INSTITUTO FEDERAL FLUMINENSE CURSO SUPERIOR DE TECNOLOGIA EM DESENVOLVIMENTO DE SOFTWARE LUCÉLIO DIAS DE AZEVEDO

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1 INSTITUTO FEDERAL FLUMINENSE CURSO SUPERIOR DE TECNOLOGIA EM DESENVOLVIMENTO DE SOFTWARE LUCÉLIO DIAS DE AZEVEDO SISTEMAS DE TELEVISÃO DIGITAL: CONCEITOS, PADRÕES E UM APLICATIVO INTERATIVO UTILIZANDO A API JAVADTV Campos dos Goytacazes/RJ 2010

2 2 LUCÉLIO DIAS DE AZEVEDO SISTEMAS DE TELEVISÃO DIGITAL: CONCEITOS, PADRÕES E UM APLICATIVO INTERATIVO UTILIZANDO A API JAVADTV Monografia apresentada ao Instituto Federal Fluminense como requisito parcial para conclusão do curso superior de Tecnologia em Desenvolvimento de Software. Orientador: Prof. MSc. Fábio Duncan de Souza Campos dos Goytacazes/RJ 2010

3 Dados de Catalogação na Publicação (CIP) A994s Azevedo, Lucélio Dias de. Sistemas de televisão digital: conceitos, padrões e um aplicativo interativo utilizando a API JavaDTV / Lucélio Dias de Azevedo Campos dos Goytacazes, RJ : [s.n.], f. ; il. Orientador: Fábio Ducan de Souza. Monografia ( Graduação em Tecnologia em Desenvolvimento de Software). Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia Fluminense, Bibliografia: f Televisão interativa. 2. Java. (Linguagem de programação). I. Souza, Fábio Ducan, orient. II. Título. CDD

4 LUCÉLIO DIAS DE AZEVEDO SISTEMAS DE TELEVISÃO DIGITAL: CONCEITOS, PADRÕES E UM APLICATIVO INTERATIVO UTILIZANDO A API JAVADTV Monografia apresentada ao Instituto Federal Fluminense como requisito parcial para conclusão do curso superior de Tecnologia em Desenvolvimento de Software. Aprovada em 14 de Julho de 2010 Banca Avaliadora:. Profº MSc. Fábio Ducan de Souza (orientador) Instituto Federal Fluminense - Campos/RJ. Prof. DSc. Rogério Atem de Carvalho Instituto Federal Fluminense - Campos/RJ. Prof. MSc. Anthone Mateus Magalhães Afonso Instituto Federal Fluminense - Campos/RJ

5 2 Dedico este trabalho à minha mãe Eva, que sempre me apóia e ajuda em tudo. E as memórias de meu pai Anastácio e meu avô Alcenor, referências da minha vida.

6 3 AGRADECIMENTOS Agradeço aos familiares próximos pelo apoio dado durante todo o curso. Ao meu orientador Fábio Duncan pela paciência e compromisso quanto à orientação deste trabalho. Ao meu irmão Luciano e minha prima Nayara, pelos incentivos para conclusão de mais esta etapa da minha vida. Ao Jorge Luiz Batista pelas leituras e sugestões para o trabalho. Ao Thiago Ribeiro com as valiosas ajudas na busca de artigos de referência. Ao Murilo Souza que trabalhou no tratamento das figuras deste. E por último, aos amigos e colegas, que com outras contribuições ajudaram a levar este trabalho à frente.

7 4 Ser bom é fácil. O difícil é ser justo.

8 5 RESUMO Televisão é um assunto que interessa praticamente a todos os brasileiros, pois é algo presente em nossas vidas desde Desde a primeira transmissão até as datas atuais, ela foi consolidando-se com uma ferramenta de entretenimento e informação para toda a família. O sistema de transmissão analógico é adotado desde as primeiras transmissões e vem sendo melhorado com o passar do tempo. Entretanto, as necessidades do mercado acabaram por tornar esse sistema obsoleto. O sistema digital oferece soluções superiores ao sistema analógico, como vídeo em alta qualidade, áudio com múltiplos canais e transmissão e recepção de dados. Sendo assim, este trabalho visa esclarecer os conceitos trazidos pelo modelo de transmissão digital e ensinar ao leitor as técnicas básicas para desenvolvimento de um aplicativo interativo que utilize o controle remoto de um receptor de televisão digital (settop box). O aplicativo utilizará a API JavaDTV, disponível no Sistema Brasileiro de Televisão Digital. Seu funcionamento será testado através de um emulador e o usuário poderá responder a perguntas de caráter Sim e Não. PALAVRAS CHAVE: Televisão Digital, Aplicativos, Interatividade, JavaDTV.

9 6 ABSTRACT Television is an issue that concerns practically all Brazilian people, because it is present in their lives since Since the first transmission to current moment, it was consolidating itself with a tool of entertainment for the whole family. The analog transmission system is adopted since the first transmissions and has been improved over time. However, the needs of the marketplace became the system obsolete. The digital system offers better solutions than analog system, such as video in high quality, audio in multiple channels, and sending and receiving data. Thus, this work has a focus of to show the concepts of the digital transmission model and teaching to reader the basic techniques for developing an interactive application controlled by remote control of set-top box. The application uses the JavaDTV API available on Brazilian TV digital system and it's tested through an emulator, wherein the user can answer yes-no questions. KEYWORDS: Digital Television, Application, Interactivity, JavaDTV.

10 7 LISTA DE ABREVIATURAS AAC ABERT ABNT API ATSC BML CABAC CAVLC CD CIF COFDM CPqD CSS DOM DTV DVB DVD DVI EPG GEM GIF GOP HAVi HDMI HDTV HTML IDE IEC IP ISDB-T ISO Advanced Áudio Coding Associação Brasileira de Emissoras de Rádio e Televisão Associação Brasileira de Normas Técnicas Application Programming Interface Advanced Television Systems Committee Broadcast Markup Language Context-Adaptive Binary Arithmetic Coding Context-Adaptive Variable-Length Coding Compact Disc Common Intermediate Format Coded Orthogonal Frequency Division Multiplexing Centro de Pesquisa e Desenvolvimento em Telecomunicações Cascading Style Sheets Document Object Model Digital Television Digital Video Broadcasting Digital Video Disc Digital Visual Interface Electronic Program Guide Globally Executable MHP Graphics Interchange Format Group of Pictures Home Audio / Video Interoperability High-Definition Multimedia Interface High Definition Televivion HyperText Markup Language Integrated Development Environment International Electrotechnical Commission Internet Protocol Integrated Services Digital Broadcasting Terrestrial International Organization for Standardization

11 8 ITU JMF JPEG JVM LFE MHP MNG MPEG NCL PC PDA PNG PUC QCIF SDTV SET TCP TS UFPB UHF VCEG VHF VHS VO VOL VOP W3C XML International Telecommunication Union Java Media Framework Joint Photographic Experts Group Java Virtual Machine Low Frequency Effects Multimedia Home Platform Multiple-image Network Graphics Moving Picture Experts Group Nested Context Language Personal Computer Personal Digital Assistant Portable Graphics Network Pontifícia Universidade Católica Quarter Common Intermediate Format Standard Definition Television Sociedade Brasileira de Engenharia de Televisão e Telecomunicações Transmission Control Protocol Transport Stream Universidade Federal da Paraíba Ultra High Frequency Video Coding Experts Group Very High Frequency Vídeo Home System Vídeo Object Vídeo Object Layer Vídeo Object Plane World Wide Web Consortium extensible Markup Language

12 9 LISTA DE FIGURAS Figura 2.1: Processo de varredura intercalada na televisão Figura 2.2: VBI e HBI em uma resolução de 525 linhas horizontais Figura 2.3: Conjunto de padrões para televisão digital Figura 2.4: Relação de aspecto 4: Figura 2.5: Relação de aspecto 16: Figura 2.6: Espaço disponível em tela com diferentes resoluções Figura 2.7: Relação de aspecto 4:3 adaptada à 16: Figura 2.8: Técnica Letterbox Figura 2.9: Técnica Pan-and-Scan Figura 2.10: Resoluções de imagem 720x1280 e 1080x Figura 2.11: Bloco 8x Figura 2.12: Estrutura de um GOP Figura 2.13: Estrutura de versões do MPEG Figura 2.14: Exemplo de VOP retangular Figura 2.15: Exemplo de VOP aleatório Figura 2.16: Comparação do bitstream utilizado com H.264 e MPEG-2 (Wooton, 2005) Figura 2.17: Estrutura de um codificador e um decodificador do H Figura 2.18: Exemplo de referências múltiplas Figura 2.19: Imagem antes e após aplicação do filtro de redução blocagem Figura 2.20: Configuração espacial do áudio Figura 2.21: Representação básica de uma cadeia de comunicação Figura 2.22: Exemplo de onda senoidal Figura 2.24: Representação dos fenômenos Reflexão, Refração e Difração Figura 2.26: Ilustração do processo de multiplexação Figura 2.27: Arquitetura básica de um middleware Figura 2.28: Esquema simples de uma canal de interatividade Figura 3.1: Arquitetura disponível para sistemas de televisão digital terrestre Figura 3.2: Sistema básico de transmissão ATSC Figura 3.3: Arquitetura básica do middleware MHP Figura 3.4: Estrutura de transmissão do ISDB-T Figura 4.1: Cronograma de implantação do sistema digital no Brasil (DTV, 2008a) Figura 4.2: Diagrama de blocos do modelo de referência do SBTVD

13 10 Figura 4.3: Visão geral do sistema de transmissão Figura 4.4: Configuração básica de um IRD Figura 4.5: Estrutura básica de um middleware para o SBTVD Figura 4.6: Estrutura das camadas de uma tela Figura 4.7: Exemplos de combinação das camadas de vídeo e imagem Figura 4.8: Contexto de funcionamento do Ginga Figura 4.9: Arquitetura de um canal de interatividade bidirecional no SBTVD Figura 5.1: Exemplo de código - estrutura básica de uma Xlet Figura 5.2: Exemplo de código - Xlet com tratamento de erros e captura de eventos Figura 5.3: Exemplo de variável de classe para o contexto da Xlet Figura 5.4: Exemplo de código utilização do dispositivo de televisão digital Figura 5.5: Exemplo de código - buscando a tela padrão de um dispositivo Figura 5.6: Exemplo de código - usando o gerenciador de eventos de uma tela Figura 5.7: Exemplo de código - trabalhando com eventos do controle remoto Figura 5.8: Exemplo de código - adicionando um ouvinte ao gerenciador de eventos Figura 5.9: Exemplo de código - acessando os planos de uma tela Figura 5.10: Exemplo de código - criando um container para interface gráfica Figura 5.11: Exemplo de código - um container geral do sistema Figura 5.12: Exemplo de código - um vetor de Strings Figura 5.13: Exemplo de código - iteração em um vetor Figura 5.14: Exemplo de código - iniciando a interação com o usuário Figura 5.15: Exemplo de código sincronizando e colocando uma classe em espera Figura 5.16: Exemplo de código - bloco para tratamento de erros de sincronização Figura 5.17: Exemplo de código - limpando uma tela e finalizando um Xlet Figura 5.18: Exemplo de código - typecast dos eventos gerados pelo usuário Figura 5.19: Exemplo de código - verificação de teclas do controle remoto Figura 5.20: Exemplo de código - notificando a sincronização do aplicativo Figura 5.21: Exemplo de código - uso da classe Label Figura 5.22: Exemplo de código - atualizando a tela do usuário Figura 5.23: Exemplo de código - exibindo o agradecimento e resposta do usuário Figura 5.24: Exemplo de código - fazendo a aplicação "dormir" Figura 5.25: Tela de pergunta do aplicativo funcionando com o emulador Figura 5.26: Tela de agradecimento do aplicativo funcionando com o emulador

