Мультимедийные операционные системы

В последнее время все более широкое распространение получают такие компьютерные приложения, как цифровые фильмы, видеоклипы и музыка. Аудио-видеофайлы могут храниться на диске и воспроизводиться по требованию. Характеристики этой цифровой информации сильно отличаются от характеристик традиционных текстовых файлов, для работы с которыми создавались современные файловые системы. Для управления новыми типами данных требуют, новые файловые системы. Кроме того, сохранение и воспроизведение аудио и видео накладывает новые требования на планировщик и другие части операционной системы. Стало очевидным, что для управления мультимедиа нужно модифицировать различные подсистемы современных операционных систем. В настоящий наблюдается тенденция к выделению особого типа операционных систем ориентированных на работу с мультимедиа — мультимедийных операционных систем. Для того чтобы понять их отличие от классических операционных систем, следует более детально рассмотреть понятие мультимедиа.

Как правило, цифровые фильмы называют мультимедиа, что буквально означает «более чем один носитель информации». Большинство людей обычно употребляют слово мультимедиа, имея в виду документ, содержащий средства информации, протяженные во времени, то есть проигрываемые в течение определенного интервала времени. Будем понимать мультимедиа в этом же смысле.

Другой неоднозначный термин — это «видео». Технически это графическая составляющая фильма (в противоположность звуковой составляющей). В самом деле, у видеокамер и телевизоров часто есть два разъема, один из которых помечен словом «видео», а другой — «аудио», поскольку эти два сигнала разделены. Однако термин «цифровое видео» обычно относится к полному продукту, содержащему как изображение, так и звук.

Прежде чем перейти к обсуждению особенности технологий мультимедиа, следует сказать несколько слов о его сегодняшнем состоянии и перспективах с точки зрения пользователя. На одиночном компьютере мультимедиа часто означает воспроизведение ранее записанного фильма с DVD (Digital Versatile Disk — универсальный цифровой диск). DVD представляют собой оптические диски, для производства которых используются те же самые поликарбонатные (пластиковые) диски диаметром 120 мм, что и для производства CD-ROM, но информация записывается на них "большей плотностью". Емкость DVD составляет от 5 до 17 Гбайт, в зависимости от формата.

Другой вариант использования мультимедиа заключается в загрузке видеоклипа из Интернета. Многие web-страницы содержат ссылки для загрузки коротких фильмов. На скорости 56 Кбит/с загрузка даже короткого видеоклипа занимает довольно долгое время, однако с появлением более совершенных технологий передачи данных, таких как кабельное телевидение и ADSL (Asymmetric Digital Subscriber Line — асимметричная цифровая абонентская линия), видеоклипов в Интернете становится все больше.

Еще одна область, в которой мультимедийные средства должны поддерживаться, — это создание самих видеофильмов. Существуют различные системы редактирования мультимедиа, для более высокой производительности которых; требуются специальные операционные системы, поддерживающие мультимедиа помимо традиционных задач.

Все более важное положение мультимедиа занимает в компьютерных играх. В играх часто проигрываются небольшие видеоклипы, иллюстрирующие некоторые события. Эти клипы, как правило, короткие, но в игре их содержится большое. Количество, и нужный клип выбирается динамически, в зависимости от действия пользователя. Сложность таких клипов возрастает с каждым годом.

Наконец, наиболее интересной областью применения мультимедиа является видео по заказу, под которым подразумевается возможность для абонента не выходя из дома выбрать фильм для просмотра на своем телевизоре и тут же начать его просмотр. Для реализации видео по заказу требуется специальная инфраструктура. Любая инфраструктура состоит из одного или нескольких видеосерверов, распределительной сети и телевизионных приставок в каждом доме для декодирования сигнала. Видеосервер представляет собой мощный компьютер, хранящий в своей файловой системе большое количество фильмов и воспроизводящий их по требованию. Иногда в качестве видеосерверов используются мэйнфреймы, так как подключить, скажем, 1000 больших дисков к мэйнфрейму не составляет сложности, тогда как подключение 1000 дисков к персональному компьютеру любого типа представляет собой серьезную проблему. По сути, специализированные операционные системы таких видео серверов — это и есть мультимедийные операционные системы.

