14870298 Bases de Datos Multimedia

2009

UNIVERSIDAD NACIONAL DE TRUJILLO

ESCUELA DE INFORMATICA

[BASES DE DATOS MULTIMEDIA]

Acercamiento a las base de datos multimedia que hanprogresado mucho y tiene la posibilidad de compartir y distribuir datos de tipo multimedia a través de las redes de comunicación. En todos estos contextos, el problema principal está relacionado con la necesidad de un acceso eficiente a la información de contenido multimedia.

UNIVERSIDAD NACIONAL DE TRUJILLOBASES DE DATOS MULTIMEDIA

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BASE DE DATOS MULTIMEDIA

RESUMEN: En este presente paper que se desarrollara pretende ser un acercamiento a las base de datos multimedia que ha progresado mucho y tiene la posibilidad de compartir y distribuir datos de tipo multimedia a través de las redes de comunicación. En todos estos contextos, el problema principal está relacionado con la necesidad de un acceso eficiente a la información de contenido multimedia. Para almacenar este tipo de dato, es necesario un estructura de datos especial, y para esto vamos a hablar un poco sobre le M tree, q es una estructura q permite el almacenamiento de este tipo de datos, y para las consultas es necesario hablar de las consultas por similaridad y para finalizar hablaremos se lo algoritmos q se usan para dichas consultas.

1. INTRODUCCIONEl nacimiento de la multimedia ha renovado por completo la idea de base de datos. Si bien desde siempre se han visto como almacenes de información (textual y numérica), regidos por un conjunto de normas que le aportaban semántica. Con la llegada de la Multimedia el abanico de posibilidades complementa la representación de los objetos que se desean almacenar. El ambiente de un sistema de gestión de bases de datos multimedia (MM-DBMS) integra texto, datos, video, imagen (estática y dinámica) y sonido.

Las bases de datos multimedia están en un contexto que además de los datos se le incluye la nueva característica de la que se pueden tener variabilidad espacial y temporal. Por lo tanto, un documento introducido en una base de datos multimedia es una composición temporal, en la cual hay que introducir los diferentes tipos de datos, tanto como las relaciones de configuración y temporales existentes entre ellos. Los datos deben estar sincronizados, controlando tanto su estado como su comportamiento.

Los documentos multimedia se forman mediante la agregación de los diferentes tipos de objetos, objetos que pueden ser de gran tamaño, y llegan a mostrar gran variedad en lo referido a estructura y representación. La representación del documento multimedia busca comunicar de forma efectiva no sólo el documento y su contenido, sino también la semántica, los conceptos subyacentes y la relación entre ellos. Uno de los enfoques básicos es el análisis de las características de los usuarios del sistema, para lo cual es indispensable conocer los patrones de comportamiento del usuario en el acceso y comprensión de las estructuras informativas.

En el momento en el que se comienza a diseñar e implantar una base de datos multimedia, el objeto de trabajo ya no resulta ser el registro tradicional: el usuario está tratando con un documento electrónico y con todo lo que ello conlleva (texto, gráficos, imágenes, datos, imágenes animadas, sonidos y videos). Además a esto hay que sumarle los grandes volúmenes de información almacenadas en diferentes plataformas y aplicaciones, distribuidas en diferentes localizaciones geográficas.

Todo esto condiciona a que las Bases de Datos Multimedia tengan dos características principales:

• La disponibilidad de bases de datos avanzadas, en un entorno de fácil utilización por parte del usuario.

• El establecimiento de redes de telecomunicaciones de alta velocidad.


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2. DATO MULTIMEDIATérmino que se aplica a cualquier objeto que usa simultáneamente diferentes formas de contenido informativo como texto, audio, imágenes, animación y video para informar o entretener al usuario.

2.1.Tipos de DocumentosDocumento es un escrito que contiene cierta información y está contenida en cualquier tipo de soporte físico (papel, cinta, disco magnético, película, fotografías, etc).Documentación es el conjunto de operaciones y métodos que se facilitan la recopilación, almacenamiento, búsqueda y circulación de documentos.Tipos de Documentos: cartas, informes, monografías, tesis, libros, discos compactos, fotos, videos.

