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Informatik-Lexikon
Memory, Organizational
MPEG-7
Modeling Language, Unified - UML
Modeling Language,Virtual Reality - VRML
Erläuterung
Das Management von Wissen ist ein wichtiger Erfolgsfaktor in Unternehmen.
Dabei hat Wissensmanagement eine soziokulturelle, betriebswirtschaftliche
und informationstechnische Dimension; gemeinsames Ziel ist die optimale
Nutzung der „Ressource Wissen" für Lernen aus Erfahrung,
kontinuierliche Prozeßverbesserung und den Ausbau kreativer Unternehmenspotentiale.
Wissen als Unternehmensressource ist Wissen in Dokumenten, undokumentiertes
Wissen wie Mitarbeiterkenntnisse und -fähigkeiten, sowie Wissen in
Prozeduren und Produkten. Es geht z.B. um Entwurfsentscheidungen im Designprozeß
(„design rationals", s. Shum in [5]),
um Projekterfahrungen („lessons learned", s. van Heijst et al.
in [4]), die für nachfolgende Projekte wiederverwendet
werden sollen, oder gute Vorgehensweisen („best practices" s.
[7]). Informationstechnische Beiträge zum
Wissensmanagement lassen sich nach zwei Sichtweisen klassifizieren:
- Die prozessorientierte Sicht unterstützt die Zusammenarbeit
einer Gruppe von Personen mit dem Ziel, verteilt vorliegendes, aktuelles
Wissen und Fähigkeiten optimal einzusetzen. Basistechniken stammen
aus der Computer Supported Cooperative Work (CSCW) und dem Workflow
Management.
- Die produktorientierte Sicht untersucht die Erhebung, Wartung,
Wiederverwendung und Nutzung von Wissen in informationstechnisch verarbeitbarer
Form. Basistechniken stammen aus den Bereichen Dokumentenmanagement,
Wissens und Informationssysteme.
Das Organizational Memory wird technisch durch ein Organizational Memory
Information System (OMIS, auch: Corporate Memory) unterstützt. Ein
OMIS entsteht durch die Integration von Basistechniken zu einem Computersystem,
das in der Organisation Wissen und Informationen fortlaufend sammelt,
aktualisiert, strukturiert und für verschiedene Aufgaben möglichst
kontextabhängig, gezielt und aktiv zur Verbesserung des kooperativen
Arbeitens zur Verfügung stellt. Für Sammlung, Nutzung und
Wiederverwendung von Wissen muß ein OMIS folgende drei Hauptaufgaben
lösen:
1. Wissenserfassung & -pflege
Wissenserfassung und -pflege sind wie bei wissensbasierten Systemen kritische
Erfolgsfaktoren eines OMIS. Analog zur Position des Knowledge Engineers
bei wissensbasierten Systemen wird die Installation eines Knowledge- oder
Experience-Managers vorgeschlagen,der Wissen aufbereitet, in eine nutzbare
Form bringt und geeignete Metadaten zum Retrieval hinzufügt. Da dies
bei einem größerem Nutzerkreis zu erheblichem Aufwand führt,
sind Akquisitionswerkzeuge und automatische Verfahren zur Unterstützung
gefragt. So wird in AnswerGarden [1] das OMIS
selbständig erweitert und benötigt nur geringe Wartung. Hier
sind Metadaten der Pfad durch einen Fragenbaum,den ein Benutzer interaktiv
mit dem System erstellt. So werden Metadaten oft entweder durch (semi-)
automatische Verfahren (z.B. Textanalyse) aus den zu speichernden Objekten
gewonnen oder explizit angegeben. Generell sind Erhebung und Wartung von
formal repräsentiertem Wissen schwieriger und daher kostspieliger
als von informell repräsentiertem. Daher setzen viele Ansätze
auf existierenden informalen Wissensquellen (z.B. Texten) auf und nutzen
formale Strukturen nur für stabile Sachverhalte (z.B. zur Indexierung
einer Best-Practice Wissensbasis).
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2. Wissensaufbereitung und -integration:
Ziel des OMIS ist es, vielfältigen Such- und Nutzungskomponenten
einen einheitlichen und effektiven Zugang zum Wissensspeicher zu ermöglichen.
Nun ist dieser aber sehr heterogen auf mehreren Ebenen:
- Auf der Inhaltsebene unterscheiden wir verschiedene Wissensarten
im Unternehmen: Produkt- und Prozeßwissen, Ursachen für Entscheidungen,
individuelle Kompetenzen und Erfahrungen etc. Existierende Systeme repräsentieren
i.a. nur einen einzigen Typ von Wissen, ihr Zusammenspiel ist kaum untersucht
(ein Gegenbeispiel sind die Issue-Based Information Systems, die zur
Dokumentation von Entwurfsentscheidungen eines Design-Teams die entstehenden
Dokumente – Texte, Protokolle, Zeichnungen – eingebettet in
die graphische Darstellung des Diskussion- und Entscheidungsprozesses
ablegen). Notwendig zur Integration ist eine Unternehmensmodellierung
aus der Wissenssicht, d.h. eine Methodik zur Analyse und Darstellung
von Informationsflüssen, Wissensbedürfnissen und -ressourcen,
s. z.B. Daniel et al. in [6].
- Auf der Repräsentationsebene stellt sich das Problem,
daß Text und Hypertextdokumente, E-Mails, Grafiken usw. oft bereits
vorhanden und für menschliche Nutzer besser geeignet sind als formalere
Darstellungen. Andererseits sind wissensbasierte Systeme auf formale
Repräsentationen zur Steuerung von Problemlösungsmethoden
und Workflows, zur semantischen Suche, zur aktiven Präsentation
von Wissen etc., angewiesen, so daß man auf die Formalisierung
von Wissensteilen nicht verzichten kann.
Ansätze, um Formalisierungen und deren Wartbarkeit zu vertretbaren
Kosten zu erreichen, sind z.B. die inkrementelle Formalisierung, bei der
informale und formale Repräsentation durch Hyperlinks verknüpft
werden oder die Einbettung der formalen in die informale Repräsentation:
[3] annotieren Texte bezüglich einer Ontologie
redundanzarm mit Hilfe neuer HTML bzw. XML-Attribute, so daß daraus
automatisch eine formale Darstellung extrahiert werden kann. Auch die
Informationsextraktion mit Methoden der Dokumentanalyse / -klassifikation
bzw. zur Wissensakquisition aus Texten werden hierfür untersucht.
