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PORTALE DELLA DIDATTICA

Internet video streaming

01URSOV, 01URSPD

A.A. 2020/21

2020/21

Internet video streaming

L'insegnamento si prefigge l'obiettivo di far conoscere: * l'impatto che le tecnologie di comunicazione e streaming in particolare hanno sui sistemi informatici; * i principali algoritmi alla base dell'elaborazione della voce, dell'audio, delle immagini e del video in forma digitale; * le principali applicazioni di streaming, con i loro vincoli, architetture, protocolli e tecniche per controllarne la qualità del servizio sulla rete Internet; * gli aspetti pratici da considerare per portare i sistemi di comunicazione e streaming in uno scenario di produzione. Inoltre, la trattazione è orientata a consentire allo studente di acquisire le abilità di base necessarie ad affrontare in autonomia la valutazione delle scelte progettuali nell’ambito dei predetti argomenti.

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The course is expected to provide knowledge about: * the impact that communications technologies and streaming in particular have on computer systems; * the most important algorithms for digital voice, audio, image and video processing; * the most important streaming applications, including theirs constraints, architectures, protocols and techniques to provide quality of service over Internet; * the practical aspects which should be considered to bring communications and streaming systems into production. Moreover, the presentation of the topics is oriented to allow the student to acquire the basic abilities to autonomously evaluate systems in the previous fields and perform correct design choices in those contexts.

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* Conoscenza delle principali tecniche di rappresentazione digitale dei segnali voce, audio, immagini e video. * Conoscenza delle principali tecniche di streaming dei segnali digitali trasmessi su reti a pacchetto ed Internet in particolare. * Capacità di valutare i pro e i contro delle principali tecniche di codifica multimediale, permettendo di scegliere le tecniche più adatte per i diversi scenari applicativi di streaming. * Capacità di affrontare le principali questioni legate all'utilizzo di diversi formati per contenuti audio e video, scegliendo quelli più appropriate al caso in esame. * Capacità di approfondire autonomamente il funzionamento di specifiche tecniche di codifica multimediale. * Capacità di scegliere i protocolli, le architetture e le tecniche di robustezza dello streaming più adatte per i diversi scenari applicativi, anche sulla base dell’esperienza maturata durante i laboratori. * Capacità di dimensionare correttamente un sistema di streaming in termini di tutti i parametri coinvolti, tecnici e non tecnici, incluso i costi economici.

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* Knowledge of the most common techniques for digital voice, audio, images and video signal representation. * Knowledge of the most common techniques for streaming of digital signals over packet networks and Internet in particular. * Ability to evaluate pros and cons of the main multimedia coding techniques, giving the student the ability to choose the most suitable techniques for the various streaming application scenarios. * Ability to face the most important issues related to the use of various audio and video formats, by performing the most appropriate design choices in each considered case. * Ability to autonomously investigate how specific multimedia coding techniques work. * Ability to choose the most suitable protocols, architectures and techniques for robust streaming suitable for the various application scenarios, also taking advantage of the experience acquired during the laboratory activities. * Ability to perform correct sizing of a streaming system in terms of all the involved parameters, technical or non-technical, including the economic costs.

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Conoscenze di base di teoria ed elaborazione dei segnali digitali: filtri numerici, trasformata di Fourier, analisi dei segnali nel dominio del tempo e della frequenza. Conoscenze di base di reti di calcolatori: architetture e protocolli. Conoscenze di programmazione. Per le attività di laboratorio sono richieste abilità di base nell’utilizzo del calcolatore.

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Basic knowledge of digital signal processing theory: digital filters, Fourier transform, time- and frequency-domain signal analysis. Basic knowledge of computer networks: protocols and architectures. Knowledge of programming techniques. For laboratory activities, basic computer usage abilities are required.

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* Rappresentazione digitale di voce ed audio (1,2 CFU) Introduzione alle caratteristiche del segnale vocale e audio Tecniche per codifica e compressione basate su forma d’onda (PCM) e modelli parametrici/psicoacustici Principali standard per la codifica vocale e audio (ITU e ISO) * Rappresentazione digitali di immagini e video (1,2 CFU) Introduzione alle caratteristiche dei segnali immagine/video Tecniche per compressione di immagini e video 2D e 3D Principali standard e codificatori per immagini (PNG, JPEG) e video (MPEG-x, H.26x, AV1) * Applicazioni di streaming (1,8 CFU) Introduzione alle applicazioni di streaming Tecniche per il controllo della qualità del servizio dello streaming su rete IP Architetture e protocolli per video streaming e standards relativi (HTTP streaming, DASH, RTP, WebRTC) * Uso del cloud nei sistemi di streaming e scenari applicativi reali (1,8 CFU) Architetture e sistemi per la fornitura di servizi video su larga scala (transcodifica, CDN, dimensionamento, costi) Peculiarità dei dispositivi mobili, user-generated content (UGC), applicazioni live Analisi di casi di studio (Netflix, Youtube, ecc.)

