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A Multiplexing Scheme for Multimodal Teleoperation
1. Burak Çizmeci
Ph.D. Dissertation Defense
Technische Universität München
Fakultät für Elektrotechnik und Informationstechnik
Lehrstuhl für Medientechnik
München, 14. September 2017
A Multiplexing Scheme for Multimodal Teleoperation
2. Lehrstuhl für Medientechnik
Fakultät für Elektrotechnik und Informationstechnik
Technische Universität München
2A Multiplexing Scheme for Multimodal Teleoperation
Overview
Introduction
Teleoperation system architecture
Problem definition
Contribution I
Rate control for low-delay video communication
Contribution II
Multiplexing algorithm
Channel adaptive streaming for teleoperation
Experimental validation
Conclusion
3. Lehrstuhl für Medientechnik
Fakultät für Elektrotechnik und Informationstechnik
Technische Universität München
Teleoperation - Telemanipulation
3A Multiplexing Scheme for Multimodal Teleoperation
Operator (OP) Teleoperator (TOP)
Network
position/velocity position/velocity
audio-video-forceaudio-video-force
[1] Ferrel and Sheridan, “Supervisory Control of Remote Manipulation„ IEEE Spectrum, 1967
Network delay
Queueing delay
Channel delay
Propagation delay
delay due to transmission rate
Haptic data rate: 1000 packets/sec in both directions
4. Lehrstuhl für Medientechnik
Fakultät für Elektrotechnik und Informationstechnik
Technische Universität München
Perceptual haptic data reduction
4A Multiplexing Scheme for Multimodal Teleoperation
[2] Hinterseer et al. “Perception-based data reduction and transmission of haptic data in TPTA systems„ IEEE Trans. on Signal Proc., 2008
Force samples captured at TOP side Force samples displayed at OP side
IkΔI Sample based data reduction using the Weber's law:
ΔI
I
5. Lehrstuhl für Medientechnik
Fakultät für Elektrotechnik und Informationstechnik
Technische Universität München
Perceptual haptic data reduction
5A Multiplexing Scheme for Multimodal Teleoperation
[2] Hinterseer et al. “Perception-based data reduction and transmission of haptic data in TPTA systems„ IEEE Trans. on Signal Proc., 2008
Force samples captured at TOP side Force samples displayed at OP side
IkΔI Sample based data reduction using the Weber's law:
6. Lehrstuhl für Medientechnik
Fakultät für Elektrotechnik und Informationstechnik
Technische Universität München
Perceptual haptic data reduction
6A Multiplexing Scheme for Multimodal Teleoperation
[2] Hinterseer et al. “Perception-based data reduction and transmission of haptic data in TPTA systems„ IEEE Trans. on Signal Proc., 2008
Force samples captured at TOP side Force samples displayed at OP side
IkΔI Sample based data reduction using the Weber's law:
7. Lehrstuhl für Medientechnik
Fakultät für Elektrotechnik und Informationstechnik
Technische Universität München
Perceptual haptic data reduction
7A Multiplexing Scheme for Multimodal Teleoperation
[2] Hinterseer et al. “Perception-based data reduction and transmission of haptic data in TPTA systems„ IEEE Trans. on Signal Proc., 2008
Force samples captured at TOP side Force samples displayed at OP side
IkΔI Sample based data reduction using the Weber's law:
8. Lehrstuhl für Medientechnik
Fakultät für Elektrotechnik und Informationstechnik
Technische Universität München
Perceptual haptic data reduction
8A Multiplexing Scheme for Multimodal Teleoperation
[2] Hinterseer et al. “Perception-based data reduction and transmission of haptic data in TPTA systems„ IEEE Trans. on Signal Proc., 2008
Force samples captured at TOP side Force samples displayed at OP side
IkΔI Sample based data reduction using the Weber's law:
9. Lehrstuhl für Medientechnik
Fakultät für Elektrotechnik und Informationstechnik
Technische Universität München
Control architecture
9A Multiplexing Scheme for Multimodal Teleoperation
[3] Ryu et al., “A passive bilateral control scheme for a teleoperator with time-varying communication delay”, Mechatronics, 2010
[4] Xu and Cizmeci et al., “Haptic data reduction for time-delayed teleoperation using the time domain passivity approach”, In IEEE WHC,
2015.