Ferner stellt sich die Frage des homogenen Zugriffs auf existierende Informationssysteme,welche
Aussagen über dieselben Sachverhalte des Objektbereichs unterschiedlich
formulieren und strukturieren. Im Datenbank- und Wissensbankbereich ist
dies Gegenstand der Intelligenten Informationsintegration (I³). Hier
helfen Ontologien,in denen eine verbindliche gemeinsame Terminologie
spezifiziert wird, und Wrapper/Mediator-Architekturen, die verschiedene
Quellen kapseln und deren Inhalt bzgl. einer gemeinsamen Ontologie übersetzen
(Wrapper) bzw. Anfragen bzgl. dieser gekapselten Quellen beantworten (Mediator).
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3. Wissensnutzung & -suche:
Generell sollte ein OMIS die Lösung verschiedener wissensintensiver
Aufgaben durch aktive, kontextsensitive Informationslieferung erleichtern.
Dabei benötigen passive wie aktive Ansätze geeignete Metadaten,
die Aussagen über den Kontext, in dem das abgelegte Wissen verwendbar
ist, erlauben. Dazu kommen,abhängig vom Grad der Formalisierung und
der konkreten Anwendung unterschiedliche Verarbeitungstechniken sowohl
für das abgelegte Wissen als auch für die Metadaten in Frage.
So verwenden Expertensysteme Problemlösungsmethoden, um zusammen
mit formalisiertem Wissen aus der Anwendungsdomäne den menschlichen
Benutzer bei der Lösung von speziellen Aufgaben im betrieblichen
Umfeld (z.B. Konfigurierung und Diagnostik) zu unterstützen. Für
weniger stark formalisiertes Wissen bieten sich Inferenzmethoden wie das
Fallbasierte Schließen (CBR), z.B. für Fälle in Best-Practice
Wissensbasen an. Beim ontologiebasierten Retrieval sind informale (bzw.
semiformale) Dokumente mit formalem Wissen verknüpft, indem in Dokumenten
Wissen identifiziert und durch Annotierung bezügl. einer Ontologie
gekennzeichnet wird. Auf unstrukturierte Dokumentsammlungen hingegen kann
z.B. mittels Textsuchmaschinen zugegriffen werden.
Aktive Hilfe ist angesichts der Informationsflut wesentlich, jedoch
i.a. noch ungelöst. Beiträge zur aktiven Informationsbereitstellung
erweitern z.B. Geschäftsprozeßmodelle um Dokumentflüsse
und Expertiseverwendung; intelligente Suche basiert dann z.B. auf CBR
oder Agententechnologie.
Systeme,die alle oben skizzierten Aufgaben lösen, sind noch nicht
verfügbar. Allerdings gibt es bereits eine Reihe von Systemen, die
einzelne Aspekte bereits gut umsetzen, z.B.:
- Das BSCW-System [2] bietet eine WWW-basierte
Plattform für kooperatives Arbeiten in Büroumgebungen. Notizen,Dokumente
und Diskussionen können abgelegt und kooperativ bearbeitet werden.
Strukturierte Dokumente und Metadaten zu Inhalten in BSCW werden allerdings
nur eingeschränkt gesammelt, so daß auch keine situativ angepaßte
Wissenspräsentation oder komplexere als Schlüsselwortsuche
möglich ist.
- Im AnswerGarden [1] tauschen Benutzer und
Experten Fragen und Antworten aus, die danach allgemein zur Verfügung
stehen. Dies vermeidet die Wiederholung gleicher Fragen und entlastet
die Experten. Fragen und Antworten sind hierarchisch indiziert, die
Indexstruktur kann je nach Benutzeranforderungen geändert werden.
Weitergehende CSCW- und Workflowkonzepte sind nicht verwirklicht.
- Der Prototyp EULE2 (s. Reimer in [6]) unterstützt
Sachbearbeiter bei der Bearbeitung von Versichungsvorgängen in
der Schweizerischen Rentenanstalt durch eine deklarative Modellierung
von Geschäftsprozessen, Weisungen und Gesetzen. Diese dienen der
Workflow-Steuerung, der automatischen Datenbeschaffung für offene
Vorgänge,und der teilautomatischen Überprüfung der Einhaltung
von Weisungen und Gesetzen. Der Benutzer kann Erklärungen verlangen,warum
ein Vorgang gerade so abzuwickeln ist, und wird bei Bedarf bis hin zu
den betreffenden Stellen in den Weisungen und Gesetzestexten geführt.
Das System kombiniert formale Methoden und informale Texte zur aktiven
Unterstützung.
- Wargitsch et al. (in [6]) stellen ein flexibles
Workflowsystem vor, dessen Workflows die Benutzer zur Laufzeit auswählen
und ändern können. Die Änderungen steuern das Workflowsystem
und können ebenso von allen Benutzern im OMIS wiederverwendet werden.
Auch CSCW-Techniken wie Diskussionsgruppen werden unterstützt.
- Das Tool QuestMap (s. Shum in [5]) ist ein
Issue-Based Information System. Es ermöglicht z.B. die Suche nach
allen Argumenten, die für eine bestimmte Entwurfsentscheidung relevant
sind oder findet bei geänderten Voraussetzungen die davon betroffenen
Entscheidungen.
- Der Ontobroker [3] zur intelligenten Suche
in Webdokumenten ist ein Beispiel für ontologiebasiertes Retrieval:
Annotiertes Wissen wird aus den Dokumenten herausgefiltert und steht
mitsamt der zugehörigen Ontologie einer Inferenzmaschine zur Verfügung.
Diese beantwortet Anfragen, die durch die Verwendung des annotierten
Wissens mehrerer Dokumente über den Inhalt einzelner Dokumente
hinausgehen.
