PB001: Uvod do informačních technologií
Luděk Matýska Přednášející: Eva Hladká
Fakulta informatiky Masarykovy univerzity
podzim 2011
Luděk MatyskaPřednášející: Eva Hladká (Fl I  PB001: Úvod do informačních technologií
podzim 2011
1/41
Ql Peer-to-peer systémy Ql Bezdrátové senzorové sítě O Sociál ni sítě 0 Multimédia
Luděk MatyskaPřednášející: Eva Hladká (Fl I  PB001: Úvod do informačních technologií I podzim 2011 2/41
Peer-to-peer systémy
• decentralizovaný distribuovaný systém: klient-klient
• tvořen vzájemně komunikujícími identickými entitami (peery)
• opak modelu klient-server
o každý peer je zároveň serverem i klientem
• poskytuje služby ostatním peerům - role serveru
• využívá služby ostatních peerů - role klienta
Příklady
• Skype - přenos hlasu a obrazu v reálném čase
• BOINC - platforma pro distribuované výpočty
• BitTorrent - sdílení dat o BitCoin - digitální měna
9 . . .
Luděk MatyskaPřednášející: Eva Hladká (Fl I  PB001: Úvod do informačních technologií
podzim 2011
3/41
Peer-to-peer systémy
• distribuované řízení - neexistence centrální entity
• samoorganizace
• heterogenita - peerové běží na různých platformách
• škálovatelnost - nehrozí přetížení centrální entity
• dynamika - topologie systému se velmi rychle mění
• sdílení zdrojů - každý peer se svými zdroji podílí na fungování P2P systému
Luděk MatyskaPřednášející: Eva Hladká (Fl I  PB001: Úvod do informačních technologií
podzim 2011
4/41
Náročnost zbudování
• K-S využívá jednoduchých modelů komunikace
• P2P vyžaduje komplexní interakce Spravovatelnost
• správa K-S systému je přehlednější díky koncentraci komunikace v jednom bodě
Škálovatelnost
• K-S model limitován HW parametry serveru - využívá se vyvažování zátěže mezi několika fyzickými stroji
• P2P systém škáluje z principu - s rostoucím počtem peerů roste kapacita systému
Luděk MatyskaPřednášející: Eva Hladká (Fl I  PB001: Úvod do informačních technologií
podzim 2011
5/41
Peer-to-peer systémy
strukturované
• využívají samoorganizačních algoritmů
• vytvářejí předem danou topologii
• distributed hash table nestrukturované
• peerové se připojují ad-hoc
• nesnaží se dát propojením žádnou pevnou strukturu centralizované
• centrální server poskytuje indexovací službu hybridní
• některé z uzlů povýšeny na superuzly
• organizace sítě a komunikace mezi komponentami přenesena na superuzly
Luděk MatyskaPřednášející: Eva Hladká (Fl I  PB001: Úvod do informačních technologií
podzim 2011
6/41
Peer-to-peer systémy
Luděk MatyskaPřednášející: Eva Hladká (Fl I  PB001: Úvod do informačních technologií
podzim 2011
7/41
Peer-to-peer systémy
Bezpečnost
• v K-S modelu je za bezpečnost zodpovědný server
• v P2P systému je zodpovědnost rozložena mezi peery - nutnost komplexnějších bezpečnostních protokolů
Spolehlivost
• K-S systém je závislý na běhu serveru - single point of failure
• P2P systém je do velké míry redundantní - jednu funkcionalitu poskytuje zároveň více peerů
Luděk MatyskaPřednášející: Eva Hladká (Fl I  PB001: Úvod do informačních technologií
podzim 2011
8/41
o autonomní senzory schopné vzájemné komunikace
o cíl: měřit fyzikální a chemické veličiny na rozsáhlém území
• požadavek na škálovatelnost na velká území vylučuje „drátové" sítě
• často spojované s ovládacími prvky
Příklady:
o monitoring znečištění ovzduší
• sledování šíření lesních požárů
• detekce narušení hlídaného prostoru
• inteligentní budovy, monitoring struktury staveb
• sledování stavu zemědělských ploch
• ...