14 11 LISTA DE TABELAS Tabela 2.1: Padrões de imagem para HDTV Tabela 2.2: Perfis do MPEG-4 mais utilizados para vídeos naturais Tabela 2.3: Slices permitidos no H.264/AVC Tabela 2.4: Formatos para gravação e reprodução de áudio digital Tabela 3.1: Especificações dos principais sistemas de televisão digital Tabela 3.2: Padrões de transmissão e recepção dos sistemas ATSC, DVB e ISDB Tabela 3.3: Formatos de vídeo permitidos para o ATSC Tabela 4.1: Cidades brasileiras onde está disponível a transmissão digital Tabela 4.2: Padrões de linhas e varreduras para serviços full-seg Tabela 4.3: Resoluções e razão de aspecto disponíveis para serviços full-seg Tabela 4.4: Linhas ativas para seviços full-seg Tabela 4.5: Restrições de codificação para serviços one-seg Tabela 4.6: Resoluções de imagem e razão de aspecto em serviços one-seg Tabela 4.7: Restrições de áudio para serviços full-seg Tabela 4.8: Configuração de canais de áudio para serviços full-seg Tabela 4.9: Canais que devem ser usados por uma antena no SBTVD Tabela 4.10: Taxa máxima de bits permitida para cada tipo serviço Tabela 4.11: Taxa máxima de bits permitida para cada componente Tabela 4.12: Protocolos utilizados pelo canal de interatividade do SBTVD

15 12 SUMÁRIO LISTA DE ABREVIATURAS... 7 LISTA DE FIGURAS... 9 LISTA DE TABELAS INTRODUÇÃO Objetivos Metodologia Organização do Documento TELEVISÃO DIGITAL Visão Geral Definição Padrão (Standard Definition Television - SDTV) Alta Definição (High Definition Television - HDTV) Princípios de Codificação Codificação de Fonte Codificação de Entropia Codificação de Canal Codificação de Vídeo Compressão MPEG MPEG ITU-T H.264/AVC Codificação de Áudio Compressão Transmissão Multiplexação Modulação Phase-Shift Keying (PSK) Quadrature Phase Shift Keying (QPSK) Quadrature Amplitude Modulation (QAN)... 43

16 Vestigial Sideband Modulation (8-VSB) Coded Orthogonal Frequency Division Multiplexing (COFDM) Middleware Interatividade PADRÕES DE TELEVISÃO DIGITAL ATSC DVB-T ISDB-T SISTEMA BRASILEIRO DE TELEVISÃO DIGITAL (SBTVD) Histórico Visão Geral Codificação de Vídeo Codificação de Áudio Receptor Segurança Middleware Interatividade Cenário Atual ESTUDO DE CASO: UM APLICATIVO INTERATIVO UTILIZANDO A API JAVADTV A Linguagem Java Programação Orientada a Objeto API JavaDTV O Aplicativo Xlets Estrutura básica de uma Xlet Tratamento de erros Capturando ações do usuário Estrutura Básica + Tratamento de Erros + Ações do Usuário Criando a Enquete Trabalhando no método initxlet()... 84

17 Trabalhando no método startxlet() Trabalhando no método destroyxlet() Trabalhando no método userinputeventreceived() Trabalhando no método mostrartela() Trabalhando no método agradecerparticipacao() Disponibilizando o aplicativo TRABALHOS FUTUROS CONCLUSÃO REFERÊNCIAS GLOSSÁRIO

18 1 INTRODUÇÃO As informações disponibilizadas em Magia (2010) mostram que o Brasil teve sua primeira transmissão de televisão no ano de 1950 na cidade de São Paulo. As imagens exibidas não passaram do saguão da empresa Diários Associados, uma cadeia de jornais e rádios, e mostravam a apresentação de Frei Mojica, um padre cantor mexicano. O primeiro programa transmitido foi o TV na Taba e contou com a participação de Lima Duarte, Hebe Camargo e Mazzaropi, entre outros. O Imagens do Dia foi o primeiro telejornal. A publicidade entrou na televisão brasileira ainda em Mesmo com pouquíssimos aparelhos e o mercado publicitário extremamente tímido, comerciais de empresas já eram exibidos. No ano de 1951 já existiam aproximadamente 7 mil aparelhos de televisão. Ainda neste ano a telenovela Sua Vida me Pertence, primeira brasileira, foi ao ar. Os anos seguintes foram marcados pela crescente entrada da televisão no mercado brasileiro. A televisão à cores chegou ao Brasil em 1972 com a transmissão da Festa da Uva, em Caxias, Rio Grande do Sul. Na década de 90 surgiram no Brasil as primeiras emissoras de televisão por assinatura. As transmissões de televisão aberta, mais populares atualmente no Brasil, são realizadas de modo analógico. Este modelo é suscetível a interferências e ruídos ocorrendo perda de qualidade. Como conseqüências disso,, freqüentemente são exibidos chuviscos e fantasmas na imagem. Com a transmissão de sinais de TV digital a recepção é realizada com melhor qualidade e menor incidência de erros. A resolução das imagens, que determina o nível de detalhamento da mesma, pode alcançar 1080 linhas e o som pode ter a mesma qualidade de home-theaters. A mudança para o sistema digital de transmissão faz obrigatória a aquisição de novos equipamentos para envio e recepção dos novos serviços, pois o modelo analógico não suporta tais melhorias. Sendo assim, a maioria dos países que está adotando este novo padrão ainda tem que manter suas transmissões em modo analógico por um determinado período para que possa ser feita a transição gradual dos sistemas. A introdução do modelo de transmissão digital no Brasil abre um leque imenso de oportunidades. Estão envolvidos desde fabricantes que produzem os equipamentos

19 16 necessários para recepção até as emissoras. O processo de transmissão digital permite a recepção do sinal em equipamentos móveis e a tão falada interatividade, permitindo fazer compras pela TV (t-commerce), realizar apostas ou jogar games interativos, por exemplo. O potencial para aproveitamento da televisão digital no Brasil é imenso já que temos aparelhos de TV em praticamente todos os lares brasileiros. Através de estudos iniciados no Brasil no ano de 1999 pela Anatel com a cooperação do CPqD avaliando tecnicamente os padrões de transmissão dos EUA, Europa e Japão (os principais no mundo) definiu-se que o padrão brasileiro de televisão digital seria embasado no modelo japonês, o ISDB-T, o mais novo das opções encontradas e que tem incorporado facilidades que conseguiriam atender mais satisfatoriamente as necessidades brasileiras. Uma destas necessidades é a transmissão em canal aberto para dispositivos portáteis. Criou-se então o modelo ISDB-Tb ( b de Brasil), onde foram introduzidas melhorias para áudio, vídeo e interatividade (DTV, 2008c). Com a padronização das especificações técnicas, foi necessário definir o uso do sistema que faria a gerenciamento do ambiente de hardware e software dos aparelhos receptores (set-top-boxes). Esta solução que tecnicamente é chamada de middleware, até então não possuía uma especificação aberta, sendo a maioria proprietária e passível de pagamento de royalties. Isso motivou o desenvolvimento de uma solução totalmente brasileira, batizada de Ginga, que é subdivido em dois subsistemas principais e permitem a escolha do paradigma de programação: declarativo, com o Ginga-NCL, baseado na linguagem LUA, desenvolvido pela Pontíficia Universidade Católiga do Rio de Janeiro (PUC-Rio) ou procedural, com o Ginga-J, que provê uma infra-estrutura para execução de aplicações na linguagem Java, desenvolvido pela Universidade Federal da Paraíba (UFPB) (Ginga, 2008). 1.1 Objetivos O esclarecimento das questões inerentes aos conceitos de um sistema de televisão digital e como desenvolver um aplicativo básico de interatividade utilizando a API JavaDTV são os motivadores que fomentam toda a busca por informações para o presente estudo.

20 Metodologia O presente trabalhou baseou-se no estudo conceitual das tecnologias que envolvem um sistema de televisão digital. O desenvolvimento do aplicativo visa o aprendizado da estrutura básica necessária para sua criação. Desta maneira, será utilizado um emulador que simula o ambiente de uma televisão, assim pode-se testar o comportamento da aplicação antes de enviá-la a um usuário. Este emulador funciona sobre a IDE (Integrated Development Tool - Ambiente Integrado de Desenvolvimento) Eclipse. 1.3 Organização do Documento O capítulo 2 apresenta as características de um sistema de televisão digital, onde são mostrados os conhecimentos básicos para entendimento dos demais capítulos. É dado destaque ao padrão MPEG de vídeo e áudio, o mais utilizado nas transmissões digitais de televisão. No capítulo 3, é abordada uma breve descrição dos padrões de televisão digital mais utilizados no mundo. O capítulo 4 mostra as características do Sistema Brasileiro de Televisão Digital, descrevendo as funcionalidades que o tornaram o mais avançado sistema para transmissão de televisão digital terrestre no mundo. Para o capítulo 5 é reservado um estudo de caso que descreve os passos para a criação de um aplicativo interativo que funciona no Sistema Brasileiro de Televisão Digital. As abordagens do capítulo 6 abrangem trabalhos que podem ser aplicados futuramente com o conhecimento adquirido. Finalizando, o capítulo 7 descreve as conclusões obtidas diante do presente estudo.