Documento

Documento de oficina Mensaje Otros

Documento Técnico Documento Administrativo

Reporte Manual Oficio Contrato

Mensaje Electronico

Mensaje de Voz

Post-it

Email Video Conferencia

Figura 2.1 Tipos de Datos

2.2. Tipos de Datos Multimedia

• Texto: estructurado o no estructurado, hipermedia.

• Gráficos: dibujos e ilustraciones codificados según un estándar de descripción de archivos (CGM, PICT, PostScript, etc.).

• Imágenes: elementos gráficos codificados según algún formato estándar (mapa de bits, jpeg, png, tiff, etc).

• Animaciones: secuencias temporales de imágenes o datos (gif, swf, etc).

• Video: secuencia temporal de imágenes a una determinada velocidad (fps).

• Audio Estructurado: secuencia de sonidos identificados según nota, tono, duración, etc.

• Audio Digital: secuencia de sonidos digitales.

• Datos multimedia compuestos o mezclados: datos multimedia agregados junto con información sobre los datos (metadatos)

2.3. Tipos de Base de Datos Multimedia Fundamentales

• Bases de datos referenciales:son bancos de datos sobre material como películas, series de televisión o música. En la mayoría de los casos, la información que se almacena hace referencia a cuestiones descriptivas (autor, título, duración, productor, etc.) o a cuestiones técnicas (formato, duración, etc.).

• Bases de datos descriptivas:se trata de sistemas de análisis de contenido que, más allá de los datos técnicos o generales que contiene la mayoría de bases de datos referenciales, aportan información específica sobre el contenido. Estos bancos de datos no resultan tan habituales y de hecho se encuentran en un estado de desarrollo


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embrionario, ya que el análisis de la imagen y del sonido no se halla tan automatizado como el del texto.

3. ARQUITECTURAS

3.1. Acoplamiento Débil frente a Acoplamiento FuerteEn el enfoque de un acoplamiento débil el DBMS utiliza sólo la gestión de los metadatos, y un gestor de archivos multimedia se utiliza para gestionar los datos multimedia. Luego está la integración de un módulo para el DBMS y el gestor de archivos multimedia.El MM-DBMS consiste de tres módulos: el DBMS, el Metadato, el Gestor de Archivos Multimedia y el modulo de integración de ambos.La ventaja de la pérdida de acoplamiento es que uno puede utilizar los diversos sistemas de archivos multimedia para gestionar los datos multimedia.

Interfaz de Usuario

Modulo para Integrar el Gestor de Datos con el Gestor de Archivos

Gestor de Datos para Metadatos

Gestor de Archivos

Multimedia

MetaDato Archivos Multimedia

Figura 3.1 Arquitectura de Acoplamiento Débil

El acoplamiento fuerte es ventajoso porque todas las funciones del DBMS se pueden aplicar directamente en la base de datos multimedia, esto incluye la gestión de consultas, procesamiento de transacciones, gestión de metadatos, gestión de almacenamiento, gestión de integridad y gestión de seguridad.

Interfaz de Usuario

MM-DBMS: Modulo para Integrar el Gestor de Datos con el Gestor de Archivos

Base de Datos Multimedia

Figura 3.2 Arquitectura de Acoplamiento Fuerte

Hay que tener en cuenta que con el enfoque de acoplamiento débil, a menos que el administrador de archivos realice las funciones del DBMS, el DBMS sólo gestiona los metadatos de los datos multimedia.

3.2. Arquitectura de EsquemaEsta arquitectura puede ser descrita de diversas maneras con respecto a las distintas características. En este esquema los metadatos son los que describen los datos multimedia.En este caso, el esquema externo definirá las vistas que tienen los usuarios de la base de datos, tal como el vídeo o vista de audio. El esquema lógico se basa en el modelo de datos para la base de datos multimedia. El esquema interno son las estructuras de datos internas,


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por ejemplo, la variación de Arboles B (estructura de datos B Tree) para bases de datos multimedia.También se puede ver el esquema desde otro punto de vista. En lugar de datos multimedia, asumir que los tipos de datos se almacenan en bases de datos separadas.