10. Lehrstuhl für Medientechnik
Fakultät für Elektrotechnik und Informationstechnik
Technische Universität München
LMT Teleoperation testbed
10A Multiplexing Scheme for Multimodal Teleoperation
11. Lehrstuhl für Medientechnik
Fakultät für Elektrotechnik und Informationstechnik
Technische Universität München
11A Multiplexing Scheme for Multimodal Teleoperation
Problem definition
First come first serve (FCFS) scheduling discipline
CBR: constant bitrate
12. Lehrstuhl für Medientechnik
Fakultät für Elektrotechnik und Informationstechnik
Technische Universität München
12A Multiplexing Scheme for Multimodal Teleoperation
Problem definition
13. Lehrstuhl für Medientechnik
Fakultät für Elektrotechnik und Informationstechnik
Technische Universität München
13A Multiplexing Scheme for Multimodal Teleoperation
Problem definition
14. Lehrstuhl für Medientechnik
Fakultät für Elektrotechnik und Informationstechnik
Technische Universität München
14A Multiplexing Scheme for Multimodal Teleoperation
Problem definition
15. Lehrstuhl für Medientechnik
Fakultät für Elektrotechnik und Informationstechnik
Technische Universität München
15A Multiplexing Scheme for Multimodal Teleoperation
Problem definition
16. Lehrstuhl für Medientechnik
Fakultät für Elektrotechnik und Informationstechnik
Technische Universität München
16A Multiplexing Scheme for Multimodal Teleoperation
Problem definition
17. Lehrstuhl für Medientechnik
Fakultät für Elektrotechnik und Informationstechnik
Technische Universität München
17A Multiplexing Scheme for Multimodal Teleoperation
Problem definition
18. Lehrstuhl für Medientechnik
Fakultät für Elektrotechnik und Informationstechnik
Technische Universität München
18A Multiplexing Scheme for Multimodal Teleoperation
Preemptive and resume scheduling
A little delay on video is tolerable
Challenging to apply on a real communication medium
19. Lehrstuhl für Medientechnik
Fakultät für Elektrotechnik und Informationstechnik
Technische Universität München
19A Multiplexing Scheme for Multimodal Teleoperation
Related work
References Transmission
rate estimation
Video
rate control
Multiplexing
Transport
Layer
Ping et al. x x
Cen et al. x x
ApplicationLayer
Cha et al. x x
Kaede et al. x x x
Eid et al. x x
Yamamoto et al. x x
Cizmeci et al.
20. Lehrstuhl für Medientechnik
Fakultät für Elektrotechnik und Informationstechnik
Technische Universität München
20A Multiplexing Scheme for Multimodal Teleoperation
Contribution I
Rate control for low-delay video communication
21. Lehrstuhl für Medientechnik
Fakultät für Elektrotechnik und Informationstechnik
Technische Universität München
21A Multiplexing Scheme for Multimodal Teleoperation
Macroblock (MB) level ρ-domain rate control algorithm
)1()( R
[5] Gao and Cizmeci et al., “MB level rate control for low-delay H.264/AVC based video communication”, Picture Coding Symposium 2015.
Accelerated with a
prediction model
Improved with fair
rate assignement
22. Lehrstuhl für Medientechnik
Fakultät für Elektrotechnik und Informationstechnik
Technische Universität München
22A Multiplexing Scheme for Multimodal Teleoperation
Rate control and delay performance
Video resolution:1280x720 @ 25 fps
Link transmission rate: 1.2 Mbps, video bitrate: 1 Mbps
23. Lehrstuhl für Medientechnik
Fakultät für Elektrotechnik und Informationstechnik
Technische Universität München
23A Multiplexing Scheme for Multimodal Teleoperation
Contribution II
Multiplexing algorithm &
Channel adaptive streaming for teleoperation
24. Lehrstuhl für Medientechnik
Fakultät für Elektrotechnik und Informationstechnik
Technische Universität München
24A Multiplexing Scheme for Multimodal Teleoperation
Proposed multiplexing scheme
[6] Cizmeci et al., “A multiplexing scheme for multimodal teleoperation”, ACM Trans. on Multimedia Comp., Comm. & Apps. (TOMM) , 2017.