Durch die pragmatische, problemgetriebene Integration von Basistechniken
entstehen nützliche Systeme,die verschiedene der angesprochenen Aufgabenfelder
abdecken. Dennoch bieten diese noch Herausforderungen für anwendungsorientierte
Forschung auf vielen Gebieten, z.B. weitergehende Integration von informalen
und formalen Repräsentationen,Textanalyse, Ontologieerstellung und
-verwendung, weitergehende CSCW-Techniken u.v.m. Für einen dahingehenden,
weiteren Einstieg liefert z.B. [7] nützliche
Hinweise.
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Literatur
- Ackerman M.S., and Malone T. W.: Answer Garden:
A Tool for Growing Organzational Memory. In: Proceedings of the ACM
Conference on Office Information Systems, pp. 31-39, 1990
- Bentley R.,Appelt W., et al.: Basic Support
for Cooperative Work on the World Wide Web. In Int. J. of Human-Computer
Studies 46(6): Special issue on Innovative Applications of the World
Wide Web, p. 827-846,June 1997
- Fensel D., Decker S., Erdmann M,Studer R.:
Ontobroker: The Very High Idea. In: 11th Florida Artificial Intelligence
Research Symposium (FLAIRS-98),Florida, May 1998.
www.aifb.uni-karlsruhe.de/WBS/broker
- 10th Banff Knowledge Acquisition for Knowledge-based
Systems Workshop, Banff, Canada,1996.
http://ksi.cpsc.ucalgary.ca/KAW/KAW96/KAW96Proc.html
- Journal of Universal Computer Science 8(3),
Special Issue on Information Technology for Knowledge Management, Springer
1997.
www.iicm.edu/jucs_3_8/
- Kl-97 Workshop on „Knowledge-Based Systems
for Knowledge Management in Enterprises", Freiburg 1997.
www.dfki.uni-kl.de/km/ws-ki97.html
- Dan O’Leary: Enterprise Knowledge Management.
IEEE Computer 31(3), pp. 54-61, March 1998
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Autor & Copyright
Andreas Abecker¹, Otto Kühn¹, Stefan Decker²
¹DFKI GmbH,
Postfach 2080,
67608 Kaiserslautern,
Andreas.Abecker@dfki.de
Otto.Kuehn@dfki.de
²Universität Karlsruhe,
Institut AIFB,
76128 Karlsruhe
Stefan.Decker@aifb.uni-karlsruhe.de
© 1998 Informatik Spektrum, Springer-Verlag Berlin Heidelberg
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MPEG-7
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Kurzinfo MPEG-7
wurde von der Moving Picture Experts Group (MPEG) im März 2002 als Internationaler
Standard verabschiedet. Nach der erfolgreichen Einführung der Standards
MPEG-1/2/4 zur audiovisuellen Kodierung von Inhalten ist MPEG-7 ein Standard,
der ein Austauschformat für Beschreibungen von multimedialen Inhalten
festlegt.
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Erläuterung
Die Moving Picture Experts Group, eine Arbeitsgruppe der ISO SC29, ist
seit 1988 aktiv und hat mit ihren MPEG-1/2/4 einen entscheidenden Einfluss
auf die Multimedia-Industrie genommen. Mit der Verabschiedung von MPEG-1
im November 1992 stand erstmals ein integrierter Standard zur Verfügung,
der die Kodierung von Bewegtbildern und zugehörigem Audio für die Speicherung
auf einer CD bei einer Datenrate von etwa 1,5 Mbit/s ermöglichte. MPEG-2
(1994) baute auf der MPEG-1-Systemspezifikation auf und ergänzte sie insbesondere
um die Möglichkeit zur Kodierung von zeilenverschränkten Video bei verschiedenen
Auflösungen, bis hin zum HDTV-Format. Erstmals wurde auch die Möglichkeit
einer skalierbaren Kompression der Bilddaten eingeführt. MPEG-2 liefert
auch die Basistechnologie für die DVD zur Speicherung und Wiedergabe von
hochqualitativem Video und Mehrkanal-Audio im Heimbereich. MPEG-2 Audio
Layer 3 war auch die Basis für das populäre MP3-Audioformat, das als industrielle
Weiterentwicklung entstand. MP3 ist nicht mit MPEG-3 zu verwechseln, denn
MPEG-3 war für HDTV vorgesehen und wurde in MPEG-2 integriert. MP3 ermöglicht
eine hohe Kompression von Audiodaten bei sehr geringem Qualitätsverlust
durch Entfernen von überlagerten Tönen und solchen, die praktisch unhörbar
sind. Mit MPEG-4 wurde 1998 erstmals eine Kodierung vorgestellt, welche
die Aufteilung einer Szene in einzelne audiovisuelle Objekte ermöglicht.
Die separate Beschreibung dieser Objekte in einem Datenstrom erlaubt es,
den Szeneninhalt durch Benutzerinteraktion zu manipulieren. Ein weiteres
Merkmal ist die individuelle Konfiguration des Leistungsumfanges von MPEG-4
durch spezielle Profile. Seit der ersten Version wurden MPEG-4 mehrere
Ergänzungen hinzugefügt. Zurzeit wird vom Joint Video Team (JVT), das
sich aus Experten der ITU h.264 und der MPEG-Standardisierung zusammensetzt,
der hinsichtlich der Kodierungseffizienz verbesserte Advanced Video Codec
verabschiedet.
Im Jahre 1997 begann MPEG an dem neuen Standard „Multimedia Content
Description Interface" (kurz „MPEG-7") zu arbeiten, der
im März 2002 in Version 1 verabschiedet wurde. MPEG-7 stellt eine sinnvolle
Ergänzung zu den Standards MPEG-1/2/4 [1] dar,
der mit Inhaltsbeschreibungen einen gezielten Abruf von audiovisuellen
Daten ermöglicht und deren Verwaltung unterstützt.
Die in MPEG-7 definierten Beschreibungen setzen sich aus Deskriptoren
und Beschreibungsstrukturen zusammen. Die Deskriptoren beschreiben die
Merkmale der audiovisuellen Daten. Um die Deskriptoren in einer Beschreibung
interpretieren zu können, weisen die Beschreibungsstrukturen, in denen
die Deskriptoren eingebettet sind, diesen Deskriptoren einen Kontext bzw.
eine Bedeutung zu. Die Definition von MPEG-7-Deskriptoren und Beschreibungsstrukturen
(DSs, Description Schemesdurch eine auf XML-Schema [2]
basierende, strukturdefinierende Sprache ermöglicht es, MPEG-7 Beschreibungen
für die Anforderungen in den jeweiligen Applikationen anzupassen. Durch
diese Flexibilität und ein effizientes Format zur synchronen Übertragung
können Beschreibungen in unterschiedlichen Applikationsfeldern, wie Rundfunk
oder Informationsabruf, im Internet eingesetzt werden, ohne den mitunter
aufwendigen Prozess der Beschreibungsgenerierung neu zu durchlaufen.