Esquema de Imagen

Esquema de Texto

Esquema de Audio

Esquema de Video

Esquema Integrado Multimedia

Esquema de

Figura 3.3 Arquitectura Integrada

3.3. Esquema FuncionalLas funciones de un sistema de base de datos multimedia incluyen la representación de datos, distribución, procesos de consulta / actualización, la navegación y la edición, la calidad de los servicios de procesamiento en tiempo real, programación, gestión de metadatos, gestión de almacenamiento y la gestión de seguridad / integridad.En la capa de presentación se muestran diversos tipos de medios para el usuario, y administrador de consultas realiza procesos de consultas. El gestor de almacenamiento da acceso a la base de datos multimedia, y el gestor de metadatos y administra los metadatos.

Interfaz de Usuario

• Representación• Distribución• Calidad de Servicio• Tiempo Real• Heterogeneidad• Consulta / Actualización• Transacciones• Metadato• Integridad / Seguridad

AlmacenamientoBase de Datos

Multimedia

Figura 3.4 Arquitectura Funcional

Tenga en cuenta que esta es una ligera variación de la arquitectura funcional y que también existen otros módulos, como el gestor de transacciones y el gestor de seguridad / integridad.


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Administrador de Presentador Multimedia

Administrador de Consultas Multimedia

Administrador de Almacenamiento

Multimedia


Administrador de Metadatos

Multimedia

Figura 3.4 Módulos de una Arquitectura Funcional

3.4. Arquitectura de SistemaHay también otros aspectos de las arquitecturas. Por ejemplo, una base de datos multimedia sistema podría utilizar un sistema de bases de datos comerciales, tales como un DBMS orientado a objetos (OO-DBMS) para la gestión de objetos multimedia. Sin embargo, las relaciones entre los objetos y la representación de relaciones temporales puede suponer la ampliación de la base de datos del sistema de gestión. Es decir, un BDMS más una capa adicional proporcionan un soporte completo para la gestión de datos multimedia. En el otro caso, tanto las extensiones de la base de datos y funciones de gestión están integrados de manera que exista un sistema de gestión de bases de datos para la gestión de objetos multimedia, así como las relaciones entre los objetos.

MM-DBMS

Capa Extendida para la Gestión de

las Relaciones

DBMS para la Gestión de

Objetos Multimedia

MM-DBMS

DBMS + Capa Extendida integrada

para la Gestión Objetos Multimedia

y Relaciones

Figura 3.5 DBMS más la capa adicional

3.5. Arquitectura DistribuidaUna MM-DBMS también podría ser distribuida. Un ejemplo de un MM-DBMS distribuido se ilustra. En este ejemplo, un nodo tiene un mapa de los EE.UU., mientras que otro nodo tiene un mapa de Europa. Dicho sistema debe gestionar la base de datos multimedia distribuidos. Se pueden combinar los dos objetos en los dos nodos para obtener el resultado de una consulta como "recuperar todos los contenidos de la base de datos distribuida." El resultado será un objeto que contiene los mapas de los EE.UU. y Europa.


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Base de Datos Multimedia Distribuida(MM-DBMS + Procesador Multimedia Distribuido)

Base de DatosMultimedia

N° 1

Base de DatosMultimedia

N° 2

Figura 3.6 Datos Distribuidos

Un MM-DBMS distribuido es esencialmente una colección de MM-DBMSs conectados a través de una red. El modulo del procesador multimedia distribuido es el responsable para el manejo de la distribución de datos, así como de consultas distribuidas, transacciones, los metadatos, y la seguridad y la integridad de gestión.

