[OS] Multimedia OS

JUJU·2024년 6월 5일
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✏️ Multimedia System

Multimedia
: 미디어가 여러개 섞여 있는 데이터 (텍스트, 그래픽, 음성, 영상 등)


■ 네트워크 구성

Video server가 있고, 그 서버의 내용을 빠르게 전송할 수 있는 network가 필요하다.

  • network는 광섬유 망을 사용
  • 광섬유로 온 빛 신호를 전기 신호로 바꾸는 Junction box가 필요
  • 예전에는 케이블 선을 사용했지만, 현재는 LAN 선 사용

■ Multimedia의 특징

  1. High data rate
    : 데이터 양이 매우 많다.

  2. real-time playback
    : real-time을 요구한다.

    • Video, audio, 자막 등의 미디어를 싱크를 맞춰서 데이터를 전송해야 한다.
    • 빠르게 감기 용으로 미리 장면들을 만들어 놓는 Fast Forward도 필요하다.


✏️ Encoding

■ Video Encoding

Analog 방식을 사용하고, 노이즈에 민감하다.

  • interlacing: 홀수 라인을 모두 그린 뒤에 짝수라인을 그림 (초당 24번)
  • progressive: 순서대로 라인을 그림

■ Audio Encoding

sin(아날로그) 신호를 디지털 신호로 변환한다.
변환 방식은 2가지가 존재한다.

  1. sampling + Quantizing
    : 연속적인 아날로그 신호를 특정 간격으로 측정하여 이산적인 데이터 포인트로 변환하는 과정
    • sampling 한 결과를 4 bit로 저장하면 최대 16개 level로 저장할 수 있다.
    • 양자화(Quantizing) 잡음: 아날로그를 디지털로 바꿨을 때 발생하는 노이즈

  1. Fourier Transformation
    : 주어진 신호를 주파수 단위로 분할한 뒤, 각 주파수 성분의 세기를 저장하는 것
    • 무한한 주파수가 존재하므로, 세기가 센 것들만 저장한다.
    • 주파수 성분의 세기를 통해 아날로그와 비슷한 파형으로 복원할 수 있다.

■ JPEG

이미지를 압축하여 블록 단위로 저장하는 방식

예전에는 RGB 신호를 사용했지만, 현재는 YIQ 신호를 사용한다.

  • Y: 명암 (제일 중요)
    • Y 성분은 해상도를 그대로 유지
  • I,Q: 색상 정보
    • I,Q 성분은 해상도를 반으로 줄여서 저장
    • ex) 640 * 480 이미지에서, Y는 640 * 480 해상도, I,Q는 320 * 240 해상도로 저장

JPEG 인코딩 과정

  1. 블록 분할
    : 이미지를 8 bit * 8 bit 블록 단위로 분할
  2. 주파수 성분 분할
    : 각 블록을 구성하는 픽셀값들의 명암을 주파수 성분으로 변환
  3. 주파수의 세기 저장
    : 모든 주파수 세기를 다 저장하기에는 너무 많기 때문에, 일부만 저장한다.
    낮은 주파수 성분(전체 윤곽)은 중요, 높은 주파수 성분(디테일)은 중요하지 않다.

    DCT coefficient / Quantization table = Quantized coefficient
    Quantized coefficient에서 0이 아닌 것만 저장한다.

■ MPEG

동영상을 JPEG의 연속으로 처리허여 차이점만 저장하는 방식

MPEG의 구성요소는 다음과 같다.

  1. Intracoded Frame
    : 독립적으로 JPEG 이미지처럼 압축되는 프레임

  2. Predictive Frame
    : 이전 프레임과의 차이점만을 저장하는 프레임

  3. Bidirectional Frame
    : 앞 뒤 프레임과의 차이점을 저장하는 프레임


MPEG의 특징

MPEG은 비디오의 재생 순서와 다르게 데이터를 디코딩한다.
예를 들어, 1번과 3번 프레임을 먼저 디코딩한 후, 이 정보를 사용하여 2번 프레임을 재구성한다.


■ Audio Compression

오디오 압축은, 아날로그 데이터를 주파수 성분으로 분해하고 중요한 성분만 저장한다.

Threshold of audibility (가청 주파수)

  • 가청 주파수 범위에서 벗어나는 것은 저장할 필요 없다.
  • 센 신호 옆에 있는 작은 신호는 저장할 필요 없다.


✏️ Real-Time Scheduling

Real-Time Scheduling의 특징은 다음과 같다.

  1. 각 프로세스는 Periodic하다.
    : 일정 주기마다 한 번씩 실행해줘야 한다.

  2. 각 프로세스마다 실행하는 시간이 정해져 있다.


Real-Time Schedling 방식은 2가지가 존재한다.

  1. Rate Monotonic Scheduling
  2. Earliest Deadline First

■ Rate Monotonic Scheduling

실행 주기가 짧을수록 작업에 높은 우선순위를 부여하는 방식
또는, Rate = 1/주기 이므로 Rate가 높을수록 우선순위를 높게 주는 방식이라 말 할 수도 있다.


