Mônica Picollo Begnami, Vicente Idalberto Becerra Sablón. Resumo: Após sofrer algumas transformações ao longo dos anos, atualmente, a televisão

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1 INTERFACES PARA TV DIGITAL INTERATIVA Mônica Picollo Begnami, Vicente Idalberto Becerra Sablón Resumo: Após sofrer algumas transformações ao longo dos anos, atualmente, a televisão encontra-se em processo de mudança na digitalização do sinal e também na melhoria na qualidade de som e imagem, unidos a serviços interativos, como o pay-per-view. Oficialmente, existem três padrões de TV digital e outros em fase de desenvolvimento. No Brasil, cogita-se o desenvolvimento de um padrão nacional que se enquadre nas condições da maioria da população. Para o desenvolvimento de aplicações para TV digital há algumas ferramentas, como as APIs JavaTV e MicrosoftTV, dentre outras. Neste trabalho, apresenta-se um estudo sobre o desenvolvimento de interfaces para a TV digital interativa, utilizando JavaTV. Palavras Chaves: TV Digital Interativa, HDTV, ATSC, DVB, ISDB, MPEG-2, JavaTV. Abstract: After to suffer some transformations throughout the years, currently, the television also meets in process of change in the digitalization of the signal and in the improvement in the quality of sound and image, joined the interactive services, as pay-per-view. Officially, there are three standards of digital TV and others in development. In Brazil, the development of a national standard is cogitated that fits in the conditions of the majority of the population. For the development of applications for digital TV there are some tools, as the APIs JavaTV and MicrosoftTV, amongst others. In this work, a study is presented on development of interfaces for the interactive digital TV, using JavaTV. Keywords: Interactive Digital TV, HDTV, ATSC, DVB, ISDB, MPEG-2, JavaTV. 1

2 I. INTRODUÇÃO Desde sua invenção, a televisão é uma das principais fontes de informação e entretenimento de seus usuários. Após sofrer algumas transformações ao longo dos anos, atualmente, ela encontra-se em processo de mudança na digitalização do sinal (transmissão encontra-se via sinal analógico). O objetivo desse processo é a melhoria na qualidade de som e imagem e a alternativa de desenvolvimento de serviços interativos, estes já utilizados em pacotes de TV por assinatura, por exemplo, o pay-per-view. No mundo, atualmente, existem três padrões de TV digital, que foram desenvolvidos nos Estados Unidos, na Europa e no Japão [1]. Já no Brasil, cogita-se o desenvolvimento de um padrão nacional que se enquadre nas condições da maioria da população, já que as outras tecnologias provêm de países desenvolvidos. Para o desenvolvimento de aplicações para TV Digital existem algumas ferramentas, sendo um das principais a API JavaTV, da Sun [2]. II. TV DVIGITAL INTERATIVA TV Digital Interativa se resume como uma tecnologia que integra acesso à Internet, recepção de áudio e vídeo em ótima resolução e a comunicação entre a TV e o telespectador. Como exemplo, podemos citar a encomenda de uma pizza via Internet através da televisão, enquanto o usuário assiste ao seu programa favorito. Porém, para seu desenvolvimento, é necessário o conhecimento de alguns conceitos importantes da área. Basicamente, cada canal de transmissão é comprimido e convertido num pacote de dados digitais utilizando um padrão de áudio e vídeo, no caso, o escolhido MPEG-2 (Moving 2

3 Pictures Experts Group), que transmite apenas a parte que foi alterada de um frame para o próximo, ao invés de enviar o frame completo, o que ocorre na transmissão analógica comum. Na Figura 1, apresenta-se um exemplo simples sobre esse tipo de transmissão: Figura 1 :Três frames que compõem uma seqüência de imagens. Na Figura 1, podemos notar que o primeiro frame é composto de uma árvore e uma nuvem; já no segundo, essa nuvem é alterada por um sol e no último frame, o sol é retirado da imagem. Nessa seqüência de imagens, a área destacada pelo quadrado pontilhado é a única que se altera de um frame para o outro. A árvore continua intacta e permanece a mesma de um frame para outro. Esse sinal é emitido de forma analógica aos servidores da operadora de TV, que fazem o processo de digitalização do sinal. Após este procedimento, são enviados via satélite, via cabo ou broadcast terrestre para a casa do telespectador, que, por sua vez, é decodificado num aparelho chamado set-top-box, que converte os sinais digitais em analógicos e vice-versa. III. HDTV HDTV (High Definition Television) é um sistema de televisão de alta definição baseado em tecnologia digital, a fim de obter melhor imagem e som. Também utiliza técnicas de 3

