UNIVERSIDADE ANHEMBI MORUMBI EVELYN BERNUY LEE ROSALES CRISPIN LUCIANO RIBEIRO ANÁLISE DE BANCOS DE DADOS COM SUPORTE À MULTIMÍDIA.

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1 1 UNIVERSIDADE ANHEMBI MORUMBI EVELYN BERNUY LEE ROSALES CRISPIN LUCIANO RIBEIRO ANÁLISE DE BANCOS DE DADOS COM SUPORTE À MULTIMÍDIA São Paulo 2009

2 2 EVELYN BERNUY LEE ROSALES CRISPIN LUCIANO RIBEIRO ANÁLISE DE BANCOS DE DADOS COM SUPORTE À MULTIMÍDIA Orientadora: Doutora Judith Virginia Pavón Mendoza Trabalho de Conclusão de Curso apresentado como exigência parcial para a obtenção de título de Bacharelado do Curso de Sistemas de Informação na Universidade Anhembi Morumbi. São Paulo 2009

3 3 EVELYN BERNUY LEE ROSALES CRISPIN LUCIANO RIBEIRO ANÁLISE DE BANCOS DE DADOS COM SUPORTE À MULTIMÍDIA Trabalho de Conclusão de Curso apresentado como exigência parcial para a obtenção de título de Graduação do Curso de Sistemas de Informação na Universidade Anhembi Morumbi. Aprovado em Prof. Universidade Anhembi Morumbi Prof. Universidade Anhembi Morumbi Prof. Universidade Anhembi Morumbi

4 4 AGRADECIMENTOS À nossa orientadora professora Doutora Judith Virginia Pavón Mendoza, pela ajuda, dedicação e excelentes contribuições acadêmicas. Aos professores Marcelo Alexandre Couto de Jesus, Augusto Mendes Gomes Jr. e Nelson Issamu Shimada por suas orientações sobre o texto e contribuições na definição da metodologia. Aos amigos Gustavo Kendi Tsuji e Ricardo Pereira da Silva por suas idéias e sugestões que foram de grande importância.

5 1 RESUMO A tecnologia de Sistemas Gerenciadores de Bancos de Dados encontra-se atualmente bastante madura e consolidada, porém, com a crescente demanda por conteúdo multimídia, fez-se necessário o desenvolvimento de novas formas e técnicas de armazenamento. Existem várias maneiras para gerenciar o conteúdo multimídia utilizado pelas aplicações, porém é importante conhecer as alternativas e recursos disponíveis. Este trabalho iniciou-se da necessidade de conhecer as alternativas de gerenciamento de dados multimídia pelo projeto XGov, projeto este onde a multimídia está amplamente presente, pois trata-se de um framework para o desenvolvimento de aplicações crossmedia. Com o objetivo de apresentar uma visão geral de algumas soluções e técnicas, será realizada uma análise comparativa de três SGBDs comerciais, abordando a avaliação de desempenho e também as funcionalidades e recursos presentes nestes produtos. A análise será realizada utilizando-se um protótipo de aplicação multimídia, buscando com isso representar uma situação próxima da realidade. Os resultados obtidos serão analisados e comparados para se obter uma visão geral das tecnologias e sistemas envolvidos. Palavras chave: Multimídia, Bancos de Dados, Oracle, SQL Server, PostgreSql

6 1 ABSTRACT There are many ways to manage the multi-media content used by applications, but is an important thing to know the alternatives and available resources. This work was started with the need to know the multi-media data management alternatives by XGov project, where multi-media content is widely present, by the fact that it is a framework to crossmedia applications development. With the objective to present an overview of some solutions and techniques, it will be executed a comparative analysis involving three commercial RDBMSs, with the performance evaluation and the functionalities and resources available in these products. The analysis will be executed by the use of a multi-media application prototype, looking with this to represent a situation next to the reality. The obtained results will be analyzed and compared to have an overview of technologies and related systems. Keywords: Multimedia, DataBase, Oracle, SQL Server, PostgreSql

7 1 LISTA DE FIGURAS Figura 1: Exemplos de mídias discretas e contínuas Figura 2: Exemplo de criação de tabela usando BFILE Figura 3: Exemplo de criação de tabela usando ORDImage Figura 4: Armazenamento no Oracle Multimedia Figura 5: Recuperação de metadados no Oracle Multimedia Figura 6: Criação de tabela usando o tipo FILESTREAM Figura 7: Criação de tabela usando o tipo VARBINARY Figura 8: Exemplo de criação de tabela usando o tipo IMAGE Figura 9: Criação de tabela utilizando o tipo bytea Figura 10: Criação de tabela utilizando o tipo oid Figura 11: Regra para remoção automática de OID Figura 12: Exemplo da utilização do conceito de checkpoint em Java Figura 13: Gráfico dos resultados da consulta Tipo A Figura 14: Gráfico dos resultados das consultas Tipo B e C para Imagens Figura 15: Gráfico dos resultados de armazenamento para Imagens Figura 16: Gráfico dos resultados das consultas Tipo A para Documentos Figura 17: Gráfico dos resultados de armazenamento para Imagens Figura 18: Gráfico dos resultados das consultas Tipo A para Vídeo... 55

8 11 LISTA DE TABELAS Tabela 1: Evolução dos Sistemas Multimídia Tabela 2: Comparativo entre as formas de armazenamento Tabela 3: Comparativo entre tipos de dados do Oracle Tabela 4: Relação Mídia/Tipo de Dado no Oracle Multimedia Tabela 5: Conjunto de atributos do tipo ORDSource Tabela 6: Metadados utilizados por diferentes tipos de mídia Tabela 7: Armazenamento e recuperação de dados do tipo oid Tabela 8: PostgreSql Large Objects API Tabela 9: Tipos de consultas para análise de desempenho Tabela 10: Consultas representativas para cada tipo Tabela 11: Especificação do ambiente para os testes Tabela 12: Divisão dos arquivos utilizados nos testes Tabela 13: Ordem de execução dos testes por tipo de dado Tabela 14: Ordem de execução dos testes por tipo de consulta Tabela 15: Tempos de execução para os testes do tipo de mídia Imagem Tabela 16: Resultados do teste de armazenamento para Imagens Tabela 17: Tempos de execução para os testes do tipo de mídia Documento Tabela 18: Resultados do teste de armazenamento para Documentos Tabela 19: Tempos de execução para os testes do tipo de mídia Vídeo Tabela 20: Tempos de execução para os testes do tipo de mídia Áudio... 56