Luděk MatyskaPřednášející: Eva Hladká (Fl I  PB001: Úvod do informačních technologií
podzim 2011
9/41
Bezdrátové ser
• velmi malé a jednoduché
• omezené zdroje energie, výpočetní síla a úložná kapacita
• napájení z baterie, nebo získávají energii z prostředí
• velké množství, pokrývají potenciálně rozlehlá území
• schopné komunikace mezi sebou
• převážně datové trendy s nízkou frekvencí
Luděk MatyskaPřednášející: Eva Hladká (Fl I  PB001: Úvod do informačních technologií
podzim 2011
10 / 41
Síť
• decentralizovaná
• samoorganizující mechanismy pro správu
• značně homogenní, malý počet hraničních (sběrných) uzlů Řešené problémy:
• rozmístění senzorů: deterministické/nedeterministické, (semi)autonomní
• směrování dat
• sběr a distribuce dat z/do sítě
• fůze senzorů: robustnost skrze redundanci
Luděk MatyskaPřednášející: Eva Hladká (Fl I  PB001: Úvod do informačních technologií
podzim 2011
11 / 41
Je třeba brát v potaz:
• energetickou náročnost algoritmů
• cílem je zachovat síť co nejdelší dobu funkční
• nejkratší cesta vs. energeticky nejlevnější cesta
• zátěž je třeba rozkládat průběžně mezi jednotlivé uzly
• nespolehlivost senzorů i komunikace
• poškození, ztráta napájení senzorů nesmí vyřadit celou síf
• selhávající uzel se může chovat jako záškodník
• fúzované uzly se musí „dohodnout" na společné hodnotě
Luděk MatyskaPřednášející: Eva Hladká (Fl I  PB001: Úvod do informačních technologií
podzim 2011
12 / 41
Si
Sociologické pojetí:
• skupiny definované vzájemnými propojujícími vztahy
• přátelství, obchodní styk, příbuzenské vztahy, společné zájmy...
• znázorňována jako graf Sociální síťování jako služba:
• webová aplikace reflektující sociální sítě z reálného světa
• umožňuje aktivní vytváření nových sítí
Luděk MatyskaPřednášející: Eva Hladká (Fl I  PB001: Úvod do informačních technologií
podzim 2011
13 / 41
Si
Analýza grafu sociální sítě:
• vzdálenost dvou uzlů - teorie šesti stupňů odloučení
• rozklad na komponenty - sociální skupiny
• studium šíření informací - epidemiologické metody
• egocentrická analýza - sociální kapitál jedince
• ...
Luděk MatyskaPřednášející: Eva Hladká (Fl I  PB001: Úvod do informačních technologií
podzim 2011
14 / 41
Si
Historie
• první snahy již od počátku internetu: Usenet, ARPANET
• 90. léta - zájmové komunity: geocities.com, classmates.com ...
• nová generace: SixDegrees.com (1997), Friendster (2002), Myspace (2003), Linkedln (2003), Facebook (2004)
Chara kteristika
• uživatelé vytvářejí a udržují svůj profil = soubor osobních informací
• uživatelé definují uni/bilaterální vztahy
• uživatel může prohlížet a procházet svůj seznam kontaktů a do jisté míry i propojení mezi ostatními
Luděk MatyskaPřednášející: Eva Hladká (Fl I  PB001: Úvod do informačních technologií
podzim 2011
15 / 41
Si
Niche Communities
• některé sociální skupiny jsou i v reálném světě uzavřené
• reflektováno v síťovacích službách: uzavřené skupiny, definování okruhů kontaktů...
Bezpečnost a ochrana soukromí
• kontrola toku osobních informací
• rozdělení dat na soukromá a veřejná
• měnící se pravidla stěžují kontrolu
Luděk MatyskaPřednášející: Eva Hladká (Fl I  PB001: Úvod do informačních technologií
podzim 2011
16 / 41
typy
• zvuk
• obraz
• haptika zpracování
• akvizice
• uchovávání
• prezentace
atyskaPřednášející: Eva Hladká (Fl I  PB001: Úvod do informačních techn
• Podélné mechanické vlnění v látkovém prostředí (vzduch), které je schopno vyvolat sluchový vjem.