4 compressão, podendo reduzir uma taxa de sinal entre 1 a 1,5 Gbps para 20 Mbps e ainda manter a qualidade de reprodução [4]. Os aparelhos de HDTV podem operar em três resoluções: 480, 720 ou 1080 linhas. Por sua vez, o modo de varredura pode ser de dois tipos [5]: - entrelaçado (ou interlaced): ao serem desenhadas, as linhas pares e ímpares se intercalam, totalizando 60 quadros desenhados por segundo (30 quadros com linhas ímpares e 30 com linhas pares). Portanto, cada tela preenchida, possui metade das linhas que a televisão é capaz de mostrar. - não-entrelaçado (ou progressive): todas as linhas são desenhadas em uma única vez, totalizando também 60 quadros desenhados por segundo. Neste modo, a TV é capaz de mostrar todas as linhas de cada quadro. Tabela 1: Relação entre resolução e modo de varredura em HDTV. Nome Resolução Varredura Relação de Aspecto 480i 640 x 480 Entrelaçada 4:3 (1,33) 480p 640 x 480 Não-Entrelaçada 4:3 (1,33) 720i 1280 x 720 Entrelaçada 16:9 (1,78) 720p 1280 x 720 Não-Entrelaçada 16:9 (1,78) 1080i 1920 x 1080 Entrelaçada 16:9 (1,78) 1080p 1920 x 1080 Não-Entrelaçada 16:9 (1,78) Os televisores analógicos (os mais comuns no Brasil) utilizam varredura entrelaçada. Atualmente, há três principais padrões de televisão digital: DVB (Europa), ATSC (Estados Unidos) e ISDB (Japão). Todos utilizam MPEG-2 para compressão de sinal de vídeo e multiplexação [4]. Porém, não devem se restringir a três opções; a China também está em 4

5 processo de desenvolvimento de um novo padrão. Já o Brasil iniciou estudos para também produzir um padrão nacional de TV Digital [1]. Middleware é uma camada de software que faz a interface entre o set-top-box e as aplicações de software interativos [6]. O middleware MHP (Multimedia Home Platform) visa adaptar, com seu conjunto de tecnologias, a Internet à televisão (guias eletrônicos de programação, teletextos e conteúdo sincronizado com o vídeo, ou seja, sincronismo dessas informações complementares com um conjunto das imagens exibidas). Foi produzido pelo modelo europeu DVB, além de suportar boa parte da API JavaTv, da Sun. Ambos possuem em comum a utilização do JMF (Java Media Framework), gerenciador do ciclo de vida das aplicações e seguem uma referência em sua transmissão [7], divididos em três blocos principais: - Codificação do sinal-fonte: responsável pela conversão e compressão dos sinais de áudio e vídeo em feixes digitais denominados de fluxos elementares de informação [8]. - Multiplexação: responsável pela multiplexação dos diferentes fluxos elementares (cada qual contendo informações de áudio, vídeo ou dados), formando um único feixe digital à sua saída. - Codificação de canal e modulação: responsável por converter o feixe digital multiplexado em um sinal (ou grupo de sinais) passível de transmissão por um meio físico, no caso, o ar. O middleware DASE (Digital TV Applications Software Environment) é utilizado pelo padrão americano ATSC e o japonês ISDB usa o ARIB (Association of Radio Industries and Businesses), o qual adota um modelo de aplicação baseado em BML (Broadcast Markup Language) [7][9]. Já a resolução das imagens digitais, possui dois componentes: 5

