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Mohd Norasri Ismail, Rosziati Ibrahim, Mohd Farhan Md Fudzee那 “面向能源消费意识的内容适应系统研究“,多媒体进步那 卷。2013那 文章ID.871516.那 8. 页面那 2013. https://doi.org/10.1155/2013/871516
面向能源消费意识的内容适应系统研究
摘要
异构设备的可用性迅速改变了人们访问万维网的方式,万维网包括丰富的内容应用程序,如视频流、3D游戏、视频会议和移动电视。然而,大多数这些设备(例如移动电话、PDA、智能手机和平板电脑)的功能在内置软件和库(它们可以显示什么)、显示大小(内容如何显示)和电池供应(内容可以显示多长时间)方面存在差异。为了使数字内容适应目标设备,需要进行内容适配。有许多项目侧重于基于能源意识的内容改编,它们的设计具有不同的目标和方法。本文回顾了在过去几年中提出的一些具有代表性的内容适配解决方案,这些方案与移动设备中无线多媒体流媒体的能耗有关。并根据多媒体内容适配需求的不同分类对研究工作进行了分类。此外,我们还讨论了一些与能源相关的挑战内容。
1.介绍
根据Gartner [12011年,全球智能手机最终用户总销量迅速增长至4.72亿部,较2010年增长58%。另一方面,移动宽带已成为唯一最具活力的ICT服务,2011年订阅增长率达40% [2].这些事实极大地改变了今天人们的生活方式。因此,移动设备,尤其是智能手机和平板电脑,正主导着我们在线消费数字内容的方式。由于这些设备具有更大、更清晰的屏幕、高速连接、更快的处理器和改进的图形,它们开始广泛用于访问富互联网应用程序,如视频流、视频会议和移动电视。然而,这些应用程序可能会消耗大量的电池电量。因此,移动设备的电池寿命有限是一个重要问题,尤其是在浏览在线多媒体内容时[3.].事实上,几乎每个移动设备电池都需要在不超过12小时之后充电。因此,为了有效地支持这些有限电池资源移动设备中的多媒体应用,它已成为移动计算中的重要挑战之一。相反,移动性需要计算系统尽可能小而光。由于电池代表移动设备的大小和重量的重要部分,因此不能增加电池尺寸而不会增加这些不期望的性质。如果在浏览时清空电池,用户可能会发现它会令人沮丧,并且还会失去某些正在进行的数据。
尽管过去已在能源消耗方面作了许多改进[4.-6.,越来越多的人认识到还需要更多。更重要的是,电池技术的发展速度与移动多媒体硬件和应用的进步是不相适应的。因此,电池容量和移动多媒体消费之间的差距正在扩大。以前的结果表明,应用在能源优化方面有很大的空间[7.-9.].Flinn等.研究发现,应用程序的能源消耗可能受到其工作方式的显著影响[7.那9.].他们认为,软件行为/能源消耗的权衡与硬件行为/能源消耗的权衡同样重要。解决这一挑战的方法之一是对内容进行调整。内容适应(图1)已经成为通过异构设备向用户传递的日益增长的基于桌面的Web内容的一个有吸引力的解决方案[10-15]以提供可接受的上网体验,同时减少能源消耗[16那17].