21 2 TELEVISÃO DIGITAL Existem organizações mundialmente reconhecidas, como a International Organization for Standardization (ISO), International Electrotechnical Commission (IEC) e International Telecommunication Union (ITU), que são responsáveis pelas padronizações técnicas usadas em questões de tecnologia da informação e comunicação. Diante disto, os sistemas de Televisão Digital também estão sujeito aos padrões aprovados por estas entidades. 2.1 Visão Geral Na televisão, uma imagem é montada na tela em linhas horizontais. Conclui-se então que uma imagem é uma sucessão de linhas. Uma tela é varrida horizontalmente da esquerda para a direita, de cima para baixo durante um curto intervalo de tempo (geralmente em milésimos de segundo), e nestes intervalos de tempo são montados os quadros (frames) que contém uma imagem. A varredura intercalada trabalha interpondo os frames de linhas ímpares e linhas pares. Ao passo que um frame apresenta as linhas impares (1,3,5, ) o imediatamente a seguir é montado com as linhas pares (2,4,6,...). Como o processo é extremamente rápido temos a sensação que somente uma imagem está na tela. A Figura 2.1 ilustra o processo de varredura intercalada na televisão. No processo progressivo todos os frames são mostrados completos em cada espaço de tempo. Figura 2.1: Processo de varredura intercalada na televisão. Este modo de reconstruir a imagem na tela é chamado de Raster Scanning. O Raster

22 19 Scanning possui limitações técnicas onde não consegue utilizar todo o tamanho da tela, ocorrendo o Horizontal Blanking Interval (HBI) e o Vertical Blanking Interval (VBI). O VBI faz o frame perder cerca de 8% de sua altura e o HBI consome aproximadamente 15% da largura linha (Poynton, 2003). Figura 2.2: VBI e HBI em uma resolução de 525 linhas horizontais. A Figura 2.2 indica que a televisão trabalha com pelo menos dois parâmetros no processo de reconstrução da imagem: Total de linhas: corresponde à todas as linhas na tela, incluindo as perdidas com o VBI e HBI. Linhas ativas: linhas que exibem a imagem na tela. A taxa de atualização indica o número de vezes por segundo que uma imagem é renovada na tela. Esta frequência é medida em Hertz (Hz). Uma taxa de atualização de 60Hz irá mostrar que a imagem é renovada 60 vezes em um segundo na tela. Taxas de atualização altas trazem mais conforto para quem está visualizando a imagem Em televisores LCD a forma de construção da imagem dá-se pelo apagamento e acendimento dos pixels e eles permanecem assim até que uma nova imagem os mude. Então, em uma imagem parada, um tubo CRT (Cathode Ray Tube - Tubo de Raios Catódicos) continua varrendo a tela inúmeras vezes, enquanto o LCD permanece estático. O termo taxa de atualização é diferente do termo número de quadros por segundo, que indica a quantidade de imagens diferentes que são exibidas por segundo (Home Theater, 2009). O sistema de televisão digital é uma nova tecnologia de transmissão de sinais de televisão, que proporciona uma melhor qualidade de imagens e sons. Esta alta qualidade

23 20 significa visualizar imagens com uma riqueza de detalhes muito maior do que as visualizadas com as transmissões analógicas. Imagens com mais detalhes permitem utilizar televisões com tamanho de tela proporcional as usadas em salas de cinema. O áudio transmitido pelo sistema digital é envolvente e proporcionará a mesma qualidade de home-theaters. O sistema digital também permite a recepção do sinal de televisão em dispositivos móveis ou portáteis com qualidade. Celulares, PDA s, notebooks ou qualquer outro dispositivo da categoria poderão receber um sinal limpo, sem fantasmas, chuviscos ou qualquer tipo de interferência. Além de tudo isso, o sistema digital permite a interação do telespectador, podendo ele votar em pesquisas, fazer compras ou consultar guias de programação, por exemplo. O sistema de televisão digital é composto por um conjunto de padrões que são representados em sua forma mais simples na Figura 2.3, e este conjunto é composto por: digitalização de áudio e vídeo, middleware para interatividade e outros serviços (gravação dos dados, acesso à internet, jogos, comércio, etc) e multiplexação e transmissão dos sinais (Graciosa, 2003). Figura 2.3: Conjunto de padrões para televisão digital. Os termos Televisão Digital (DTV Digital Television), Definição Padrão (SDTV Standard Definition Television) e Alta Definição (HDTV High Definition Television) muitas vezes são confundidos e em uma analogia geral, o termo DTV engloba o SDTV e HDTV, sendo que SDTV e HDTV são usados para indicar qualidade da imagem de vídeo.

24 21 O padrão digital oferece inúmeras vantagens frente ao analógico, podendo destacar (Jones, 2006): Recebimento do sinal mais limpo, com menos chuviscos, fantasmas ou distorções. Altas resoluções para imagens com HDTV e telas mais largas. Áudio 5.1 com surround. Transmissão de 2 ou mais programas de televisão no mesmo canal (multicasting). Guias eletrônicos de programação. Na transmissão digital o formato da tela tem a relação de aspecto padronizada para 16:9. O aspecto é a relação entre a medida horizontal e a medida vertical de uma tela. Para cada 16 polegadas de largura existem 9 polegadas de altura. A relação de aspecto 4:3 também é permitida, porém é um padrão utilizado na televisão analógica. As Figuras 2.4 e 2.5 mostram as duas relações de aspecto. Uma transmissão com relação de aspecto 4:3 sendo exibida em uma tela 16:9 terá a imagem alargada para caber na tela. Figura 2.4: Relação de aspecto 4:3. Figura 2.5: Relação de aspecto 16:9. No sistema de televisão digital, as transmissões em HDTV normalmente utilizam resolução de 720 ou 1080 linhas com o aspecto 16:9, conhecido também como widescreen. Transmissões SDTV geralmente são baseadas no formato analógico escolhido pelo país. A resolução de tela pode ser entendida como o nível de detalhamento de uma imagem. Resoluções maiores traduzem maiores detalhes na imagem (Poynton, 2003).

25 22 Figura 2.6: Espaço disponível em tela com diferentes resoluções. A resolução de uma imagem é diretamente ligada ao nível de detalhamento da mesma. O pixel é o menor ponto de uma imagem. Um agrupamento de milhares (atualmente chegamos à casa dos milhões) destes pontos forma uma imagem. Por exemplo, uma resolução 720 x 1280 tem um total de pixels. A Figura 2.6 aborda as resoluções mais comuns para sistemas de televisão digital, juntamente com resoluções utilizadas em computadores pessoais (PC/Mac). Resoluções no modo Quarter Common Intermediate Format (QCIF) e Source Input Format (SIF) geralmente são utilizadas em transmissões para dispositivos móveis e portáteis (ITU-T, 1993). O destaque do áudio na televisão digital é a possibilidade de transmissão de 5.1 canais que proporciona qualidade surround. Esta modalidade está disponível para os modos SDTV e HDTV. No entanto, não é regra que a transmissão seja feita desta maneira, podendo ser usados o estéreo (2 canais) ou monaural (1 canal). A disponibilização do som surround dependerá então do interesse das emissoras. O áudio também pode ser transmitido em diversos idiomas. Para efeito de comparação, a televisão analógica pode utilizar no máximo o áudio estéreo de dois canais (Jones, 2006).

26 Definição Padrão (Standard Definition Television - SDTV) Como as transmissões em alta definição no sistema de televisão digital necessitam de novos equipamentos, mais caros e sofisticados e que demandam maior investimento de capital, durante o processo de transição digital/analógico a maioria das estações de televisão tem utilizado os mesmos estúdios para a produção das transmissões, fazendo apenas a conversão dos sinais digitais, mantendo a qualidade padrão utilizada nas televisões analógicas (Jones, 2006). Os programas de televisão produzidos para televisão analógica sempre foram produzidos com relação de aspecto 4:3, porém com o advento do widescreen, usado em filmes e HDTV, o interesse dos consumidores tem se despertado, pois há mais espaço em tela (wide em inglês refere-se à largura). Assim, a especificação do SDTV tem sido adaptada para trabalhar com relação de aspecto 16:9, conforme ilustra a Figura 2.7 (Poynton, 2003). Figura 2.7: Relação de aspecto 4:3 adaptada à 16:9. Durante o período de transição analógico/digital, programas de televisão podem ser produzidos utilizando as duas relações de aspecto. Deve-se garantir que as imagens gravadas para uma proporção sejam exibidas satisfatoriamente na outra e para isso existem técnicas como o Letterbox, que preserva a relação de aspecto original e possibilita uma melhor visualização de imagens 16:9 em telas 4:3, adicionando barras pretas acima e abaixo da imagem de vídeo. Outra técnica utilizada é a Pan-and-Scan, onde os lados de um vídeo 16:9 são cortados e foca-se no centro do vídeo, normalmente a parte onde ficam os detalhes mais importantes da cena (Poynton, 2003). As técnicas LetterBox e Pan-and-Scan podem ser visualizadas nas Figuras 2.8 e 2.9, respectivamente.

27 24 Figura 2.8: Técnica Letterbox. Figura 2.9: Técnica Pan-and-Scan. 2.3 Alta Definição (High Definition Television - HDTV) A HDTV possibilita a disponibilização de uma superior qualidade de vídeo e áudio nas transmissões. A relação de aspecto de 16:9 é utilizada com padrão para transmissões das imagens em HDTV. Entretanto a comparação correta entre SDTV e HDTV deve ser baseada na resolução, que define o nível de detalhamento da imagem (Poynton, 2003). Os padrões de resolução para imagem em HDTV normalmente utilizados são representados na Figura Figura 2.10: Resoluções de imagem 720x1280 e 1080x1920. Figura Na Tabela 2.1 é possível observar os detalhes dos padrões de resolução expostos na

28 25 Tabela 2.1: Padrões de imagem para HDTV número de linhas linhas ativas quadros por Segundo tipo de varredura Progressiva Progressiva/Intercalada 2.4 Princípios de Codificação O processo de codificação pode ser entendido como a alteração de características de um sinal, seja ele áudio, vídeo ou dados a fim de torná-lo mais apropriado para uma utilização. Para televisão digital, utilizam-se conceitos distintos de codificação (Drury, 2001) Codificação de Fonte Refere-se à compressão dos dados e criptografia. A compressão geralmente é aplicada ao áudio e o vídeo e tem o objetivo de reduzir o espaço ocupado pelos dados, diminuindo o consumo de recursos (espaço em disco e taxas de transmissão). A criptografia torna uma fonte de dados legível apenas para a parte receptora, tentando garantir segurança durante o processo de transmissão da informação Codificação de Entropia A entropia é uma das fases da codificação de fonte, e não é aplicada diretamente para codificar pixels. Ela trabalha com algoritmos de codificação aritmética, que visa diminuir a ocorrência bits repetidos. Pode utilizar os algoritmos: Run-length (Salomon, 2004). Huffman (Salomon, 2004). Context-Adaptive Variable-length Coding (CAVLC) (Han-Jung, 2008). Context-Adaptive Binary Arithmetic Coding (CABAC) (Shojania, 2005).

