Abstract

Heterogeneous mobile devices are constrained by their limited battery capacity and available processing power. Yet, they are able to run the same or similar applications compared to a personal computer. Extensible Internet based services allow the originators to change the content and functionalities at any given time. The content of such a service varies by its size, complexity, datatype and availability. This in its turn exposes a problem for heterogeneous types of mobile devices to manage such ever changing content efficiently. The problem is emphasized even further when the content is related to complex 3D graphics as utilized, for example, by the most recent extensible 3D virtual environment services.

This study is about 3D graphics rendering process of a mobile device and supporting content delivery architecture when visualizing and delivering 3D content of such extensible services. A number of content simplification methods are discussed, and a proposal is given as for in which part of the delivery architecture the methods should be used. The analysis is done from the viewpoint of the following attributes: (1) resulting mobile device energy consumption, (2) visual appearance of the 3D rendering, and (3) perceived user experience. The results are presented via two constructs: (1) the effect of the proposed simplification methods on the mobile device energy consumption and (2) the structure of 3D content delivery chain and the proposed network architecture for it. The constructs are evaluated from both practical and theoretical viewpoints.

The main contribution is a proposal of 3D content delivery chain in detail and evidence how a properly implemented delivery chain allows utilization of content simplification mechanisms achieving up to 50% energy saving during the rendering process among the group of selected mobile devices. Finally, it shows that regardless of possible quality degradation, the users are ready to accept the visual artefacts if the content simplification is done in a controlled fashion.

Tiivistelmä

Mobiililaitteet ovat rajoitettuja niiden akkukeston ja prosessointitehon suhteen. Silti ne ovat tarpeeksi kyvykkäitä ajamaan samoja tai samankaltaisia sovelluksia kuin tietokoneetkin. Laajennettavan Internet-pohjaisen palvelun käyttö mahdollistaa palvelun sisällön tai ominaisuuksien laajentamisen milloin tahansa. Tällaisen palvelun sisältö varioituu sen koon, kompleksisuuden, tietotyyppien ja saatavuuden mukaan. Tämä taas on ongelmallista rajoitetuille mobiililaitteille niiden yrittäessä hallita alati muuttuvaa sisältöä tehokkaasti. Ongelma korostuu entisestään, silloin kun sisältö liittyy 3D grafiikkaan, jota käytetään uusimmissa laajennettavissa 3D virtuaalitila palveluissa.

Tämä työ tutkii mobiililaitteen 3D grafiikan visualisointiprosessia ja sitä tukevaa sisällön toimitusketjua, kun se liittyy laajennettavien 3D virtuaalitilojen visualisointiin. Työssä käydään läpi useita sisällön yksinkertaistamismenetelmiä ja, työn tuloksena ehdotetaan, missä kohden toimitusketjua menetelmiä tulisi käyttää. Menetelmien tarkastelua tehdään seuraavista näkökulmista: (1) yksinkertaistamista seuraava mobiililaitteen energiankulutus, (2) 3D visualisoinnin laadullinen lopputulos, ja (3) koettu loppukäyttäjäkokemus. Tulokset esitellään kahden konstruktion kautta: (1) ehdotettujen yksinkertaistamismenetelmien vaikutus mobiililaitteen energiankulutukseen ja (2) 3D sisällön jakeluketjun rakenne ja sen ehdotettu arkkitehtuuri. Konstruktiot evaluoidaan sekä käytännön että teorian näkökulmista.

Työn pääkontribuutio on ehdotus 3D sisällön jakeluketjun rakenteelle ja näyttöä siitä, kuinka useilla eri mobiililaitteilla todennettuna työssä esitetyillä menetelmillä voidaan säästää jopa noin 50 % kokonaisenergiankulutuksesta riippuen valittujen menetelmien ja laitteiden yhdistelmästä. Työ osoittaa myös sen, että jos optimointi eri tietotyypeille tehdään hallitusti, voidaan lopputuloksen laatua kontrolloida siten, että se saavuttaa hyväksyttävän tason myös loppukäyttäjien arvioimana.

Osajulkaisut / Original papers

Osajulkaisut eivät sisälly väitöskirjan elektroniseen versioon / Original papers are not included in the electronic version of the dissertation.

1. Vatjus-Anttila, J., Koskela, T., Lappalainen, T., & Häkkilä, J. (2016). Simplification of 3D Graphics for Mobile Devices: Exploring the Trade-off Between Energy Savings and User Perceptions of Visual Quality. 3D Research, 8(1). https://doi.org/10.1007/s13319-016-0111-x

2. Koskela, T., & Vatjus-Anttila, J. (2015). Optimization Techniques for 3D Graphics Deployment on Mobile Devices. 3D Research, 6(1). https://doi.org/10.1007/s13319-015-0040-0

3. Vatjus-Anttila, J., Ventä-Olkkonen, L., & Häkkilä, J. (2013). On the Edge of a Virtual World — Investigating Users’ Preferences and Different Visualization Techniques. In Lecture Notes in Computer Science (pp. 198–203). Springer International Publishing. https://doi.org/10.1007/978-3-319-03647-2_14

4. Vatjus-Anttila, J. M., Koskela, T., & Hickey, S. (2013). Power Consumption Model of a Mobile GPU Based on Rendering Complexity. 2013 Seventh International Conference on Next Generation Mobile Apps, Services and Technologies (NGMAST). https://doi.org/10.1109/ngmast.2013.45

5. Vatjus-Anttila, J. M., Koskela, T., & Hickey, S. (2013). Effect of 3D Content Simplification on Mobile Device Energy Consumption. Proceedings of International Conference on Making Sense of Converging Media — AcademicMindTrek ’13. https://doi.org/10.1145/2523429.2523460

6. Vatjus-Anttila, J., Hickey, S., & Kuusela, E. (2011). Methods and network architecture for modifying extensible virtual environment to support mobility. Proceedings of the 15th International Academic MindTrek Conference on Envisioning Future Media Environments — MindTrek ’11. https://doi.org/10.1145/2181037.2181046