据证明,内容适应机制具有延长多媒体流媒体客户端电池寿命的能力[7.那17那18].它们是能量感知计算技术中最重要的应用层方法。内容适配方法的出现是由于移动设备使用量的增长以及在异构移动设备上查看一些原始内容的需求。这些技术用于在接收和表示方面修改多媒体内容,以使内容适合移动设备,同时最小化能源消耗。换句话说,内容改编可以用来交换流媒体内容质量以节省能源。此外,针对不同的能耗操作优化能耗时,还应考虑用户体验质量(QoE)。本文的主要贡献是对与能源消费相关的现有内容适应体系的调查,这是对[19].论文的其余部分组织如下2描述了内容适配场景,对具有代表性的内容适配系统进行了分类,并强调了一些相关的挑战。部分3.结束这项研究。
2.与能量消耗相关的内容适应系统的分类
内容适配一般分为静态适配和动态适配两种[20.].在静态适配中,对内容的多个版本进行预处理和存储。当用户请求内容时,将根据用户和设备上下文匹配适当的版本。这将减少下载时间,但需要一个预处理任务和更大的存储分配。InfoPyramid [21]和PVP+SVP [22是应用静态适应的例子。相反,动态适配使内容能够实时(动态)适配。特定上下文的修改版本将在用户请求期间编写。动态适配可以为不断增长的环境(用户和设备)提供最合适的适配版本;但是,它可能受到网络和处理的限制。Kontti [23那24是一些应用这种动态的内容改编系统。
首先,让我们描述一下内容改编的场景。图中描述了能量感知内容适配的常见场景1.有三个阶段:收集、处理和合成。用户通过客户端设备请求查看特定内容。内容适配引擎主动地代表用户收集用户首选项和客户端设备配置文件(包括电池配置文件),以及内容服务器的内容和元数据。然后,发动机对收集的数据进行处理并生成能量剖面。然后将能源配置文件与用户和其他设备配置文件一起使用,以产生能源管理配置文件。基于能量管理配置,在客户端给定的能量级别上,流的持续时间内保持最佳的内容质量。然后,该配置将用于生成内容适配配置。然后,内容将使用自适应配置来生成自适应的内容。最后,它将被发送并呈现给请求用户。
在设计内容适应系统之前,需要对内容适应的几个基本领域有充分的了解。这些领域可分为六类:在何处进行内容适配(地方性)、由谁进行适配(策略)、适配什么(机制)、为什么进行适配(目的)、适配什么(环境)、如何适配(方法)。
近年来,人们开展了各种研究工作,以优化移动设备的能耗,同时提供所有必要的功能。以下是根据能源消费意识分类的一些具有代表性的内容适应系统(表1)1).
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2.1.机制
机制是术语,指的是要调整的内容。能量感知内容自适应的主要机制是在发送给用户之前调整数据或内容。这种机制还应考虑能源消耗和减少。内容可以以几种方法调整,例如外观适配,尺寸适配,格式适配,特征适应和封装自适应。(我)外观适配:通过重新安排和定位内容布局或改变列数,对原有内容进行适配[25].内容的安排将考虑目标移动设备维度。(2)大小调整:在这种方法中,内容或内容媒体维度被调整大小[26].内容调整大小的练习通常基于感兴趣区域(ROI)、注意力价值和内容媒体的最小观看尺寸。这种方法是处理移动设备小尺寸问题的解决方案之一。它还可以最小化带宽、处理和演示期间的能源消耗。(iii)格式适配:内容媒体格式多种多样,编码技术和处理要求各不相同。某些内容媒体格式比其他格式消耗更多能量[27].因此,通过改变媒体格式为更节能的格式(例如,图像格式;从位图到JPEG),能源消耗将减至最低[26].(iv)特征适配:内容媒体的保真度在内容适配中也起着重要作用。这种方法通过改变内容的保真度来适应原始内容,如[17那28-30.].根据移动设备的能量状态,调整后的内容可以以最合适的保真度呈现。(v)封装适配:内容通常带有不同的信息。有些信息很重要,有些则不然。例如,内容可能包含与内容主题不相关的图像。这种方法提取了内容中最重要的方面,并封装了不太重要的信息,如[31那32].移动设备的能源可以使用这一技术作为唯一的重要方面被处理和提出。
2.2.策略
适应策略是谁或哪个部分应负责执行能量感知内容适应的问题。[33:底层系统(应用程序所在的地方)、应用程序或两者(系统和应用程序)。(我)系统:底层系统进行适配。移动操作系统首先下载请求的内容。然后,内容被相应地调整,并通过移动设备传递给用户。变色龙(29]使用这种策略,其中提供了一组能量感知API和适应策略作为移动操作系统中的服务。应用程序可以将此API与适应策略一起调用,以便相应地更改移动设备状态以节省能量。系统级策略的另一个例子是[5.].(2)应用:应用策略采用应用扮演适配角色的方式。在这种情况下,被请求的Web页面(所谓的应用程序)使内容本身适应目标设备。大多数现有的内容改编应用了这一策略[17那21那23那24那28].(iii)系统与应用:该策略同时使用移动操作系统和应用程序进行适配。这是最好的策略,但需要同步,正如在Odyssey中所应用的[34].