29 Codificação de Canal Visa a transmissão confiável dos dados, diminuindo a incidência de erros durante o processo de transmissão de dados. A quantidade de erros em uma transmissão varia conforme a quantidade de ruídos e interferências que o sinal sofre. A Codificação de Canal tenta proteger as informações transmitidas, utilizando técnicas de detecção e correção de erros. Em geral estas técnicas adicionam informações que servirão de base para a parte receptora verificar a consistência de um dado recebido (Huffman, 2003). 2.5 Codificação de Vídeo Pode-se definir o vídeo como sendo uma seqüência de imagens estáticas que intercaladas em uma velocidade suficientemente alta cria a ilusão de movimento (Poynton, 2003). A digitalização das imagens consiste na conversão de um sinal analógico em um sinal binário. A codificação de imagens (vídeos são uma seqüência de imagens, conforme explicado anteriormente) está diretamente ligada aos seguintes conceitos: Brilho: é a definição da sensação visual de acordo com a emissão de mais ou menos luz em uma área. Este definição é obviamente subjetiva, por isso brilho é um medidor não adequado para dados de imagem. Crominância: refere-se ao valor das cores. Intensidade: é o foco luminoso em uma determinada direção. Luminância: é o que mede a densidade (o grau de concentração) da intensidade da luz. O brilho de uma cor percebido pelo olho humano. Luminosidade: refere-se à claridade, onde o grau de claro ou escuro é percebido pelo olho humano. Saturação: define o quanto uma cor é diluída com a luz branca. Amostragem (sampling): é a reprodução do sinal em determinados intervalos de tempo. Quantização: atribui valores para cada amplitude do sinal amostrado. Redundância Espacial: muitos pixels em um frame têm valores idênticos.

30 27 Redundância Temporal: trata a familiaridade entre a sucessão de frames, onde se estima que no pequeno intervalo de tempo entre os frames pouca coisa da imagem é alterada. Compensação de Movimento: é uma maneira de explorar a semelhança entre frames que se sucedem e tem movimento, enviando um vetor contendo as coordenadas x e y representando a previsão de como será o próximo frame. Predição Intra (Frame)-Coding: usa a redundância espacial entre imagens para codificação e é somente usado no frame ou slice atual, garantindo a independência dos mesmos. Predição Inter (Frame)-Coding: usa as diferenças entre os frames anteriores, explorando a redundância temporal Compressão A compressão de vídeo visa reduzir a taxa de bits e não degradar significantemente uma imagem. Essa compressão é necessária porque o armazenamento das transmissões em SDTV e HDTV, que requerem muito espaço em disco. A compressão traz os benefícios de utilização menor de espaço para armazenamento e diminuição da transmissão do vídeo. Vídeos utilizados para transmissão em SDTV podem ter o bitrate variando de 2-8 Mb/s. Vídeos para HDTV podem atingir taxas de Mb/s. Estas taxas vão depender do conteúdo do programa e nível de qualidade desejados. O Joint Photographic Experts Group (JPEG) é um comitê criado em 1986 para regulamentar e documentar das normas de compressão de imagem estáticas. A compressão JPEG disponível no documento ISO/IEC IS ITU-T Recommendation T.81 (JPEG, 2007), e é base para o processo de compressão da televisão digital. Para melhor eficiência em compressão de vídeos utilizam-se as especificações do Moving Picture Experts Group (MPEG), comissão criada pela ISO para definir padrões de compressão de imagem e áudio MPEG-2

31 28 O MPEG-2, também conhecido como H.262 foi criado com base no MPEG-1 e trouxe melhorias significativas na codificação de vídeo. Foi aprovado em 1994 e é utilizado em transmissões de televisão digital e DVD. Sua especificação oficial está disponível no documento ISO/IEC Em comparação ao MPEG-1, o MPEG-2 é mais eficiente para compressão, pois não são visualizadas perdas significativas. Esta maior eficiência exige maiores recursos de hardware e ao final da compressão a resolução é superior ao formato usado em Vídeo Home Systems (VHS). Este detalhe foi um dos fatores da não utilização do padrão MPEG-1 para transmissão de vídeos, pois a resolução final do vídeo era parecida com o formato VHS. O sinal de um vídeo a cores possui 1 (um) componente de luminância (Y) e 2 (dois) de crominância (Cr e Cb). A crominância tem um fator de percepção menor junto ao olho humano, então para compressão no padrão MPEG são eliminadas as redundâncias de cor (as altas freqüências de cor que são imperceptíveis à visão humana), sendo estas as responsáveis pela maior parte da compressão. A estrutura hierárquica de um fluxo de vídeo MPEG-2 é formada por (Alencar, 2007): Pixel: a menor representação da imagem. Bloco: um conjunto de pixels formando uma matriz 8x8, como na Figura Figura 2.11: Bloco 8x8. Macrobloco: um grupo de blocos de dimensão padrão de 16x16. Slice: a reunião dos macroblocos em uma mesma linha horizontal. Imagem: todos os slices juntos. Group of Pictures (GOP): o acoplamento de 15 imagens consecutivas. Sequência (vídeo): a totalidade dos GOP s.

32 29 Como o vídeo é formado pelo conjunto de GOP s, sendo eles ilustrados na Figura Uma imagem MPEG-2 é a própria resolução total de um frame. Existem três definições para os frames MPEG-2: Frame I (intra): é a imagem completa, que possui toda a informação necessária para reconstrução do quadro original. Cada GOP é iniciado com um frame I. Frame P (previsto): o quadro que contém as diferenças entre o quadro I ou P anterior e servem de referência para um prognóstico futuro. Frame B (bidirecional): utilizam uma imagem passada e mais uma futura como referência para compensação de movimentos. Figura 2.12: Estrutura de um GOP. A quantidade de frames I de um vídeo determina a qualidade final do vídeo, já que este contém a informação completa da imagem. Entretanto, uma maior quantidade de frames representa um aumento no tamanho do fluxo do vídeo. Os frames P e B armazenam as alterações do quadro anterior e posterior. O nível de compressão de um fluxo de vídeo MPEG varia de acordo com seu conteúdo. Durante o processo de compressão, podem ocorrer perdas como: distorção da cor, degradação de movimentos, duplicação de frames, etc. Grande parte destas perdas pode ser evitada com o aumento do bitrate utilizado na compressão MPEG-4 O MPEG-4 foi desenvolvido pelo comitê MPEG e provê melhorias ao MPEG-2, como melhor compressão com mesma qualidade. Ele faz uso de avançados algoritmos de compressão e disponibiliza um vasto grupo de ferramentas para codificação e manipulação de mídias digitais. Devido à ampla gama de opções disponíveis é improvável que uma aplicação

33 30 disponibilize todas as ferramentas disponíveis no MPEG-4 e prevendo isso, a norma para a parte visual do MPEG-4 descreve uma série de perfis que vão do Simple ao Core Studio. A norma que rege a parte visual do MPEG-4 é encontrada no documento ISO/IEC O núcleo das ferramentas de compressão está de acordo com o padrão H.263. A estrutura do MPEG-4 prevê que versões futuras sejam compatíveis com a versão 1, confirme ilustra a Figura 2.13 (Mpeg, 2002). Figura 2.13: Estrutura de versões do MPEG-4. As principais características que diferenciam o MPEG-4 Visual das versões anteriores são (Mpeg, 2002): Compressão eficiente de vídeos naturais em modo progressivo e intercalado. Codificação de objetos de vídeo, um novo conceito que permite codificação independente do plano de fundo e objetos em uma cena, por exemplo. Controle da transmissão dos dados, utilizando ferramentas que permite o decodificador manter com sucesso um stream de vídeo recuperando erros na transmissão. Codificação de texturas, possibilitando imagens estáticas serem codificadas e transmitidas no mesmo quadro como seqüências de vídeo. Codificação de objetos visuais animados como polígonos em 2D e 3D, rostos animados e copos humanos animados. Identificação nativa de gestão de direitos autorais através de identificadores exclusivos emitidos por sistemas internacionais de numeração como o International Standard AudioVisual Number (ISAM) ou International Standard Recording Code (ISRC).

34 31 Codificação de quadros retangulares (frames completos) ou formas arbitrárias. O MPEG-4 permite uma combinação de ferramentas, objetos e perfis nas funções de codificação. Um objeto é um elemento do vídeo e pode ser codificado usando um perfil diferente de outros objetos. Uma pessoa em um vídeo pode usar uma codificação enquanto o plano de fundo do vídeo utiliza outro. Os perfis são importantes, pois incentivam a interoperabilidade entre os CODEC s de diferentes fabricantes. Assim, um fabricante pode incorporar em seu codec os perfis que interessam para sua aplicação. Os perfis mais utilizados para vídeos naturais são mostrados na tabela 2.2 (Richardson, 2003). Tabela 2.2: Perfis do MPEG-4 mais utilizados para vídeos naturais. MPEG-4 Visual Característica Simple Advanced Real-Time Simple Codificação de baixa complexidade de seqüência de frames retangulares. Codificação de frames retangulares para aplicações de tempo real. O MPEG-4 trata os vídeos como uma seqüência de um ou mais objetos, ao contrário da codificação tradicional que trata o vídeo como uma seqüência de quadros. O objeto é uma entidade acessível, podendo o usuário buscá-lo realizando operações sobre ele, como cortar e colar. Além disso, este objeto é uma área da cena do vídeo que ocupa uma região e existe durante determinado tempo (Richardson, 2003). Um fluxo de vídeo no padrão MPEG-4 possui a seguinte hierarquia de classes: Video Object Plane (VOP). Video Object Layer (VOL). Video Object (VO). Video Session (VS). A classe VS é a mais alta da hierarquia e pode conter um ou mais objetos de vídeo (VO1,, VON), que pode ter uma ou mais camadas (VOL1,, VOLN). A instância de um VOL em determinado instante de tempo é definida como VOP (Richardson, 2003). A Figura 2.14 ilustra um VOP retangular, enquanto a Figura 2.15 traz um exemplo de

35 32 VOPs aleatório. Figura 2.14: Exemplo de VOP retangular. Figura 2.15: Exemplo de VOP aleatório. O padrão MPEG-4 permite codificar objetos distintos de modo separado com diferentes qualidades. Objetos de múltiplas fontes (naturais ou artificiais) podem ser combinados em uma única cena e a composição e comportamento destes podem até ser manipulados pelo usuário final em um processo interativo. A flexibilidade e eficiência da codificação de objetos são o ponto alto do MPEG-4. A reunião de variadas ferramentas de codificação descritas na norma atende a uma enorme quantidade de aplicações. A incerteza do MPEG-4 quanto às patentes atrapalhou bastante sua adoção pelo mercado e o lançamento do padrão H.264 está tornando o padrão ultrapassado (Richardson, 2003) ITU-T H.264/AVC O MPEG Group e o Video Coding Experts Group (VCEG), todos relacionados ao ISSO/IEC e ITU-T, trabalharam na proposta ITU-T H.264/ MPEG-4 (Parte 10) Advanced Video Coding que veio para substituir o MPEG-2, H.263 e MPEG-4, melhorando a qualidade e eficiência de compressão das imagens de vídeo (ITU, 2008). O H.264 utiliza conceitos de estimativa e compensação de movimento com referência em múltiplos frames e tem frames B para servir de referências a outros frames. O padrão aproveita os novos métodos CAVAC e CABAC para Codificação de Entropia. Como acontece com os padrões anteriores, o H.264 não tem explicitamente definido um codec. A documentação prevê como é a sintaxe de um fluxo do bitstream. A maioria dos elementos funcionais básicos está presente em normas anteriores, porém foram alterados importantes detalhes em cada funcionalidade. (Schäfer, 2003).

