Plataforma Windows Media 9

Transcrição

1 Plataforma Windows Media 9 Robson Carlos dos Reis Escola de Engenharia Universidade Federal Fluminense UFF Rua Passo da Pátria 156, Bloco D, 5 o andar Niterói RJ Brasil Laboratório de Pesquisas em Comunicação de Dados Multimídia Mestrado em Engenharia de Telecomunicações robson.reis@click21.com.br Resumo. O objetivo deste artigo é explorar a plataforma Windows Media para geração, distribuição e reprodução de conteúdo multimídia.o artigo apresenta uma visão geral da mesma, sua arquitetura, componentes, e facilidades e aprofunda o estudo dos Codecs de Áudio e Vídeo, especificando sua características técnicas, seus algoritmos de compressão e suas diversas aplicabilidades. Faz ainda uma comparação com os principais Codecs utilizados comercialmente. 1. Introdução A Plataforma Windows Media 9 é uma plataforma proprietária desenvolvida pela Microsoft que permite a geração, distribuição e execução de áudio e vídeo em formato de mídia digital comprimida [1]. A evolução da Plataforma, partindo das versões 7, 8 até a 9, expandiu o escopo da mesma, transformando-a de uma plataforma focada somente na distribuição de áudio e vídeo comprimidos para computadores via Internet, em uma plataforma muito mais abrangente para distribuição de mídia digital. A distribuição pode ser feita através de qualquer tipo de rede, incluindo transmissões abertas em broadcast, para inúmeros tipos de dispositivos de consumo, indo de computadores a players portáteis, passando por microsystems de áudio e aparelhos de DVD domésticos, chegando a CD players de carros. O objetivo deste trabalho é apresentar a plataforma Windows Media 9, mostrando sua arquitetura, conceitos e principais características. Além disso, são explorados com mais detalhes os Codecs de Áudio e Vídeo da plataforma. O restante do texto está organizado da seguinte forma. A seção 2 apresenta a arquitetura e os componentes da plataforma, enquanto que a 3 aborda as técnicas de codificação e compressão da mídia digital. A seções 4 e 5 detalham a família de codecs de áudio e vídeo da plataforma, respectivamente. A seção 6 traz uma comparação entre o WMV-9 e outros codecs de mercado. A seção 7 apresenta a conclusão do trabalho e a 8 traz as referências utilizadas.

2 2 Arquitetura Windows Media 9 A figura 1 ilustra os blocos funcionais da Plataforma Windows Media 9[2]. Figura 1. Arquitetura em blocos do Windows Media 9 O bloco Authoring é responsável pela captura, digitalização, compressão e codificação da mídia digital. O software provido para tal é o Windows Media 9 Encoder, que se utiliza dos Codecs de Áudio e Vídeo Windows Media 9 para realizar essas tarefas. A mídia codificada pode ser transmitida ao vivo ou na forma de streaming sob demanda. O bloco Distribution tem dois componentes: Windows Media Services Server e Licence Server. O Windows Media Services Server é responsável pelo armazenamento e distribuição da mídia digital, comprimida pelo Windows Media 9 Encoder, através da Internet e é um componente opcional de instalação do Windows 2003 Server. O License Server é o componente responsável pelo gerenciamento de direitos autorais (DRM). O DRM permite que seja feita criptografia da mídia antes de seu armazenamento. Assim, o titular do direito autoral sobre determinada música ou vídeo clip, pode estipular como será o acesso a sua mídia, podendo especificar por exemplo que a mídia poderá ser reproduzida, sem custo, até uma determinada data, a partir da qual a execução da mesma será cobrada. Qualquer dispositivo que se conecte via Internet e tente acessar essa mídia após a data especificada, será conectado ao Servidor DRM e o usuário receberá o custo de download da mídia. Caso o valor seja aceito, o Servidor DRM liberará para o dispositivo player uma chave de criptografia que permitirá a decriptografia e execução da mídia.