2.3.地点
位置是指内容适配操作发生的位置。它可以分为两个不重叠的组:集中式和分布式。此外,集中式类可以分为三种:客户端、服务器端和代理端。它们中的每一个都在某些方面发挥作用,也可能受到某些限制。(我)客户端:在客户端方法中,客户端本身(例如智能手机)需要执行内容适配,然后将适配的版本发送到用户的屏幕上。这适用于静态适应,如在[21那22].但是,对于动态适配而言,设备能力、网络带宽等资源有时可能不够用。内容的处理也会消耗能量。因此,客户端方法不利于能量感知内容的适应。(2)服务器端:内容适配在原始内容所在的服务器上执行。例如,当用户试图浏览特定内容时,服务器收集上下文信息,然后执行调整(由系统、应用程序或两者都执行),并相应地交付调整后的内容。参考文献(35-37是一些在服务器端执行适配的系统。然而,这种方法可能会遇到请求过载和沉重的流量,从而增加能源消耗。(iii)代理端:代理负责在这种方法中执行适配。当用户请求驻留在远程服务器上的内容时,特定的代理将下载内容并收集上下文(用户和设备)以及能量状态。然后,代理将在将内容发送给用户之前对其进行相应的调整。参考文献(10那23那28那38是一些应用这种方法的研究。代理端自适应为移动设备的特定媒体类型和能量状态提供了最佳版本,但不适用于自适应超媒体系统。(iv)分布式:适应也可以在不同的地点进行,即所谓的分布式。更具体地说,适应任务被分成几个任务,并传递到不同的位置(依赖于分配位置上的可用资源)。例如,图像数据的代码转换可以在服务器上完成(这需要更多的资源),而调整基于Web页面的维度可以在客户端使用稀缺资源完成。当然,它需要调度管理,否则将是低效的。BARWAN [39]是最早实现分布式方法的系统,最近[40].
2.4.目的
每个内容改编系统都是为了满足特定的目的而开发的。一般来说,目的可以分为两种类型:一般目的和具体内容类型。(我)一般用途:一般用途系统通常用于适应内容属性、对象等一些共同特征。早期的自适应超媒体系统大多属于这一类。它通常是硬编码和固定;因此,它更安全,更容易控制。然而,当引入新对象时,很难适应变化。InfoPyramid [21),《奥德赛》(34]和powerbrowser [35是一些使用这种方法的研究。在最近的研究中,Xadaptor [10]及VTP [38]使用脚本和代理,以提高灵活性和可扩展性。(2)内容专用性:内容专用性系统根据数据类型处理特定的适配任务。例如,如果系统的目标是适应映像,那么它将只处理映像适应。因此,与通用自适应系统相比,该方法具有更好的内容自适应效果。许多研究如在[17那28那30.那37那41关注这种类型的系统。
2.5.上下文
语境是指内容改编和最大限度地改编应考虑谁[28].事实上,内容改编应该以优先顺序为基础。背景信息分为以设备为中心和以用户为中心两种。(我)以设备为中心:这种方法中的适应过程主要基于客户端设备功能。为特定概要量身定制的经过调整的内容包括已识别的客户端设备的能量状态,如[18那21那32那37].因此,这种方法产生了最佳的可渲染质量。(2)以用户为中心:在适应过程中主要考虑用户的偏好、周围环境和用户推断的兴趣。在处理以用户为中心的方法时,这些首选项被视为高优先级。这种方法为用户提供了高度满意的自适应内容。通过这种方法,适应过程还可以考虑用户使用可用能源查看内容的需求。例如,用户需要用非常有限的电池来观看完整的视频,内容的质量将与能耗进行权衡,以确保有足够的电池来显示内容。最近一些关注用户中心的研究人员在[17那28那36].