6 - Resolução espacial: definida pelo número de pontos de imagem (pixels) ou linhas e colunas. - Resolução temporal: pode-se ter 30 quadros por segundo em modo progressivo ou 60 campos em modo entrelaçado. IV. PADRÃO NORTE-AMERICANO ATSC O padrão Advanced Television Systems Commitee foi desenvolvido por um grupo de empresas e uma universidade, chamado Grande Aliança, também em Possui modulação 8-VSB (Vestigial Slide Band) para transmissão terrestre e 16-VSB via cabo e middleware DASE (Digital TV Applications Software Environment). Sua taxa de transmissão é de aproximadamente 19,4 Mbps numa banda de 6 MHz. Utiliza para codificar canais a codificação de treliça. Já para compressão de áudio, além do MPEG-2, utiliza o sistema Dolby AC-3 [9][10]. Tem como desvantagens não permitir a recepção móvel, necessidade de equalizadores em situações de multi-percurso e não funcionar em locais com obstáculos [1]. Atualmente, é utilizado pelos próprios norte-americanos, Canadá, Argentina, Coréia do Sul e Taiwan. V. PADRÃO EUROPEU DVB O padrão Digital Vídeo Broadcasting foi desenvolvido por um consórcio de empresas públicas e indústrias privadas européias (atualmente com 200, distribuídas em 30 países), em meados de 1993, para estabelecer um padrão de transmissão digital via satélite (DVB-S), via cabo (DVB-C) ou radiodifusão terrestre (DVB-T), além de priorizar a recepção de sinais com antenas internas [9][10]. 6

7 Além de HDTV (1080 linhas), trabalha com conteúdo audiovisual EDTV e SDTV (ambos com 480 linhas). Possui modulação CODFM (Orthogonal Frequency Division Multiplex), que consiste na codificação de canal que antecede o processo de modulação, utilizada para diminuir os erros causados pelas imperfeições da transmissão [10]. Já o middleware adotado é o MHP. O DVB-S possui taxa de transmissão entre 4,98 e 31,67 Mbps e é imune a problemas de multi-percurso [1]. O DVB-C se destaca por se utilizado nos Estados Unidos, além da Europa. Já o DVB-T é bastante utilizado em SDTV. Uma de suas aplicações mais utilizada (DVB-J) foi desenvolvida em Java, possui em seu conjunto o MHP (Multimedia Home Platform) que permite o acesso à Internet através da TV digital, utilizando o set-top-box. Suas aplicações (Xlets) são semelhantes aos applets utilizados na web. Atualmente, é adotado por países europeus, Austrália, Singapura, Nova Zelândia e Índia. VI. PADRÃO JAPONÊS ISDB E OUTROS PADRÕES O padrão Integrated Services Digital Broadcasting foi desenvolvido por um grupo de empresas e operadoras de TV no Japão, em 1999 e possui características similares ao europeu. Após inúmeros testes no Brasil, foi classificado como o melhor, tecnicamente, por possuir flexibilidade de operação e alto potencial para transmissões móveis e portáteis [1]. Possui modulação CODFM e o middleware adotado é o BML (Broadcast Markup Language) [4][7]. Os japoneses são os únicos a adotarem o ISDB. É claro que o país que mais fabrica televisores no mundo não poderia ficar fora dessa. Na China, atualmente, um grupo de empresas e universidades está desenvolvendo padrões via 7

8 terrestre, porém não foram implementados, ainda estão em fase de testes. Juntas, propuseram alguns padrões, listados na Tabela 2. Tabela 2: Padrões chineses em testes [1]. Sigla Significado Modulação DMB-T Digital Multimedia Television Broadcasting- Terrestrial TDS-OFDM CDTB-T Chinese Digital Television Broadcasting 64QAM Terrestrial ADTB-T Advanced Digital Television Broadcast- Terristrial Variação de VSB e BDB- T/OFDM SMCC Synchronized multi-carrier CDMA Variação do COFDM No Brasil, ainda não foi decidido qual o padrão será adotado na transmissão desses sinais televisivos digitais, porém, cogita-se o desenvolvimento de um padrão nacional que se enquadre nas condições da maioria da população, já que as outras tecnologias provêm de países desenvolvidos e também diminuir os custos da digitalização da TV no país. Conforme definido no decreto nº 4.901/03, o Comitê de Desenvolvimento do Sistema Brasileiro de TV Digital não apresentou em março o relatório final definindo o modelo a ser adotado ou a ser desenvolvido. Segundo o Ministério das Comunicações, o projeto do padrão brasileiro está atrasado e sua conclusão está prevista para Aproximadamente, 14 milhões de reais estão sendo investidos para a fase inicial e por volta de 28 instituições e 230 pesquisadores estão envolvidos nesse projeto [11][12]. 8