25. Lehrstuhl für Medientechnik
Fakultät für Elektrotechnik und Informationstechnik
Technische Universität München
25A Multiplexing Scheme for Multimodal Teleoperation
Modelling transmission rate inspired by ATM cells
A: audio data
V: video data
F: force data
ATM: asynchronous transfer mode
26. Lehrstuhl für Medientechnik
Fakultät für Elektrotechnik und Informationstechnik
Technische Universität München
26A Multiplexing Scheme for Multimodal Teleoperation
Multiplexing algorithm
A: audio data
V: video data
F: force data
27. Lehrstuhl für Medientechnik
Fakultät für Elektrotechnik und Informationstechnik
Technische Universität München
27A Multiplexing Scheme for Multimodal Teleoperation
Transmission rate estimation
[7] Capone et al., “Bandwidth estimation schemes for TCP over wireless networks”, IEEE Trans. on Mobile Computing, 2014.
(i)
(i)
(i)
SampTime
PacLen
Tr
avg
avg
avg
1)(iT
T
(i)T
T
1(i) TreTreTr avg
(i)
avg
(i)
est const
est
const
est
[6] Cizmeci et al., “A multiplexing scheme for multimodal teleoperation”, ACM Trans. on Multimedia Comp., Comm. & Apps. (TOMM) , 2017.
28. Lehrstuhl für Medientechnik
Fakultät für Elektrotechnik und Informationstechnik
Technische Universität München
28A Multiplexing Scheme for Multimodal Teleoperation
Video bitrate adaptation
framerateConstrVideoDelayS(i)TrβVideoBr est
[8] Demircin et al., “Delay-constrained and R-D optimized transrating for HD video streaming over WLANs”, IEEE Trans. on Multimedia, 2008.
[6] Cizmeci et al., “A multiplexing scheme for multimodal teleoperation”, ACM Trans. on Multimedia Comp., Comm. & Apps. (TOMM) , 2017.
CBR: constant bitrate
29. Lehrstuhl für Medientechnik
Fakultät für Elektrotechnik und Informationstechnik
Technische Universität München
29A Multiplexing Scheme for Multimodal Teleoperation
Multiplexing buffer adaptation
c)Tr(bits/se
8(bits)MTUSize
roundBuferSize
StepSize
StepSize
BuferSize
ceilferSizeAppliedBuf
5StepSize
MTU size: Maximum transmission unit size
bytes1500MTUSize
30. Lehrstuhl für Medientechnik
Fakultät für Elektrotechnik und Informationstechnik
Technische Universität München
30A Multiplexing Scheme for Multimodal Teleoperation
Congestion detection and control
31. Lehrstuhl für Medientechnik
Fakultät für Elektrotechnik und Informationstechnik
Technische Universität München
31A Multiplexing Scheme for Multimodal Teleoperation
Experimental validation
32. Lehrstuhl für Medientechnik
Fakultät für Elektrotechnik und Informationstechnik
Technische Universität München
32A Multiplexing Scheme for Multimodal Teleoperation
TOP over CBR links
TR
(kbps)
TRest performance Packet rate
μ
(kbps)
σ
(kbps)
RMSE
(kbps)
μ
(pac/s)
σ
(pac/s)
1000 989.2 2.8 11.1 139.6 6.7
2000 1964.5 4.1 35.6 192.2 4.1
3000 2938.2 9.1 62.4 251.1 7.8
33. Lehrstuhl für Medientechnik
Fakultät für Elektrotechnik und Informationstechnik
Technische Universität München
33A Multiplexing Scheme for Multimodal Teleoperation
TOP over CBR links
TR
(kbps)
Force delay (ms) Video delay (ms) Audio delay (ms)
μ σ min max μ σ min max μ σ min max
1000 10.1 5.1 1 15 31.3 1.6 23.3 52.7 12.2 5.6 2.0 29.0
2000 6.4 2.8 1 10 33.0 1.1 31.4 50.5 9.8 3.5 1.6 20.2
3000 3.8 1.0 1 5 33.8 1.5 31.4 46.6 8.1 2.1 1.4 13.3
34. Lehrstuhl für Medientechnik
Fakultät für Elektrotechnik und Informationstechnik
Technische Universität München
34A Multiplexing Scheme for Multimodal Teleoperation
TOP over CBR links
35. Lehrstuhl für Medientechnik
Fakultät für Elektrotechnik und Informationstechnik
Technische Universität München
35A Multiplexing Scheme for Multimodal Teleoperation
TOP over CBR links
PSNR (dB) MOS
≥ 37 5
(Excellent)
31 - 37 4 (Good)
25 - 31 3 (Fair)
20 - 25 2 (Poor)
≤ 20 1 (Bad)
[8] Kalue et al., “Evalvid - a framework for video transmission and quality evaluation”, 13th Int. Modeling Techniques and Tools for Computer
Performance Evaluation , 2014.