MPEG-7 wird die Indizierung von Multimediamaterial homogenisieren. Bisherige
Multimedia-Beschreibungsstandards, wie das Dublin Core Model, stellten
Metadaten nur für einen kleinen Teil des Metadaten-Lebenszyklus (z.B.
für die Erstellung) zur Verfügung. MPEG-7 ermöglicht die Indizierung mit
einem einheitlichen Framework, von der Erstellung über die Suche bis hin
zum Transport der Beschreibungen. Neben der Suche wird auch die Navigation
durch große audiovisuelle Datenbestände erleichtert, da das zugrunde liegende
XML eine breite Unterstützung in Programmier- und Datenbanksprachen, wie
z.B. XMLTypes in Oracle 9i oder Java XML, erfahrt [3].
Die Nachteile einer XML-basierten Beschreibung, wie beispielsweise der
hohe Speicherbedarf oder die fehlende Unterstützung Beschreibungen inkrementell
zu übertragen, wurden auf Systemebene behoben. Hierzu enthält MPEG-7 Werkzeuge
zur effizienten Kodierung und inkrementellen Übertragung (Streaming)von
XML-basierten Dokumenten [4].Die Interaktionsmöglichkeiten
von MPEG-4,gekoppelt mit MPEG-7,eroffnen neue kommerzielle Anwendungen
im Bereich des digitalen Fernsehens — z.B. liefert die Auswahl eines
Produktes in einer Werbesendung die Inhaltsinformation in MPEG-7 und ermöglicht
die Navigation zu weiteren Informationen wie Preis, Vorrat und Bestellung.
MPEG-7-Teile
Der MPEG-7-Standard ist in 8 Teilen organisiert (ISO/IEC 15983:1-8:2002).
- Systems beschreibt Formate, in denen MPEG-7-Dokumente gespeichert
und über ein Kommunikationsnetzwerk transportiert werden können. Ein
wichtiger Bestandteil von Systems ist der BiM-Codec (Binary Format
MPEG-7 encoder und decoder), der es ermöglicht,
MPEG-7-Dokumente zu komprimieren. Das Dokument wird dabei in Fragmente
zerlegt, die in einzelne Pakete („Access Units") gruppiert werden. MPEG-7-Ströme
werden getrennt oder synchronisiert mit denen von ihnen beschriebenen
Medienströmen (z.B. MPEG-2/4) übertragen.
- Data Definition Language (DDL) beschreibt die Syntax der MPEG-7-Beschreibungsstruktur
und baut auf die von W3C standardisierte XML-Schema-Sprache auf [2].
Zusätzlich zu dieser wurden hauptsächlich Datentypen zur Beschreibung
von Zeitmarken und Matritzendimensionalitäten definiert, die in audiovisuellen
Deskriptoren genutzt werden. Die Verwendung der DDL zur Definition der
MPEG-7-Deskrip-toren und DSs ermöglicht es dem Anwender, basierend auf
dem Standard eigene, applikationsspezifische Erweiterungen zu definieren.
- Grundlegende visuelle Deskriptoren decken vor allem den automatisch
erfassbaren Teil der Beschreibungen für Merkmale der Bilder und Videos
ab. Typische visuelle Deskriptoren sind die Formdeskriptoren von Regionen,
Deskriptoren, die dominante Farben in Bildern oder Bildregionen spezifizieren,
Deskriptoren für lokale oder globale Farbverteilungen, für Texturen
und für Bewegungsbeschreibungen in Bildsequenzen.
- Grundlegende Audiodeskriptoren spezifizieren beispielsweise
die Merkmale von Audiosignalen, die Sprache oder Musik enthalten. Dazu
gehören beispielsweise Beschreibungen von Merkmalen der Melodie oder
Phonemnetzen. Es können aber auch die Eigenschaften der Erzeugerinstrumente
beschrieben werden, wie z.B. die Klangfarbe einer Violine.
- Die Multimedia Description Schemes (MDS) spezifizieren eine
Bibliothek an Beschreibungsstrukturen, aus denen Teile für eine Beschreibung
instantiiert werden können. Die generisch aufgebauten Beschreibungsschemata
ermöglichen semantische Beschreibungen von Medieninhalten und bilden
einen Beschreibungsrahmen, in den die audio-visuellen Deskriptoren eingefügt
werden können.
- Die Referenzsoftware enthält Beispielimplementierungen für
die Erzeugung und Verarbeitung der MPEG-7-Deskriptoren und DSs. Die
Software wurde im Standardisierungsprozess zur Validierung der standardisierten
Technologien eingesetzt. Die Referenzsoftware ist unter http://www.lis.e-technik.tu-muenchen.de/research/bv/topics/mmdb/e_mpeg7.html
verfügbar.
- Konformität definiert Vorschriften für Konformitätstests der
MPEG-7-Beschreibungen. Hierzu wurde ein Profilkonzept [1]
und die Definition von Komplexitätsstufen (sog. levels) von MPEG-7-Beschreibungen
erarbeitet.
- Extraktion und Benutzung stellt informative Beispiele für Instantiierung
von Beschreibungsschemata und Ansätze für die Extraktion von Beschreibungen
aus Medienströmen zur Verfügung. Zudem wurden auch Beispiele für den
Gebrauch von Beschreibungen entworfen.
MPEG-7-Codec
Der MPEG-7-BiM-Codec stellt Werkzeuge zur Komprimierung und Übertragung
von MPEG-7-Dokumenten zur Verfügung [4].Diese
Werkzeuge sind nicht auf die Verwendung für MPEG-7 beschränkt, sondern
können generell für XML-Schema-basierte XML-Dokumente verwendet werden.