9 VII. MPEG-2 MPEG é um padrão de compressão e codificação de sinais de áudio e vídeo de alta resolução, utilizando diferentes taxas e meios de transmissão ou armazenamentos, que foi desenvolvido pelo Moving Pictures Experts Group, um grupo de trabalho da ISO (International Standardization Organization) organização responsável por vários padrões internacionais, especialista em tratar imagens em movimento [13][14][15]. Por ter ótima qualidade, é utilizado nas etapas de multiplexação e transporte nos sistemas DVB e ATSC [4]. Sua seqüência de imagens é mostrada no formato não-entrelaçado e resolução temporal. O MPEG-2 é a segunda versão da família MPEG, que tem como objetivo operar com taxas de dados entre 5 Mbits/s ou 10 Mbits/s, dependendo da qualidades desses dados [13]. Pode ser divido em Perfis (Profiles) e Níveis (Levels). Os perfis são subdivididos em High, Spatial, Scalable SNR, Main e Simple. Já os níveis podem ser High, High 1440, Main e Low [14]. Na estrutura da imagem, as cores dos pixels que formam essa imagem apresentam uma combinação de três componentes, um de luminância Y (intensidade, brilho da cena em preto e branco) e dois de crominância Cr e Cb (informação de cor), formando assim o YCbCr [13][14]. Já na estrutura da seqüência de vídeo, cada frame é dividido em pequenos blocos de 8x8 pixels, que formam macroblocos de 16x16 pixels, que, por sua vez, formam unidades de acesso para a codificação. Esses blocos podem ser de luminância ou crominância, já citados acima. Juntas, essas unidades de acesso formam pacotes de seqüências elementares, que serão transmitidos e armazenados. Para os frames serem codificados, eles geralmente são dispostos na ordem de sua apresentação quando a seqüência é reproduzida. Quando chegam no decodificador, é feito um reordenamento desses frames, como estavam na posição original antes da codificação. Esses 9

10 dados são armazenados em um buffer (similar a um reservatório) de entrada, que é utilizado pelo decodificador. Esse buffer só é esvaziado quando a compressão for baixa [15]. O ordenamento na codificação e o reordenamento na decodificação são possíveis graças às informações contidas no cabeçalho dos pacotes. Sincronismo, embaralhamento, prioridades, etc, são definidos no cabeçalho. Ele é composto de vários bytes, onde os três primeiros contém os dados do início do cabeçalho, seguidos pelo identificador de seqüência (isso permite que vários pacotes sejam multiplexados juntos, pois há uma identificação de cada um), pelo tamanho do pacote (no máximo 64 Kb), pelos indicadores de presença ou não de embaralhamento de sinais, tamanho do cabeçalho, estampas de tempo e campos opcionais [15]. VIII. JAVA TV Java TV é uma API que pertence à plataforma Java, desenvolvida pela Sun Microsystems para prover acesso e funcionalidades num receptor de televisão digital. Tais funcionalidades incluem [3]: - Fluxo de áudio e vídeo. - Acesso condicional. - Acesso aos dados nos canais de transmissão. - Acesso aos dados do SI. - Controle do sintonizador de canais. - Sincronização da mídia que permite que conteúdo interativo esteja sincronizado com o vídeo e o áudio do programa. - Gerenciamento do ciclo de vida das aplicações, que permite que as aplicações coexistam com conteúdo televisivo como propagandas, por exemplo. 10