[9] Video clarity, Understanding MOS JND and PSNR, White paper
36. Lehrstuhl für Medientechnik
Fakultät für Elektrotechnik und Informationstechnik
Technische Universität München
36A Multiplexing Scheme for Multimodal Teleoperation
TOP over a CBR link shared with another session
37. Lehrstuhl für Medientechnik
Fakultät für Elektrotechnik und Informationstechnik
Technische Universität München
37A Multiplexing Scheme for Multimodal Teleoperation
TOP over a CBR link shared with another session
38. Lehrstuhl für Medientechnik
Fakultät für Elektrotechnik und Informationstechnik
Technische Universität München
38A Multiplexing Scheme for Multimodal Teleoperation
TOP over a CBR link shared with another session
39. Lehrstuhl für Medientechnik
Fakultät für Elektrotechnik und Informationstechnik
Technische Universität München
39A Multiplexing Scheme for Multimodal Teleoperation
TOP over a CBR link shared with another session
40. Lehrstuhl für Medientechnik
Fakultät für Elektrotechnik und Informationstechnik
Technische Universität München
40A Multiplexing Scheme for Multimodal Teleoperation
tt
backward
prop
forward
prop
RTT
without congestion control with congestion control
TOP over congested CBR links (RTT = 100 ms)
41. Lehrstuhl für Medientechnik
Fakultät für Elektrotechnik und Informationstechnik
Technische Universität München
41A Multiplexing Scheme for Multimodal Teleoperation
TOP over congested CBR links (RTT = 100 ms)
without congestion control with congestion control
42. Lehrstuhl für Medientechnik
Fakultät für Elektrotechnik und Informationstechnik
Technische Universität München
42A Multiplexing Scheme for Multimodal Teleoperation
TOP over congested CBR links (RTT = 200 ms)
without congestion control with congestion control
43. Lehrstuhl für Medientechnik
Fakultät für Elektrotechnik und Informationstechnik
Technische Universität München
43A Multiplexing Scheme for Multimodal Teleoperation
TOP over congested CBR links (RTT = 200 ms)
without congestion control with congestion control
44. Lehrstuhl für Medientechnik
Fakultät für Elektrotechnik und Informationstechnik
Technische Universität München
44A Multiplexing Scheme for Multimodal Teleoperation
TOP over congested CBR links (RTT = 300 ms)
without congestion control with congestion control
45. Lehrstuhl für Medientechnik
Fakultät für Elektrotechnik und Informationstechnik
Technische Universität München
45A Multiplexing Scheme for Multimodal Teleoperation
TOP over congested CBR links (RTT = 300 ms)
without congestion control with congestion control
46. Lehrstuhl für Medientechnik
Fakultät für Elektrotechnik und Informationstechnik
Technische Universität München
46A Multiplexing Scheme for Multimodal Teleoperation
Conclusion
A real multimodal teleoperation setup is built
Haptic data reduction and passivity control architecture
Contributions:
Accurate rate control for low-delay video communication
Multiplexing scheme for multimodal teleoperation
An application layer communication protocol
Channel adaptive streaming
47. Lehrstuhl für Medientechnik
Fakultät für Elektrotechnik und Informationstechnik
Technische Universität München
47A Multiplexing Scheme for Multimodal Teleoperation
Thank you!
Danke schön!
Merci vilmal!
Teşekkürler!