3 O último bloco é o de Playback. que é responsável pela decodificação, descompressão e execução da mídia. Como podemos ver na figura 1, nesse bloco estão englobados uma vasta gama de dispositivos, desde computadores executando players de software, até dispositivos de hardware como MP3 Players, que também dão suporte a áudio no formato WMA e inúmeros outros[3]. 2.1 Componentes da Plataforma Windows Media 9 A figura 2 ilustra os componentes fundamentais da Plataforma Windows Media 9 e suas finalidades básicas. COMPONENTE Windows Media Encoder 9 Series FINALIDADE Aplicativo de software com 9.45 MB, que pode ser baixado do site da Microsoft e que possibilita a captura,digitalização,compressão e codificação digital de mídia analógica como áudio e vídeo. Windows Media 9 Series Audio and Video Codecs Família de Codecs de Áudio e Vídeo, proprietária da Microsoft, que geram conteúdo com diferentes níveis de qualidade, em função da taxa de bits disponível e do tipo tipo da mídia amostrada. Windows Media Services 9 Series Módulo de software Servidor que é responsável pelo armazenamento e distribuição da mídia digital comprimida. É parte integrante do Windows 2003 Server. Windows Media Digital Rights Management (DRM) Módulo de software Servidor responsável pela criptografia da mídia comprimida e pelo gerenciamento das licenças de acesso e reprodução da mesma. Windows Media Player 10 É o player para PC da plataforma Windows Media 9. Utiliza os Codecs 9 Series para descomprimir e executar a mídia áudio e vídeo. Windows Media SDKs (Software Development Kit) Plataforma de desenvolvimento que permite a outras empresas, sob licença dos Codecs 9 Series, dar suporte em seus aplicativos ou players aos formatos WMA e WMV. Figura 2. Componentes Windoes Media 9

4 3. Técnicas de Codificação e Compressão da Mídia Digital O aplicativo Windows Media Encoder é um software bastante flexível, com um ótimo conjunto funcionalidades, que facilitam a tarefa de codificação e compressão da mídia digital e ainda garantem bom controle sobre o resultado final desse processo quanto a qualidade e tamanho do arquivo ou streaming gerado. 3.1 Características do Windows Media Encoder As principais funcionalidades da versão 9 do Windows Media Encoder [4] são: Suporte a modos de codificação CBR (Constant Bit Rate) e VBR (Variable Bit Rate). Facilidade de codificação em lote. É possível criar um script, que pode ser executado via linha de comando, para comprimir e codificar todas as mídias capturadas residentes em determinado diretório, por exemplo. Suporte a codificação de áudio multicanal nos formatos 5.1 ou 7.1 Suporte a Live DRM. Possibilita a codificação da mídia com criptografia, utilizando a tecnologia DRM, tanto na geração de arquivo para download quanto na transmissão da mídia ao vivo. Interlace and Nonsquare Pixel Support. Suporte a vídeo entrelaçado para TVs e a pixels de formato retangular de maneira a preservar a resolução real de vídeos em formato DV ou MPEG-2, sem causar distorção. 3.2 Modos de Codificação A versão 9 do Windows Media Encoder permite a configuração do processo de codificação, incluindo a especificação do número de passos que o mesmo utilizará. No processo de Um Passo (One Pass) a mídia é submetida uma única vez ao Codificador e a compressão é feita paralelamente à leitura da mesma. No processo de Dois Passos (Two Pass) a mídia é submetida ao codificador duas vezes. Na primeira ela é analisada e na segunda então comprimida. O processo de dois passos geralmente resulta em conteúdo de melhor qualidade e numa taxa maior de compressão, no entanto, consome maior tempo para ser realizado. Os modos de codificação selecionáveis são os listados abaixo: One-pass CBR. Usado na codificação de mídia para transmissão ao vivo. Two-Pass CBR. Usado na codificação de mídia para gravação em arquivo. Quality-Based VBR (One Pass). Utilizado em situações onde deseja-se nível de qualidade constante, por exemplo, quando realizando backup com compressão