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* Digital representation of voice and audio (1,2 CFU) Introduction to voice and audio signal characteristics Techniques for compression of audio signals based on waveform coding (PCM) and parametric/psychoacoustic models Main voice and audio coding standards (ITU and ISO) * Digital representation of images and video (1,2 CFU) Introduction to image/video signal characteristics Techniques for compression of images and 2D/3D videos Main coding standards for images (PNG, JPEG) and video (MPEG-x, H.26x, AV1) * Streaming applications (1,8 CFU) Introduction to streaming applications Techniques for quality of service of streaming services over IP networks Architectures and protocols for video streaming and related standards (HTTP streaming, DASH, RTP, WebRTC) * Cloud in streaming services and actual application scenarios (1,8 CFU) Architectures and protocols for large-scale video service deployments (transcoding, CDN, sizing, costs) Peculiarities of mobile devices, user-generated content (UGC), live applications Analysis of case studies (Netflix, Youtube, etc.)

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Il corso è a contenuto sia teorico sia pratico. Il corso include anche cinque attività guidate di laboratorio concernenti la codifica e lo streaming in cui saranno sia esemplificati alcuni concetti illustrati durante le lezioni in aula sia analizzati in modo critico alcuni servizi multimediali esistenti per valutare i pro e contro delle scelte architetturali, le funzionalità e le prestazioni, con eventuali esperimenti di integrazione in piattaforme esistenti.

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The course content is both theoretical and practical. The course also includes five laboratory activities that will guide the students in the understanding of some concepts presented during the lectures about coding and streaming, as well as in the critical analysis of existing multimedia services, evaluating pros and cons of architectural choices, features, and performance, also through integration experiments in existing platforms.

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Saranno disponibili copie elettroniche integrali dei lucidi presentati in aula e degli appunti del docente realizzati durante le lezioni, oltre ad esempi di scritti di esame. Tutto il materiale didattico è scaricabile attraverso il portale della didattica. Testi per l’approfondimento: Digital Speech: Coding for Low Bit Rate Communication Systems, A. M. Kondoz, Wiley (2nd edition), 2004, ISBN: 0470870087 Speech Coding Algorithms: Foundation and Evolution of Standardized Coders, Wai C. Chu, Wiley-Interscience (1st edition) 2003, ISBN: 0471373125 Audio e multimedia, V. Lombardo, A. Valle, Apogeo, 2005, ISBN: 8850322038 MPEG Video Compression Standard, J.L. Mitchell, D.J. Legall, C.Fogg, Springer, 2003, ISBN: 0412087715 H.264 and MPEG-4 Video Compression: Video Coding for Next Generation Multimedia, I.E.G. Richardson, Wiley, 2003, ISBN: 0470848375 The H.264 Advanced Video Compression Standard, I.E.G. Richardson, Wiley, 2010, ISBN: 978-0470516928, 2nd edition RTP: Audio and Video for the Internet, Colin Perkins, Addison Wesley, 2003, ISBN: 0672322498 Multimedia Networking: From Theory to Practice, Jenq-Neng Hwang, Cambridge University Press, 2009, ISBN: 9780521882040 Next-Generation Video Coding and Streaming, Benny Bing, Wiley, 2015, ISBN: 9781118891308 Fundamentals of Multimedia, Ze-Nian Li, Mark S. Drew, Jangchuan Liu, 2nd edition, Springer, 2014, ISBN: 9783319052892 Risorse elettroniche: biblioteca digitale IEEE e ACM.

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The electronic version of all the slides and notes presented in the course by the teachers will be made available to all students. Examples of the exam written tests will be available as well. All the teaching material will be made available through the Politecnico course website. Reference books for further reading: Digital Speech: Coding for Low Bit Rate Communication Systems, A. M. Kondoz, Wiley (2nd edition), 2004, ISBN: 0470870087 Speech Coding Algorithms: Foundation and Evolution of Standardized Coders, Wai C. Chu, Wiley-Interscience (1st edition) 2003, ISBN: 0471373125 Audio e multimedia, V. Lombardo, A. Valle, Apogeo, 2005, ISBN: 8850322038 MPEG Video Compression Standard, J.L. Mitchell, D.J. Legall, C.Fogg, Springer, 2003, ISBN: 0412087715 H.264 and MPEG-4 Video Compression: Video Coding for Next Generation Multimedia, I.E.G. Richardson, Wiley, 2003, ISBN: 0470848375 The H.264 Advanced Video Compression Standard, I.E.G. Richardson, Wiley, 2010, ISBN: 978-0470516928, 2nd edition RTP: Audio and Video for the Internet, Colin Perkins, Addison Wesley, 2003, ISBN: 0672322498 Multimedia Networking: From Theory to Practice, Jenq-Neng Hwang, Cambridge University Press, 2009, ISBN: 9780521882040 Next-Generation Video Coding and Streaming, Benny Bing, Wiley, 2015, ISBN: 9781118891308 Fundamentals of Multimedia, Ze-Nian Li, Mark S. Drew, Jangchuan Liu, 2nd edition, Springer, 2014, ISBN: 9783319052892 Electronic resources: IEEE and ACM digital library.

