E 3 :Energy-Efficient Engine for Frame Rate Adaptation on - PowerPoint PPT Presentation

E 3 :Energy-Efficient Engine for Frame Rate Adaptation on Smartphones Haofu ¡Han*, ¡Jiadi ¡Yu*, ¡Hongzi ¡Zhu*, ¡Yingying ¡Chen + , ¡Jie ¡Yang § , ¡ ¡ Yanmin ¡Zhu*, ¡Guangtao ¡Xue*, ¡Minglu ¡Li* ¡ *Shanghai ¡Jiaotong ¡University ¡ + Stevens ¡Insi4tute ¡of ¡Technology ¡ § ¡ Oakland ¡University ¡ ¡ 1

Enjoy Our Smartphone Everyday Browse ¡the ¡webpage; ¡News ¡& ¡Magazines; ¡ ¡ IM ¡& ¡Social, ¡Travel ¡& ¡Local; ¡Maps; ¡ Media; ¡Reading; ¡Game ¡…… ¡ ¡ ¡ 2

Powerful Smartphone Drains Battery Quickly When ¡using ¡Apps ¡such ¡as ¡web-­‑browser ¡ Why ？ ¡ The ¡baDery ¡drains ¡quickly ¡ 3

Inspiration from High Power Consumption during Human-Screen Interaction Human-Screen Interaction applications:  more than 20 input- events per second  more than 30% time for touch-screen operations 4

Scrolling - Finger Operations on Touch-screens 60% ¡ Scrolling ¡OperaOon ¡Time ¡ > ¡ 30% ¡ Scrolling ¡ Time ¡ Ratio = ¡ ¡ ApplicaOon ¡ Usage ¡ Time ¡ 5

Scrolling Operations vs Power Consumption 53% ¡ 6% ¡ Power ¡Consump4on ¡during ¡a ¡Web ¡Surfing ¡ ¡ 6

Is It a General Problem? Yes! 60% ¡52% ¡ 37% ¡ 7

Insight of a Scrolling Operation Catching a Processing a Feeding back touch event touch event to screen display … … … Before Scrolling After 8

The Secret of Frame Rate ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡The ¡number ¡of ¡screen ¡update ¡operaOon ¡ ¡ Frame Rate (FPS) = ¡ ¡ Time ¡ • The higher frame rate, the more smooth the image display • Frame Rate = 60fps 9

The Secret of Frame Rate  Is it necessary to use a fixed 60 frames per second?  No, not really  Can we just cut it to 30 frames per second in order to save energy ?  Yes, but at the cost of user experience  lower frame rate  bigger image difference between two frames  less smooth display  What is the frame rate that people really need ? 10

Frame Rate that People Really Need  Image difference between two frames: The ¡sa4sfied ¡frame ¡rate: ¡ Minimize ¡the ¡power ¡consump1on ¡ & ¡ ¡ ¡ Guarantee ¡the ¡user ¡experience ¡  To guarantee the user experience: frame ¡rate ¡r ¡> ¡r min (s) r ¡ r min (s): ¡the ¡minimum ¡frame ¡rate ¡that ¡guarantee ¡the ¡ user ¡experience ¡at ¡scrolling ¡speed ¡s. ¡ 11

Satisfied Frame Rate Model Each ¡user’s ¡specific ¡preference ¡ ¡ Trace ¡from ¡over ¡300 ¡volunteers ¡ 12

E 3 : System Design & Work Flow Touch ¡Screen ¡ 13

Work Flow – Initiating Stage User ¡ learning ¡the ¡preference ¡of ¡a ¡user: ¡ Preference ¡ energy ¡saving ¡without ¡affec4ng ¡user ¡ CollecOng ¡ experience ¡ Preference ¡ User ¡Specific ¡Preference ¡Model: ¡ Model ¡ Training ¡ 14

Work Flow – Reacting Stage Real-­‑4me ¡Scrolling ¡Speed ¡ User ¡Experience ¡ Scrolling ¡Speed ¡ ¡ ¡Distance ¡of ¡finger ¡posi4ons ¡ ¡ = & ¡ ¡ ExtracOon ¡ + = Time ¡interval ¡ ¡ Energy ¡Efficient ¡ SaOsfied ¡ Frame ¡Rate ¡ Frame ¡Rate ¡ min ¡(Speed) ¡ = ¡ CalculaOon ¡ SaOsfied ¡ ¡ Frame ¡Rate ¡ ¡ Frame ¡Rate Controlling ¡ 15

Work Flow – Evolving Stage Feedback ¡ dynamically ¡update ¡the ¡preference ¡ CollecOng ¡ model ¡based ¡on ¡the ¡feedback ¡from ¡ the ¡user ¡ Preference ¡ Model ¡ RecalibraOon ¡ 16

Prototype and Experimental Evaluation ¡ Galaxy ¡S ¡II ¡ Nexus ¡Prime ¡ Nexus ¡One ¡ Nexus ¡S ¡ ¡ Galaxy ¡Tablet ¡ Android ¡4.1 Android ¡4.1 Android ¡2.3 Android ¡4.1 Android ¡3.2  Implement our system on five kinds of devices.  Over 300 volunteers participate in the trace collecting.  Not aware of which smartphone is embedded with E 3 17

Measurement Tools and Testbeds The ¡source ¡code ¡of ¡E3 ¡and ¡tools ¡are ¡available ¡at: ¡ ¡Hap://www.cs.sjtu.edu.cn/~jdyu/research/E3/index.html ¡ 18

Impact on User Experience User ¡Experience ¡Score ¡ Grading ¡System: ¡ 10.00 ¡ How ¡experience ¡ 9.00 ¡ 8.00 ¡ difference ¡between ¡ 7.00 ¡ smartphones ¡ ¡ 6.00 ¡ with ¡and ¡without ¡E 3 ¡ ¡ 5.00 ¡ 4.00 ¡ 3.00 ¡ Browser ¡ Reader ¡ Facebook ¡ Google ¡ Map ¡ 19

Impact on Energy Saving CPU ¡Consump4on ¡ Saved ¡By ¡E3 ¡ Overall ¡Consump4on ¡ Saved ¡By ¡E3 ¡ 100% ¡ 100% ¡ 50% ¡ 25% ¡ 80% ¡ 80% ¡ 60% ¡ 60% ¡ 40% ¡ 40% ¡ 20% ¡ 20% ¡ 0% ¡ 0% ¡ 20

Existing Work on Smartphone Energy Consumption Bellosa et. al[COLP’03], Fan et. al[ISCA’12], Dong et.al [Mobisys’11], Pathak et.al  Smartphone ¡Power ¡Model ¡ [EuroSys’11]  CPU ¡Power ¡ConsumpOon ¡ Choi et.al[DATE’04], Rajan et.al [Mobisys’11], Balasubramanian et. al[Sigcom’09], Qian et. al  Radio ¡Power ¡ConsumpOon ¡ [WWW’12], Schulman et.al [Mobicom’10] Anand et.al[Mobisys’11], Chameleon  Screen ¡Power ¡ConsumpOon ¡ [Mobisys’11], Pathak et.al[HotNetsX’11], Pathak et.al  ApplicaOon ¡Energy ¡ConsumpOon ¡ [Mobisys’12] 21

Conclusion  Investigate the impact of human-screen reactions to the power consumption on mobile devices - Scrolling operation causes large energy consumption  Propose an innovative frame rate adaptation system E 3 - Realize energy saving without affecting user experience  Implement our system successfully on different mobile devices - Verify the feasibility of E 3 22

Thanks & Questions? 23