków, Wykonanie ćwiczeń laboratoryjnych, Zaliczenie laboratorium Kompetencje społeczne M_K001 Student umie pracować w grupie w celu budowy złożonych konfiguracji sieciowych do transmisji danych multimedialnych IN2A_K03, IN2A_K04 Udział w dyskusji, Wykonanie ćwiczeń laboratoryjnych Matryca efektów kształcenia w odniesieniu do form zajęć Kod EKM Student, który zaliczył moduł zajęć wie/umie/potrafi Forma zajęć Wykład Ćwiczenia audytoryjne Ćwiczenia laboratoryjne Ćwiczenia projektowe Konwersatori um seminaryjne praktyczne terenowe warsztatowe Inne E-learning Wiedza M_W001 M_W002 M_W003 Umiejętności M_U001 podstawowe pojęcia związane z problematyką sieciowych systemów multimedialnych problematykę kodowania i kompresji obrazu statycznego, obrazu ruchomego i dźwięku problematykę strumieniowania mediów w sieciach komputerowych oraz zna podstawowe mechanizmy zarządzania i sygnalizacji. Student umie korzystać z dostępnych w sieci Internet materiałów opisujących standardy związane z zakresem modułu + - - - - - - - - - - + - - - - - - - - - - + - - - - - - - - - - 2 / 6
M_U002 M_U003 Student ma umiejętność budowy efektywnych systemów transmisji strumieniowych danych multimedialnych w sieciach IP i krytycznej oceny ich funkcjonalności i wydajności Student umie zbudować i skonfigurować sieć do realizacji usług Voice over IP Kompetencje społeczne M_K001 Student umie pracować w grupie w celu budowy złożonych konfiguracji sieciowych do transmisji danych multimedialnych Treść modułu zajęć (program wykładów i pozostałych zajęć) Wykład 1. Wprowadzenie do tematyki przedmiotu (2 godz.) Podstawowe definicje. Pojęcie strumieniowania danych multimedialnych. Wymogi poszczególnych zastosowań sieciowych systemów multimedialnych. Wielkość strumienia danych multimedialnych a jego jakość i opóźnienie dostarczania. Znaczenie transmisji grupowej i mechanizmów zapewniania jakości w funkcjonowaniu złożonych systemów multimedialnych. Integracja z innymi systemami (telefonicznymi, telewizyjnymi). 2. Kodowanie obrazu statycznego i ruchomego (4 godz.) Charakterystyka postrzegania obrazu przez człowieka. Podstawowe metody stosowane w kompresji obrazu. Kodowanie entropijne, Wybrane metody słownikowe i substytucyjne. Transformacja DCT. Transformacja falkowa. Standard JPEG i jego odmiany. Standard JPEG 2000. Standard Cell-B. Charakterystyka obrazu ruchomego. Standard MJPEG. Estymacja i kompensacja ruchu. Kompresja międzyramkowa. Standard H.261. Wybrane cechy standardów MPEG-1, MPEG-2, MPEG-4, H.263, H.264, H.265 i VP9 3. Kodowanie dźwięku (3 godz.) Charakterystyka postrzegania dźwięku przez człowieka. Głos a dźwięk szerokopasmowy. Próbkowanie, kwantyzacja. Twierdzenie Nyquista. Kwantyzacja nierównomierna. Standard G.711. Mechanizmy kodowania adaptacyjnego. Standard G.726. Kodowanie głosu przez jego modelowanie. Standardy typu LPC CELP, GSM, ilbc, G.729. Metody psychoaktustyczne. Standard MPEG-1 Audio. Porównanie parametrów poszczególnych standardów. 4. Opis sesji multimedialnych (1 godz.) Parametry opisu sesji multimedialnych. Format Session Description Protocol (SDP). Multimedialne sesje ad-hoc. Protokół Session Announcement Protocol (SAP). 5. Usługa wideo na żądanie i dostarczanie strumieni informacji multimedialnej na żywo (live) (2 godz.) Charakterystyka strategii wideo na żądanie. Protokół Real Time Streaming Protocol (RTSP).Rozwiązanie MPEG-DASH i inne rozwiązania adaptacyjnego dostarczania strumienia danych multimedialnych w rozważanych scenariuszach. 6. Zagadnienia transportu danych multimedialnych w sieciach komputerowych (4 godz.) Problematyka transportu danych multimedialnych w sieciach IP. Protokół Real- Time Transport Protocol (RTP). Miksowanie strumieni informacji multimedialnej. Synchronizacja mediów w sesjach multimedialnych. Nadzorowanie transmisji danych multimedialnych. Protokół Real Time Control Protocol (RTCP). Stratna i bezstratna 3 / 6