9 1 LISTA DE ABREVIATURAS SGBD: Sistema Gerenciador de Bancos de Dados MPEG: Moving Picture Experts Group BLOB: Binary Large Object LOB: Large Object

10 2 SUMÁRIO 1 INTRODUÇÃO OBJETIVO JUSTIFICATIVAS ABRANGÊNCIA ESTRUTURAÇÃO DO TRABALHO MULTIMÍDIA EVOLUÇÃO DOS SISTEMAS MULTIMÍDIA CLASSIFICAÇÃO E TIPOS DE MÍDIA BANCOS DE DADOS MULTIMÍDIA TIPOS DE DADOS MULTIMÍDIA CARACTERÍSTICAS DOS DADOS MULTIMÍDIA ARQUITETURA DE UM SGBD MULTIMÍDIA METADADOS PADRÕES DE METADADOS Dublin Core Dublin Core Simples Dublin Core Qualificado MPEG Estrutura da norma MPEG TV-Anytime FORMAS DE ARMAZENAMENTO DE DADOS MULTIMÍDIA Armazenamento por referência externa Armazenamento por dados não interpretados Armazenamento por funções externas Armazenamento através de orientação a objetos PESQUISA E RECUPERAÇÃO DE DADOS MULTIMÍDIA SGBDS COM SUPORTE À MULTIMÍDIA ORACLE 11G LOB Externo LOB Interno Oracle Multimedia SQL SERVER

11 Filestream Campos BLOB VARBINARY IMAGE POSTGRESQL bytea oid AVALIAÇÃO DE DESEMPENHO EM SGBDS COM SUPORTE À MULTIMÍDIA BENCHMARKING DE BANCOS DE DADOS Índices de Desempenho METODOLOGIA Seleção do conjunto de consultas AMBIENTE PARA EXECUÇÃO DOS TESTES Preparação do Ambiente EXECUÇÃO DOS TESTES RESULTADOS ANÁLISE DE ARMAZENAMENTO E RECUPERAÇÃO DE IMAGEM ANÁLISE DE ARMAZENAMENTO E RECUPERAÇÃO DE DOCUMENTO ANÁLISE DE ARMAZENAMENTO E RECUPERAÇÃO DE VÍDEO ANÁLISE DE ARMAZENAMENTO E RECUPERAÇÃO DE ÁUDIO CONCLUSÕES E TRABALHOS FUTUROS... 58

12 11 1 INTRODUÇÃO A Multimídia vem se tornando cada vez mais presente na vida atual. A proliferação de dispositivos digitais como MP3 players, câmeras digitais, smart phones e TV digital, cresceu muito nos últimos anos, o que levou a uma grande demanda por conteúdo multimídia. Grande parte do conteúdo multimídia é criada através de dispositivos digitais, porém uma grande quantidade de conteúdo que se encontrava em formato analógico como fotografias, fitas magnéticas e discos de vinil, estão sendo digitalizados para que possam ser armazenados, compartilhados e utilizados por um grande número de pessoas em todo o mundo. Os sistemas de informação multimídia já são uma realidade. É muito mais fácil representar e transmitir informação através de conteúdo multimídia do que utilizando simplesmente caracteres alfanuméricos. Hoje, o uso da multimídia encontra aplicação em entretenimento, segurança, ecologia, astronomia, medicina, publicidade, jornalismo, finanças e artes, somente para citar alguns exemplos. Uma das dificuldades ao se trabalhar com conteúdo multimídia é o tamanho dos objetos multimídia. Dados multimídia como vídeos, podem facilmente ultrapassar os 100 MB. Somando-se a isso, existem as características próprias destes objetos como restrições temporais, como ocorre com o áudio e vídeo, além de uma infinidade de formatos, sem falar da natureza semântica dos dados multimídia. Atualmente existem vários Sistemas Gerenciadores de Bancos de Dados SGBD disponíveis no mercado que oferecem suporte à dados multimídia, porém, ainda existe um grande número de aplicações que utilizam sistema de arquivos como forma principal de armazenamento. Alguns dos problemas desta abordagem é a necessidade da implementação de mecanismos adicionais ao sistema como busca, recuperação, armazenamento dos dados, controle transacional e backup para citar alguns exemplos. 1.1 OBJETIVO O objetivo deste trabalho é realizar uma análise do gerenciamento de dados multimídia em SGBDs com suporte à multimídia, abordando o armazenamento e recuperação de objetos multimídia. Também é apresentada uma análise comparativa entre três SGBDs de uso comercial com o objetivo de mostrar suas características, recursos e tipos de dados disponíveis.

13 JUSTIFICATIVAS O uso de dados multimídia em sistemas de informação tem crescido muito nos últimos anos e a tendência é continuar crescendo. Apesar de já existirem no mercado SGBDs com suporte à multimídia, muitas empresas não conhecem todas suas funcionalidades ou acreditam que a utilização deste irá prejudicar o desempenho do sistema, preferindo assim manter todo seu conteúdo multimídia fora do SGBD. É importante conhecer os serviços fornecidos pelos produtos comerciais destinados ao gerenciamento de documentos multimídias, tais como o são os SGBDs multimídia. Da mesma forma, entender qual é o desempenho destes SGBDs para que seja possível escolher quais destes podem prover solução ao gerenciamento da base de dados multimídia do cliente. 1.3 ABRANGÊNCIA Este trabalho consiste na análise detalhada de duas formas de armazenamento de dados multimídia que são: a) Armazenamento através de campos BLOB. b) Funções externas. Para esta análise serão utilizados os SGBDs Oracle 11g, Microsoft SQL Server 2008 e PostgreSql, detalhando em cada caso os recursos multimídia disponíveis e suas características. A realização dos testes comparativos será baseada na metodologia de Demurjian (1985) tendo como base um protótipo de uma aplicação de biblioteca digital contendo no total objetos multimídia. 1.4 ESTRUTURAÇÃO DO TRABALHO O trabalho está apresentado da seguinte forma: No Capítulo 2 são apresentados os conceitos básicos sobre multimídia, sua classificação e a evolução dos sistemas multimídia. No Capítulo 3 apresentamos os conceitos sobre Sistemas Gerenciadores de Bancos de Dados Multimídia e os Tipos de Dados Multimídia detalhando a evolução destes sistemas, suas principais características e a situação atual; Metadados e uma descrição dos padrões de

14 13 metadados mais utilizados; Finaliza-se com os conceitos sobre Armazenamento e Gerenciamento de Dados Multimídia. No Capítulo 4 apresentamos uma análise dos recursos multimídia do Oracle 11g, SQL Server 2008 e PostgreSql. O Capítulo 5, trata da avaliação de desempenho nos SGBDs com suporte a multimídia selecionados, apresentando as técnicas e padrões para análise de desempenho. O ambiente e a metodologia e utilizada também serão descritos neste capítulo. O Capítulo 6 apresenta os resultados e conclusões obtidas após a realização dos testes, detalhando estes resultados e apresentando sugestões para trabalhos futuros, como melhorias e possíveis extensões do trabalho.