3.6. Arquitectura de InteroperabilidadTenga en cuenta que un MM-DBMS también pueden basarse en un enfoque cliente-servidor. Si este es el caso, entonces una gestión de objetos distribuidos (DOM) como el sistema basado en un Object Request Broker Arquitectura (CORBA) se puede utilizar para integrar los diversos componentes. El especial de extensiones para la Interfaz de Lenguaje de Definición de CORBA (IDL) en apoyo de datos multimedia se está especificado.

Red

Procesador Multimedia Distribuido



MM-DBMS 1 MM-DBMS 2 MM-DBMS 3

Base de Datos Multimedia 1



Figura 3.7 MM-DBMS Distribuido


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Cliente Multimedia

Objeto

Servidor Multimedia

Objeto

Interfaz de Petición de Objetos

Extensiones IDL

Figura 3.8 Arquitectura para Interoperabilidad

Las arquitecturas de tres niveles también son populares para la gestión de datos e información. En este enfoque, el cliente tiene el nivel de presentación módulos. Los objetos de negocio comprenden el nivel medio, y el servidor de nivel de base de datos lleva a cabo las funciones. Tal arquitectura también se está convirtiendo en popular para las aplicaciones multimedia. Un ejemplo de la arquitectura de tres niveles se ilustra en la Figura.

Mapas

Pantallas

Interfaz Visual

Nivel de Cliente

Objetos Multimedia del

Negocio

Nivel Medio


DBMS

ORB

Nivel Servidor Back-end

Figura 3.9 Arquitectura de tres Niveles

3.7. Arquitectura HipermediaMientras que un MM-DBMS gestiona base de datos multimedia, un hipermedia no sólo es un DBMS que gestiona una base de datos multimedia, sino que también proporciona apoyo para la navegación por la base de datos siguiendo enlaces. Es decir, un hipermedia incluye un DBMS y un MM-DBMS.

MM-DBMS


Enlazador para Navegación

MM-DBMS

HypermediaDBMS


Figura 3.10 Sistema de Bases de Datos Hypermedia

Como se ilustra, una hipermedia DBMS incluye una MM-DBMS y un enlazador. El enlazador módulo brinda apoyo para la navegación por la base de datos multimedia siguiendo enlaces.


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Esencialmente, los multimedia en la Web es principalmente acerca de la tecnología hipermedia, donde los sistemas de base de datos multimedia se complementan con los navegadores.

4. REQUISITOS DE BASES DE DATOSUn adecuado BDMS Multimedia debería ofrecer herramientas para buscar, recuperar, manipular, ordenar y organizar los textos, imágenes, vídeos en un entorno de formato libre, de tal forma que pueda utilizar documentos de muy diverso formato, tamaño y disposición. El SGBD de datos multimedia debería ofrecer lenguajes de descripción de documentos avanzados, permitir el diseño de estructuras de datos muy flexibles, y ofrecer mecanismos de búsqueda altamente efectivos.

Audio Imagenes

Video Graficos

Adquisiscion de Datos y Procesamiento

Datos Multimedia

Interfaz de Usuario

Pre-procesamiento de Consultas

Sincronización y presentación

Con

sul ta

s B

asa

das

en c

onte

nido

Recuperació

n de

Resul tado

s

Busqueda y Recuperacion por Similitud

Consultas

Formales

Listas o

rdenadas d

e

Resultados

Análisis de datos manual / automático

Metadatos como índice

Comprensión

ÍndiceOrganización e inserción ,

Borrado, Búsqueda

Datos Multimedia

DatosAlmacenamiento,

Organización y Acceso

Medidas de Distancia

Criterios de Busqueda

Figura 4 Modelo de los Procesos en las Bases de Datos Multimedia

Características comunes para una base de datos multimedia:

• Encontrar rápidamente la información multimedia, buscando cualquier número de objetos referidos a un contenido de información.

• Conectar documentos según su contenido informativo, relacionando extractos de información relacionada, de varios documentos, en un documento nuevo.

• Facilitar el acceso instantáneo a los ficheros pertinentes, incluyendo los mecanismos necesarios de compresión y descompresión para la manipulación de aquellos.