Bei der Standardisierung des MPEG-7-BiM-Codecs wurden Anforderungen von
Applikationen an die Übertragung von Metadaten berücksichtigt, die von
der textuellen XML-Repräsentation nicht erfüllt werden, wie beispielsweise
die inkrementelle Übertragung.
Diese Anforderungen werden von dem MPEG-7-BiM-Codec unterstützt. Neben
einer hohen Kompression kann beispielsweise der MPEG-7-BiM-Codec die Baumstruktur
von XML-Dokumenten in kleinere Subbäume fragmentieren. Durch eine während
der Übertragung persistente Kodierung der Position des Subbaumes im gesamten
Dokumentenbaum des XML-Dokumentes ist es auch möglich, XML-Dokumente inkrementell
in beliebiger Reihenfolge zu übertragen. Zudem ist es möglich, durch entsprechende
Befehle bereits übertragene Subbäume nachträglich zu verändern und somit
auf der Empfängerseite dynamische XML-Dokumente aufzubauen. Im Rahmen
von MPEG-7 ist dies, insbesondere bei Beschreibungen von „Life"-Sendungen,
erforderlich. Auf der anderen Seite ist es für Metadatenempfänger notwendig,
empfangene Daten schnell filtern bzw. durchsuchen zu können. Aufgrund
der Strukturierung der Fragmente ist es möglich, die Fragmente so zu codieren,
dass der Inhalt der Fragmente auf Bitpatternebene klassifiziert werden
kann, ohne die Fragmente hierfür decodieren zu müssen.
So unterstützt der MPEG-7-BiM-Codec viele Anwendungsszenarien, die für
die Übertragung von MPEG-7-Daten, im Speziellen aber auch von XML-Daten,
im Allgemeinen relevant sind. Die Integration des MPEG-7-BiM-Codecs in
bestehende XML-Übertragungsstrecken erfordert zudem nur geringen Aufwand,
da der generische Codec mit XML und XML-Schema bereits verwendete, standardisierte
Informationsformate nutzt.
Ausblick auf MPEG-21
Der Standard MPEG-7 spezifiziert ein Austauschformat für Beschreibungen
von multimedialen Inhalten. Für die Übertragung von Medien und Metadaten
relevante Aspekte, wie beispielsweise die der Kompatibilität von Wiedergabesystemen
oder die rechtlichen Befugnisse des Senders und Empfängers, wurden in
MPEG-7 nicht berücksichtigt, da diese Metadaten vor allem Relevanz für
die Steuerung der Kommunikation besitzen.
Ein so genannter Framework-Standard, der diese Aspekte aufgreift und
spezifiziert, wird innerhalb von MPEG mit MPEG-21 bearbeitet. Hierzu werden
Digital Items betrachtet, die zunächst einen Container für digitale Information
zur Verfügung stellen. Solche Digital Items können neben den multimedialen
Inhalten und deren Beschreibungen beispielsweise auch Charakterisierungen
hinsichtlich Anforderungen an Übertragungskanäle, rechtliche Befugnisse
bzw. Wahlmöglichkeiten, beinhalten, um die bestehenden Rahmenbedingungen
zur Handhabung des Digital Items mit den Anforderungen abzugleichen.
Hauptbestandteile von MPEG-21 sollen bis Ende 2003 verabschiedet werden.
Weiterführende Informationen sind auf der MPEG-Homepage aufgeführt (s.
unten).
Ausgewählte Links
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Literatur
- Kaup, A.: MPEG-Standards: Techniken und Entwicklungstrends.
Fernseh- und Kinotechnik 55(6), 352–362 (2001)
- Hansch, M., Kuhlins, S., Schader, M.: XML-Schema.
Informatik Spektrum 25(5), 363–366 (2002)
- Kosch, H.: MPEG-7 and multimedia database systems.
SIGMOD Records, ACM Press 31(2), 34–39 (2002)
- Niedermeier, U., Heuer, J., Hutter, A., Stechele,
W., Kaup; A.: An MPEG-7 tool for compression and streaming of XML data.
IEEE International Conference on Multimedia and Expo, August 2002, Lausanne,
Switzerland, pp. 521–524
Hinweis: Die URLs entsprechen dem Stand bei der Veröffentlichung
des Artikels und werden nicht aktualisiert.
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Autor & Copyright
H. Kosch
Institut für Informationstechnologie,
Universität Klagenfurt,
Universitätsstraße 65–67,
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Österreich
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© 2003 Informatik Spektrum, Springer-Verlag Berlin Heidelberg
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UML - Unified Modeling Language
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Erläuterung
In den letzten zehn Jahren entstand eine Vielzahl von Methoden zur objektorientierten
Modellierung von Software-Systemen. Diese benutzen Diagramme zur graphischen
Darstellung der entworfenen Modelle und wurden bereits frühzeitig
von CASE Werkzeugen unterstützt. Mit dem praktischen Einsatz kam
der Wunsch nach Standardisierung der mittlerweile mehr als 30 verschiedenen
Methoden auf. Mit großem Interesse wurde deshalb der Wechsel von
OMT-Begründer James Rumbaugh [6] und Ivar
Jacobson [3] zur Firma Rational Software Inc.
beobachtet, in deren Diensten mit Grady Booch bereits ein weiterer Begründer
einer verbreiteten objektorientierten Entwurfsmethode [1]
stand. Im Laufe des Jahres 1996 spezifizierten die „drei Amigos",
wie sie sich selbst nennen, die Unified Modeling Language (UML) als visuelle
Diagrammsprache zur Modellierung, Konstruktion und Dokumentation von Software-Systemen.
Die UML liegt seit September 1997 in der Version 1.1 [5]
vor und wurde im November 1997 von der OMG (Object Management Group) als
Standard verabschiedet [4]. Damit wird die UML
künftig als Industriestandard eine wichtige Rolle in der Software-Entwicklung
spielen.
Die UML ist eine graphische Sprache, die sich im gesamten Software-Entwicklungsprozeß,
von der konzeptionellen Analyse bis zur Beschreibung der Implementierung
einsetzen läßt. Die UML enthält allerdings kein Vorgehensmodell,
das die methodische Entwicklung der Software angibt.