Распределительная сеть между пользователями и видеосервером должна быть способна передавать данные на высокой скорости в режиме реального времени. В этих сетях зачастую используются оптоволоконные кабели от видеосервера до того места, где живут абоненты. В системах ADSL, предоставляемых телефонными компаниями последний километр данные передаются по существующим витым парам телефонных линий. В системах кабельного телевидения, услуги которого предоставляются операторами кабельной связи, для локального распределения используются существующие телевизионные кабели. Преимущество системы ADSL заключается в том, что каждому пользователю предоставляется выделенный канал с гарантированной пропускной способностью. Недостатком является низкая пропускная способность (несколько мегабит в секунду), что вызвано ограничениями существующих телефонных линий. Кабельное телевидение использует высокоскоростные коаксиальные кабели (гигабиты в секунду), однако нескольким пользователям приходится совместно использовать один кабель, что приводит к состязанию за кабель и не гарантирует пропускной способности отдельному пользователю.

Последний узел системы представляет собой телевизионную приставку, к которой и присоединен ADSL или телевизионный кабель. Это устройство является в действительности нормальным компьютером со специальными микросхемами для декодирования и декомпрессии видеопотока. Как минимум он содержит центральный процессор, оперативную память, ПЗУ и интерфейс с системой ADSL или телевизионным кабелем.

Вместо телевизионной приставки фильм можно просматривать и на мониторе имеющегося у клиента персонального компьютера. Обострённое внимание к телевизионным приставкам, а не к персональным компьютерам, связано с тем, что операторы видео по заказу ожидают, что их клиенты захотят смотреть фильмы в гостиных, в которых обычно есть телевизор, но нет компьютера. С технической точки зрения использование персонального компьютера вместо телевизионной приставки имеет гораздо больше смысла, так как компьютер обладает большими возможностями, у него есть диск большого объема и дисплей с гораздо более высоким разрешением. С точки зрения конструкции системы почти не имеет значения, работает ли клиентский процесс на персональном компьютере или в телевизионной приставке. В настольной системе редактирования видеоизображения все процессы работают на одной и той же машине, но мы будем продолжать использовать терминологию сервера и клиента, чтобы было ясно, что делает каждый процесс.

Возвращаясь к мультимедиа, стоит отметить две ключевые характеристики, понимание которых необходимо для успешной работы:

1. Мультимедиа использует предельно высокие скорости передачи данных.
2. Для мультимедиа требуется воспроизведение в режиме реального времени.

Высокие скорости передачи данных обусловлены природой визуальной и акустической информации. Человеческий глаз и ухо способны обрабатывать за секунду огромные объемы данных, поэтому им необходимо поставлять информацию с той скоростью, которая обеспечит приемлемый уровень качества восприятия. Следует обратить внимание на высокую скорость передачи данных, требующуюся для мультимедиа, необходимость сжатия данных и на большие объемы, занимаемые данными. Например, несжатый 2-часовой фильм в формате HDW (High; Definition TeleVision — телевидение высокой четкости) занимает 570 Гбайт. Видеосерверу, хранящему 1000 таких фильмов, нужно 570 Тбайт дискового пространства, что совсем нетривиально с точки зрения современных стандартов. Также следует отметить, что при таких скоростях современная аппаратура не способна обходиться без сжатия данных. А значит операционная система управляющая видеосервером должна обрабатывать аудио и видео (компрессия и декомпрессия потока) максимально производительно и оптимально.

Второе требование, накладываемое мультимедийными приложениями на систему, заключается в необходимости доставки данных в режиме реального времени, Графическая составляющая видеофильма состоит из последовательности кадров, передаваемых с определенной частотой. Система NTSC, используемая в Северной и Южной Америке и Японии, работает с частотой 30 кадров в секунду (точнее, 29,97), тогда как в системах PAL и SECAM, используемых в остальном мире, применяется частота 25 кадров в секунду. Кадры должны доставляться через точные интервалы времени по 33,3 мс или по 40 мс соответственно, чтобы изображение не подергивалось.

Официально сокращение NTSC означает National Television Standards Committee (Национальный комитет по телевизионным стандартам США), однако плохое качество передачи цвета на ранних этапах существования телевидения привело к появлению шутки, согласно которой NTSC следует расшифровывать как «постоянно меняющийся цвет» (Never Twice the Same Color). Аббревиатура PAL расшифровывается как Phase Alternation Line (построчное изменение фазы). Технически это лучшая из систем. Сокращение SECAM означает SEquentiel Couleur Avec Memoire (последовательные цвета с запоминанием). Эта система была разработана во Франции для защиты французских производителей телевизоров от иностранных конкурентов.