5 de vídeos de reportagens jornalísticas. Aumenta a taxa de bit gerada para garantir a qualidade quando necessário. Bit rate-based VBR (Two Pass). Utilizado em situações onde há limite de banda disponível. O Codec tenta gerar a melhor qualidade possível na compressão, respeitando o limite de taxa estabelecido. Peak bit-based VBR (Two Pass). Empregado quando se está codificando mídia para reprodução em dispositivos de hardware que apresentam taxa máxima de leitura, como no caso do CD-ROM de 52x. 3.3 Parâmetros de Compressão A versão 9 do Windows Media Encoder permite a configuração de alguns parâmetros para compressão da mídia[5]. Dentre estes destacam-se: Key Frame. Podemos considerar um frame chave como sendo um frame I, resultado da compressão JPEG da imagem estática do frame. O parâmetro key frame permite influenciar a quantidade ou os instantes em que os frames I serão inseridos. Quanto mais frames I melhor será a qualidade do vídeo e maior o espaço em disco para o armazenamento do mesmo. Quanto menor a quantidade, pior a qualidade e menor será o espaço consumido. A implicação real desse parâmetro é a criação de mais quadros P e B entre quadros I. Obviamente o codec insere quadros I automaticamente sempre que há uma troca de cena. Buffer Size. A taxa de bit e a qualidade do conteúdo da mídia variam ao longo do buffer estipulado para o Codec. Um buffer de maior tamanho implicará normalmente em melhor qualidade, já que o codec pode fazer uma alocação dinâmica do mesmo, codificando cenas mais complexas com mais bits e economizando bits para cenas com menor nível de detalhes. Por outro lado, aumentar o buffer significa maior atraso entre os instantes de solicitação do streaming de vídeo e de início da reprodução do mesmo. Vídeo Smoothness. Facilidade que permite a geração no decodificador de frames interpolados, derivados dos frames anterior e posterior. Isso permite que codificadores que disponham de taxas de bit baixas, codifiquem vídeo clips a uma baixa taxa de frames, por exemplo 15 fps e contar com o decodificador para gerar os frames interpolados necessários para atingir os 25 fps, garantindo um vídeo com movimentos contínuos e imagens não tão nítidas. O algoritmo do decodificador utiliza técnicas de estimativa e compensação de movimento para gerar a interpolação, gerando grande consumo de processamento no mesmo. A figura 4 representa graficamente o processo de interpolação de frame.

6 Figura 4. Interpolação de Frames com Vídeo Smoothing 4. WMA Windows Media Audio 9 Codec A Plataforma Windows Media 9 apresenta não um, mas uma família de codecs de áudio[6] que geram áudio comprimido de boa qualidade, a taxas de bits reduzidas, favorecendo o uso de menores larguras de banda para transmissão e gerando arquivos de tamanhos reduzidos para as mídias comprimidas. A plataforma disponibiliza vários tipos de codecs, desde os que implementam compressão sem perda, até aqueles híbridos que se utilizam de técnicas de codificação perceptual para gerar mídias comprimidas, com perdas, a altas taxas de compressão. As versões dos codecs WMA[7][8] e tipo de codificação suportada por cada uma são apresentadas na figura 5. Codec Onepass CBR Twopass CBR Qualitybased VBR Bit ratebased VBR Peak bit rate-based VBR Windows Media Audio 9 Professional Yes Yes Yes Yes Yes Windows Media Audio 9 Lossless No No Yes No No Windows Audio 9 Media Yes Yes Yes Yes Yes Windows Audio 9 Voice Media Yes No No No No Figura 4. Tipos de Codificação suportadas pelas versões de WMA

7 4.1 Windows Media Audio 9 Lossless Versão de Codec que realiza compressão sem perdas, através de um algoritmo matemático, com taxas que atingem 2:1 ou 3:1, dependendo do tipo de mídia, de CD com 44,1Khz de taxa de amostragem e 16 bits de resolução, até áudio multi-canal 7.1 com resolução de 24 bits e taxa de amostragem de 96Khz. É o codec que gera melhor qualidade de áudio, sendo apropriado para compressão de mídia para arquivamento. 4.2 Windows Media Audio 9 Este é o codec mais popular da família Windows Media Audio 9 Codec, simplesmente conhecido como WMA, sendo a versão presente nos players que reproduzem áudio comprimido no padrão Microsoft. Ele suporta uma faixa bastante ampla de configurações para compressão, com taxas de bit variando de 5 kbps a 320 kbps e taxas de amostragem de 8 a 48 khz. Com uma taxa de amostragem padrão de CD a 44,1 khz e 16 bits de resolução, pode-se selecionar taxas de bit que variam de 64 kbps a 192 kbps, atingindo-se uma qualidade de áudio comparável a CD (CD-like), dependendo obviamente da sensibilidade auditiva e rigor de qualidade do ouvinte para mídia gravada ou da largura de banda disponível para streaming. 4.3 Windows Media Audio 9 Professional Codec para uso profissional que suporta múltiplas taxas de bit, chamado popularmente de WMA PRO. Trabalha com três perfis de taxas de bit, baixo, médio e alto. No perfil de taxa baixa, aplicável para áudio estéreo e em situações onde existe significativa restrição de banda ou de capacidade de armazenamento em função do tamanho do arquivo produzido, o WMA PRO gera mídia comprimida de boa qualidade, com resolução de 16 bits, a taxas de bit a partir de 24 kbps. No perfil de taxa média, quando existe pequena restrição de banda e razoável capacidade de armazenamento, o WMA PRO gera mídia comprimida com qualidade de CD e com resolução de 20 bits, para áudio estéreo, a taxas que variam de 64 a 128 kbps e a taxas entre 128 e 768 Kbps, para áudio multi-canal 5.1. Finalmente, no perfil de taxa alta onde não há restrição de banda e de armazenamento, o WMA PRO gera mídia comprimida com alta qualidade, acima de CD, com resolução de 24 bits, a taxas variando de 160 a 768 Kbps para áudio estéreo e com taxas entre 320 Kbps e 1.5 Mbps para áudio multi-canal 7.1. O WMA PRO oferece também o recurso de controle dinâmico de amplitude. Isso possibilita a usuários que estejam executando Windows Media Player 9 ou 10, com a funcionalidade Quiet Mode, ouvir a música utilizando toda faixa de amplitude (full dynamic range), com limitação de faixa de 12 db em relação ao valor médio da