Für den Software-Entwickler ist die UML eine Beschreibung mehrerer
Diagrammtypen, die zur Spezifikation der statischen Struktur und des dynamischen
Verhaltens der Objekte sowie zur Dokumentation von Implementierungsdetails
benutzt werden können. Abb. 1 zeigt die Hauptanwendung der einzelnen
UML-Diagramme.
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Abb. 1 Die verschiedenen Aspekte eines Software-Systems
werden in den einzelnen Phasen der Software-Entwicklung mit UML-Diagrammen
beschrieben
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Die Anforderungen des Systems können durch eine Anzahl verschiedener
Anwendungsfälle (Use Cases) ermittelt werden. Anwendungsfalldiagramme
halten diese Anwendungs-Szenarien fest und beschreiben so den Funktionsumfang
der Software aus der Sicht des späteren Benutzers. Anwendungsfälle
bilden die Kommunikationsgrundlage mit dem Auftraggeber und sollten zum
Entwurf von Testfällen herangezogen werden.
Mit Hilfe von Aktivitätsdiagrammen läßt sich ein Vorgang
(Work Flow) veranschaulichen. Die verschiedenen Phasen oder Zustände
eines z.B. Geschäftsprozesses werden dabei durch Transitionen miteinander
verbunden. Dabei wird der Kontrollfluß in Form von Bedingungen und
Verzweigungen, und der Datenfluß mit der Weitergabe von Objekten
veranschaulicht. Die Verantwortung der einzelnen Objekte wird durch Aufteilen
des Diagramms in mehrere Spalten, den sogenannten Schwimmbahnen, verdeutlicht.
Das zentrale Element eines UML-Modells ist das Klassendiagramm (Abb.
2). Darin werden die Klassen und ihre unterschiedlichen Beziehungen dargestellt,
wobei die Klassen als Rechtecke und die Beziehungen als beschriftete Verbindungslinien
gezeichnet werden. Im Verlauf des Entwicklungsprozesses nimmt der Detaillierungsgrad
dieser Darstellung zu, d.h. die Modelle werden immer präziser, bis
sie schließlich implementiert werden. Zu den Klassen können
die Attribute und Operationen angegeben werden. Die UML betont die detaillierte
Modellierung von Assoziationen zwischen Klassen, zu denen Kardinalitäten
und Rollennamen der beteiligten Objekte angegeben werden. Eine Aggregation
ist eine spezielle Assoziation zwischen zwei Klassen, in der eine Klasse
ein Bestandteil der anderen ist. Eine Komposition ist eine Aggregation,
bei der eine Klasse ein Attribut einer anderen ist. Vererbungsbeziehungen
werden durch Pfeile symbolisiert.
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Zu den Klassen in einem Diagramm kann der Entwickler Bedingungen (Constraints)
angeben. Diese Bedingungen können grundsätzlich in jeder beliebigen
Sprache formuliert werden. Die UML enthält zu diesem Zweck eine objektorientierte
formale Modellierungssprache OCL (Object Constraint Language), die IBM
in die UML eingebracht hat.
Mit sogenannten Stereotypen lassen sich Diagrammelemente kategorisieren.
Mit einem Stereotyp ist eine spezielle Semantik und möglicherweise
eine eigene Darstellung verbunden. Die Definition eigener Stereotypen
eröffnet neue Möglichkeiten zur Anpassung und Erweiterung der
UML, läßt aber auch die Entstehung von UML-Dialekten zu.
Die UML sieht die Modularisierung von Systemen in Paketen vor. Ein Paket
faßt Modellelemente zusammen und regelt die Sichtbarkeit auf die
Bestandteile. Die Abhängigkeit der einzelnen Pakete untereinander
wird durch Paketdiagramme veranschaulicht.
Das dynamische Verhalten von Komponenten kann übersichtlich in
Sequenzdiagrammen (Abb. 3) veranschaulicht werden, die den MSC-Diagrammen
(Message Sequence Charts) sehr ähnlich sind. Der Nachrichtenaustausch
der Objekte wird durch Pfeile angezeigt. Bedingungen, z.B. für Echtzeitsysteme,
können angegeben werden. Die Kooperationsdiagramme (Collaboration
Diagrams) berücksichtigen zusätzlich noch die strukturellen
Beziehungen. So kann z.B. der Einsatz von Entwurfsmustern dokumentiert
werden.
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Mit Zustandsdiagrammen wird das dynamische Verhalten von Objekten in
der Form eines erweiterten Zustandsautomaten [2]
beschrieben. So wird das dynamische Verhalten einzelner Objekte präzise
spezifiziert. Aus dieser Beschreibung lassen sich leicht Testfälle
für die entsprechende Klasse ableiten. Auch Aktivitätsdiagramme
können die Funktionsweise von Methoden veranschaulichen.
Durch Komponenten- und Verteilungsdiagramme wird die Architektur des
Software-Systems und dessen Implementation in einer verteilten Rechnerumgebung
(z.B. Client/Server-Systeme) beschrieben.
UML selbst wird durch ein Modell definiert, das aus vier Abstraktionsschichten
aufgebaut ist. Auf der untersten Stufe stehen die vom Entwickler gezeichneten
Diagrammelemente als Instanzen von UML-Modellelementen. Diese Modellelemente
sind in einem UML-Metamodell beschrieben, dessen Elemente wiederum Ausprägungen
eines sehr allgemeinen Meta-Metamodells sind.
Fazit
Zusammenfassend läßt sich feststellen, daß die Modellierungssprache
UML vielfältige Möglichkeiten zur objektorientierten Beschreibung
von Software-Systemen zur Verfügung stellt, die in den meisten Fällen
nur teilweise genutzt werden müssen. Daher ist in der Praxis ein
entsprechendes Tailoring der Entwicklungsmethode sinnvoll. Für die
Hersteller von graphischen CASE-Werkzeugen hat die Standardisierung der
UML einen einheitlichen Markt geschaffen und nicht zuletzt deshalb dazu
beigetragen, die objektorientierte Modellierung in allen Bereichen der
Software-Entwicklung schneller zu verbreiten.