transmisja w sieciach komputerowych. Adaptacja wielkości dostarczania danych multimedialnych. Charakterystyka protokołu IP oraz protokołów transportowych TCP, UDP, SCTP i DCCP pod kątem przydatności w dostarczaniu danych multimedialnych. Technika Multiprotocol Label Switcihng (MPLS). Transmisja nadmiarowa, korekcja danych. Standard MPEG Transport System (TS). Rozwiązania Content Delivery Networks (CDN). 7. Transmisja grupowa w sieciach IP (3 godz.) Charakterystyka transmisji grupowej i jej podstawowe zastosowania. Adresacja grupowa IPv4 i IPv6. Odwzorowanie adresów grupowych L3 na L2. Raportowanie zainteresowania odbiorem danych grupowych. Protokół Internet Group Management Protocol (IGMP). Problem routingu multicast. Podstawowe algorytmy komunikacji grupowej. Test RPF. Lista OIL. Drzewo najkrótszej ścieżki i drzewo dzielone. Punkt spotkań. Realizacji transmisji grupowej w sieciach lokalnych i rozległych. Protokół Protocol Intependent Multicast (PIM) i jego odmiany DM, SM, BIDIR i SSM. Bezpieczeństwo transmisji grupowej. Niezawodna transmisja grupowa. 8. Zapewnianie jakości usług w sieciach IP (2 godz.) Sposoby zapewniania jakości usług w różnych warstwach modelu OSI/ISO. Zarządzanie zatorami i unikanie ich. Podejście best-effort. Klasyfikacja ruchu sieciowego. Mechanizm DiffServ. Rezerwacja zasobów na urządzeniach sieciowych. Protokół Resource Reservation Protocol (RSVP). Mechanizm IntServ. 9. Transmisja głosu w sieciach IP. Technologia VoIP (2 godz.) Realizacja transmisji głosu w sieciach PSTN. Telefonia komputerowa. Komutacja łączy i komutacja pakietów. Zalety i wady prowadzenia komunikacji głosowej w sieciach pakietowych. Opóźnienie w komunikacji VoIP i sposoby jego przeciwdziałaniu. 10. Środowiska tele- i wideokonferencyjne (5 godz.) Wymagania systemów tele- i wideokonferencyjnych. Standard H.323. Standard SIP. Realizacja sesji multimedialnych z kontrolą administracyjną. Uprawnienia w sesjach scentralizowanych i sposoby zarządzania nimi. Realizacja usług IPTV. 11. Standardy Digital Video Broadcasting (DVB) (2 godz.). Charakterystyka poszczególnych odmian DVB: DVB-T, DVB-S, DVB-C, DVB-H. Radiodyfuzja, Multipleks. Transmisja satelitarna. Kodowanie nadmiarowe i kody korekcyjne stosowane w transmisjach DVB. Ćwiczenia laboratoryjne 1. Kodowanie obrazu statycznego Reprezentacja kolorów. Kodowanie entropijne. Transformacja DCT. Standard JPEG. Czynniki powodujące stratność JPEG. 2. Sprzętowe i programowe kodowanie obrazu ruchomego. Wybrane cechy algorytmów kodowania obrazu ruchomego (MJPEG, H.261, H.264. Kompresja wewnątrz- i międzyramkowa. Analiza jakości obrazu generowanego przez urządzenia działające w sieci ATM i Ethernet. 3. Organizacja sesji multimedialnych Tworzenie i uczestnictwo w sesjach multimedialnych. Protokoły RTSP i RTMP. Wykorzystanie sprzętowych i programowych serwerów strumieniujących. Skalowalność procesu dostarczania danych multimedialnych Content Delivery Networks. 4. Transport danych multimedialnych (1) Analiza cech protokołów RTP i RTCP. Synchronizacja wewnątrz strumienia i pomiędzy strumieniami. Wykorzystanie mikserów RTP. Standard MPEG-TS. 5. Transport danych multimedialnych (2) Standard MPEG-DASH. Wykorzystanie infrastruktur chmur publicznych do strumieniowania danych na żywo (Youtube). Radiostacje internetowe. 6. Technologie transmisji sygnału TV. Analiza różnych możliwości dostarczania sygnału telewizyjnego wykorzystanie urządzeń obsługujących standardy DVB-T i DVB-S. IPTV. 4 / 6