36 33 As principais características do H.264 são (Wooton, 2005): Alta qualidade. Ultra eficiência. Tamanho de arquivo reduzido. Escalável para HDTV em 3G. Padrão aberto certificado. Um vídeo codificado com o padrão H.264 apresenta bitrates muito baixos, e pode ser utilizado em dispositivos desde telefones celulares com HDTV e cinema digital. Testes comparativos mostram que o H.264 oferece qualidade superior com menos da metade do bitrate necessário em um fluxo MPEG-2. A Figura 2.16 mostra a comparação do bitstream em um vídeo codificado com mesma qualidade, utilizando os padrões MPEG-2 e H.264 Figura 2.16: Comparação do bitstream utilizado com H.264 e MPEG-2 (Wooton, 2005). Basicamente, um codificador H.264 funciona recebendo um frame através de sua memória interna e o divide em macroblocos. Os macroblocos resultantes podem ser codificados usando técnicas Inter ou Intra e um macrobloco P ou B sempre será composto por dados de um quadro reconstruído. Caso seja utilizado o modo Inter, os frames P são criados a partir de prognósticos de compensação de movimento de uma ou mais frames de referência que ficam armazenados na memória interna do codificador. Um frame codificado no modo Inter é referenciado como frame B. Então o frame anterior é subtraído do frame atual, deixando-o apenas com a diferença entre os dois. A transformação pode utilizar técnicas de Transformada Discreta de Cosseno ou Transformada de Fourier. Depois da quantização, as

37 34 informações são ordenadas e enviadas a um codificador de entropia e repassadas a uma Network Adaptation Layer (NAL) para serem transmitidos ou armazenados. O NAL é especificado com um formato que fornece informações de cabeçalho de forma adequada para envio pelas camadas de transporte ou armazenamento de mídia, fornecendo um formato genérico para transporte de pacotes em um bitstrean. O codificador também realiza o trabalho de decodificar um macrobloco com a intenção de reconstruí-lo para servir de referência para outros frames que serão codificados usando a técnica Inter (Richardson, 2003). O decodificador obtém um bitstream de uma NAL e a entropia decodifica os dados dos elementos que depois são reordenados. Os dados reordenados são agrupados, reconstruindo um macrobloco. Usando informações de cabeçalho decodificadas do bitstream, o decodificador cria um macrobloco com referência P, idêntico ao P original criado no processo de codificação e então o adiciona ao macrobloco que foi reconstruído, passando depois por um processo de filtragem para então a seqüência de vídeo ser reconstruída. O decodificador deve garantir que frames de referência I sejam idênticos ao criado no processo de codificação (Richardson, 2003). Um codificador e um decodificador do H.264 são ilustrados na Figura Figura 2.17: Estrutura de um codificador e um decodificador do H.264.

38 35 O H.264 define três níveis de Perfis, sendo eles o Baseline Profile, Main Profile e Extended Profile. O Baseline Profile suporta codificação Intra frame, Inter frame e a Codificação de Entropia utiliza o algoritmo CAVLC. É usado principalmente em aplicações de videotelefonia, videoconferência e comunicações wireless. O Main Profile suporta vídeos intercalados, codificação Inter e Codificação de Entropia usando o algoritmo CABAC. Seu uso é difundido principalmente para broadcast televisivo e armazenamento de vídeo. O Extended Profile não suporta vídeos intercalados ou o CABAC, mas disponibiliza suporte para permutação de diferentes bitstreans e recuperação de erros aprimorada. Seu uso é focado em aplicações de streaming de mídia (Schäfer, 2003). O codificador pode usar 1 ou 2 listas de imagens previamente codificadas para servir de referência para Compensação de Movimento de cada macrobloco codificado. A Compensação de Movimento pode chegar à precisão de ¼ de pixel no padrão H.264. Em comparação com padrões anteriores, que usam precisão inteira ou ½ unidade de pixel, o H.264 é superior em mais de 20%. O codificador pode procurar pela melhor referência para o macrobloco atual em um grupo de imagens que já foi codificada. Referências múltiplas são ilustradas na figura 2.18 (Richardson, 2003). Figura 2.18: Exemplo de referências múltiplas. Para reduzir o efeito de blocagem em que aparecem os limites do macrobloco de uma imagem, aplica-se um filtro que suaviza a borda dos macrobloco melhorando significativamente a qualidade sem afetar a nitidez da imagem (Schäfer, 2003). O resultado deste processo pode ser visualizado na Figura 2.19:

39 36 Figura 2.19: Imagem antes e após aplicação do filtro de redução blocagem. A codificação de imagens utiliza um ou mais slices, cada um contendo um determinado número de macroblocos que não é constante, podendo variar em slices de uma mesma imagem e não existe interdependência entre estes. A Tabela 2.3 mostra os tipos de slices permitidos. Tabela 2.3: Slices permitidos no H.264/AVC. Tipo Descrição Perfil I (Intra) Contem apenas macroblocos I Todos P (Previsto) Contem macroblocos P e/ou macroblocos I Todos B (Bidirecional) Contém macroblocos B e/ou macroblocos I Extended e Main SP (Switching P) SI (Switching I) Facilita a troca de fluxos codificados. Contém macroblocos P e/ou I. Facilita a troca de fluxos codificados. Contém macroblocos SI, um tipo especial de intra codificado. Extended Extended Macroblocos inter codificados e partes de macroblocos em slices P ficam sempre na lista 0. Macroblocos inter codificados e partes de macrobloco em slices B podem estar nas duas listas (0 ou 1). Cada macrobloco pode ser transmitido de maneiras diferente dependendo da codificação utilizada no slice. 2.6 Codificação de Áudio Os padrões e formatos de áudio para televisão digital são utilizados na maioria das vezes em conjunto com vídeos compactados. Dentro deste cenário são destacados dois

40 37 extremos: a conversação humana e música de alta qualidade. O áudio é uma onda analógica e o ouvido humano responde a ela como uma mudança na pressão do ar. A quantidade de oscilações da pressão do ar por unidade de tempo é definida como freqüência. A magnitude da pressão define a intensidade dos sons. O formato das orelhas é preciso para captar o que o ser humano pode ouvir. A conversão de uma forma analógica de som para armazenamento digital requer a medição de nível deste som e anotações dos valores. Esta medição leva o nome de samples (amostras). A intensidade dos sons é chamada de decibéis (db). Essa conversão oferece vantagens como alta imunidade a ruídos, estabilidade e reprodutibilidade. O formato digital permite utilizar eficientemente processos como mixagem, filtragem e equalização. Os formatos de gravação e reprodução mais comuns são descritos na Tabela 2.4 (Wooton, 2005). Tabela 2.4: Formatos para gravação e reprodução de áudio digital. Nome Speakers Descrição Mono 1 O som é transmitido por meio de um único canal. Dual-Mono 2 O mono duplicado em dois canais estéreo. Estéreo 2 Dolby Surround 5.0 Surround Dolby (AC3) Digital Digital Surround na frente e 1 atrás 3 na frente e 2 atrás 3 na frente, 2 atrás e 1 de baixa frequência 3 na frente, 2 atrás e 1 de baixa frequência Utiliza dois canais de áudio independentes criando a impressão de ouvir um som que vem de várias direções. Reprodução usando 4 canais de áudio. Aproveita 5 canais para reprodução do áudio. Além dos 5 canais de áudio, aproveita um canal Low Frequenc Effects (LFE). Uma alternativa ao Dolby Digital. O padrão utilizado para definir as notações de nomes surround se refere ao número de canais usados para reprodução. Tomando por exemplo, o termo 5.1 refere-se à utilização de 5 canais de reprodução. O.1 é incluído para indicar o uso de um canal Low Frequency Effects (LFE). O canal LFE normalmente é reproduzido pelo subwoofer de um aparelho. Alguns exemplos da configuração espacial do áudio são ilustrados na Figura 2.20.

41 38 Figura 2.20: Configuração espacial do áudio Compressão As técnicas utilizadas para compressão de áudio são muito parecidas com as de vídeo, mas diferem porque ouvimos ao invés de ver. Um exemplo atual de compressão é uso de arquivos.mp3, facilmente encontrados na internet. Para criar estes arquivos de áudio com tamanho reduzido, são utilizadas técnicas de compressão que a maioria das pessoas conhece pouco, ou até desconhece. Estas técnicas influenciam na qualidade final e taxa de transmissão dos arquivos. Os algoritmos de compressão de áudio MPEG são um padrão reconhecido internacionalmente para alta fidelidade. O MPEG utiliza um método de compressão com perdas, mas muito próximo do arquivo original em termos de percepção auditiva. Algumas razões pelo qual o MPEG tornou-se um sucesso foram (Brandenburg, 1999): Padrão aberto: o MPEG é definido com um padrão aberto, onde todos podem acessar a especificação (mediante pagamento). Embora existam patentes que cobrem para o uso da norma, ninguém é dono da mesma. Tecnologias de apoio: computadores rápidos o bastante para codificar e decodificar dados de áudio, utilização de gravadores de CD e DVD e Internet rápida podem ser indicados como fatores para o sucesso da compressão MPEG. O padrão MPEG-1 para áudio possui três camadas de compressão (Pan, 1993): Camada I: com algoritmos básicos de compressão, muito utilizado em ambientes de áudio profissional.

42 39 Camada II: uma melhoria da Camada I que utiliza um grupo maior de dados para codificação. Camada III: um refinamento das Camadas I e II. O fluxo de áudio codificado é nomeado de MP3 (MPEG Audio Layer III). A Camada III é a mais utilizada, pois possui visíveis melhorias com relação a I e II, destacando-se: Redução que remove redundâncias deixadas pelas Camadas I e II. Codificação de entropia utilizando o código de Huffman. O padrão MPEG-2 também trouxe melhorias para o áudio. O Advanced Audio Coding (MPEG-2 AAC) é usado para codificação de áudio em alta qualidade e utiliza as mesmas técnicas de codificação da Camada III do MPEG, entretanto incrementa melhoras com relação às ferramentas de codificação, trazendo aumento na qualidade. O MPEG-2 AAC suporta até 48 canais de áudio. Ele utiliza diversas ferramentas de codificação para reduzir o bitstream do áudio. O codificador suporta três modos diferentes de operação (Watson, 2000): Main Profile: traz a melhor qualidade, porém consome mais memória e processamento. Low Complexity: sacrifica um pouco da qualidade para usar menos memória e processador. Scalable Sample Rate: possui a menor complexidade entre os três. O padrão AAC consegue grandes níveis de qualidade, podendo codificar o áudio em 5.1 canais no formato digital ou analógico e por isso tem sido adotado como padrão de codificação em várias aplicações, tais como radiodifusão digital e serviços de áudio para internet. (Lee, 2002). O padrão é normalizado pela ISO/IEC e é dito como sucessor do MP3. Sua especificação está descrita no documento ISO/IEC Part 7. Traz diversas melhorias, entre elas (Brandenburg, 1999): Alta resolução de freqüência.