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Literatur
- G. Booch: Object-Oriented Design, Benjamin/Cummings
Publishing, 1991
- J. Harel: On Visual Formalisms, in: Communications
of the ACM,31(5):514-530, Mai 1988
- I. Jacobson, M. Ericson, A. Jacobson: The Object
Advantage, Addison-Wesley, 1994
- Object Management Group (OMG),
www.omg.org/news/pr97.html,
November 1997
- Rational Software Corporation: The Unified
Modeling Language, Version 1.1., www.rational.com,
September 199
- J. Rumbaugh, M. Blaha, W. Premerlani, F. Eddy,
W. Lorenson: Object-Oriented Modeling and Design, Prentice-Hall, 1991
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Autor & Copyright
Jochen Seemann
Jürgen Wolff von Gudenberg
Universität Würzburg
Lehrstuhl für Informatik II
Am Hubland
97074 Würzburg
Tel 0931/888-5517, Fax 0931/888-4602
wolff@informatik.uni-wuerzburg.de
© 1998 Informatik Spektrum, Springer-Verlag Berlin Heidelberg
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VRML - Virtual Reality Modeling Language
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Erläuterung
Durch die immer bessere Hardware ist es heute nicht mehr nötig,
für anspruchsvolle 3D-Grafiken spezielle Grafik-Workstations zu verwenden.
Auf modernen PCs kann jeder durch dreidimensionale Welten fliegen.
Um solche Welten zu definieren und sie über das Internet zu verbinden,
wurde die Sprache VRML entwickelt. In diesem Beitrag geben wir einen Überblick
über die grundlegenden Konzepte der Version 2.0 von VRML.
Geschichte von VRML
Im Frühling 1994 diskutierte auf der ersten WWW-Konferenz in Genf
eine Arbeitsgruppe über Virtual Reality-Schnittstellen für das
WWW. Es stellte sich heraus, daß man eine standardisierte Sprache
zur Beschreibung von 3D-Szenen mit Hyperlinks brauchte.
Diese Sprache erhielt in Anlehnung an HTML zuerst den Namen Virtual
Reality Markup Language. Später wurde sie in Virtual Reality
Modeling Language umbenannt. Die VRML-Gemeinde spricht die Abkürzung
gerne „Wörml" aus. Basierend auf der Sprache Open Inventor
von Silicon Graphics (SGI) wurde unter der Federführung von Mark
Pesce die Version 1.0 von VRML entworfen.
Im Laufe des Jahres 1995 entstanden eine Vielzahl von VRML-Browsern
(u.a. WebSpace von SGI) und Netscape bot schon sehr früh eine hervorragende
Erweiterung, ein sogenanntes PlugIn, für seinen Navigator an. Die
virtuellen Welten, die man mit VRML 1.0 spezifizieren kann, sind zu statisch.
Zwar kann man sich mit einem guten VRML-Browser flott und komfortabel
durch diese Welten bewegen, aber die Interaktion ist auf das Anklicken
von Hyperlinks beschränkt. Im August ’96, anderthalb Jahre nach
der Einführung von VRML 1.0,wurde auf der SIGGraph ’96 die Version
VRML 2.0 vorgestellt. Sie basiert auf der Sprache Moving Worlds von Silicon
Graphics. Sie ermöglicht Animationen und sich selbständig bewegende
Objekte. Dazu mußte die Sprache um Konzepte wie Zeit und Events
erweitert werden. Außerdem ist es möglich, Programme sowohl
in einer neuen Sprache namens VRMLScript oder in den Sprachen JavaScript
oder Java einzubinden.
Was ist VRML?
Die Entwickler der Sprache VRML sprechen gerne von virtueller Realität
und virtuellen Welten. Diese Begriffe scheinen mir aber zu hoch gegriffen
für das, was heute technisch machbar ist: eine grafische Simulation
dreidimensionaler Räume und Objekte mit eingeschränkten Interaktionsmöglichkeiten.
Die Idee von VRML besteht darin, solche Räume über das WWW zu
verbinden und mehreren Benutzern gleichzeitig zu erlauben, in diesen Räumen
zu agieren. VRML soll architekturunabhängig und erweiterbar sein.
Außerdem soll es auch mit niedrigen Übertragungsraten funktionieren.
Dank HTML erscheinen Daten und Dienste des Internets im World Wide Web
als ein gigantisches verwobenes Dokument, in dem der Benutzer blättern
kann. Mit VRML sollen die Daten und Dienste des Internets als ein riesiger
Raum, ein riesiges Universum erscheinen, in dem sich der Benutzer bewegt
– als der Cyberspace.
Grundlegende Konzepte von VRML 2.0
VRML 2.0 ist ein Dateiformat, mit dem man interaktive, dynamische, dreidimensionale
Objekte und Szenen speziell fürs WorldWideWeb beschreiben kann. Schauen
wir uns nun an, wie die in dieser Definition von VRML erwähnten Eigenschaften
in VRML realisiert wurden.
3D Objekte
Dreidimensionale Welten bestehen aus dreidimensionalen Objekten, die
wiederum aus primitiveren Objekten wie Kugeln, Quadern und Kegeln zusammengesetzt
wurden. Beim Zusammensetzen von Objekten können diese transformiert,
d.h. z.B. vergrößert oder verkleinert werden. Mathematisch
lassen sich solche Transformationen durch Matrizen beschreiben und die
Komposition von Transformationen läßt sich dann durch Multiplikation
der zugehörigen Matrizen ausdrücken. Dreh- und Angelpunkt einer
VRML-Welt ist das Koordinatensystem. Position und Ausdehnung eines Objektes
können in einem lokalen Koordinatensystem definiert werden. Das Objekt
kann dann in ein anderes Koordinatensystem plaziert werden, indem man
die Position, die Ausrichtung und den Maßstab des lokalen Koordinatensystems
des Objektes in dem anderen Koordinatensystem festlegt. Dieses Koordinatensystem
und die in ihm enthaltenen Objekte können wiederum in ein anderes
Koordinatensystem eingebettet werden. Außer dem Plazieren und Transformieren
von Objekten im Raum, bietet VRML die Möglichkeit, Eigenschaften
dieser Objekte, etwa das Erscheinungsbild ihrer Oberflächen festzulegen.