2.6。方法
方法是指适应媒体内容的技术。一些最常用的内容自适应方法是自适应流、蒸馏、内容选择、可伸缩编码和颜色自适应。(我)自适应流:自适应流是指实时检测用户的带宽能力,并据此改变媒体流质量的过程。这一过程主要是在内容适应系统的决策模块中完成的。自适应流可以通过使用转码技术来实现。转码是一种将视频转换成信息较少的形式的技术,从而产生的数据量适合在低带宽网络和更低的能量成本上进行流媒体。适应是通过衡量不同的网络或设备指标来决定的。例如,当网络吞吐量下降时,视频流适应较低的质量以提高服务质量(QoS)。为了决定是否应该进行适应,还可以考虑其他与能源相关的指标,如电池水平。Kennedy等人[3.]提出并开发了一个简单的算法,分析剩余流持续时间和剩余电池寿命。该算法的结果用于决定是否向动态流媒体服务器发送自适应请求。当剩余视频流持续时间超过剩余电池寿命时,视频将被调整为较低的质量,以确保有足够的电池显示剩余视频流。这是能量感知的视频动态流机制的最简单示例。在[17,视频比特率显著降低,以降低设备能耗,同时保持良好的用户感知质量水平。转码涉及的步骤如下:移动设备通过Wi-Fi向代理服务器发送流请求,并指定其用于解码、网络接收和显示的最大空间分辨率的可用能量。然后,代理找到一个空间分辨率和色度分辨率的组合,它符合客户的要求。其他使用转码技术的研究在[30.那37].(2)蒸馏:蒸馏是利用内容格式及其语义的知识,提取媒体内容中最重要的方面,以降低带宽要求的过程。内容蒸馏的一个例子是在流媒体视频中通过丢弃整帧或降低分辨率来降低比特率。这种方法可以用于将媒体内容流传输到不同的移动设备,也可以处理低网络能力以及最小化能源消耗。在蒸馏方法中,研究人员主要关注以下几种技术:(1)文本单元检测,将内容分解为可以显示、隐藏或总结的文本单元[35];(2)基于块的内容分解,其中内容被分解为具有称为重要值的评分值的块。评分值高的块将全部显示,评分值低的块将汇总显示较小的块[42];(3)高效的片段生成,期望的内容将基于共享行为、个人特征和生命周期显示[43];(4)多栏到单栏布局转换,其中内容栏将被调整为较小的部分,而可能相邻的媒体对象则被横切[25];(5)基于信息的单元(UoI)分解,其中原子信息单元被定义为一组必须一起呈现的段和媒体对象的语义单元,当它被选择时[31].