15 14 2 MULTIMÍDIA Em 1959, surgiu a primeira referência ao termo multimídia, na área da Educação, especificamente no livro Instructional Media and Methods de Brown, segundo descrevem Clark e Creig (1992). Multimídia surge da justaposição dos termos: multi + media, que significa vários meios ou formatos como imagem, vídeo, áudio, entre outros. Hoje a multimídia é empregada largamente, desde computadores, dispositivos eletrônicos, TV interativa, jogos, e-commerce dentre outras aplicações. A vasta lista de aplicações potenciais é a principal razão da popularidade dos sistemas multimídia (MANDAL, 2003). 2.1 EVOLUÇÃO DOS SISTEMAS MULTIMÍDIA A Tabela 1 mostra a evolução dos sistemas multimídia. O jornal, no qual são usados basicamente texto, imagens e gráficos, foi provavelmente o primeiro meio de comunicação em massa sendo sucedido pelo rádio no final da década de Com a introdução do cinema e da televisão, a natureza da comunicação em massa foi novamente modificada, trazendo o vídeo para o público. A atual tecnologia multimídia se tornou popular no começo da década de 1990 devido à redução dos preços dos computadores pessoais, redes de alta velocidade e protocolos de hipertexto (MANDAL, 2003). Ano Era Pré-Computador Final da década de 1890 Começo da década de 1900 Década de 1940 Década de 1960 Começo da década de 1980 Tabela 1: Evolução dos Sistemas Multimídia. (MANDAL, 2003) Evento Jornal, rádio, televisão e cinema foram os meios primários de comunicação em massa. Rádio Cinema Televisão Desenvolvimento do conceito de sistemas de hipertexto Computador pessoal 1983 Nascimento da Internet 1990 Tim Berners Lee propõe a World Wide Web. O HTML é desenvolvido Presente Desenvolvimento de padrões de codificação para imagens, áudio e vídeo. Meados da década de 1990 Estabelecimento de padrão para TV de alta definição Presente Desenvolvimento de web browsers e linguagens de marcação.

16 CLASSIFICAÇÃO E TIPOS DE MÍDIA Literalmente, qualquer sistema que suporte duas ou mais mídias deveria ser chamado de sistema multimídia. Usando esta definição, um jornal é uma apresentação multimídia porque inclui texto e imagens para a ilustração. De acordo com Mandal (2003), é possível classificar Mídia nos seguintes elementos: a) Mídia de Percepção: Em um ambiente multimídia típico, a informação é apresentada para pessoas, por exemplo, em um cinema. As mídias de percepção são aquelas onde os cinco sentidos do ser humano podem ser explorados, entretanto a maioria dos sistemas multimídia envolve apenas a visão e a audição. A tecnologia necessária para explorar o tato, olfato ou o paladar ainda não está desenvolvida o suficiente. Existem trabalhos em andamento com o objetivo de incluir o olfato e paladar em sistemas multimídia, porém há a necessidade de maiores avanços para tornar esta tecnologia mais conveniente e de melhor custo-benefício. b) Mídia de Representação: Neste tipo, a mídia é caracterizada por uma representação interna em um computador, ou seja, como a informação é codificada. Por exemplo, caracteres texto podem ser representados em ASCII; sinais de áudio podem ser representados por amostras PCM; imagens podem ser representadas pelos formatos PCM ou JPEG; e vídeos podem ser representados no formato PCM ou MPEG. c) Mídia de Apresentação: Caracteriza os dispositivos e equipamentos utilizados para entrada e saída da informação. São exemplos de mídia de apresentação o monitor, mouse, microfone, teclado, caixa de som, etc. d) Mídia de Armazenamento: Se refere à forma de armazenamento, ou seja, onde a informação é armazenada. Papel, microfilme, disco rígido, CD e DVD são alguns exemplos de mídia de armazenamento. e) Mídia de Transmissão: Se refere ao meio utilizado para transmitir a informação. As mídias de transmissão podem ser divididas em mídias guiadas e mídias não guiadas. Fibra ótica, cabo coaxial e o ar são exemplos de mídia de transmissão. f) Mídia Discreta/Contínua: As mídias podem ainda ser divididas em dois tipos: Independentes do tempo ou mídias discretas, e dependentes do tempo ou mídias contínuas. Para as mídias discretas como texto e gráficos, o processamento e apresentação dos dados não é um fator crítico em relação ao tempo, ao contrário das mídias contínuas onde o tempo é um fator crítico. É importante observar que outros

17 16 sinais também podem ser considerados mídias contínuas. Alguns exemplos são: a fumaça, em um ambiente onde exista sensores de fumaça; a pressão do ar, ou ainda a temperatura. Figura 1: Exemplos de mídias discretas e contínuas (MANDAL, 2003).