• Jakožto vlnění podléhá běžným fyzikálním jevům
• odraz, ohyb, difrakce
• Vnímání zvuku - složitý proces, závislý na mnoha faktorech, pro který zatím nebyla vytvořena uspokojivá teorie
Luděk MatyskaPřednášející: Eva Hladká (Fl I  PB001: Úvod do informačních technologií
podzim 2011
18 / 41
frekvenční rozsah
• vnímaný rozsah kolem 20 Hz až 22 kHz
• s rostoucím věkem horní hranice výrazně klesá dynamický rozsah
• rozdíl mezi nej hlasitějším a nejtišším vnímatelným zvukem
• uprostřed slyšitelného frekvenčního pásma asi 120 d B
• na okrajích pásma je mnohem menší, rozlišování frekvence
• schopnost rozlišit frekvence tónů
• u každého člověka jiná a frekvenčně závislá
• uprostřed slyšitelného frekvenčního pásma vyšší než na okrajích pásma
Luděk MatyskaPřednášející: Eva Hladká (Fl I  PB001: Úvod do informačních technologií
podzim 2011
19 / 41
frekvenční maskovaní
• schopnost odlišit dva frekvenčně blízké tóny
• jeden tón může potlačit slyšitelnost jiného, současně znějícího tónu
• maskovací schopnosti závislé na
• frekvenci maskujícího a maskovaného tónu
• frekvenční vzdálenosti obou tónů
• šířkou kritického pásma
• využívané v některých kompresních algoritmech (MP3, Vorbis nebo ATRAC)
časové maskování
• potlačení slyšitelnosti méně hlasitého tónu po hlasitém
• potlačení tichého tónu předcházejícího maskovacímu tónu
Luděk MatyskaPřednášející: Eva Hladká (Fl I  PB001: Úvod do informačních technologií
podzim 2011
20 / 41
• akvizice zvuku
• diskrétní reprezentace spojitého zvukového vlnění
• zpracování diskrétních zvukových dat
• analýza zvuku za použití psychoakustických modelů
• použití zvukových filtrů: ekvalizace, odstranění šumu a echa apod.
• datová komprese
o uložení na datový nosič, pevný disk apod.
• přenos po síti
Luděk MatyskaPřednášející: Eva Hladká (Fl I  PB001: Úvod do informačních technologií
podzim 2011
21 / 41
A/D převodník
• typicky zvuková karta v PC ale i jiná zařízení (mobilní telefon, PDA, MP3 přehrávač)
vzorkování
• odebírání vzorku signálu v definovaných časových intervalech (vzorkovací frekvence)
o převádí spojitý časový průběh signálu na diskrétní reprezentaci
kvantování
• diskrétní reprezentace hodnoty intenzity zvuku
• 1 bit odpovídá přibližně 6 dB
Luděk MatyskaPřednášející: Eva Hladká (Fl I  PB001: Úvod do informačních technologií
podzim 2011
22 / 41
Akvizice zvuku - vzorkování
Akvizice zvuku - kvantování
vzorkovací frekvence a kvantování v praxi
• 8 kHz, 8 bitů na vzorek - telefony
• 11 kHz - lidská řeč
• 22 kHz - kvalita odpovídající audiokazetě
• 44.1 kHz - CD
• 48 kHz, 96 kHz, 192 kHz, 24 bitů na vzorek - DVD
• 64 bitů na vzorek - použití v sonarech
Luděk MatyskaPřednášející: Eva Hladká (Fl I  PB001: Úvod do informačních technologií
podzim 2011
25 / 41
• analogový signál —> vzorkování —> kvantování —> PCM
• datové toky
• 8 kHz x 8 b x 1 kanál = 64 kbps
• 192 kHz x 24 b x 2 kanály = 9000 kbps
• použití: digitální telefonní linky, CD, DVD audio, DVD
• běžně implementované v HW
Luděk MatyskaPřednášející: Eva Hladká (Fl I  PB001: Úvod do informačních technologií
podzim 2011
26 / 41
CD audio
• Red book audio standard (Philips a Sony v roce 1980)
• 2 audio kanály
• vzorkovací frekvence 44.1 kHz, 16 bitů na vzorek, PCM
• detekce a oprava chyb
• ochrana proti kopírování porušuje red book standard DVD audio
• vysoce větný (hi-fi) formát
• mnoho možných konfigurací adio kanálů (1.0 až 7.1)