11 No nível mais alto da pilha temos aplicações que fazem uso de Java TV e das bibliotecas de Java, que geralmente será a J2ME, devido ao pouco recurso de memória disponível num set-top-box. Depois, temos o sistema operacional que dá o suporte necessário a implementação da máquina virtual Java (JVM). Na camada de hardware, temos um receptor de televisão digital que suporta broadcast e pipeline de dados. A API é definida pelos seguintes pacotes [3]: - javax.tv.carousel: permite acesso a arquivos broadcast e diretórios de dados através de APIs que trabalham com o pacote java.io. Os dados são transmitidos de modo cíclico, afim de que não sejam perdidos quando o usuário selecionar um programa e este já tenha começado. - javax.tv.graphics: permite que Xlets possam obter seu repositório principal, incluindo componentes do tipo AWT, e descreve mecanismos para 256 níveis de alpha blending, permitindo a composição das imagens. - javax.tv.locator: define uma forma para referenciar dados ou programas acessíveis pela API Java TV, como arquivos broadcast, elementos do SI e conteúdo áudio-visual. - javax.tv.media: define uma extensão para JMF com a finalidade de gerenciar mídia em tempo real em ambiente de TV digital e resolver problemas em ambiente de broadcast. - javax.tv.media.protocol: permite acesso a um fluxo de dados broadcast genérico. - javax.tv.net: permite o acesso a IPs locais de componentes de serviço broadcast, podendo identificar a interface da rede utilizada. - javax.tv.service: permite que mecanismos acessem à base de dados do SI e APIs comuns aos seus sub-pacotes. É possível gerar uma lista de serviços a partir de filtros. É a simulação de um canal de televisão. - javax.tv.service.guide: é um simulador de um programa de televisão, que dá suporte a Electronic Program Guides (EPGs), incluindo a programação, eventos e a classificação de programas. 11

12 - javax.tv.service.navigation: permite navegar através dos serviços, acessar cada um de seus dados (descrição, nome completo, componentes, grade de programação, etc) e agrupá-los baseando-se em filtros. - javax.tv.service.selection: provê mecanismos para selecionar e mudar os serviços que serão exibidos. - javax.tv.service.transport: permite consultar informações adicionais sobre os mecanismos de transporte, tais como TS, redes broadcast ou agregação de serviços. - javax.tv.util: suporta a criação e o gerenciamento de eventos do timer. - javax.tv.xlet: semelhante aos applets, permite criação de interfaces para o desenvolvimento de aplicações e para a comunicação entre as aplicações e o gerenciador. Pode apresentar quatro modos: carregado, pausado, ativou ou destruído (terminado) [3]. O download da API pode ser feito pelo site da Sun [2]. Os arquivos e diretórios que compõem esse pacote são: - javatv.jar, copyright, license.txt e readme_fcs.txt - docs, jmflite, lib, samples, spec e src. IX. SIMULADORES DE TV DIGITAL Dentre poucos simuladores de TV Digital Interativa encontrados na internet, existem duas opções: o XletView e o Espial itv. O XletView possui código aberto e é o de mais fácil acesso. Permite visualizar os xlets MHP num PC comum, desde que tenha instalada a plataforma J2SE. O download do software pode ser feito pelo site Source Forge [16]. Sua tela simula um televisor e um controle remoto, demonstrado na figura abaixo. Nele é possível cadastrar o xlets que será utilizado, definindo o seu nome, o caminho do arquivo class e a imagem de fundo, gravando todas as informações 12

13 descritas num arquivo com extensão xml (guarda os canais que serão utilizados). Em seguida, o XletView carrega esse arquivo xml e apresenta o que foi programado na tela do televisor. Através do controle remoto é possível acessar as informações disponíveis e mudar de canal. Já o Espial itv, tem basicamente as mesmas funcionalidades do XletView (protótipo do televisor e do controle remoto e carregamento de xlets), porém o seu software para download é mais difícil de ser encontrado. X. CONCLUSÃO A televisão, portanto, pode nos apresentar ainda mais entretenimento e utilidade que atualmente. Aliada à interatividade, é possível que telespectadores de todas as classes sociais possam utilizar seus serviços de qualquer aparelho de TV, com melhor imagem e som (digitalização). Essa realidade se tornará cada vez mais próxima, assim que o Brasil chegar a conclusão de um padrão TV Digital e assim proporcionar aos pesquisadores de tecnologia um modelo para desenvolvimento dos softwares que farão esta interatividade do telespectador com o televisor. Seguindo a tendência de utilização de softwares livres, as ferramentas de desenvolvimento gratuitas e de ótima qualidade, provavelmente, será a base para a produção de um padrão brasileiro, afim de diminuir os custos do projeto e torná-lo viável à grande parte das famílias brasileiras. 13

