Architectural design space for real-time volumetric streaming

Abstract

Volumetric video streaming enables interactive six-degrees-of-freedom experiences by delivering dynamic three-dimensional scene representations to remote users. Unlike conventional video streaming, volumetric media combines explicit geometric representations, high data volumes, intensive processing requirements, and strict interaction constraints. These characteristics introduce significant end-to-end latency challenges that directly impact responsiveness and immersion. This thesis investigates latency reduction in real-time volumetric video streaming from a system-level architectural perspective. Rather than focusing on isolated compression or protocol optimizations, the study analyzes how architectural design decisions across the streaming pipeline influence cumulative latency behavior. After establishing the technical foundations of volumetric capture, representation, compression, and delivery, the thesis formulates an architectural taxonomy focused on latency-aware design, comprising client-adaptive delivery, cloud- and edge-rendered processing, native client-side decoding, multi-user shared delivery, and transport-level latency control mechanisms. A comparative analysis of these architectural categories reveals distinct trade-offs between latency, visual quality, scalability, computational complexity, and deployment flexibility. The results show that no single architectural paradigm is sufficient to address all latency sources. Instead, effective volumetric streaming systems rely on hybrid and modular designs that integrate multiple latency mitigation strategies across representation, processing, and delivery layers. By synthesizing existing approaches into a unified design space, this thesis provides structured insights into the architectural principles governing real-time volumetric streaming under strict system constraints. The findings contribute a systematic framework for understanding trade-offs and guiding the development of scalable, responsive, and practical real-time volumetric streaming systems.Η ογκομετρική μετάδοση βίντεο (volumetric video streaming) επιτρέπει την παροχή διαδραστικών εμπειριών έξι βαθμών ελευθερίας (6DoF), μέσω της απομακρυσμένης μετάδοσης δυναμικών τρισδιάστατων αναπαραστάσεων σκηνών. Σε αντίθεση με το συμβατικό δισδιάστατο ή πανοραμικό βίντεο, το ογκομετρικό περιεχόμενο βασίζεται σε ρητές γεωμετρικές αναπαραστάσεις, χαρακτηρίζεται από ιδιαίτερα μεγάλους όγκους δεδομένων, αυξημένες υπολογιστικές απαιτήσεις και αυστηρούς περιορισμούς διαδραστικότητας. Τα χαρακτηριστικά αυτά καθιστούν την καθυστέρηση (latency) κρίσιμο παράγοντα που επηρεάζει άμεσα την απόκριση και τον βαθμό εμβύθισης του χρήστη. Η παρούσα διπλωματική εργασία εξετάζει τη μείωση της καθυστέρησης σε συστήματα ογκομετρικής μετάδοσης βίντεο πραγματικού χρόνου από αρχιτεκτονική και συστημική σκοπιά. Αντί να επικεντρώνεται σε μεμονωμένες τεχνικές συμπίεσης ή πρωτόκολλα μεταφοράς, η ανάλυση διερευνά πώς οι αρχιτεκτονικές επιλογές σε επίπεδο συστήματος επηρεάζουν τη συνολική, σωρευτική καθυστέρηση σε όλη την ακολουθία διαδικασιών της μετάδοσης. Αρχικά παρουσιάζονται τα θεμελιώδη στοιχεία της ογκομετρικής λήψης, ανακατασκευής, αναπαράστασης, συμπίεσης και απόδοσης (rendering). Στη συνέχεια διαμορφώνεται μία αρχιτεκτονική ταξινόμηση με επίκεντρο την καθυστέρηση, η οποία περιλαμβάνει προσεγγίσεις προσαρμοστικής μετάδοσης στην πλευρά του πελάτη, απομακρυσμένης απόδοσης σε υποδομές cloud ή edge, εγγενών αρχιτεκτονικών αποκωδικοποίησης στον πελάτη, κοινής και πολυχρηστικής διανομής περιεχομένου, καθώς και μηχανισμούς ελέγχου καθυστέρησης σε επίπεδο μεταφοράς. Η συγκριτική ανάλυση των παραπάνω κατηγοριών αναδεικνύει θεμελιώδεις συμβιβασμούς μεταξύ καθυστέρησης, ποιότητας απεικόνισης, κλιμακωσιμότητας, υπολογιστικής πολυπλοκότητας και ευελιξίας ανάπτυξης. Τα αποτελέσματα καταδεικνύουν ότι καμία μεμονωμένη αρχιτεκτονική προσέγγιση δεν επαρκεί για την αντιμετώπιση όλων των πηγών καθυστέρησης. Αντιθέτως, τα αποδοτικά συστήματα ογκομετρικής μετάδοσης βασίζονται σε υβριδικούς και αρθρωτούς σχεδιασμούς που συνδυάζουν πολλαπλές στρατηγικές μείωσης της καθυστέρησης σε επίπεδο αναπαράστασης, επεξεργασίας και μεταφοράς. Η εργασία αυτή συνθέτει τις υφιστάμενες προσεγγίσεις σε ένα ενιαίο αρχιτεκτονικό πλαίσιο και παρέχει δομημένες κατευθυντήριες αρχές για τον σχεδιασμό κλιμακούμενων και αποδοτικών συστημάτων ογκομετρικής μετάδοσης πραγματικού χρόνου. Τα συμπεράσματα συμβάλλουν στην κατανόηση των αρχιτεκτονικών παραμέτρων που διέπουν τη διαχείριση της καθυστέρησης στο πλαίσιο ευρύτερων συστημικών περιορισμών και θέτουν τη βάση για μελλοντική έρευνα στον τομέα των διαδραστικών τρισδιάστατων μέσων.