Solche Eigenschaften können Farbe, Glanz und Durchsichtigkeit der
Oberfläche oder die Verwendung einer Textur, die z.B. durch eine
Grafikdatei gegeben ist, als Oberfläche sein. Es ist sogar möglich
MPEG-Animationen als Oberflächen von Körpern zu verwenden, d.h.
ein MPEG-Video kann anstatt wie üblich in einem Fenster wie auf einer
Kinoleinwand angezeigt zu werden, z.B. auf die Oberfläche einer Kugel
projiziert werden.
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Abb. 1 VRML 2.0 Spezifikation eines Pfeils
VRML und WWW
Was VRML von anderen Objektbeschreibungssprachen unterscheidet, ist die
Existenz von Hyperlinks, d.h. durch Anklicken von Objekten kann man in
andere Welten gelangen oder Dokumente wie HTML-Seiten in den WWW-Browser
laden. Es ist auch möglich, Grafikdateien, etwa für Texturen,
oder Sounddateien oder andere VRML-Dateien einzubinden, indem man deren
URL, d.h. die Adresse der Datei im WWW angibt.
Interaktivität
Außer auf Anklicken von Hyperlinks können VRML-Welten auf
eine Reihe weiterer Ereignisse reagieren. Dazu wurden sogenannte Sensoren
eingeführt. Sensoren erzeugen Ausgabe-Events aufgrund externer Ereignisse
wie Benutzeraktionen oder nach Ablauf eines Zeitintervalls. Events können
an andere Objekte geschickt werden, dazu werden die Ausgabe-Events von
Objekten mit den Eingabe-Events anderer Objekte durch sogenannte ROUTES
verbunden.
Ein Sphere-Sensor zum Beispiel wandelt Bewegungen der Maus in 3D-Rotationswerte
um. Ein 3D-Rotationswert besteht aus drei Zahlenwerten, die die Rotationswinkel
in Richtung der drei Koordinatenachsen angeben. Ein solcher 3D-Rotationswert
kann an ein anderes Objekt geschickt werden, das daraufhin seine Ausrichtung
im Raum entsprechend verändert. Ein anderes Beispiel für einen
Sensor ist der Zeitsensor. Er kann z.B. periodisch einen Event an einen
Interpolator schicken. Ein Interpolator definiert eine abschnittsweise
lineare Funktion, d.h. die Funktion ist durch Stützstellen gegeben
und die dazwischenliegenden Funktionswerte werden linear interpoliert.
Der Interpolator erhält also einen Eingabe-Event e vom Zeitsensor,
berechnet den Funktionswert f(e) und schickt nun f(e) an
einen anderen Knoten weiter. So kann ein Interpolator zum Beispiel die
Position eines Objekts im Raum in Abhängigkeit von der Zeit festlegen.
Dies ist der grundlegende Mechanismus für Animationen in VRML.
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Abb. 2 Browserdarstellungen des Pfeils
Dynamik
Vorreiter der Kombination von Java und Java Script-Programmen mit VRML-Welten
war Netscape’s Live3D, bei dem VRML 1.0 Welten über Netscape’s
LiveConnect-Schnittstelle von Java-Applets oder JavaScript-Funktionen
innerhalb einer HTML-Seite gesteuert werden können. In VRML 2.0 wurde
in die Sprache ein neues Konstrukt, der sogenannte Skriptknoten, aufgenommen.
Innerhalb dieses Knotens kann Java und Java Script-Code angegeben werden,
der z.B. Events verarbeitet. Im VRML 2.0 Standard wurden Programmierschnittstellen
(Application Programming Interface API) festgelegt, die den Zugriff
auf VRML-Objekte von Programmiersprachen aus erlauben, nämlich das
Java API und das JavaScript API. Das API ermöglicht es, daß
Programme Routes löschen oder hinzufügen und Objekte und ihre
Eigenschaften lesen oder ändern können. Mit diesen Programmiermöglichkeiten
sind der Phantasie nun kaum noch Grenzen gesetzt.
VRML und dann?
Eines der ursprünglichen Entwicklungsziele von VRML bleibt auch
bei VRML 2.0 ungelöst: Es gibt immer noch keinen Standard für
die Interaktion mehrerer Benutzer in einer 3D-Szene. Produkte, die virtuelle
Räume mehreren Benutzern gleichzeitig zugänglich machen, sind
allerdings schon auf dem Markt (Cybergate von Black Sun, CyberPassage
von Sony). Des weiteren fehlt ein Binärformat wie etwa das QuickDraw
3D-Metafile-Format von Apple, durch das die Menge an Daten reduziert würde,
die über das Netz geschickt werden müssen, wenn eine Szene geladen
wird. Gerade in Mehrbenutzerwelten spielt der sogenannte Avatar eine große
Rolle. Eine Avatar ist die virtuelle Darstellung des Benutzers. Er befindet
sich am Beobachtungspunkt, von dem aus der Benutzer die Szene sieht. Bewegt
sich der Benutzer allein durch die Szene, dann dient der Avatar nur dazu,
Kollisionen des Benutzers mit Objekten der Welt festzustellen. In einer
Mehrbenutzerwelt jedoch legt der Avatar auch fest, wie ein Benutzer von
anderen Benutzern gesehen wird. Standards für diese und ähnliche
Probleme werden derzeit in Arbeitsgruppen des Ende 1996 gegründeten
VRML-Konsortiums ausgearbeitet.
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Literatur
- San Diego Super Computing Center: The VRML Repository.
www.sdsc.edu/vrml/.
Enthält Verweise auf Tutorials, Spezifikationen, Tools und Browser im
WWW
- Diehl, S.: Java & Co. Addison-Wesley, Bonn, 1997
- Hartman, J.; Wernecke, J.: The VRML 2.0 Handbook – Building Moving
Worlds on the Web. Addison-Wesley, 1996
- VAG (VRML Architecture Group): The Virtual Reality Modeling Language
Specification – Version 2.0, 1996.
http://vag.vrml.org/VRML2.0/FINAL/
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Autor & Copyright
Stephan Diehl
FB-14 Informatik,
Universität des Saarlandes,
Postfach 15 11 50,
D-66041 Saarbrücken
diehl@cs.uni-sb.de
© 1997 Informatik Spektrum, Springer-Verlag Berlin Heidelberg
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