8 amplitude (medium range) ou com limitação de faixa de 6 db (little range). O resultado dessas configurações gera um efeito de amortecimento da música, evitando picos de amplitude, em função da equalização da amplitude. O WMA PRO oferece ainda facilidade de adaptação do tipo de áudio ao dispositivo de reprodução dsiponível. Exemplificando, se um usuário tentar reproduzir mídia de áudio multi-canal 5.1 num computador que disponha apenas de placa de áudio e alto-falantes para dois canais, a mídia será convertida de 24 bits, 96 Khz, 5.1 canais para áudio estéreo, 16 bits, 44.1 Khz. 4.4 Windows Media Audio 9 Voice Codec da família que gera a menor taxa de bit, desenvolvido para compressão de voz humana, mas também compatível com uso misto de voz e música. Na compressão de voz, dada a menor banda passante do sinal, o codec é capaz de gerar taxas de 4 a 8Kbps com resolução de 8 bits. Para sinais de música o codec pode gerar taxas maiores, chegando ao limite de 20 Kbps. 4.5 Comparando WMA PRO A figura 5 mostra o ganho de redução na taxa de compressão do WMA PRO em relação a Dolby Digital e DTS. Pela análise dessa informação, retirada do site da Microsoft[8], podemos concluir que o WMA PRO gera mídia comprimida com qualidade equivalente aos outros codecs, a taxas de bits menores, o que resulta numa maior taxa de compressão. Mídia de Áudio Padrões Comerciais Compressão Windows Media Ganho na Compressão 2 ch x 48 khz x 16 bits Dolby Digital 2.0 at 220 Kbps WMA Pro at 128 Kbps 1.7:1 6 ch x 48 khz x 20 bits Dolby Digital 5.1 at 384 Kbps WMA Pro at Kbps 1.5-2:1 6 ch x 48 khz x 24 bits DTS 5.1 at 1,536 Kbps WMA Pro at 768 Kbps 2:1 Figura 5. Comparação de compressão entre WMA, Dolby Digital e DTS.

9 5. WMV Windows Media Video 9 Codec Dado o grande interesse e aceitação por parte da indústria do WMV, a Microsoft propôs em setembro de 2003 que fosse feita a padronização do seu codec pela Society of Motion Picture and Television Engineers. Foi criado então um grupo de estudo chamado C-24, que ficou responsável pelo desenvolvimento da padronização. Em 10 de março de 2006 a SMPTE publicou a versão final da padronização, chamada SMPTE 421M, ou simplesmente conhecida como VC-1. O codec WMV-9 é a implementação da Microsoft totalmente aderente a especificação VC Características Gerais e Recursos do Codec WMV-9 O WMV-9 é considerado um codec avançado, no estado da arte, que atinge ótima qualidade de compressão tanto para vídeos com baixa resolução espacial, 160 x 120 a taxa de 10 Kbps para conexão discada, quanto para vídeos de alta definição, 1920 x 1080 a taxas entre 6 a 30 Mbps, ou ainda vídeos de mais alta definição para cinema digital, com resolução de 2048 x 1536 a taxas de bit máximas de 135 Mbps. A estrutura geral do codec WMV-9[11] e as principais inovações suportadas pelo mesmo[11,12] para atingir essa performance, são mostradas a seguir.