18 17 3 BANCOS DE DADOS MULTIMÍDIA Os SGBDs são essenciais no cotidiano moderno. É enorme a quantidade de aplicações que utilizam SGBDs para o gerenciamento de dados. São largamente empregados para o gerenciamento de dados estruturados, como em aplicações financeiras ou sistemas de informações gerenciais. Estas aplicações são alguns exemplos do que se pode denominar de aplicações tradicionais de bancos de dados, devido ao fato da maioria dos dados armazenados e acessados serem de formato textual ou numérico (ELMASRI e NAVATHE, 2005). Com os avanços da tecnologia, o surgimento da internet e a necessidade por aplicações multimídia, dados como áudio, vídeo e imagens se tornaram bastante utilizados ocasionando na criação de grandes coleções de conteúdo multimídia e consequentemente surgindo uma necessidade de gerenciamento eficiente deste conteúdo. No surgimento das primeiras aplicações multimídia, os SGBDs convencionais já constituíam uma tecnologia bastante madura, porém, para gerenciar dados multimídia, algumas adaptações foram realizadas, como criação de novos tipos de dados e técnicas de armazenamento e recuperação (FRANÇA, 2005). Um SGBD Multimídia provê suporte para o armazenamento, manipulação e recuperação de dados multimídia como áudio, vídeo, imagens e documentos. Além disso, preserva propriedades e serviços básicos já estabelecidos nos SGBDs convencionais como independência e integridade dos dados, gerenciamento de transações, segurança e acesso multi-usuário. A mudança de paradigma na representação da informação leva a vários problemas a serem gerenciados pelos SGBDs multimídia (FURHT, 1998) tais como: a) Para que o gerenciamento dos dados multimídia seja eficiente, é necessário que a estrutura interna do dado ou seu conteúdo seja interpretado, ao menos parcialmente. Isso é verdadeiro para o processamento interno (nível físico) e modelagem do dado (nível lógico). Por exemplo, no nível físico, a estrutura sequencial de um tipo de dado dependente do tempo como áudio pode ser explorada para armazenamento ou buffering; No nível lógico, o conteúdo do dado pode ser aproveitado para recuperação. b) Do ponto de vista funcional, o SGBD multimídia deve suportar a apresentação do conteúdo multimídia para o usuário. Alguns tipos de dados, como áudio e vídeo, são dependentes do tempo ou são apresentados de uma maneira em que o tempo seja uma

19 18 restrição. Comparado aos SGBDs convencionais, este problema requer mecanismos para suportar a apresentação de dados onde há restrição temporal ou interatividade. c) De uma perspectiva técnica, as propriedades características de dados multimídia levam a um número de requisitos específicos de processamento de dados que são bastante diferentes dos SGBDs convencionais. Dados multimídia são volumosos e a distribuição destes também é um problema relevante. Mecanismos para o manuseio de dados contínuos como áudio e vídeo, e o suporte à sincronização e interação são necessários. Os SGBDs multimídia ainda se encontram em evolução. Existem muitos desafios a serem vencidos e dentre todos, a recuperação baseada no conteúdo parece ser um dos mais difíceis. Enquanto que nos SGBDs convencionais as consultas são realizadas utilizando-se linguagem baseada em palavras chave e comparações numéricas, os SGBDs multimídia necessitam de um mecanismo de recuperação avançado (SHIH, 2002). As atuais abordagens para recuperação de imagens, por exemplo, utilizam parâmetros como textura, forma, orientação e relações espaciais, sendo que todos estes parâmetros podem ser extraídos da imagem. Entretanto, o resultado consiste em um conjunto de imagens similares ao invés de um resultado específico. No caso de dados contínuos, o problema se torna ainda maior, pois não se trata apenas dos objetos contidos no vídeo, mas também o tempo de movimento destes objetos. 3.1 TIPOS DE DADOS MULTIMÍDIA De acordo com Chen (2005), é possível classificar os tipos de dados multimídia em: a) Texto: É o mais popular dos tipos de mídia. Está distribuído pela internet através de diversas formas, incluindo arquivos ou mensagens usando diferentes protocolos de transporte como FTP, HTTP e SMTP. Texto é representado na forma binária nos conjuntos de caracteres 7-bit US-ASCII, 8-bit ISO-8859, 16-bit Unicode ou 32-bit ISO 10646; dependendo da linguagem escolhida ou país de origem. Os requisitos de largura de banda deste tipo de dado dependem principalmente do seu tamanho, o qual pode ser facilmente reduzido usando técnicas de compressão comuns (Solomon, 1998). Aplicações que utilizam o texto como mídia primária, como Web Browser e E- Mail, não possuem restrições temporais, como tempo de atraso ou jitter.

20 19 b) Áudio: É qualquer som ou voz convertido na forma digital utilizando técnicas de amostragem e quantização. O Áudio digitalizado é geralmente transmitido através de streaming por uma rede. Neste caso, a perda de 1% a 2% de pacotes é aceitável, não ocasionando muita degradação. Hoje a maioria das aplicações que utilizam áudio, possui mecanismos para gerenciar o problema da perda de pacotes, utilizando técnicas avançadas de interpolação. A restrição temporal do áudio depende estritamente da interatividade esperada entre as partes envolvidas. Por exemplo, aplicações de telefonia baseadas na internet requerem tempos de respostas mais curtos. c) Imagem: Representa fotografias, desenhos ou pinturas digitalizadas. A qualidade da imagem digitalizada determina seu tamanho. Uma imagem descompactada, digitalmente codificada, consiste em uma matriz de pixels, onde cada pixel é codificado em um número de bits para representar luminosidade e cor. As imagens, assim como texto não possuem restrições temporais. d) Gráfico: Representa desenhos ou outras imagens baseadas em dados ou informações. e) Vídeo: É uma sequência de imagens digitalizadas ou frames, apresentadas em uma taxa. Assim como o áudio, o vídeo pode ser transmitido pela rede como streaming. O número de frames por segundo depende do padrão empregado. O padrão NTSC utiliza 30 frames por segundo enquanto o padrão PAL utiliza 25 frames por segundo. As restrições temporais e requisitos de perda de pacote são similares ao áudio. f) Animação: São sequências de imagens ou gráficos, delimitados em um espaço de tempo. Podem ou não utilizar áudio. Um exemplo deste tipo de dado são as animações produzidas com o software Adobe Flash. 3.2 CARACTERÍSTICAS DOS DADOS MULTIMÍDIA Os dados multimídia são diferentes por natureza dos tradicionais dados de formato texto ou numérico. As características dos dados multimídia causam impactos diretos ou indiretos no design do SGBD multimídia. Dados multimídia geralmente requerem grandes volumes de memória e armazenamento. Um arquivo de vídeo pode chegar facilmente a ultrapassar os 100MB. Em uma aplicação real, milhares de arquivos de diferentes formatos multimídia podem ser armazenados. O SGBD multimídia necessita ter mecanismos de armazenamento sofisticados, que também devem ser de custo sensato (SHIH, 2002).