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Modalità di esame: Prova scritta a risposta aperta o chiusa tramite PC con l'utilizzo della piattaforma di ateneo Exam integrata con strumenti di proctoring (Respondus);

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L'esame finale comprende uno scritto volto a valutare la conoscenza delle tecniche di rappresentazione dei segnali, in particolare quando fruiti in streaming, e la capacità di scegliere le tecniche più adatte nei vari scenari applicativi valutando pro e contro e dimensionando correttamente i principali parametri dei sistemi proposti. L’esame è solo scritto e si compone di varie parti, ognuna relativa ai macro argomenti del corso. In ogni parte sono proposti quesiti a risposta aperta e a scelta multipla, volti ad accertare sia l’acquisizione delle relative nozioni di base e avanzate, sia la capacità di analisi critica di scenari di elaborazione di dati multimediali e comunicazione in streaming. Il tempo a disposizione dello studente per la prova scritta è di 2 ore, senza possibilità di consultare altro che la propria memoria personale. Il voto finale è calcolato tramite somma dei punti acquisiti nelle varie parti della prova scritta. Ogni quesito a risposta aperta ha una valutazione massima che dipende dalla difficoltà del quesito stesso ed è riportata in testa al quesito. Tutte i quesiti a scelta multipla hanno la stessa valutazione massima. E' prevista una penalizzazione per errori nei quesiti a risposta multipla, esclusivamente volta ad annullare l'effetto di risposte casuali. E' possibile non rispondere a quesiti a scelta multipla, in questo caso la valutazione assegnata al quesito è pari a zero

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Exam: Computer-based written test with open-ended questions or multiple-choice questions using the Exam platform and proctoring tools (Respondus);

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The final exam is a written test which evaluates the knowledge of the most common techniques for signal representation, in particular when used for streaming, and the ability to c hoose the most suitable techniques in the various application scenarios, evaluating pros and cons and correctly sizing the main parameters of the proposed systems. The exam is only a written test. It is divided into parts, which correspond to the macro-areas of the course. For each part both open questions and multiple-choice questions are presented. They aim at checking that both basic and advanced notions have been acquired, as well as the ability to critically analyze potential application scenarios of processing and streaming of multimedia signals. The written exam must be solved within 2 hours, without using any aid or source of information other than the student personal memory. The final mark is computed as the sum of the points given for each part of the written test. Every open question has a maximum value which depends on the difficulty of the question itself, and it is reported at the beginning of the question. All multiple-choice questions have the same maximum value. There is a penalty for mistakes in multiple-choice questions, only to counterbalance the effect of random answers. It is possible not to answer to multiple-choice questions, in this case the mark for that question is zero.

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Modalità di esame: Prova scritta (in aula); Prova scritta a risposta aperta o chiusa tramite PC con l'utilizzo della piattaforma di ateneo Exam integrata con strumenti di proctoring (Respondus);

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L'esame finale comprende uno scritto volto a valutare la conoscenza delle tecniche di rappresentazione dei segnali, in particolare quando fruiti in streaming, e la capacità di scegliere le tecniche più adatte nei vari scenari applicativi valutando pro e contro e dimensionando correttamente i sistemi. L’esame è solo scritto e si compone di varie parti, ognuna relativa ai macro argomenti del corso. In ogni parte sono proposti quesiti a risposta aperta e a scelta multipla, volti ad accertare sia l’acquisizione delle relative nozioni di base e avanzate, sia la capacità di analisi critica di scenari di elaborazione e comunicazione multimediale. Il tempo a disposizione dello studente per la prova scritta è di 2 ore, senza possibilità di consultare altro che la propria memoria personale. Il voto finale è calcolato tramite somma dei punti acquisiti nelle varie parti della prova scritta. Ogni quesito a risposta aperta ha una valutazione massima che dipende dalla difficoltà del quesito stesso ed è riportata in testa al quesito. Tutte i quesiti a scelta multipla hanno la stessa valutazione massima. E' prevista una penalizzazione per errori nei quesiti a risposta multipla, esclusivamente volta ad annullare l'effetto di risposte casuali. E' possibile non rispondere a quesiti a scelta multipla, in questo caso la valutazione assegnata al quesito è pari a zero.

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Exam: Written test; Computer-based written test with open-ended questions or multiple-choice questions using the Exam platform and proctoring tools (Respondus);

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The final exam is a written test which evaluates the knowledge of the most common techniques for signal representation, in particular when used for streaming, and the ability to choose the most suitable techniques in the various application scenarios, evaluating pros and cons and correctly sizing the main parameters of the proposed systems. The exam is only a written test. It is divided into parts, which correspond to the macro-areas of the course. For each part both open questions and multiple-choice questions are presented. They aim at checking that both basic and advanced notions have been acquired, as well as the ability to critically analyze potential application scenarios of processing and transmission of multimedia signals. The written exam must be solved within 2 hours, without using any aid or source of information other than the student personal memory. The final mark is computed as the sum of the points given for each part of the written test. Every open question has a maximum value which depends on the difficulty of the question itself, and it is reported at the beginning of the question. All multiple-choice questions have the same maximum value. There is a penalty for mistakes in multiple-choice questions, only to counterbalance the effect of random answers. It is possible not to answer to multiple-choice questions, in this case the mark for that question is zero.



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