对于格式良好的内容,大多数方法都表现良好;然而,在合成过程中,它也可能经历信息丢失。(iii)内容选择:内容选择方法处理设备、网络带宽和CPU异构性。每个多媒体对象的多个版本或形式被预处理并存储在内容服务器中。然后,为给定的用户设备选择最佳版本。早期的内容选择系统之一是InfoPyramid [21,它使用一种表示方案来表示多媒体数据的层次结构。另一个最近的例子,Chandra和Vahdat [44]测量不同媒体格式的能耗,并在内容服务器上存储不同分辨率的相同媒体。他们表明,在服务器上切换到较低保真度的流可以在移动客户端上节约潜在的能源。Mohapatra等人[45将具有不同参数的视频流转码,并在代理或服务器中生成同一视频的多个副本。然后,他们分析了这些转码流的移动客户端的平均功耗,然后使用这些分析值进行流选择,而不是转码。另一种方法是根据移动设备的电池水平选择多媒体内容[18].使用这些方法可节省75%的能源。45],在[18].该方法的优点在于选择过程期间的转码,并且在内容提供商验证了适应性内容质量的情况下,该方法的实时处理较少。但是,需要多个相同内容的副本,这需要来自内容提供商的大量工作来管理内容并且是非常资格的。然而,这种特定技术可以通过无线网络提供简单但有效的能量感知内容适应。(iv)可扩展视频编码:可扩展视频编码(SVC)是对H.264/MPEG-4视频标准的扩展,它具有在多个质量级别之一动态解码SVC视频流的机制[17那46那47].通过在客户端设备上使用SVC实现对默认解码过程的实时修改,实现能源效率最大化。这涉及到通过将解码过程集中在屏幕、图像或视频的重要区域来简化解码过程或解析元数据。动态伸缩是通过三种伸缩机制的任意组合实现的:时间可伸缩性、空间可伸缩性和质量可伸缩性。(1)时间可伸缩性:该机制通过丢弃整个帧来改变接收视频流的帧速率。作为示例,可以删除MPEG视频中的B帧,而不会影响一组图片中的任何前一个或以下帧。(2)空间可伸缩性:这种机制改变了视频的分辨率。(3)质量可扩展性:这种机制改变了视频解码器中每个宏块的量化参数。这已被证明在视频解码期间产生42%的能耗降低,视频质量仅下降13% [41].(v)色彩:移动设备中最大的能源消耗部件之一是显示屏。然而,通过正确的操作,它也有很大的节能潜力。不同的筛管技术有各自的能耗特点。例如,OLED屏幕不需要背光,因为与LCD屏幕相比,它们的像素是发光的。与OLED屏幕相比,LCD显示屏的背光耗电量最大;能量消耗取决于每个像素的强度和色度。因此,OLED屏幕在显示黑色像素时几乎不消耗能量,但在显示白色像素时消耗的能量远远超过LCD。这项技术的一个重要研究是由Mian等人完成的[48].他们通过控制OLED屏幕上的像素颜色,将移动设备的能耗降至最低。这需要一个机制来获取能量,以便在OLED屏幕上显示所有可用颜色的每个像素。在[49],评估不同GUI主题的现行颜色的能源效益,并将其修改为不同颜色,以在保持整体对比的同时,显著节省能源。使用这种技术可以实现75%以上的节能。在[50,董和钟开发了一个功能齐全的Android应用程序,名为变色龙。变色龙成功地减少了超过41%的总能量消耗。另一项基于人类感知颜色空间而减少能源消耗的相关工作是[32].
3.结论
丰富的互联网内容以及快速可用的移动设备在线浏览这些数字内容导致了内容适应研究领域的出现。90年代初,有许多团队在研究超媒体技术。沿着这条路线,研究人员开始转向内容调整,以实现个性化,即根据特定的限制条件定制内容。介绍了转码、内容选择、模态转换等适应方法。同时,这些方法也可以用来降低移动设备的能耗。最近,随着普及计算的引入,提供了持续的“无缝技术”,优化策略是必要的。由于对内容适应的能量感知研究的兴起,各种方法被引入。在本文中,我们提出了一个能源感知内容适应的简要概念。然后,我们提供了能源感知内容适应系统的代表性解决方案的调查。我们将研究方案分为六个部分:在哪里进行内容适配(本地化); who should perform the adaptation (strategy); what to be adapted (mechanism); why perform adaptation (purpose); adapt to what (context); how to adapt (method). There are several open challenges in energy-aware content adaptation that have been discussed. One of the challenges is how to perform energy-aware content adaptation from multitude of distributed resources while maintaining acceptable quality of experience (QoE) and maximize energy efficiency. Another research direction is dynamic multimedia content adaptation with minimum cost of network traffic and processing.
致谢
作者要感谢马来西亚Tun Hussein Onn大学(UTHM)和马来西亚教育部为促进这项研究活动提供的研究资助。
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