43 40 Predição, trazendo melhor eficiência para sinais com variação de freqüência baixa. Codificação de estéreo aprimorada, com redução do bitrate. Codificação de Huffman aprimorada. 2.7 Transmissão Devido à enorme quantidade de informações geradas em diferentes locais, os sistemas de comunicação são extremamente importantes para a economia, cultura e ciências, entre outras atividades. Estas informações precisam ser enviadas e recebidas e uma cadeia de comunicação é utilizada para isto. Este princípio também é aplicado para a televisão digital, pois tudo que é produzido para tal necessita ser transmitido para recepção dos telespectadores. A representação de uma cadeia de comunicação básica é representada pela Figura 2.21 e nela podem ser identificados três elementos essenciais: a fonte da informação, o sistema de comunicação e o destino. A fonte desta informação é a origem do da mensagem ou informação transmitida. Para televisão, esta mensagem ou informação pode apresentar-se em forma de imagem, som e dados. O objetivo do sistema de comunicação é transportar a informação da origem até o destino preservando ao máximo as características originais da mesma. (Nascimento, 2000). Figura 2.21: Representação básica de uma cadeia de comunicação. O modelo de transmissão utilizado para televisão digital terrestre utiliza o padrão de transmissão via radiofrequência. Nele, a informação para ser veiculada de um ponto a outro no sistema de comunicação utiliza sinais que são espalhados através de um canal. Um sinal

44 41 para ser irradiado de maneira eficaz utiliza uma onda portadora que funciona como um condutor da informação, geralmente uma onda senoidal, ilustrada na Figura 2.22, onde são alteradas as características de amplitude e fase. (Nascimento, 2000). Figura 2.22: Exemplo de onda senoidal. Na propagação de sinais de uma onda eletromagnética (OEM) no meio terrestre, ou seja, condições diversas àquela do espaço livre, percebe-se a ocorrência dos fenômenos de reflexão, refração e difração, conforme descritos à seguir e ilustrados na Figura 2.23 (Nascimento, 2000): Reflexão: ocorre mais freqüentemente quando a onda encontra o solo, edifícios ou montanhas. Quando um sinal é refletido, pode permanecer intacto ou sofrer perdas devido à absorção de parte do sinal pela parte refletora. A reflexão de um sinal dentro de sua área de transmissão leva o nome de multi-path. Refração: é o desvio do caminho de uma onda ao encontrar-se com um meio. Difração: quando o caminho entre a onda e o receptor é obstruído por alguma superfície. Figura 2.23: Representação dos fenômenos Reflexão, Refração e Difração.

45 Multiplexação O processo de multiplexação codifica as informações de uma ou mais fontes de dados combinando fluxo de dados distintos em um único fluxo de dados, gerando um sinal de saída comum. A parte receptora necessita de um demultiplexador que vai dividir o fluxo de dados multiplexado em seu fluxo original. A Figura 2.24 ilustra com clareza o conceito de multiplexação onde cada fonte (sinal 1, sinal 2 e sinal 3) gera um sinal. Dentro do multiplexador, os sinais são modulados e os resultados são combinados em um único sinal composto. Figura 2.24: Ilustração do processo de multiplexação Modulação Na DTV a modulação converte um sinal codificado em um formato adequado pra realização do broadcast sobre um meio de transmissão. Pode-se elevar a freqüência do sinal e possibilita também a adaptação do comprimento da onda à dimensão das antenas usadas na transmissão. Existem diversos tipos de modulação para sinais digitais, e os mais utilizados são o Phase-Shift Keying, Quadrature Phase Shift Keying, Quadrature Amplitude Modulation, Vestigial Sideband Modulation e Coded Orthogonal Frequency Division Multiplexing. A seguir são apresentados detalhes destas técnicas (Nascimento, 2000):

46 Phase-Shift Keying (PSK) Tipo de modulação que em sua forma mais simples utiliza apenas 2 fases para a codificação do sinal e apresenta melhor imunidade contra ruídos. Possui excelente velocidade de transmissão e é muito utilizada em modems de média velocidade e rádios digitais Quadrature Phase Shift Keying (QPSK) Classe que pode modular dois ou mais bits de cada vez, utilizando para isso um modelo bidimensional usando duas portadoras de mesmas frequência. Assim dois bits podem ser modulados de forma simultânea, porém independente Quadrature Amplitude Modulation (QAN) É uma classe de modulação muito semelhante à QPSK, com as principais diferenças: amplitude do sinal variável, menor taxa de erros, maior velocidade de modulação. Seu uso fica mais complicado por exigir amplificadores lineares no equipamento de transmissão Vestigial Sideband Modulation (8-VSB) Sistema que utiliza uma arquitetura de camadas para imagem, compressão de áudio e vídeo, transporte e transmissão. Utiliza portadoras de freqüência simples, muito semelhante às televisões analógicas convencionais (FCC, 1999) Coded Orthogonal Frequency Division Multiplexing (COFDM) É um sistema baseado no ODFM, que utiliza múltiplas portadoras onde um bitstream é dividido em fluxos menores e não há interferência entre os mesmo, pois existe um espaçamento de freqüência adequado. Cada subportadora é modulada utilizando técnicas de QAN ou QPSK. Podem ser usadas técnicas de codificação (o C de ODFM) para melhorar o

47 44 desempenho. Este modelo trabalha com uma Single Frequency Network (SFN), onde vários transmissores operam na mesma freqüência, mas não causam interferência entre si e tem uma utilização eficiente do espectro de transmissão com uma ampla área de cobertura (FCC, 1999). 2.8 Middleware Um middleware funciona como uma camada de software que trabalha entre um sistema operacional e uma aplicação fornecendo abstração dos recursos e bibliotecas de funções. Isso facilita o desenvolvimento de aplicações porque ele trabalha com a heterogeneidade das informações e dados de diferentes plataformas e protocolos de comunicação, escondendo detalhes da programação de baixo-nível. Para disponibilizar funções não nativas, o middleware geralmente trabalha em conjunto com uma Application Programming Interface (API) A arquitetura básica de um middleware possui os elementos apresentados na Figura Figura 2.25: Arquitetura básica de um middleware. Cada elemento pode ser descrito como: Recursos: refere-se ao hardware do sistema. Sistema Operacional: um Sistema Operacional de Tempo Real (RTOS). Middleware: disponibiliza uma visão abstrata dos recursos, trabalhando em conjunto com o sistema operacional gerenciando as aplicações.

48 45 API: uma interface que disponibiliza serviços para as aplicações. Aplicações: são os softwares criados para serem executados pelo middleware. Uma API é utilizada pelas aplicações para se comunicar com o middleware. Ela utiliza bibliotecas com funções que podem ser usadas por uma aplicação, provendo uma ligação transparente entre as chamadas da aplicação e as rotinas necessárias para execução de um comando, normalmente gerenciadas por um sistema operacional (Pc Magazine, 1998). Na televisão digital, podem ser utilizados diferentes paradigmas para desenvolvimento do código de uma aplicação. Dentre estes paradigmas, destacam-se o declarativo e o procedural, onde a utilização de um ou outro dependerá da complexidade da aplicação. O conceitos de ambos pode ser definido como: Declarativo: onde o programador determina a lógica do programa e não descreve fluxo do programa. Assim o programador concentra-se na lógica da aplicação, descrevendo o que ele deve realizar. Procedural: utiliza rotinas, sub-rotinas, métodos, ou funções que contém um conjunto de passos a serem realizados. Assim um método pode ser chamado por outros métodos a qualquer momento dentro da aplicação, inclusive por ele mesmo. Um middleware pode ser considerado o núcleo de um receptor de televisão digital. Ele isola as aplicações dos recursos, oferecendo uma API para ser utilizada nas aplicações interativas. Sua função em um receptor de televisão é semelhante à de um sistema operacional no computador. Ter um subsistema de segurança é importante para garantir uma operação confiável em terminais de televisão digital, podendo para isso explorar métodos de criptografia e autenticação. Esse subsistema de segurança deve abranger várias áreas (Zhang, 2007): Políticas de segurança para as aplicações. Autenticação e privacidade para o Canal de Retorno. Autenticação do código fonte do aplicativo. Códigos de criptografia. Assinatura digital. Certificados de segurança.

49 46 A segurança dos conteúdos é algo crítico nos sistemas digitais. Os softwares e hardwares usados para transmissão e recepção dos sinais digitais devem garantir a proteção de direitos autorais, impedindo que cópias não autorizadas sejam realizadas, mantendo assim as informações seguras. Para DTV, podem ser utilizadas as seguintes técnicas (Weber, 2006): High-bandwidth Digital Content Protection (HDCP). Digital Transmission Content Protection (DTCP). Content Protection for Recordable Media (CPRM). Video Content Protection System (VCPS). Macrovision system. Copy Generation Management System-Analog (CGMS-A). Watermarks. 2.9 Interatividade O canal de interatividade pode ser interpretado como um sistema que permite o usuário interagir enviando e recebendo informações e solicitações as emissoras/programadoras, que podem ser um provedor serviço, provedor de conteúdo, provedor de rede ou até outros usuários. A interatividade necessita de um canal de retorno e uma interconexão das redes de televisão com redes de telecomunicações também é necessária. O esquema simples de um canal de interatividade pode ser visualizado na Figura Essa teoria cria dois canais de comunicação (Manhães, 2005): Canal de Descida (downlink): estabelece a comunicação do sentido emissoras/programadoras para os usuários. Constituído pelos canais de radiodifusão utilizando a comunicação do canal broadcast ou unicast. Canal de Retorno (uplink): qualquer tecnologia de rede de acesso de telecomunicações que estabeleça a comunicação no sentido dos usuários para as emissoras/programadoras. Inclusive pode ser usado o mesmo canal de broadcast das emissoras.