• Conocer y manipular, por parte del usuario, la estructura misma de la información.

• Crear relaciones entre grupos de elementos informativos.

• La implantación y explotación de Bases de datos Multimedia exige dos elementos importantes:


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○ Disponibilidad de Bases de Datos Avanzadas, en un entorno de fácil utilización por parte del usuario.

○ Establecimiento de redes de telecomunicaciones de alta velocidad.5. OPERACIONES SOBRE LAS BASES DE DATOS

Estos son algunos de las cuestiones que aún quedan por discutir a la hora de tratar con bases de Datos Multimedia:

5.1. Modelado Dado que se va a trabajar con objetos complejos, que van desde simples textos hasta videos, pasando por imágenes y sonido, el objetivo es encontrar un modelo que permita describir la estructura de los objetos, y sobre el que pueda definirse lenguajes de acceso especializados. Si queremos almacenar datos de texto, la mejor opción es una Base de Datos Relacional, pero para almacenar objetos de video, por ejemplo, una mejor opción sería una base de Datos Orientada a Objetos. Elegir una u otra a sabiendas de que habrá ambos tipos de datos es algo sobre lo que se debe seguir investigando. Y es que en un objeto multimedia que represente el parte de una compañía de seguros en un accidente, por ejemplo, este podría tener imágenes del accidente, formularios de los implicados, grabaciones de audio de ambas partes, informe sobre los hechos… decidir que modelado es más conveniente constituye una cuestión compleja sobre la que aun se debate.

5.2.Indexación de Imágenes A la hora de indexar la información de una imagen, la cuestión es optar por técnicas de reconocimiento y procesamiento de imágenes o bien por la asignación manual de frases y términos. La primera de estas técnicas sufre un problema de escalabilidad, ya que no es capaz de manejar el crecimiento continuo de trabajo, debido en gran parte a que es una técnica a la que le queda mucho por avanzar. La asignación manual de términos está actualmente más acogida por su sencillez de adaptación, aunque resolver sus problemas de ambigüedad de términos requiere técnicas más complejas. Por ejemplo, si decidiéramos buscar “Calatrava” podríamos encontrarnos con obras del famoso arquitecto, con poblaciones con ese nombre o con personas con ese apellido. Una solución a esto es relacionar el termino con su contexto. Es decir, diferenciar las imágenes con Calatrava que estén junto a “Venecia” o “Puente” no trataran sobre lo mismo que si acompaña a “Ciudad Real” o “Población”.

5.3. Recuperación de textos Un problema que también está relacionado con la recuperación de la información. Por un lado, y similar a lo expuesto con las imágenes, hay problemas a la hora de indexar correctamente frases. En contraposición a la utilización de términos unitarios, parece que añadir descriptores supone una mejora sustancial, estos deben ser buenos indicadores del contenido. Por otro lado, el vocabulario del usuario es usualmente diferente del usado a la hora de indexar el documento, por lo que sería ideal el uso de un diccionario de sinónimos para ampliar la consulta del usuario. El problema de esto es, una vez más, la ambigüedad del lenguaje. La solución, de nuevo, puede solucionarse relacionando el término con el contexto.

6. CONSULTA POR SIMILITUDLa estrategia para resolver consultas por similitud en los datos multimedia está compuesta por dos módulos fundamentales: extracción de características y cálculo de similitud.


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6.1. Extracción de CaracterísticasTeniendo en cuenta estas propiedades de los datos multimedia se seleccionan las siguientes características visuales de bajo nivel, las cuales describen los niveles de colores, texturas y bordes en las imágenes digitales. Estas características definen los espacios en donde posteriormente se evaluará una función de similitud apropiada para obtener los resultados de una consulta. Las características utilizadas en este trabajo son llamadas características de bajo nivel porque no están estructuradas sino componen una serie de operaciones primitivas para el análisis de imágenes a nivel perceptual. En esencia los histogramas corresponden a la distribución de probabilidad de la información evaluada en la imagen de forma invariante.