• oproti CD: větší vzorkovací frekvence, více bitů na vzorek
• maximální možný bitrate pro všechny kanály je 9.6 Mbps
Luděk MatyskaPřednášející: Eva Hladká (Fl I  PB001: Úvod do informačních technologií
podzim 2011
27 / 41
• ztrátový kompresní mechanismus, ISO/lEC standard v roce 1991, první rozšířená implementace Fraunhofer society v roce 1994
• komprimuje PCM audio v poměru přibližně 1:11
• použití psychoakustického modelu
• zahazuje části signálu hůře rozeznatelné pro lidské ucho
• podle charakteru signálu (vážná hudba, metalový koncert, ...) vybírá nejpodstatnější frekvenční pásma
• komprese signálu:
• komprese probíhá ve frekvenční doméně
• nelineární kvantování
PCM
frekvenční filtry
kvantování kódování
~x.-
formátování proudu dat
MP3
psychoakustický _ _ I model
Luděk MatyskaPřednášející: Eva Hladká (Fl I  PB001: Úvod do informačních technologií
podzim 2011
28 / 41
MPEG-I Layer II
• DVD, DVB-T, interně v rádiích
• sub-band kódování audia:
• v časové doméně
• Signál se rozdělí na 32 frekvenčních pásem, na základě psychoakustického modelu se některá zahodí a ostatní se komprimují samostatně.
Vorbis
• opensource obdoba MP3
• pokročilejší kvantování, redukce šumu na základě statistických měření
Luděk MatyskaPřednášející: Eva Hladká (Fl I  PB001: Úvod do informačních technologií
podzim 2011
29 / 41
AAC
o technologický nástupce formátu MP3
• silné využití psychoakustických modelů
• samoopravné kódy
• modulární kódování
• paleta profilů pro různé třídy signálů
• umožňuje dosáhnout lepších výsledků při současném snížení bitrate
• až 48 kanálů, téměř libovolné vzorkovací frekvence AC3
• aka Dolby Digital
• až 8 kanálů, pevný bitrate
• srovnatelný s MP3
Luděk MatyskaPřednášející: Eva Hladká (Fl I  PB001: Úvod do informačních technologií
podzim 2011
30 / 41
Windows Media Audio (WMA)
• podpora DRM (Digital Rights Management)
• paleta kodeků pro různé účely (hlas, ztrátové/bezztrátové,...)
• kvalita srovnatelná s MP3 Speex
• opensource ztrátový formát určený pro kompresi řeči
• pro samohlásky vyšší bitrate, pro sykavky nízký
• vzorkovací frekvence 8 kHz, bitrate 2 kbps až 44 kbps
• robustní proti výpadkům během přenosu
Luděk MatyskaPřednášející: Eva Hladká (Fl I  PB001: Úvod do informačních technologií
podzim 2011
31 / 41
RealAudio
• proprietami formát RealNetworks vhodný pro streaming
• bitrate 6 až 176 kbps, optimalizace na řeč, hudbu, dolby surround
• obálka pro celou řadu kodeků FLAC
• opensource bezztrátový formát
• kódování s celočíselnou přesností eliminuje chyby při zaokrouhlování
• libovolná vzorkovací frekvence
• kvantování vzorku 4-32 bity
• kompresní poměr 20-30% ve srovnání s PCM
Luděk MatyskaPřednášející: Eva Hladká (Fl I  PB001: Úvod do informačních technologií
podzim 2011
32 / 41
Světlo
• elektromagnetické vlnění s velmi úzkou šířkou spektra (viditelné světlo) odražené od objektů v okolí a dopadající na na světlocitlivě buňky sítnice oka
Vnímání obrazu
• obrazová paměť
• člověk nevnímá obraz kontinuálně ale v „kvantech"
• obrazový vjem jsme schopni zpracovat přibližně každých 60 ms
• oko nevnímá všechny složky obrazu stejně (nejcitlivěji jas)
• oko nevidí přirozeně zcela ostře
o mozek má tendence si domýšlet části vjemu na základě zkušeností
Luděk MatyskaPřednášející: Eva Hladká (Fl I  PB001: Úvod do informačních technologií
podzim 2011
33 / 41