50 47 Figura 2.26: Esquema simples de uma canal de interatividade. A interatividade e os novos serviços oferecidos pelo conceito digital levam o telespectador ao patamar de usuário, pois os mesmos podem participar e interagir com as emissoras ou empresas que disponibilizarem o serviço. A seguir, são apresentados alguns dos tipos de serviços interativos que podem ser utilizados no sistema de televisão digital. Cada um varia em relação ao nível interação da emissora/programadora e o usuário. Muitos deles, inclusive, já estão em uso (Crinon, 2006): Electronic Programming Guide (EPG): A disponibilidade de um Guia de Programação Eletrônica possibilita ao usuário visualizar informações de programação de um canal. Em um patamar mais acima, teoricamente também é possível programar seu STB para gravação dos programas de acordo com o EPG. Enhanced TV: Onde os usuários poderão interagir com as emissoras através da própria televisão. Individualized TV: oferece ao usuário um nível personalizado de interatividade. Internet TV: disponibiliza acesso a internet pela televisão. Vídeos On Demand (VoD): Os usuários poderão escolher entre diferentes tipos e programas de TV disponíveis, transmitindo-o em tempo real ou transferindoo para alguma mídia de armazenamento. Anúncios Comerciais: O usuário poderá ver detalhes de um produto anunciado caso seja do seu interesse. T-Commerce (T-commerce): é o tradicional e-commerce, só que utilizando a televisão.

51 3 PADRÕES DE TELEVISÃO DIGITAL Atualmente, três sistemas têm destaque como sendo principais para a DTV no mundo: o Advanced Television System Committee (ATSC), o Digital Video BroadCasting (DVB) e o Integrated Services Digital Broadcasting (ISDB). A Tabela 3.1 exibe as principais especificações de cada sistema para o modelo de transmissão terrestre (T - Terrestrial) (ATSC, 2010; DVB, 2003; ISDB, 2008). Tabela 3.1: Especificações dos principais sistemas de televisão digital. ATSC DVT-T ISDB-T Vídeo MPEG-2 MPEG-2 MPEG-2 Áudio DOLBY AC-3 MPEG2-ACC MPEG2-ACC Modulacão 8-VSB COFDM COFDM Middleware DASE MHP ARIB Interatividade SIM SIM SIM Principais Objetivos HDTV Interatividade, Multicasting HDTV, Recepção Portátil/Móvel A Figura 3.1 resume a arquitetura disponível para sistemas de televisão digital terrestre, de acordo com os padrões utilizados pelo mundo. Figura 3.1: Arquitetura disponível para sistemas de televisão digital terrestre. Além dos padrões para transmissões terrestres, as normas dos sistemas ATSC, DVB e ISDB abrangem a definição de requisitos padrões para transmissão e recepção de sinais em diferentes meios, sendo estes expostos na Tabela 3.2.

52 49 Tabela 3.2: Padrões de transmissão e recepção dos sistemas ATSC, DVB e ISDB. Cabo Satélite Dispositivos Móveis/Portáteis ATSC ATSC -- ATSC-M/H DVB DVB-C DVB-S DVB-H ISDB ISDB-C ISDB-S 1 seg Apesar da definição dos padrões abrangerem as definições citadas na Tabela 3.2, elas são mostradas para efeitos de conhecimento. Entretanto não serão detalhadas por não ser o foco do presente trabalho. 3.1 ATSC O sistema de transmissão digital ATSC 8-VSB é o padrão para transmissão digital utilizado pelos Estados Unidos desde O trabalho para normalização do padrão foi realizado por grandes organizações, citando como principais a Grand Aliance (GA), a Federal Communications Commission (FCC) e o Advanced Television Systems Committee (ATSC) (Sgrignoli, 2007). O padrão também é utilizado pelo Canadá, México, Costa Rica, Republica Dominicana, Guatemala, El Salvador, Honduras, Nicarágua, Porto Rico, Coréia do Norte e Coréia do Sul (ATSC, 2010). A codificação de áudio e vídeo no padrão ATSC utiliza o padrão MPEG-2. Logo, vídeos para serem transmitidos em ATSC devem ser codificados de acordo com as recomendações do padrão MPEG-2. Em julho de 2008 foi adicionado suporte ao padrão de vídeo H.264/AVC. Os formatos de vídeos permitidos para o ATSC são mostrados na Tabela 3.3 (ATSC, 2009). Tabela 3.3: Formatos de vídeo permitidos para o ATSC. Resolução Razão de Aspecto Varredura 1080 x :9 Progressiva/Intercalada 720 x :9 Progressiva 480 x 704 4:3 / 16:9 Progressiva 480 x 640 4:3 Progressiva

53 50 A modulação utilizada para transmissões terrestres é a 8-VSB. O ATSC utiliza um espectro com maior eficiência e menos potência de pico (Lee, 2004). Uma representação do sistema básico de transmissão do padrão ATSC é mostrado na Figura 3.2. Figura 3.2: Sistema básico de transmissão ATSC. O middleware para interatividade do ATSC é o DTV Application Software Environment (DASE). Aplicações DASE podem aproveitar o paradigma declarativo ou procedural. Aplicações que utilizam o paradigma declarativo podem usar XHTML, Cascading Style Sheets (CSS), ECMA Script e DOM. Podem ser utilizadas imagens nos fomatos: Portable Network Graphics (PNG), JPEG e Multiple-image Network Graphics (MNG), tecnologias normalmente utilizadas na web. Aplicativos procedurais tem como base a linguagem Java, se aproveitando das extensões Java2 Micro Edition (Java2ME), Java Media Framework (JMF) e a API JavaTV. A interface de usuário é disponibilizada através do Home Audio Video Interoperability (HAVi) (DASE, 2003). 3.2 DVB-T O Digital Video Broadcasting (DVB) é o nome dado ao padrão transmissão de televisão digital da Europa. Este padrão foi criado em três etapas, sendo que a primeira foi concentrada no desenvolvimento de técnicas e especificações para transmissão de áudio e vídeo. O trabalho sobre o DVB é orientado segundo as necessidades comerciais das organizações que englobam a associação e foi trabalhado pensando em (Reimers, 2006): Permitir transmissões de programa com definição padrão SDTV. Transmissões com conteúdo de baixo custo para aparelhos portáteis, garantindo recepção estável. Transmissões de alta qualidade para receptores móveis.

54 51 Estabilidade na recepção em sua área de cobertura. Inicialmente, foi escolhido o padrão MPEG-2 na codificação de vídeo e áudio para transmissões no DVB. Em 2004 foi adicionado suporte ao H.264/AVC e áudio AAC do MPEG-4. O padrão de modulação utilizado no sistema é o COFDM. Os estudos para o desenvolvimento de um middleware que permitisse a execução de aplicações independentes de prestadores de serviço, fornecedores de equipamentos ou desenvolvedores deu vida ao Multimedia Home Platform (MHP). A arquitetura básica do MHP é ilustrada na Figura 3.3. O MHP possui uma arquitetura que em seu mais alto nível, no modelo procedural, utiliza uma máquina virtual Java (Java Virtual Machine - JVM) para fornecer interfaces de programação para as aplicações e tem como adicional a API PersonalJava, desenvolvida para suprir necessidades da televisão digital. Para o modelo declarativo o MHP pode executar aplicações baseadas em tecnologias relacionadas à HTML, chamada de DVB-HTML. (Reimers, 2006). Figura 3.3: Arquitetura básica do middleware MHP. Um padrão de televisão digital, ainda que não esteja em conformidade com o DVB pode utilizar o MHP através da especificação Globally Executable MHP (GEM), que define funcionalidades comuns que são independentes de maneiras de transmissão e permite escrever aplicações para o mesmo. (Reimers, 2006). 3.3 ISDB-T O Integrated Services Digital Broadcasting for Terrestrial Television (ISDB-T) é o sistema padrão de televisão digital utilizado no Japão. Tem suas normas descritas pelo Digital

55 52 Broadcasting Experts Group (DiBEG) e é um dos mais avançados sistemas para televisão digital terrestre existentes. O serviço de transmissão terrestre começou a funcionar em dezembro de 2003 e o interrompimento dos serviços analógicos está datado para Julho de Em Abril de 2006 o serviço 1-Seg, que transmite programação para dispositivos móveis/portáteis foi iniciado. Sua estrutura de transmissão é apresentada na Figura 3.4. Algumas características podem ser destacadas (ISDB, 2008): Transmissões Simultâneas: Serviços de transmissão em Alta Definição e para dispositivos móveis/portáteis. Alta qualidade: Utiliza o padrão MPEG-2 para codificação e multiplexação de áudio e vídeo. Serviços como HDTV, HDTV + SDTV, ou multi-canais SDTV são permitidos no padrão. Sistema robusto/flexível: Utiliza o sistema de transmissão OFDM com a tecnologia de Time Interleave. O resultado deste conjunto permite utilização de transmissores com menor potência, recepção com antena interna e recepção em serviços móveis/portáteis. Uso efetivo dos recursos de freqüência: Por adotar o OFDM, é possível construir redes SFN resultado uma redução dos recursos de freqüência de um transmissor. Mobilidade/Portabilidade: Podem ser transmitidos serviços para receptores fixos, móveis e portáteis. Figura 3.4: Estrutura de transmissão do ISDB-T. O esquema de modulação utilizado é o OFDM. O ISDB-T utiliza um método para segmentação de sua banda de transmissão conhecido com Band Segmented Transmission

56 53 (BST-OFDM), que possui 13 segmentos (camadas) distintos e cada um pode levar um conteúdo/programa diferente. Os dados podem ser codificados e modulados de maneira diferente e o modo com que a informação (áudio, vídeo e dados) é organizada permite uma transmissão hierárquica, onde receptores diferentes recebem e processam sinais gerando uma saída de acordo com suas características, nomeada de recepção parcial. (ARIB, 2005). O ARIB é o padrão de middleware estabelecido para transmissão/codificação de dados e nele existem duas especificações para execução de aplicações interativas. A especificação declarativa utiliza uma marcação baseada em XML, utilizando a linguagem Broadcast Markup Language (BML) e a especificação procedural baseia-se nas especificações do GEM (ARIB, 2004).