10 5.1.1 Diagrama em blocos do Codec WMV-9 O diagrama em blocos do codec WMV-9 é ilustrado na figura 6. Figura 6. Diagrama em blocos do codec WMV-9 O codificador utiliza as técnicas de transformada espacial, quantização e codificação por entropia para gerar o quadro comprimido de referência e técnicas de compensação de movimento de bloco, através de vetores de movimento, para predizer a posição do frame derivado. Após esse passo, o codificador computa o erro residual da predição em relação a posição real do bloco no frame subseqüente. O erro residual então é submetido a uma transformada compacta, quantizado, codificado por entropia e transmitido. No lado do decodificador operações inversas são aplicadas, ou seja, o fluxo é decodificado, dequantizado e é aplicada transformada compacta inversa, produzindo uma aproximação do erro residual de predição, que então é somado ao quadro gerado pela predição da compensação de movimento, para então gerar o quadro que será exibido Inovações do Codec WMV-9 Adaptative Block Size Transform. Tradicionalmente blocos de tamanho 8x8 pixels são utilizados em transformadas no processo de compressão de imagem e vídeo. Contudo blocos de tamanho 4x4 reduzem o efeito de ringing artifact nas bordas e descontinuidades da imagem. O WMV-9 permite codificar o bloco 8x8 utilizando uma única transformada 8x8, duas transformadas 4x8 ou 8x4, ou

11 ainda 4 transformadas 4x4. Essa capacidade de adaptação do tamanho dos blocos para transformada permite que o codec gere imagem com qualidade otimizada. A figura 7 tenta ilustrar o efeito de ringing artifact [13].. Figura 7. (a) Imagem reconstituída com alto contraste afetada pela distorção de ringing artifact. (c) efeito ampliado do ringing artifact 16-BIT Transforms. A fim de minimizar a complexidade computacional do decoder, o WMV-9 utiliza aritmética de inteiros de 16 bits na transformada inversa, ao invés de utilizar 32 bits ou aritmética de ponto flutuante. Isso também facilita a implementação do decoder já que a grande maioria dos chips de processamento digital de sinais utiliza arquitetura de 16 bits. Além dessa, outra restrição é aplicada para otimizar a performance do decoder, a garantia de que o resultado da multiplicação de 2 inteiros de 16 bits, dentro do processo de transformada inversa, também seja um número inteiro que possa ser representado por 16 bits. Essa operação garante agilidade no processamento de 2 inteiros de 16 bits em paralelo, nos casos em que o DSP suporta aritmética de 32 bits. Motion Compensation. O WMV-9 permite realizar compensação de movimento para predição do frame subseqüente em relação ao anterior de referência usando blocos de 8x8 pixels ou macroblocos de 16x16 pixels

12 misturados. A eficiência do codec é afetada pelo tamanho do bloco, pelo nível de granularidade do sub-pixel e pelo tipo do filtro utilizado para gerar a predição do sub-pixel. A granularidade mínima suportada é de ¼ pixel e filtros bi-cúbicos de 4 estágios ou bi-lineares de 2 estágios podem ser usados. O WMV-9 combina os valores de configuração dos 3 parâmetros de compensação de movimento citados em modos ou níveis, que facilitam a implementação e utilização do decoder. Loop Filtering. Como pode ser observado na figura 6, o WMA-9 utiliza um filtro em loop para o processo de reconstituição do frame tanto no codificador quanto no decodificador. O objetivo desse processo é remover as descontinuidades introduzidas nas fronteiras dos blocos pelo erro de quantização tanto nos quadros I quanto no cálculo do erro residual na compensação de movimento. Essas descontinuidades podem resultar em blocos quadriculados aparecendo na imagem reconstituída em área da mesma de textura mais suave, além de comprometer a qualidade do quadro I para ser usado na predição de quadros subseqüentes. Logo, o filtro é passado no quadro antes de o mesmo servir de referência para predição de novos quadros. Interlace Coding. O padrão de vídeo entrelaçado, onde um quadro é decomposto em dois campos, o primeiro com as linhas ímpares da imagem e o segundo com as linhas pares é amplamente utilizado, inclusive no Brasil. O WMV-9 permite que a compressão do quadro seja feita de duas maneiras, considerando os dois campos separadamente e realizando a compensação do movimento por campo individual ou considerando os 2 campos em conjunto, realizando a compensação de movimento com dados de ambos os campos. Isso otimiza a compressão. Advanced B Frame Coding. Quadros B ou Bi-direcionais são quadros que são comprimidos usando estimativa de compensação de movimento em relação a quadros I ou P anteriores ou posteriores. O WMV-9 usa algumas técnicas para melhorar a eficiência de compactação dos quadros B. A primeira é um melhor algoritmo para predição de quadros B em vídeo entrelaçado. A segunda é a codificação explícita da posição temporal relativa do quadro B em relação a seus quadros de referência, desassociada de um timestamp real e relacionada a qualquer fração de tempo que o codificador escolha naquele instante, em função das variações da mídia amostrada e da geração dos vetores de movimento. A terceira técnica é a utilização de quadros B Intra-coded, também chamados de quadros B/I que são gerados nas mudanças de cena, onde normalmente é melhor codificar o quadro inteiro com compressão JPEG do que codificar a diferença entre os quadros. O quadro B/I difere do quadro I porque não é permitido que nenhum outro quadro subseqüente faça referência a um quadro B/I. Isso permite ao decoder omitir se necessário a decodificação de quadros B/I, ou decodificálos com menor qualidade utilizando fatores de quantificação maiores.

