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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
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
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
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
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:
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:
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:
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:
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.
Lehrstuhl für Medientechnik
Fakultät für Elektrotechnik und Informationstechnik
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LMT Teleoperation testbed
10A Multiplexing Scheme for Multimodal Teleoperation
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
Lehrstuhl für Medientechnik
Fakultät für Elektrotechnik und Informationstechnik
Technische Universität München
12A Multiplexing Scheme for Multimodal Teleoperation
Problem definition
Lehrstuhl für Medientechnik
Fakultät für Elektrotechnik und Informationstechnik
Technische Universität München
13A Multiplexing Scheme for Multimodal Teleoperation
Problem definition
Lehrstuhl für Medientechnik
Fakultät für Elektrotechnik und Informationstechnik
Technische Universität München
14A Multiplexing Scheme for Multimodal Teleoperation
Problem definition
Lehrstuhl für Medientechnik
Fakultät für Elektrotechnik und Informationstechnik
Technische Universität München
15A Multiplexing Scheme for Multimodal Teleoperation
Problem definition
Lehrstuhl für Medientechnik
Fakultät für Elektrotechnik und Informationstechnik
Technische Universität München
16A Multiplexing Scheme for Multimodal Teleoperation
Problem definition
Lehrstuhl für Medientechnik
Fakultät für Elektrotechnik und Informationstechnik
Technische Universität München
17A Multiplexing Scheme for Multimodal Teleoperation
Problem definition
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
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.   
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
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
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
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
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.
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
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
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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.
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
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
Lehrstuhl für Medientechnik
Fakultät für Elektrotechnik und Informationstechnik
Technische Universität München
30A Multiplexing Scheme for Multimodal Teleoperation
Congestion detection and control
Lehrstuhl für Medientechnik
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Technische Universität München
31A Multiplexing Scheme for Multimodal Teleoperation
Experimental validation
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
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
Lehrstuhl für Medientechnik
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Technische Universität München
34A Multiplexing Scheme for Multimodal Teleoperation
TOP over CBR links
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
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
Lehrstuhl für Medientechnik
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Technische Universität München
37A Multiplexing Scheme for Multimodal Teleoperation
TOP over a CBR link shared with another session
Lehrstuhl für Medientechnik
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Technische Universität München
38A Multiplexing Scheme for Multimodal Teleoperation
TOP over a CBR link shared with another session
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Technische Universität München
39A Multiplexing Scheme for Multimodal Teleoperation
TOP over a CBR link shared with another session
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)
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
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
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
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
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
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
Lehrstuhl für Medientechnik
Fakultät für Elektrotechnik und Informationstechnik
Technische Universität München
47A Multiplexing Scheme for Multimodal Teleoperation
Thank you!
Danke schön!
Merci vilmal!
Teşekkürler!

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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!