6.2. Evaluación de SimilitudLas características implementadas para este sistema son representadas por histogramas con la distribución de probabilidad para colores, texturas y bordes. Para evaluar la similitud de estas características entre dos imágenes se debe utilizar una métrica capaz de hallar las diferencias más significativas entre dos histogramas. Existen varias métricas para comparar histogramas [6] y experimentalmente se determinó que la Desviación Relativa entre Rangos3 tiene el mejor desempeño para el histograma de colores y texturas sobre esta colección de imágenes. Esta métrica está basada en el coeficiente de variación c = σ µ utilizado en estadística, y se define de la siguiente manera.

7. ESTRATEGIAS BÁSICAS PARA CONSULTA POR SIMILITUD

7.1. M-TREEEl M-Tree organiza los objetos indexándolo en los nodos de tamaño, que corresponden a regiones del espacio métrico. Los nodos del M-tree pueden almacenar la competencia de los nodos hasta M anotaciones. Para cada objeto se pone un índice en la BD, una anotación con el formato.EntradaOj=[Oj, oidOj,d(Oj,P(Oj))]

El M-Tree particiona los objetos sobre la base de su distancia relativa, medida por una determinada función de la distancia d, y almacena estos objetos en los nodos de tamaño fijo, que corresponden a las regiones del limitado espacio métrico. El M-tree está completamente parametrado en función de la distancia d, por lo que la función de implementación es una caja negra del M-Tree.

7.2. Búsqueda por Rango

• Sea U un conjunto de datos multimedia

• Objeto de consulta: q Є X• Radio de tolerancia: e Є R+

q,r={u∈U, δ(u,q)≤r}


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7.3.Búsqueda por K-Vecino más cercano

• Objeto de consulta: q Є X• Radio de tolerancia: k Є R+

• Retorna conjunto C,|C|=k tal que:

8. VENTAJAS E INCONVENIENTES DE UNA BASE DE DATOS MULTIMEDIA

8.1. Ventajas

• La posibilidad de integrar en un único sistema una gran diversidad de formatos (imágenes, texto, video, sonido, etc).

• Ofrecen mayor variedad a la hora de representar la información.

• Un gran, y creciente, mercado potencial que augura que se siga investigando activamente en el futuro.

8.2. Inconvenientes

• Necesita grandes espacios para almacenar toda la información que queremos.

• Este tipo de bases de datos necesitan grandes anchos de banda para obtener un rendimiento óptimo.

• Complejidad en cuanto a programar operaciones, o incluso la interfaz, debido a la alta cantidad de formatos que hay que manejar, lo que puede repercutir en su rendimiento.

9. CONCLUSIONES


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• Podemos notar que existen dos tipos de bases de datos multimedia fundamentales, las referenciales y las descriptivas.

• Los documentos multimedia se forman mediante la agregación de objetos de diferentes tipos, objetos que pueden ser de gran tamaño, y llegan a mostrar gran variedad en lo referido a estructura y representación.

• El manejo de bases de datos multimedia de gran tamaño y contenidos diversos precisa de técnicas adecuadas de implementación de sistemas de recuperación y exploración.

• Emplear algoritmos y estructuras de datos eficientes que apoyen la búsqueda por similitud.

• La Función de extracción de características, dependiente del tipo de dato multimedia y es definida por un experto.

• Para las Consultas por similitud, hay dos algoritmos que se suelen utilizar: algoritmo de búsqueda por k-vecino más cercano y el algoritmo de búsqueda por rango.

• Complejidad en cuanto a programar operaciones, o incluso la interfaz, debido a la alta cantidad de formatos que hay que manejar, lo que puede repercutir en su rendimiento.

10. BIBLIOGRAFIA

1. Managing and Mining Multimedia Databases, Bhavani Thuraisingham, CRC Press, 20012. M-tree: An Efficient Access Method for Similarity Search in Metric Spaces, Paolo Ciaccia,

Marco Patella, Pavel Zezula3. Bases de Datos Avanzadas – Bases de Datos Multimedia, Isabel Besembel Carrera

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