14 XI. AGRADECIMENTOS Os autores agradecem o apoio e suporte fornecidos pelo órgão de pesquisa BIC-SAL Bolsa de Iniciação Científica do Centro Unisal e pela empresa TCP Telecom Treinamentos Consultorias, Projetos e Pesquisas em Telecomunicações Ltda. XII. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS [1] EDITORA EUROPA, TV Digital, Disponível em: Acesso em: Janeiro/Fevereiro de [2] SUN, Java Technology J2ME Java TV API, Disponível em: Acesso em: Maio de [3] LOUREIRO, Janine de Aguiar, Interfaces de Programação para o Desenvolvimento de Aplicações para TV Digital, Disponível em: Acesso em: Março/Abril de [4] IANO, Yuzo e MENDES, Luiz Rômulo e SABLÓN, Vicente I. Becerra e NALÓN, José Alexandre, Televisão Digital de Alta Definição - HDTV, Revista Científica Periódica Telecomunicações, v. 3, n. 1, p. 1-9, abril/2000. [5] CLUBE DO HARDWARE, Tudo sobre HDTV, Disponível em: Acesso em: Janeiro/Fevereiro de [6] MENEZES, Luís Flávio e NETO, Antônio de Brito Vidal, Desenvolvimento de Middleware para TV Digital Um Desafio de Pesquisa para as Universidades, Revista Digital Comunicações Digitais & Tópicos Relacionados, v. 1, n. 1, p , agosto/

15 [7] FERNANDES, Jorge e LEMOS, Guido e SILVEIRA, Gledson, Introdução à Televisão Digital Interativa: Arquitetura, Protocolos, Padrões e Práticas, Anais do JAI-SBC (Salvador, BA), p. 1-56, agosto/2004. [8] EPCOM Instituto de Estudos e Pesquisas em Comunicação, Introdução da tecnologia digital na Comunicação Social Eletrônica, Disponível em: Acesso em: Abril de [9] WIKIPEDIA, Televisão Digital, Disponível em: Acesso em: Fevereiro/Março de [10] MENDES, Luiz Rômulo e IANO, Yuzo e SABLÓN, Vicente I. Becerra e Del PIETRO, René Togni, Subsistema de Compressão e Codificação do Sinal de Vídeo (Parte I), Revista Científica Periódica Telecomunicações, v. 3, n. 1, p , abril/2000. [11] MINISTÉRIO DAS COMUNICAÇÕES, Telecomunicações: TV Digital, Disponível em: Acesso em: Fevereiro/Março de [12] MINISTÉRIO DAS COMUNICAÇÕES, Governo quer TV Digital funcionando em 2006, Disponível em: Acesso em: Junho/2005. [13] GRADVOHL, André Leon Sampaio, TV Interativa Baseada na Inclusão de Informações Hipermídia em Vídeos no Padrão MPEG, Tese de Doutorado apresentada à DEECOM/FEEC-UNICAMP, fevereiro/2005. [14] MENDES, Luiz Rômulo e IANO, Yuzo e SABLÓN, Vicente I. Becerra e Del PIETRO, René Togni, Subsistema de Compressão e Codificação do Sinal de Vídeo dos Padrões HDTV (Parte II), Revista Científica Periódica Telecomunicações, v. 3, n. 1, p , abril/

16 [15] NALÓN, José Alexandre e IANO, Yuzo, MPEG-2: Camada de Sistemas, Revista Científica Periódica, v. 3, n. 1, p , abril/2000. [16] Source Forge, XletView, Disponível em: id=243876, Acesso em: Maio de