21 20 As operações aplicadas a objetos multimídia também são diferentes. Por exemplo, apresentar uma imagem ou vídeo é diferente de apresentar um parágrafo de texto. Alguns tipos de dados multimídia como áudio, vídeo e animações possuem restrições temporais que implicam na forma de armazenamento, manipulação e apresentação. O problema se torna mais agudo quando é necessário apresentar vários dados de tipos diferentes em um período de tempo determinado (DACHEV et al, 2000). A representação de dados multimídia como imagens também é um problema para a recuperação de informação devido às limitações da descrição textual e a grande quantidade de informação disponível. As limitações da descrição textual também implicam na necessidade de acesso baseado no conteúdo (DACHEV et al, 2000). 3.3 ARQUITETURA DE UM SGBD MULTIMÍDIA três camadas: De acordo com Shih (2005), a arquitetura de um SGBD multimídia geralmente contém a) Interface b) Composição de Objetos c) Armazenamento A camada de interface realiza o processamento de consultas, pesquisa e visualização de objetos e a interação da composição e decomposição dos objetos. As consultas podem ser baseadas em texto ou visuais. A camada de Composição de Objetos trabalha em conjunto com a camada de interface para gerenciar os objetos multimídia. A composição de objetos requer vários tipos de relações como relações de associação, relações de similaridade e relações de herança. Estas relações são definidas via interface gráfica do SGBD ou por funções de API. Na camada de Armazenamento estão presentes duas questões sobre desempenho: clusterização e indexação. Clusterização significa organizar fisicamente os dados multimídia em alguma mídia de armazenamento (disco rígido, por exemplo) para que sejam recuperados eficientemente. Indexação significa que um mecanismo de localização rápida é essencial para recuperar o endereço físico de um dado multimídia.

22 METADADOS Segundo Vaz (2004), a tecnologia de metadados surgiu devido às organizações necessitarem conhecer melhor os dados que elas mantêm, bem como, para realizar recuperação dos seus dados multimídia. Os metadados provêem uma descrição concisa a respeito dos dados. Os dados podem ser documentos, coleção de documentos, gráficos, tabelas, imagens, vídeos, áudio, ou qualquer outro tipo de dados. Em banco de dados, informações a respeito dos dados são tão importantes quanto os dados. Os metadados permitem indexar, recuperar e classificar os dados multimídias, para auxiliar no gerenciamento desses dados (TANNENBAUM, 2001). Os metadados têm um papel importante na gestão de dados, pois a partir deles as informações são processadas, atualizadas e consultadas. As informações de como os dados foram criados ou derivados, ambiente em que residem e/ou residiram, alterações feitas, entre outras são descritas nos metadados. Os metadados fornecem os recursos necessários para entender os dados através do tempo. Os metadados auxiliam no gerenciamento dos dados em vários aspectos, simplifica a manutenção dos dados, diminui os problemas de inconsistência dos dados e facilita a reutilização. Outras vantagens proporcionadas pelo uso de metadados são: troca padronizada entre componentes distribuídos, descrição do conteúdo e aspectos estruturais de dados multimídia e interoperabilidade entre objetos distribuídos em plataformas diferentes. Existem diversos padrões propostos na literatura para diferentes tipos de dados (VAZ, 2008), na seguinte seção são analisados os padrões mais utilizados atualmente no mercado. 3.5 PADRÕES DE METADADOS Nesta seção serão descritos os principais padrões de metadados, isto é, aqueles que são mais populares ou utilizados nas diferentes áreas de aplicação, os quais são: Dublin Core, MPEG-7 e TV-Anytime Dublin Core O nome "Dublin" se refere a Dublin, Ohio, U.S., onde o trabalho se originou de um workshop realizado em 1995 (SOUZA et al, 2000). Core se refere ao fato de que o conjunto de elementos de metadados é uma lista básica, mas que pode ser expandida.

23 22 Segundo Weibel (1997), o conjunto de metadados descrito pelo Dublin Core, é composto de 18 elementos, os quais poderiam ser descritos como o mais baixo denominador comum para descrição de recurso, equivalente a uma ficha catalográfica. As principais características do padrão DC é a simplicidade na descrição dos recursos, entendimento semântico universal dos elementos, escopo internacional e estensibilidade, o que permite sua adaptação às necessidades adicionais de descrição (DCMI, 2008). São descritos, a seguir, os 18 elementos que compõem a versão adaptada do DC: a) Título b) Autor ou Criador c) Palavras-chave d) Categoria e) Descrição f) Publicador g) Colaborador h) Data i) Tipo j) Formato k) Acesso l) Identificador de recurso m) Fonte n) Idioma o) Relação p) Cobertura q) Direito autoral r) Contato O padrão Dublin Core inclui dois níveis: Simples e Qualificado. O Dublin Core Simples inclui quinze elementos, o Qualificado inclui três elementos adicionais, que são: Audiência, Proveniência e Detentor de Direitos. Estes elementos refinam a semântica dos elementos de maneira que sejam úteis na descoberta Dublin Core Simples

24 23 O Elemento de Metadados Dublin Core Simples (Core Metadata Element Set, DCMES) consiste de quinze elementos de metadados como segue: a) Contributor b) Coverage c) Creator d) Date e) Description f) Format g) Identifier h) Language i) Publisher j) Relation k) Rights l) Source m) Subject n) Title o) Type Cada elemento Dublin Core é opcional e pode ser repetido. Não há ordem no Dublin Core para apresentar ou usar os elementos Dublin Core Qualificado Refinamentos de elementos significam uma especificação mais precisa dos elementos. Se uma aplicação não consegue interpretar um termo de refinamento de elemento deve ser capaz de ignorar o qualificador e tratar o valor do metadado como se ele fosse um elemento não qualificado. Enquanto isso pode resultar em perda de especificidade, o valor do elemento restante (sem qualificador) deve continuar correto em geral e útil para a descoberta. Os elementos adicionais são: audiência, proveniência e detentor de direitos. Em adição aos refinamentos de elementos, o Dublin Core Qualificado inclui um conjunto de esquemas de codificação recomendados, desenhados para ajudar a interpretação dos valores de metadados. Estes esquemas incluem vocabulário controlado e notações formais.