vzorkovaní: rozdělení obrazu při akvizici na jednotlivé body (vzorky) SDTV formáty
• rodina standardů popisující rozlišení a framerate videa
• PAL: 720 x 576 obrazových bodů, 25 fps
• NTSC: 720 x 480 obrazových bodů, 29.97 fps HDTV formáty
• udává se v počtu řádků v rozlišení
• progresive frames (p) nebo interlaced fields (i)
• 1080i: 1920 x 1080 (30i, 29,97i)
• 720p: 1280 x 720 (60p, 59.94p, 30p, 29.97p, 24p, 23.976p)
Luděk MatyskaPřednášející: Eva Hladká (Fl I  PB001: Úvod do informačních technologií
podzim 2011
34 / 41
1920 x 1080
Luděk MatyskaPřednášející: Eva Hladká (Fl I  PB001: Úvod do informačních technologií
podzim 2011
35 / 41
o počet obrazových snímků za sekundu
• nejstarší technologie začínaly na 6 - 8 snímcích za sekundu
• v současnosti jsou nej používanější hodnoty 25 fps (PAL), 29.97 fps (NTSC) a 24 fps (klasický film)
• lze se setkat i s jinými hodnotami (např.: 23.976 fps)
• pro dosažení iluze pohybu je třeba alespoň 10 fps
• psychologická hranice skutečně použitelné iluze pohybu je spíše 12.5 fps
• větší počet snímků za sekundu pomáhá skrývat nedokonalosti komprese
Luděk MatyskaPřednášející: Eva Hladká (Fl I  PB001: Úvod do informačních technologií
podzim 2011
36 / 41
Videokamery
• Analogové (čtvercové pixely), digitální (DV) - PAL,NTSC
• HDTV Analogové grabovací karty
• podpora formátů PAL/NTSC
• HW podpora kódování videa (MPEG2) HDTV akvizice
• obrovské datové toky (1.5 Gbps pro 1080i HDTV video)
Luděk MatyskaPřednášející: Eva Hladká (Fl I  PB001: Úvod do informačních technologií
podzim 2011
37 / 41
MPEG
• 3 typy snímků
• I frame - Intrapicture, referenční snímek
• P frame - Predicted, rozdíl oproti předchozímu snímku
• B frame - Bidirectional predicted, interpolace mezi předchozím a následujícím snímkem
• rozklad obrazu do makrobloků
• B frames - motion vector změna v rámci makrobloků oproti předchozímu snímku
Luděk MatyskaPřednášející: Eva Hladká (Fl I  PB001: Úvod do informačních technologií
podzim 2011
38 / 41
MPEG-2
• podporuje kódování interlaced videa
• MPEG-2 kódování není optimalizované pro bitrate nižší než 1 Mbps
• několik profilů rozdělených do úrovní podle komplexity komprese
• Typické použití: DVD, DVB, HDV, HDTV MPEG-4
• celá rodina různých standardů
• definuje obálkové formáty, audio a video formáty, titulky, interaktivní prvky (DVD menu)
Luděk MatyskaPřednášející: Eva Hladká (Fl I  PB001: Úvod do informačních technologií
podzim 2011
39 / 41
DV
• není zatížený licenčními poplatky
• použití ve spotřební elektronice (digitální kamery, některé DVD rekordéry apod.)
• pevný datový tok 25 Mbps Theora
• opensource návrh i implementace
• přímá konkurence pro MPEG-4 kompresní mechanismy
• obsahuje pouze I a P frames
Luděk MatyskaPřednášející: Eva Hladká (Fl I  PB001: Úvod do informačních technologií
podzim 2011
40 / 41
• „obalují" vlastní data a uchovávají případná metadata
AVI (Audio Video Interleave)
• obálkový formát MS z roku 1992
• nepodporuje titulky a moderní kodeky MOV
• obálkový formát pro QuickTime
• jedna nebo více stop pro audio, video, efekty nebo text Matroska
• opensource návrh obálkového formátu, vystavěný na binárním ekvivalentu XML (EBML)
• rychlé procházení audiem nebo videem (seek)
• implementuje menu jako u DVD, podpora pro streaming
Luděk MatyskaPřednášející: Eva Hladká (Fl I  PB001: Úvod do informačních technologií
podzim 2011
41 / 41