57 4 SISTEMA BRASILEIRO DE TELEVISÃO DIGITAL (SBTVD) O modelo de desenvolvimento do sistema para transmissão de televisão digital no Brasil levou em consideração, além das técnicas disponíveis pelo mundo, as particularidades de nosso país. Fatores como poder aquisitivo da população e capacidade financeira das empresas foram determinantes no estudo para desenvolvimento do padrão. 4.1 Histórico Foram realizados testes com os três principais padrões para transmissão de televisão digital terrestre existentes no mundo. Entre novembro de 1998 e maio de 2000, a Sociedade Brasileira de Engenharia de Televisão (SET), a Associação Brasileira de Emissoras de Rádio e Televisão (ABERT) e o Instituto Mackenzie realizaram testes em uma estação instalada em São Paulo, utilizando o ATSC, o DVB e o ISDB. Estes padrões foram avaliados de acordo com as condições brasileiras e mostraram que (SET, 2000): A modulação COFDM apresenta melhor desempenho em áreas com alta densidade populacional, permitindo uma transmissão com robustez e eficiência. Somente o COFDM permitiu 100% da recepção dos sinais dentro de um raio de 10km, permitindo a recepção em áreas não atendidas por sistema algum, atendendo áreas de sombra. Além destas, outras considerações são abordadas por (SET, 2000) e permitem concluir que a modulação COFDM é superior e mais adequada às condições brasileiras do que a 8- VSB, e o modelo ISDB atende melhor à realidade de nosso país. O decreto de número que instituía o projeto do Sistema Brasileiro de Televisão Digital (SBTVD) foi publicado em 26/11/2003 e tem por finalidades (entre outras): Promover a inclusão social, a diversidade cultural do País e a língua pátria por meio do acesso à tecnologia digital, visando à democratização da informação. Estimular a pesquisa e o desenvolvimento e propiciar a expansão de tecnologias brasileiras e da indústria nacional relacionadas à tecnologia de

58 55 informação e comunicação. Planejar o processo de transição da televisão analógica para a digital, de modo a garantir a gradual adesão de usuários a custos compatíveis com sua renda. Estabelecer ações e modelos de negócios para a televisão digital adequados à realidade econômica e empresarial do País. Incentivar a indústria regional e local na produção de instrumentos e serviços digitais. O CPqD apresentou um relatório com as recomendações diante do resultado final da análise dos sistemas de televisão digital terrestre e propôs um Modelo de Referência para introdução do Sistema Brasileiro de Televisão Digital Terrestre. O relatório foi disponibilizado em fevereiro de O modelo instancia uma análise baseada em três dimensões (CPqD, 2006a): Socioeconômica: diz respeito às necessidades e sensibilidades com relação a preço final para o usuário, visando o critério do baixo-custo. Tecnológica: esboça um panorama dos sistemas em funcionamento pelo mundo com base nos estudos de qual sistema é pertinente à realidade brasileira. Político-reguladora: mostra o levantamento sobre as leis que incidem sobre o setor de televisão. Por fim, em junho de 2006 foi publicado o decreto que estabelece diretrizes para a transição do sistema de transmissão analógica para o sistema de transmissão digital do serviço de radiodifusão de sons e imagens (Casa Civil, 2006). O decreto dispõe sobre a implantação do Sistema Brasileiro de Televisão Digital Terrestre (SBTVD-T) e estabelece: O acesso ao SBTVD-T é assegurado, ao público em geral, de forma livre e gratuita. O SBTVD-T deve adotar como base o padrão de sinais do ISDB-T. O Comitê de Desenvolvimento deve fixar as diretrizes para elaboração das especificações técnicas a serem adotadas no SBTVD-T. O Comitê de Desenvolvimento deve promover a criação de um Fórum do SBTVD-T para assessorá-lo acerca de políticas e assuntos técnicos referentes à aprovação de inovações tecnológicas, especificações, desenvolvimento e implantação do SBTVD-T.

59 56 O Fórum do SBTVD-T é ser composto, entre outros, por representantes do setor de radiodifusão, do setor industrial e da comunidade científica e tecnológica. O decreto ainda estabelece os três pontos de alicerce para o desenvolvimento do padrão brasileiro, sendo eles: Transmissão digital em alta definição (HDTV) e em definição padrão (SDTV). Transmissão digital simultânea para recepção fixa, móvel e portátil. Interatividade. Conforme amplamente divulgado pela mídia em geral, o dia 2 de Dezembro de 2007 marcou o início das transmissões digitais no Brasil. Neste início a interatividade foi deixada para um segundo plano. Inicialmente, somente a região da Grande São Paulo recebeu os sinais digitais, contudo existe um cronograma onde está previsto o aumento gradativo do número de localidades que receberão o sinal digital. Atualmente, o sistema digital de televisão ainda não é realidade para a maioria da população brasileira, sendo que apenas algumas cidades de poucos estados são atendidas. Elas são mostradas na Tabela 4.1. O cronograma oficial para implantação do SBTVD é apresentado na Figura 4.1 (DTV, 2008a). Tabela 4.1: Cidades brasileiras onde está disponível a transmissão digital. UF Cidades AM BA CE DF ES GO MG MS MT PA Manaus Salvador Fortaleza Brasília Vitória Goiânia Belo Horizonte, Uberlândia Campo Grande Cuiabá Belém

60 57 PB PE PI PR RJ RN RS SC SE SP João Pessoa Recife Teresina Curitiba e Londrina. Rio de Janeiro Natal Porto Alegre Florianópolis e Joinville. Aracaju São Paulo, Campinas, São José do Rio Preto, Sorocaba, Santos e Ribeirão Preto Figura 4.1: Cronograma de implantação do sistema digital no Brasil (DTV, 2008a). De acordo com o cronograma apresentado, as cidades que possuem retransmissoras e não são capitais terão até junho de 2013 para iniciar as transmissões no sistema digital. O modelo analógico tem data prevista de 29/06/2016 para encerramento das transmissões. As melhorias incrementadas ao ISDB-T pelo Brasil chamaram a atenção de alguns países da América. Peru, Chile, Argentina, Venezuela, Equador e Costa Rica já adotaram o SBTVD como sistema padrão de televisão digital. É provável que outros países da América Latina também façam o mesmo, garantindo a integração e a facilidade de suprimento de peças, equipamentos e soluções para o mercado de TV digital. Para alcançar esse objetivo o Fórum SBTVD e o governo brasileiro têm trabalhado em conjunto, realizando demonstrações

61 58 do sistema em várias nações do continente. O trabalho que envolve o SBTVD se destaca, pois pela primeira vez no mundo o desenvolvimento e implementação de um sistema de TV digital foi dado por meio de parceria entre emissoras de TV, fabricantes de transmissores, de receptores, a indústria de software, universidades, centros de pesquisa e o Governo Federal. (DTV, 2008b). 4.2 Visão Geral O SBTVD é baseado nas recomendações do ITU, as mesmas usadas para os padrões ATSC, DVB e ISDB. De maneira geral, o sistema possui dois blocos definidos, apresentados na Figura 4.2: (1) Difusão e Acesso e (2) Terminal de Acesso. A parte de Difusão e Acesso é constituída pelos módulos referentes à codificação e multiplexação das informações a serem transmitidas. Após a codificação, os sinais são processados pela Camada de Transporte (TS - Transport Stream) gerando um único sinal. Logo após, os dados passam pela Codificação de Canal, Modulação e depois é transmitido. O Terminal de Acesso possui módulos que fazem o processamento reverso ao da Difusão e Acesso dos sinais recebidos por antenas receptoras (CPqD, 2006b). Figura 4.2: Diagrama de blocos do modelo de referência do SBTVD.

62 59 O SBTVD ainda conta com um Canal de Interatividade, composto por um Canal de Descida e um Canal de Retorno. No Terminal de Acesso, o middleware decodifica os dados e executa os softwares, o que permite serviços interativos na televisão digital. A estrutura da plataforma desenvolvida para o SBTVD permite uma análise dividindoo em subsistemas e para eles são definidas tecnologias, descritas a seguir (CPqD, 2006b): Transmissão e Recepção: para Difusão e Acesso, engloba a Codificação de Canal, Modulação e Transmissão. Para o Terminal de Acesso, engloba a Recepção, Demodulação e Decodificação de Canal. Codificação de Sinais de Fonte: engloba a Codificação de Vídeo, Codificação de Áudio e Codificação de Dados. Camada de Transporte: engloba Multiplexação e Demultiplexação. Middleware: a camada de software no Terminal de Acesso. Canal de Interatividade: formado pelo Canal de Descida e o Canal de Retorno, englobando a tecnologia e estrutura de redes de comunicação utilizadas. A codificação de vídeo no SBTVD digital utiliza os padrões MPEG-2 e H.264. Após a realização de intensivos testes se chegou à conclusão de que o híbrido MPEG-2 + H.264 é a melhor escolha. O baixo custo dos receptores e a alta escala de utilização mundial são as principais vantagens do MPEG-2. Para o H.264, levou-se em conta o desempenho e a perspectiva de evolução da tecnologia. Então para o sistema híbrido, a combinação baixo custo do MPEG-2 e alto desempenho do H.264 desenhou-se como ideal. Para transmissões de áudio em stereo é recomendada a utilização do MPEG-1 Layer II e nos fluxos de áudio multicanais é recomendado o MPEG-2 AAC. Na definição dos padrões para codificação de vídeo e áudio, os testes levaram em conta que a tecnologia pudesse disponibilizar com eficiência mais de uma programação por canal, inclusive em alta definição. Programas transmitidos em alta definição deverão obrigatoriamente ser disponibilizados também em definição padrão (CPqD, 2006a). A transmissão dos fluxos de vídeo, áudio e dados após a codificação deve ser feita utilizando a técnica de modulação COFDM-BST (Coded Orthogonal Frequency Division Multiplexing - Band Segmented Transmission), uma derivação da COFDM que divide o canal em segmentos. Para o padrão brasileiro são utilizados 13, onde cada um destes segmentos

63 60 pode levar um conteúdo/programação. Assim permite-se o uso eficiente do meio de transmissão, oferecendo conteúdo para diversos tipos de dispositivos, incluindo celulares e equipamentos portáteis. (FÓRUM SBTVD, 2008). A Figura 4.3 apresenta uma visão geral do sistema de transmissão do SBTVD. Figura 4.3: Visão geral do sistema de transmissão. O amplificador de potência é responsável por elevar a potência do sinal para cobrir uma área específica, contudo ele deve evitar distorções no sinal e restringir o sinal amplificado ao canal de origem, diminuindo interferência nos canais próximos. O middleware utilizado no Sistema Brasileiro de Televisão Digital foi batizado de Ginga e é resultado de pesquisas realizadas pela Pontíficia Universidade Católica do Rio de Janeiro (PUC-Rio) e pela Universidade Federal da Paraíba (UFPB). O Ginga é uma especificação aberta, de fácil aprendizagem e livre de royalties, possibilitando que qualquer programador produza conteúdo interativo, impulsionando a programação de TVs comunitárias, por exemplo. Com o desenvolvimento do Ginga, o Brasil se tornou o primeiro país a oferecer um conjunto de soluções em software livre para TV digital. O sistema é subdividido em três subsistemas principais interligados que permitem o desenvolvimento de aplicações seguindo dois paradigmas de programação diferentes. Dependendo das funcionalidades requeridas no projeto de cada aplicação, um paradigma será mais adequado do que o outro. Estes subsistemas são (DTV, 2008c): Ginga Common Core (Ginga-CC): oferece o suporte básico para os ambientes declarativos (Ginga-NCL) e procedural (Ginga-J), de maneira que suas principais funções sejam para tratar da exibição objetos de mídia. Ginga Nested Context Language (Ginga-NCL): disponibiliza uma infraestrutura de apresentação para aplicações declarativas escritas na linguagem NCL (Nested Context Language), baseado em XML, com facilidades para a especificação de aspectos de interatividade. Foi desenvolvido pela PUC-Rio.