25 MPEG-7 O padrão MPEG-7 pretende fornecer tecnologias padronizadas para a descrição de conteúdos de dados audiovisuais em ambientes multimídia (FERREIRA, 2007). O MPEG-7 é um padrão ISO/IEC desenvolvido pelo MPEG. Os conteúdos audiovisuais do MPEG-7 podem ser: imagens, gráficos, modelos 3D, áudio, discurso, vídeo, e informação de composição de como estes elementos estão combinados numa apresentação multimídia. Casos especiais destes tipos de dados genéricos podem incluir expressões faciais e características pessoais. No entanto, as ferramentas de descrição do MPEG-7 não dependem da forma como os conteúdos estão codificados ou guardados. As ferramentas de descrição do MPEG-7 permitem criar descrições de conteúdos que podem incluir (BILASCO et al, 2006): a) Informação descritiva da criação e processos de produção do conteúdo (realização, título, pequena característica de um filme); b) Informação relativa à utilização do conteúdo (copyright, histórico de utilização, horário de emissão); c) Informação das características de armazenamento do conteúdo (formato, codificação); d) Informação estruturada dos componentes espacial, temporal e espaço-temporal dos conteúdos (scenes cuts, segmentação em regiões, region motion tracking); e) Informações sobre características de baixo nível do conteúdo (cores, texturas, timbres sonoros, descrições de melodias); f) Informação conceitual sobre a realidade capturada pelo conteúdo (objetos e eventos, interação entre objetos); Todas estas descrições estão codificadas de uma forma eficiente de maneira a permitir diferentes tipos de consultas. O MPEG-7 aborda a descrição de conteúdos de vários pontos de vista, como: Criação e Produção, Mídia, Utilização, Aspectos Estruturais e Aspectos Conceptuais. Dependendo da aplicação alguns destes pontos de vista podem estar presentes e outros podem estar ausentes ou parcialmente presentes. O MPEG-7 tenta ser o mais genérico possível em consideração a outros padrões como: SMPTE, Dublin Core entre outros. O MPEG-7 utiliza XML para a representação textual de descrição de conteúdos permitindo uma ampla gama para ferramentas de descrição.

26 25 O MPEG-7 possibilita que a pesquisa por conteúdo multimídia na WEB seja como é hoje em dia a pesquisa por texto. As descrições MPEG-7 permitem uma utilização rápida e de baixo custo dos dados subjacentes ao tornar possível a apresentação e edição semi-automática de multimídia. Todos os domínios que utilizam multimídia se beneficiam com o MPEG-7, tais como: a) Bibliotecas digitais, Educação (catalogação de imagens, dicionários musicais, catalogação de imagens biomédicas, etc.); b) Edição Multimídia (serviço personalizado de notícias em formato eletrônico); c) Serviços culturais (museus de história, galerias de arte, etc.); d) Serviços de diretório multimídia (páginas amarelas, informação ao turista, sistemas de informação geográfica); e) Seleção do meio de transmissão (canal rádio, canal TV, etc.); f) Jornalismo (procurar discursos de um certo político utilizando o nome dele, a voz dele ou a foto dele); Estrutura da norma MPEG-7 Os elementos importantes da norma MPEG-7 são os Descritores, Esquemas de Descrição, Linguagem de Definição de Descrição e Ferramentas de Sistema (VAZ, 2008). a) Descritor: É uma representação de uma característica. Descritores foram criados para descrever características de baixo nível, como cor, textura, localização e tempo, que podem ser extraídas automaticamente por aplicações. b) Esquema de Descrição: Descreve características audiovisuais de alto nível, como regiões, segmentos e objetos, que devem ser extraídas com a ajuda de ferramentas auxiliares. c) Linguagem de Definição de Descrição (DDL): Uma linguagem que permite a criação de novos Esquemas de Descrição e Descritores e a extensão e modificação dos Esquemas de Descrição e Descritores existentes. d) Ferramentas de Sistema: Ferramentas para dar suporte a multiplexação de descrições, sincronização das descrições com o conteúdo, mecanismos de entrega, e representações codificadas para armazenamento e transmissão eficientes e gerencia e proteção de propriedade intelectual.

27 26 A norma MPEG-7 consiste de diversas partes, que podem ser usadas separadamente conforme o foco da aplicação (ALVES et al, 2006): a) MPEG-7 Systems: especifica o sistema de ferramentas para preparar as Descrições MPEG-7 para transporte e armazenamentos eficientes para permitir sincronização entre conteúdo e descrições. MPEG-7 utiliza dois formatos para armazenar as descrições. Um formato binário, chamado de BiM, e um formato textual, chamado de TeM. O formato textual armazena as informações em arquivos XML (extensible Markup Linguage Linguagem de Marcação Extensível). Enquanto o formato binário é mais compacto e rápido, o formato textual em XML pode ser facilmente lido por uma pessoa e é padronizado e bastante difundido. b) Linguagem de Definição de Descrição MPEG-7 (DDL): permite criar novos Descritores e Esquemas de Descrição e estender os existentes. A DDL é escrita em XML. A DDL adiciona extensões ao XML para atender requerimentos do MPEG-7, como suporte a vetores e matrizes. A adoção do esquema XML como a base para a MPEG-7 DDL facilita interoperabilidade por usar um formato de representação genérico e poderoso. c) MPEG-7 Visual: especifica as ferramentas para descrições somente visuais, como cor, textura, forma, movimento, localização e reconhecimento de faces. d) MPEG-7 Áudio: especifica as ferramentas para descrições somente de áudio, como reconhecimento de som, timbre instrumental, falas, assinaturas de áudio e melodias. e) Esquemas de Descrição Multimídia MPEG-7: especificam os Descritores e Esquemas de Descrição que não são específicos para áudio e vídeo, como vetores, tempo e descrição textual. Também são especificadas ferramentas avançadas como ferramentas de descrição, gerenciamento, organização, navegação, acesso e uso de conteúdo. f) Software de referência MPEG-7 (MPEG-7 XM): é uma implementação das partes listadas da norma MPEG-7. O Software de referencia MPEG-7 é normativo com respeito ao padrão de decodificação. Isto significa que todas as implementações compatíveis devem produzir os mesmos resultados decodificados que o software de referência. O software de referencia pode ser usado livremente para desenvolver aplicações MPEG-7, respeitando os direitos autorais.