13 Fading Compensation. Dada a natureza da compressão baseada em compensação de movimento, a codificação de quadros de vídeo que contenham variações de brilho crescentes ou decrescentes torna-se ineficiente. Considerando um trecho de vídeo que apresenta variação decrescente da iluminação ambiente da cena, cada quadro subseqüente poderia ter um valor de brilho menor que o anterior, prejudicando sobremaneira o algoritmo de compensação de movimento na predição dos blocos desses quadros. Com isso, todos os quadros poderiam ser codificados como quadros I, já que a predição não alcançou bom resultado, o que levaria a um aumento da quantidade de bits gerada na codificação. Para contornar esse problema o WMV-9 utiliza um esquema de compensação de variação de brilho (fading compensation) para melhorar a predição e a eficiência da compressão por compensação de movimento em trechos de vídeo que apresentem variação de iluminação ambiente. Low-rate tools. O WMV-9 dispõe de ferramentas e algoritmos especiais para compressão de vídeo em situações de disponibilidade de taxas de bit inferiores a 100 Kbps. Uma dessas ferramentas é a habilidade de comprimir quadros utilizando múltiplas resoluções espaciais, reduzindo a dimensão da imagem no eixo X, eixo Y ou em ambos. O decoder recebe a informação de que os quadros tiveram suas dimensões espaciais reduzidas no processo de compressão e as aumenta antes de torná-las visíveis, interpolando os valores dos pixels recebidos linha a linha ou coluna a coluna. 5.2 Windows Media Vídeo 9 Da mesma forma apresentada para os codecs de áudio, a Plataforma Windows Media 9 apresenta não um, mas uma família de codecs de vídeo[10] que geram vídeo ou imagem comprimida a variadas taxas de bits, em função da qualidade desejada e do tipo de mídia. O codec Windows Media Vídeo 9 é a implementação da Microsoft da padronização VC-1. Ele suporta os perfis Simple, Main e Advanced. Simple e Main Profiles. Os perfis Simple e Main são totalmente compatíveis com a especificação VC-1 e geram vídeo comprimido de alta qualidade tanto para streaming quanto para download. Esses perfis suportam um grande faixa de taxa de bits, desde conteúdo de alta definição a taxas equivalentes a metade ou um terço das geradas pelo MPEG-2, até vídeo de baixa resolução e baixa taxa de bit para envio via Internet sobre conexão discada. Esses perfis também suportam download de vídeo de qualidade profissional, codificado nos modos two-pass e VBR. O WMV-9 já é suportado por uma grande variedade de players e dispositivos. Advanced Profile. O perfil Advanced também é totalmente aderente a padronização VC-1, suporta vídeo tanto no formato entrelaçado como no progressivo e ainda oferece transporte independente da plataforma utilizada. Produtores de conteúdo podem utilizar esse perfil para comprimir vídeo