Чувствительность человеческого уха превосходит чувствительность глаза, по: этому отклонение во времени доставки даже в несколько миллисекунд будет заметным. Неравномерность времени доставки называется джиттером[12]. Для обеспечения высокого качества воспроизведения следует удерживать джиттер в строгих рамках. Если распределительная сеть на задерживает при передаче все биты ровно на 5000 с, фильм начнется несколько позже, но будет выглядеть прекрасно. С другой стороны, если задержка кадров будет случайной величиной в пределах от 100 до 200 мс, видео будет воспроизводиться неприемлемо.

Параметры реального времени, требуемые для приемлемого воспроизведения мультимедиа, часто называют параметрами качества обслуживания. К ним относят среднюю доступную пропускную способность, максимальную пропускную способность, минимальную и максимальную задержку (что вместе ограничивает джиггер) и вероятность потери бита. Например, сетевой оператор может предлагать службу, гарантирующую среднюю пропускную способность, равную 4 Мбит/с, 99 % задержек при передаче в интервале от 105 до 110 мс и частоту потерь битов, равную 10^-10, что будет являться прекрасными параметрами для передачи фильма в формате MPEG-2. Оператор может также предоставлять более дешевую, худшего качества службу, со средней пропускной способностью в 1 Мбит/с (например, ADSL). В этом случае качество фильма придется каким-то образом снизить, скажем, снизив разрешение или частоту кадров, либо отбросив информацию о цвете к передавая фильм в черно-белом изображении.

Наиболее простой способ обеспечения гарантированного качества службы заключается в предварительном резервировании мощностей для каждого нового клиента. Резервируемые ресурсы включают в себя часть времени центрального процессора, буферы памяти, пропускную способность диска и пропускную способность сети. Если появляется новый клиент, желающий посмотреть фильм, но видеосервер (или сеть) вычисляет, что ему не хватит мощности для еще одного клиента, в этом случае видеосерверу придется отказать новому клиенту, чтобы не снижать качество обслуживания уже обслуживаемых клиентов. Таким образом, мультимедийным серверам требуется схема резервирования ресурсов и алгоритм управления допуском, принимающий решение о том, может ли сервер выполнить дополнительную работу.

Особого внимания заслуживает работа с мультимедийными файлами. Большинство современных файловых систем разрабатывались для работы с текстовыми файлами, состоящими из линейной последовательности байтов, без какой-либо особой структуры, о которой должна знать операционная система. В мультимедиа файлах ситуация намного сложнее. Они вводятся совершенно различными устройствами (видео и аудио), у них различная внутренняя структура (видео и аудио передаются с разными скоростями), и воспроизводятся они одновременно на разных устройствах (монитор и аудиосистема).

Таким образом, мультимедиа файл по сути представляет собой набор самостоятельных информационных фрагментов (видео и аудио). Более того, один видеофильм может включать в себя несколько вариантов звуковых дорожек (например, на различных языках), а также дополнительный видеоряд (или несколько), хранящий субтитры.

Мультимедийная операционная система должна качественно решать задачу чтения файла столь сложной структуры, а также задачу согласования различных видов информации во времени (например, чтобы звук не отставал от видеоряда и не опережал его).

Резюмируя вышесказанное, делаем вывод, что мультимедийные операционные системы являются развивающейся отраслью проектирования операционных систем. На данный момент есть конкретные требования, предъявляемые к таким системам рынком мультимедийных услуг.

Существующие на данный момент операционные и файловые системы с их общими механизмами покрывают потребности мультимедийных приложений и серверов, но делают это не оптимальным образом. Мультимедийные технологии бурно развиваются и потребность рынка в этих технологиях растёт с каждым днём. С увеличением количества обслуживаемых абонентов, обслуживающие системы (мультимедиа серверы) должны наращивать производительность и пропускную способность. Технологически существуют достаточно жесткие ограничение скоростей обработки и передачи данных. А значит, алгоритмы операционных систем мультимедиа серверов должны быть специально спроектированы для решения типовых задач мультимедиа.