28 27 Existem alguns projetos de programas que criam descrições de MPEG-7, ajudando a criar descrições manuais e extrair algumas características automaticamente, mas a maioria está em fase inicial de desenvolvimento (VAZ, 2008) TV-Anytime O TV-Anytime é uma associação de organizações formada em 1999, que desenvolve um conjunto de especificações abertas para sistemas integrados e interoperáveis possibilitando que provedores de conteúdo, provedores de serviço e consumidores sejam capazes de manipular conteúdo digital em dispositivos com capacidade de armazenamento digital (VAZ, 2008). Este tratamento consiste em possibilitar o processo de busca, seleção, aquisição, captura e apresentação de conteúdo digital no domínio de TVD. Os principais objetivos do TVA são divididos em quatro linhas de trabalho (ALVES et al, 2006): modelo de negócios; sistema, interface de transporte e referência ao conteúdo; metadados; e gerenciamento de direitos autorais. O TVA adota XML como formato para representação dos metadados e a definição formal da estrutura e da sintaxe dos metadados é realizada por XML Schema. O conjunto de metadados do TV-Anytime também reutiliza alguns esquemas especificados no padrão MPEG-7, principalmente no que se refere à descrição de mídias e preferências de usuário. No TVA há quatro categorias de metadados: descrição de conteúdo, descrição de instância, usuário e segmentação. A primeira trata de descrição de programas por completo como gêneros de programas, informações de áudio e vídeo, e descritores específicos. A segunda define informações para dar suporte a mecanismos de localização e anúncio de serviços, no EPG, por exemplo. A terceira categoria determina estruturas para identificação para identificação, grupo, perfil e histórico de uso de usuários. Estes metadados possibilitam a criação de uma grande quantidade de cenários de aplicações (TVA, 1999), como por exemplo, a personalização e o envio de histórico para provedores. Por fim, a última categoria tem a finalidade de descrever fluxos de áudio e vídeo, para permitir o acesso e manipulação em intervalos temporais e de forma aleatória segmentos dos mesmos. Apesar do TVA não definir tecnologias ou mecanismos de entrega e recepção, atualmente o padrão europeu DVB, através da elaboração de novas ou extensões de especificações, realiza esforços para incorporar o suporte a TVA no seu modelo de referência.

29 FORMAS DE ARMAZENAMENTO DE DADOS MULTIMÍDIA Para o gerenciamento de dados multimídia são utilizadas formas de armazenamento distintas, que podem ser classificadas em: armazenamento por referência, armazenamento por dados não interpretados, armazenamento por funções externas e armazenamento através de orientação a objetos (FRANÇA, 2005). Cada uma destas formas de armazenamento possui vantagens e desvantagens dependendo do caso em que se aplicam. A seguir uma descrição de cada forma de armazenamento: Armazenamento por referência externa Nesta forma de armazenamento o Banco de Dados contém apenas a referência para o conteúdo multimídia como imagem, vídeo, etc. Os dados são armazenados fora do SGBD, no sistema de arquivos, dispositivos de armazenamento removíveis ou CDs. As funcionalidades básicas oferecidas por um SGBD como consistência dos dados, segurança ou backup automático são perdidas Armazenamento por dados não interpretados No armazenamento por dados não interpretados, os dados são armazenados em colunas do tipo BLOB como uma sequência de bytes não interpretados. O tipo de dado BLOB é oferecido por uma vasta quantidade de SGBDs do mercado, com o tamanho máximo chegando a 4GB. Uma desvantagem desta forma de armazenamento é que não se pode extrair características semânticas do dado diretamente do campo. O SGBD torna-se apenas um repositório de dados, sendo necessário desenvolver mecanismos de apresentação e gerenciamento de metadados Armazenamento por funções externas As funções externas surgiram como um esforço para suprir a falta de recursos para manipulação de dados multimídia. Alguns SGBDs permitem o uso de funções externas para processar dados armazenados no banco de dados (FRANÇA, 2005). Com o uso de funções externas já é possível gerenciar eficientemente metadados, representar os dados hierarquicamente e tratar dados contínuos eficientemente.

30 Armazenamento através de orientação a objetos Esta forma de armazenamento é uma boa alternativa, pela possibilidade de extensão de tipos existentes, criação de novos tipos e representação hierárquica. Uma desvantagem é que os dados contínuos como áudio e vídeo ainda representam um problema, devido à falta de mecanismos para apresentação e acesso em tempo real. A seguir, uma tabela comparativa entre as formas de armazenamento: Tabela 2: Comparativo entre as formas de armazenamento Referência Externa Campos BLOB Funções Externas Orientação a Objetos Consistência e Integridade Armazenamento Interno Acesso em tempo real Pesquisa através de semântica Não Sim Sim Sim Não Sim Sim Sim Sim Não Sim Não Sim Não Sim Sim No armazenamento por referência externa, é possível realizar a pesquisa através de semântica e acesso em tempo real, porém, o mecanismo de apresentação e recuperação de metadados deve ser desenvolvido. Utilizando-se campos BLOB ou Orientação a Objetos, o acesso em tempo real ainda constitui-se um problema, como também o gerenciamento de dados contínuos como áudio e vídeo. Aplicações que fazem uso extensivo de dados multimídia possuem, assim como as aplicações tradicionais, problemas com desempenho, escalabilidade, alta disponibilidade e necessidade de baixo custo. Pode-se acrescentar a esses problemas os requisitos de armazenamento, distribuição, segurança e picos de demanda. 3.7 PESQUISA E RECUPERAÇÃO DE DADOS MULTIMÍDIA As operações de recuperação, manipulação e exclusão de dados são objetivos essenciais dos sistemas de informação. Nos SGBDs tradicionais a recuperação de informação