14 entrelaçado ou progressivo a taxas de bit que chegam a um terço daquelas geradas pelo MPEG-2, com a mesma qualidade. As ferramentas atuais para geração de conteúdo, como o Windows Media 9 Encoder, oferecem suporte para compressão de vídeo entrelaçado, sem precisar primeiramente convertê-lo para o formato progressivo. A independência de transporte possibilita a distribuição de mídia comprimida pelo WMV-9 Advanced Profile para sistemas não baseados na Plataforma Windows Media, como infra-estruturas de radiodifusão, infraestruturas sem fio usando RTP ou até mesmo para aparelhos de DVD. A figura 8 apresenta todos os perfis e níveis suportados pelo codec Windows Media Video 9. As letras i e p referem-se a modos de vídeo entrelaçado (interlaced) e progressivo respectivamente. Perfil Nível Taxa Máxima de Bit Resolução Espacial por Taxa de Quadro Simple Low 96 Kbps Hz (QCIF) Medium 384 Kbps Hz Hz (CIF) Main Low 2 Mbps Hz (QVGA) Medium 10 Mbps Hz (480p) Hz (576p) High 20 Mbps Hz (1080p) Advanced L0 2 Mbps Hz (CIF) L1 10 Mbps Hz (NTSC-SD) Hz (PAL-SD) L2 20 Mbps Hz (480p) Hz (720p) L3 45 Mbps Hz (1080p) Hz (1080i) Hz (720p) L4 135 Mbps Hz (1080p) Hz Figura 8. Lista de Perfis e Níveis suportados pelo WMV-9 Codec

15 5.3 Windows Media Vídeo 9 Screen O WMV-9 Screen é um codec altamente eficiente para compressão de imagens de computador baseadas em paletas de cores. Ele é otimizado para captura e compressão de telas de computador para criação de apresentações de demonstração ou montagem de treinamento. O codec tira vantagem da simplicidade da imagem e do pouco movimento da mesma para atingir altas taxas de compressão. Durante o processo de codificação o codec pode chavear automaticamente dependendo da complexidade da imagem da tela, para modos com ou sem perda na compressão. Para telas mais complexas, contendo imagens naturais como fotos, a compressão é sem perda e para imagens mais simples com perda. Esse processo garante a qualidade do vídeo gerado, maximizando a taxa compressão conseguida. Para seqüência de telas simples, todas as imagens podem ser codificadas e transmitidas a taxas máximas de 28 Kbps. No entanto, para telas mais complexas, contendo imagens naturais ou animações, taxas de até 100 Kbps são necessárias para transmissão. A versão 9 desse codec melhora tanto a qualidade da imagem quanto o consumo de processamento de CPU, quando há imagens naturais e movimento, em relação as versões anteriores. Esta versão suporta modos de codificação one-pass VBR e one-pass CBR. 5.4 Windows Media Vídeo 9 Image Version 2 O WMV-9 Image Version 2 é um codec diferente dos outros da família, cuja função é processar e comprimir vídeo. O objetivo desta versão de codec é a geração de vídeo clips, a partir de imagens ou fotos capturadas, utilizando efeitos de zooming, fading, etc. A mídia comprimida gerada pelo WMV-9 IV2 pode ser entendida com uma seqüência de bits onde um quadro I é seguido por um conjunto de instruções de movimento e transições para cada quadro, ao invés de ser seguido por quadros P ou B. A mídia resultante desse processo de compressão pode ser entregue a taxas baixas da ordem de 20 Kbps. O codec suporta modos de codificação one-pass VBR e one-pass CBR. 5.5 Windows Media Vídeo 9 VCM O WMV-9 Video Compression Manager habilita versões anteriores de ferramentas de codificação e edição de mídia, a suportarem mídias comprimidas com os codec de vídeo da família WMV-9, encapsuladas em arquivos nos formatos AVI ou ASF. 6. Comparando WMV-9 e outros Codecs Para avaliar a eficiência de um codec, pode-se utilizar 2 tipos de testes, um objetivo baseado em parâmetros técnicos e outro subjetivo baseado na percepção da qualidade do vídeo assistido por uma platéia diversa.

16 Uma métrica objetiva que pode ser usada é o PSNR (peak signal-to-noise ratio), que expressa a relação entre o valor máximo de um sinal, por exemplo 255 para vídeo com 8 bits de resolução e o erro de quantização. Um valor mais elevado de PSNR indica um sinal menos ruidoso. Para qualquer codec o valor do PSNR tende a aumentar para taxas de bits maiores, já que nessa situação a agressividade da compressão tenderá a ser menor. A seguir são apresentadas comparações entre o WMV-9, MPEG-2, MPEG4 e H.264/AVC. 6.1 Teste Objetivo comparando WMV-9 com MPEG-2 Dependendo do tipo de mídia a ser comprimida, vídeo clips com maior ou menor movimentação nas imagens, e da taxa de bit pretendida, o WMV-9 pode consumir, para codificar a mesma seqüência com mesmo nível de qualidade, menos da metade dos bits gastos pelo MPEG-2 [11]. A figura 9 mostra o gráfico de PSNR para um vídeo clip chamado Container, que apresenta pouco movimento. Figura 9. Gráfico comparativo PSNR x Bit Rate para Codecs WMV-9 e MPEG-2 para vídeo clip com pouco movimento. Pode-se perceber que para valor de PSNR de 43, o WMV-9 necessita aproximadamente de 1400 Kbps, ao passo que MPEG-2 atinge 3500 Kbps, ou seja, ganho de compressão de 2,5:1 do WMV-9 em relação ao MPEG-2.