Rozwiązania Digital Signage na przykładzie infrastruktury Katedry Informatyki. 7. Profesjonalne systemy wideokonferencyjne na przykładzie Cisco TelePresence. Sygnalizacja H.323 i SIP. Rola i możliwości mostków konferencyjnych. Rejestracja przebiegu konferencji i publikacja jej zapisu. 8. Standard WebRTC. Zagadnienia bezpośredniej komunikacji uczestników konferencji multimedialnej w środowisku z mechanizmami translacji adresów (NAT/PAT). 9. Transmisja grupowa i routing multicast w sieciach IP Analiza działania protokołów IGMP oraz PIM DM i SM w przykładowej sieci. Budowa drzew dzielonych i drzew najkrótszej ścieżki, wybór punktu spotkań. 10. Zapewnianie jakości usług w sieciach IP Implementacja architektury DIffServ oraz Inserv.Obserwacja wpływu różnych konfiguracji QoS na postrzeganą jakość strumieni audiowizualnych. 11. Wprowadzenie do technologii VoIP Implementacja systemu VoIP w przykładowej sieci. Integracja z telefonią PSTN z wykorzystaniem bramek głosowych. Wykorzystanie telefonów programowych i telefonów IP. 12. Rozwiązania VoIP zgodnie ze standardem H.323 Wykorzystanie elementów architektury H.323 do budowy złożonego systemu VoIP. Konfiguracja gatekeepera H.323 i obserwacja działania protokołu RAS. Tworzenie planów numeracyjnych. Sposób obliczania oceny końcowej 1. Aby uzyskać pozytywną ocenę końcową niezbędne jest uzyskanie pozytywnej oceny z laboratorium oraz egzaminu. 2. Na ocenę z laboratoriów mają wpływ dwa kolokwia oraz aktywność na zajęciach laboratoryjnych i stopień przygotowania do nich. 3. Ocena końcowa jest wyznaczana na podstawie wzoru K=0,5 (L+E)-6 n, gdzie:k oznacza wyrażoną procentowo liczbę punktów braną przy określeniu oceny końcowej z modułu, E oznacza wyrażoną procentowo liczbę punktów uzyskanych na egzaminie w ostatnim terminie, do którego student przystąpił, L oznacza wyrażoną procentowo liczbę punktów uzyskanych z laboratorium w ostatnim terminie, do którego student przystąpił, n oznacza liczbę przystąpień do zaliczeń poprawkowych (egzamin i laboratorium łącznie). UWAGA: jeśli L lub E są mniejsze niż 50%, wówczas K = 0%; jeśli L i E są większe niż 50%, a K jest mniejsze niż 50%, wówczas K = 50%. 4. Zamiana K (wyrażonego procentowo) na ocenę odbywa się zgodnie z regulaminem studiów AGH. Studenci nieobecni na zajęciach powinni zapoznać się z materiałami udostępnianymi w platformie Moodle. W razie pytań lub wątpliwości można się kontaktować poprzez pocztę elektroniczną w celu ich wyjaśnienia lub umówienia spotkania. Wymagania wstępne i dodatkowe Znajomość podstaw funkcjonowania sieci komputerowych, urządzeń sieciowych i ich zadań. Znajomość problematyki systemów rozproszonych. Zalecana literatura i pomoce naukowe 1. Literatura podstawowa 2. 3. Materiały prezentowane na wykładzie 4. 5. Sayhood K.: Kompresja danych wprowadzenie. Wydawnictwo RM, Warszawa 2002 6. 7. Schulzrinne H. i in.: RTP: A Transport Protocol for Real-Time Applications. RFC 3550, 2003 8. 9. Schulzrinne H. i in.: Real Time Streaming Protocol. RFC 2326, 1998 10. 11. Rosenberg J i in.: SIP: Session Initiation Protocol, RFC 3261, 2002 12. Literatura uzupełniająca 13. 14. Grois D., Marpe D., Mulayoff A. Performance comparison of H.265/MPEG-HEVC, VP9, and H.264/MPEG-AVC encoders, 2014 15. 16. Kalpana B, Rangarajan P., An Effective Analysis of MPEG DASH-Dynamic Adaptive Streaming over HTTP, a Streaming Standard for Multimedia, 2017 17. 18. Estrin D. i in.: Protocol Independent Multicast Sparse Mode: Protocol Specification, RFC 2362, 1998 19. 20. inne dokumenty RFC związane z tematyką zajęć podawane w materiałach wykładowych 5 / 6