RMS의 조건

  1. 각 프로세스는 자신의 주기 안에 반드시 끝난다.
  2. 프로세스간 dependency 는 없다.
  3. 프로세스의 수행 시간은 일정하다.
  4. Non real time task는 비어있는 시간에 실행한다.
  5. Context Switching 비용은 0이라고 가정한다.

RMS의 유효성 검사를 위해서는 schedulability Test가 필요하다.
모든 Task가 deadline을 미스하지 않고 아무 문제 없이 실행할 수 있을지 판단하는 과정이다.

  • 수식을 통한 테스트
  • 예제를 통한 테스트

수식을 통한 테스트

프로세스의 Utilization 값의 총합이 특정 값보다 작으면, 반드시 Scheduling이 가능하다.
Utilization = 실행 시간 / 실행 주기

프로세스가 1개인 경우 Utilizaion < 1 이면 Test 통과
프로세스가 2개인 경우 Utilizaion 총합 < 0.828 이면 Test 통과
프로세스가 3개인 경우 Utilizaion 총합 < 0.779 이면 Test 통과


예제를 통한 테스트

프로세스(Task) A, B, C가 존재한다.

  • A는 30ms마다 한 번씩 실행해야 한다. 한번에 10ms 실행한다.
  • B는 40ms마다 한 번씩 실행해야 한다. 한번에 15ms 실행한다.
  • C는 50ms마다 한 번씩 실행해야 한다. 한번에 5ms 실행한다.

    위의 경우, 테스트 통과
    프로세스 주기들의 최소 공배수까지 테스트를 실행해봐야 한다!

⚠️ Real-Time system에서는 우선순위가 최고이다!
우선순위 높은 프로세스가 생기면 무조건 Context Switching. (위의 그림에서 100ms 대를 살펴보자)


■ Earliest Deadline First

Deadline이 빠른 작업부터 실행하는 방식

  • Deadline이 똑같은 경우, 실행하고 있던 것이 더 높은 우선순위를 갖는다.


✏️ Priority Inversion

Real-Time System에서는 Priority Inversion이 발생할 수 있다.
Priority Inversion은 이전 포스팅을 참고하자.

  • Real-Time System에서는 우선순위가 정말 중요하다.
  • 우선순위 상속을 통해 우선순위 역전 문제를 해결할 수 있다.


✏️ Multimedia File System

■ 서버의 유형

  1. pull server
    : client가 요청을 하면 데이터를 보내준다.
    여러 데이터를 받으려면 여러번 요청을 보내야 한다.

  2. push server
    : 한 번 요청을 보내면, 지속적으로 데이터를 보내준다.


■ Near Video On Demand

서버에 존재하는 영화 하나를 1000명의 client가 보고있다면, 1000개의 스트림이 필요하다.
왜냐하면, 1000명의 클라이언트가 시청하고 있는 장면이 다르기 때문이다.
어떻게 하면 스트림 수를 줄일 수 있을까?


영화의 런닝타임이 2시간인 경우
➜ 영화를 5분 단위로 잘라서, 24개의 스트림을 만든다.
➜ 각 클라이언트는 24개의 스트림 중 하나를 선택해서 시청한다.

⚠️ client가 5분 단위 스트림 말고, 특정 시간의 스트림을 원하는 경우?

  1. 셋톱박스를 사용한다.
    셋톱박스는 이전 스트림을 캐싱해서 저장하고 있다.

  2. User1는 조금씩 느리게 플레이, User2는 조금씩 빠르게 플레이해서 스트림을 맞춘다.
    결국 24개 스트림으로 merge하게 된다.


■ 데이터 저장

Disk에 파일 형태로 video, audio, text를 저장해야한다.

  • video, audio, text를 각각 다른 파일에 저장한다면, Disk가 매우 바빠진다.
  • 따라서, 하나의 파일에 여러개의 media(multimedia)를 저장한다.

멀티미디어를 위한 File Organization Strategy는 블록의 크기로 분류할 수 있다.

  1. 블록의 크기를 작게 설정하는 전략

    • 블록의 크기를 작게 하면, 하나의 mutlimedia 프레임을 저장할 때 블록을 여러개 써야한다.
    • 이 경우, Frame Index를 사용한다.
      ex) 첫 프레임은 i번 블록부터 n개를 차지한다.

  2. 블록의 크기를 크게 설정하는 전략

    • 블록 크기를 크게 하면, 하나의 블록에 여러개 multimedia 프레임이 저장된다.
    • 이 경우, Block Index를 사용한다.
      ex) 첫 블록에는 i번 프레임부터 n개의 프레임이 존재한다.
    • 블록의 크기가 크면, Splitting이 발생한다.
      ➜ 블록의 빈 공간에 들어가지 않는 프레임이 존재하면
      ➜ 그 부분을 쓰지 않거나, 프레임을 잘라서 두 개의 블록에 저장 (Splitting)

Frame Index 크기는 크다.
Block Index 크기는 작다.



REFERENCE

📚 Modern Operating Systems, Third Edition - Andrew S. Tanenbaum

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