31 30 é baseada em linguagens de consulta e em estruturas internas de índices. Os dados multimídia possuem mais características do que se pode representar através de atributos. Este fato faz surgir a necessidade de pesquisa e recuperação baseada no conteúdo dos dados. O benefício primário de se utilizar recuperação baseada no conteúdo é a redução do tempo e esforço necessários para se obter a informação multimídia. É possível usar uma abordagem mais simples e anotar o dado multimídia, como uma imagem, com metadados baseados na percepção humana, porém ainda não existem padrões para o desenvolvimento de descrições de imagem. Imagens fotográficas não são auto-identificáveis devido ao fato de que informações usualmente disponíveis para documentos como título, autor e sumário não estão disponíveis. Entretanto os novos padrões de câmeras digitais proverão maior suporte a estes tipos de metadados (Guros e Dunkley, 2007). A recuperação de dados baseada no conteúdo é uma área que ainda se encontra em desenvolvimento, com diversas pesquisas em andamento. Atualmente muitos sistemas utilizam a recuperação de dados multimídia baseada em metadados, porém já existem SGBDs que utilizam mecanismos de recuperação baseada no conteúdo, como ocorre no Oracle 11g através do Oracle Multimedia. Para recuperar uma imagem, por exemplo, o Oracle Multimedia utiliza atributos como cor, textura, forma, posição e aparência. Estes atributos são utilizados durante o processamento de uma busca para determinar a similaridade entre uma imagem selecionada e um conjunto de imagens armazenadas. Vaz (2000) destaca os seguintes métodos de pesquisa de dados multimídia: a) Recuperação através de um identificador: O dado multimídia é recuperado através de um identificador, geralmente o índice da tabela. b) Recuperação por sentenças condicionais: O dado é recuperado obedecendo à regras condicionais especificadas na consulta como operações lógicas de igualdade ou joins entre tabelas. c) Recuperação por similaridade: Neste caso, um dado multimídia é passado como parâmetro na consulta e o que define quais dados serão recuperados é o grau de similaridade. d) Recuperação semântica: O dado é recuperado através de conceitos, ou seja, por sua representação semântica.

32 31 4 SGBDs COM SUPORTE À MULTIMÍDIA Apesar dos avanços nas pesquisas, os SGBDs multimídia ainda se encontram em desenvolvimento e não se constituem produtos comerciais. Como citado no capítulo 2, para ser considerado um SGBD multimídia algumas propriedades devem ser suportadas como armazenamento, manipulação e recuperação de dados multimídia como áudio, vídeo, imagens e documentos. Entretanto ainda não existem SGBDs comerciais que obedeçam a todos os requisitos multimídia. A recuperação de dados multimídia se constitui no maior problema. Ainda não existem mecanismos para anotação automática de dados multimídia. Existem ferramentas que extraem metadados básicos como formato, data de criação, resolução, dentre outros; porém a extração de informações como a quantidade de pessoas presentes em uma foto ou se existe algum prédio em um vídeo ainda são questões de estudo. A recuperação baseada no conteúdo também é um problema. Foram realizados avanços na recuperação de imagens baseados em atributos como cor e formato, porém os resultados ainda não são completamente satisfatórios (Guros e Dunkley, 2007). Atualmente existem no vários SGBDs com suporte à multimídia. Estes SGBDs oferecem suporte ao armazenamento de diversas formas, desde tipos de dado BLOB a frameworks avançados para o gerenciamento de conteúdo multimídia. Com o objetivo de conhecer alguns destes SGBDs, será apresentada uma análise das características multimídia de três deles: Oracle 11g, SQL Server 2008 e PostgreSql. Estes SGBDs foram escolhidos devido a ampla utilização e documentação mais acessível. Apresenta-se a seguir uma análise detalhada de cada SGBD. 4.1 ORACLE 11G O suporte à dados multimídia no Oracle 11g é oferecido através das seguintes formas: a) LOB Externo. b) LOB Interno. c) Oracle Multimedia. A seguir, apresenta-se uma descrição sobre cada tipo de armazenamento:

33 LOB Externo O tipo BFILE é um LOB externo, ou seja, os dados são armazenados fora do SGBD, em um diretório no sistema de arquivos ou alguma mídia de armazenamento. Dados BFILES são somente leitura. O banco de dados permite apenas o acesso através de uma stream de bytes. (GUROS e DUNCKLEY, 2007). O limite máximo suportado para dados do tipo BFILE é 4GB. A seguir, apresenta-se um exemplo de criação e inserção de dados numa tabela utilizando o tipo BFILE: CREATE OR REPLACE DIRECTORY BF_IMAGE_DATA AS '/home/oracle/bfile_data'; CREATE TABLE ec_image_media ( image_id NUMBER, image_file_name VARCHAR2(128), image_title VARCHAR2(255), image_content BFILE ); INSERT INTO ec_image_media VALUES ( 1, 'bsas.jpg', 'Vacaciones de verano', BFILENAME('BF_IMAGE_DATA', 'bsas.jpg') ); Figura 2: Exemplo de criação de tabela usando BFILE LOB Interno Para armazenamento e recuperação de dados multimídia, foram desenvolvidos no Oracle os tipos de dados LOB ou Large Objects. Os LOBs são um conjunto de tipos de dados que são concebidos para manter grandes quantidades de dados. Podem armazenar dados de até 128TB (dependendo do tamanho máximo do bloco de memória do SGBD). A seguir uma breve descrição de cada tipo de LOB: a) BLOB (Binary Large Object): Armazena objetos binários como imagens, documentos, vídeos com tamanho máximo de até 128TB.

34 33 b) CLOB (Character Large Object): Armazena objetos caracteres simples, de largura fixa como documentos de texto. Suporta dados de até 128TB. c) NCLOB (National Character Large Object): É como o tipo NCLOB, porém para um conjunto de caracteres de múltiplos bytes. Dos tipos citados anteriormente, para o armazenamento de objetos multimídia é utilizado o tipo BLOB. Quando uma coluna é especificada como BLOB, os valores armazenados para esta coluna são referências que indicam a localização efetiva do objeto no SGBD. Caso o objeto seja menor que 4KB, ele pode ser armazenado juntamente com seu localizador, na tabela. Caso contrário, ele será movido para uma localização diferente no SGBD. A tabela 3 apresenta um comparativo entre os tipos de dados BLOB, CLOB e BFILE: Tabela 3: Comparativo entre tipos de dados do Oracle Nome Tipo de Dado Limite de Tamanho Características BLOB Binário TB CLOB Caractere TB BFILE Binário 4 GB Acesso aleatório Suporte à transações Necessita ponteiro (LOB Locator) Acesso aleatório Suporte à transações Necessita ponteiro (LOB Locator) Somente leitura Arquivo externo Oracle Multimedia O Oracle Multimedia é um recurso que permite ao Oracle armazenar, gerenciar e recuperar dados multimídia como imagens, áudio, vídeo, documentos, dentre outros. O Oracle Multimedia estende os recursos do SGBD como confiabilidade, disponibilidade e gerenciamento de dados ao conteúdo multimídia presente em aplicações tradicionais ou multimídia. As principais características do Oracle multimedia são: a) Armazenamento e recuperação b) Gerenciamento de mídia e metadados