Publikacje naukowe osób prowadzących zajęcia związane z tematyką modułu 1. Benefits of extending collaborative educational cloud with IoT / Łukasz CZEKIERDA, Sławomir ZIELIŃSKI, Marcin Szterer // W: WETICE 2017 [Dokument elektroniczny] : 2017 IEEE 26th International Conference on Enabling Technologies: Infrastructure for Collaborative Enterprises : 21 23 June 2017 Poznan, Poland : proceedings / ed. Sumitra Reddy, Wojciech Cellary, Mariagrazia Fugini. [Piscataway] : IEEE, cop. 2017. ISBN: 971-1-5386-1759-5 ; e-isbn: 978-1-5386-1758-8. S. 80 85. Bibliogr. s. 85, Abstr.. tekst: https://goo.gl/vqxw8k 2. Compression of image sequences in interactive medical teleconsultations / Filip MALAWSKI, Łukasz CZEKIERDA // Computer Science ; ISSN 1508-2806. 2017 vol. 18 iss. 1, s. 95 114. Bibliogr. s. 111 113, Abstr. 3. Recognizing value of educational collaboration between high schools and universities facilitated by modern ICT / K. ZIELIŃSKI, Ł. CZEKIERDA, F. MALAWSKI, R. STRAŚ, S. ZIELIŃSKI // Journal of Computer Assisted Learning ; ISSN 0266-4909. 2017 vol. 33 iss. 6, s. 633 648. Bibliogr. s. 647 648 tekst: https://goo.gl/xmjwuv 4. Evolutionary approach to development of collaborative teleconsultation system for imaging medicine / Łukasz CZEKIERDA, Tomasz MASTERNAK, Krzysztof ZIELIŃSKI // IEEE Transactios on Information Technology in Biomedicine ; ISSN 1089-7771. 2012 vol. 16 no. 4, s. 550 560. Bibliogr. s. 559 560, http://ieeexplore.ieee.org/stamp/stamp.jsp?tp=&arnumber=6182585 5. Framework for application-level adaptation of media streams transmitted using DCCP protocol / Łukasz CZEKIERDA, Tomasz Grobelny // W: ISCC 2009 [Dokument elektroniczny] : IEEE Symposium on Computers and Communications : July 5 8, 2009, Sousse, Tunisia / IEEE, cop. 2009. e-isbn: 978-1- 4244-4671-1. S. 417 423. 6. IGCP: a platform for interactive communication in groupware applications / Łukasz CZEKIERDA, Mirosław JEDYNAK, Tomasz MASTERNAK // W: ICC 2009: 2009 IEEE International Conference on Communications : Dresden, Germany, 14 18 June 2009 : proceedings: The Institute of Electrical and Electronic Engineers, cop. 2009. (IEEE International Conference on Communications ; ISSN 1938-1883). ISBN: 978-1-4244-3435-0. S. [1 6]. Informacje dodatkowe Prowadzący zajęcia stosują różnorodne metody aktywizujące studentów.prowadzący wykład zachęca studentów do dyskusji niekiedy także stosując quizy i ankiety. W czasie zajęć laboratoryjnych często stosowana jest praca w grupach z elementami rywalizacji oraz szeroka dyskusja omawianych zagadnień. Większość zajęć laboratoryjnych jest prowadzona w modelu odwróconej klasy oczekuje się dobrego wstępnego przygotowania studentów. Nakład pracy studenta (bilans punktów ECTS) Forma aktywności studenta Egzamin lub kolokwium zaliczeniowe Udział w wykładach Samodzielne studiowanie tematyki zajęć Udział w ćwiczeniach laboratoryjnych Przygotowanie do zajęć Sumaryczne obciążenie pracą studenta Punkty ECTS za moduł Obciążenie studenta 20 godz 30 godz 30 godz 30 godz 20 godz 130 godz 5 ECTS 6 / 6