17 A figura 10 mostra o gráfico de PSNR para um vídeo clip chamado Stefan, que possui mais ação e movimentação. Figura 10. Gráfico comparativo PSNR x Bit Rate para Codecs WMV-9 e MPEG-2 para vídeo clip bastante movimentado. Neste caso, mantendo-se o valor de PSNR de 43, o ganho de compressão do WMV-9 em relação ao MPEG-2 é de 2,2: Teste Objetivo comparando WMV-9 com MPEG-4 Outro teste objetivo para comparar a eficiência desses codecs foi realizado considerando 13 video clips [11], atribuindo-se os mesmos valores para os parâmetros de compressão e comprimindo-os tanto com WMV-9 quanto com MPEG-4. A figura 11 apresenta a plotagem do resultado deste teste comparativo.

18 Figura 11. Gráfico comparativo PSNR x Bit Rate para Codecs WMV-9 e MPEG-4 Pode-se perceber, para um valor de PSNR de 42, que o WMV-9 apresenta ganho de compressão aproximado de 2:1, para taxas variando entre 625 e 1250 Kbps. 6.3 Teste Objetivo comparando WMV-9 com H.264/AVC O codec H.264/AVC é resultado de um desenvolvimento conjunto entre o grupo VCEG do ITU-T e o grupo MPEG da ISO. O H.264, também conhecido como MPEG-4 Part 10 ou AVC (Advanced Video Coding), assim como o WMV-9, é outro codec de video de última geração. Portanto existe uma competição latente entre os dois de forma a se definir qual é o melhor codec. A figuras 12 e 13 mostram comparações da PSNR entre os codecs, com 2 sequências de vídeo distintas, Glasgow e Stefan. Na primeira comparação, usando a seqüência Glasgow e resolução de imagem Qcif a taxa de 15 quadros por segundo, o H.264 leva ligeira vantagem, ao passo que na segunda comparação utilizando a seqüência Stefan, resolução de imagem Cif, também a 15 quadros por segundo, a vantagem foi do WMV-9. Em ambas as comparações foi utilizado o perfil Main do WMV-9 sem a presença de quadros B e o perfil Baseline do H.264.

19 Figura 12. Gráfico comparativo PSNR x Bit Rate para Codecs WMV-9 e H.264, Seqüência Glasgow Figura 13. Gráfico comparativo PSNR x Bit Rate para Codecs WMV-9 e H.264, Seqüência Stefan

20 6.4 Teste subjetivo comparando WMV-9 com H.264/AVC O teste subjetivo apresentado a seguir foi conduzido por uma entidade independente chamada DVD Fórum [9]. A análise foi com a compressão e exibição de 6 trechos de vídeo com 90 segundos cada e resolução 1920x1080. As seqüências numeradas de 1 a 6 foram retiradas dos filmes Dick Tracy, Titan A.E., Harry Potter and the Sorcerer s Stone, Stuart Little 2, Seven e Monsters, Inc, respectivamente. Os clipes foram selecionados pelos estúdios de filmagem de Hollywood devido a variedade e complexidade de cenas. Os vídeos comprimidos foram assistidos por mais de 35 profissionais dos estúdios e companhias de aparelhos eletrônicos de consumo e foram comparados aos padrões de indústria D-VHS (MPEG-2 a 24 Mbps) e D5 Master (compressão quase sem perda a 235 Mbps). A figura 14 expressa o resultado das médias das avaliações. Figura 14. Gráfico comparativo entre WMV-9 os padrões industriais de vídeo Pode-se observar que para 4 das 6 seqüências o WMV-9 apresentou qualidade bem próxima dos padrões de indústria, utilizando taxa de bit de apenas 7.7 Mbps, em comparação com os 24 Mbps do D-VHS ou os 235 Mbps do D5. A figura 15 apresenta a colocação de cada codec em relação a seqüência exibida. Percebe-se que o WMV-9 obteve o primeiro lugar em todas as seqüências. Os valores entre parênteses indicam a diferença percentual de cada codec em relação ao WMV-9.

21 Figura 15. Tabela com a classificação dos codecs para cada seqüência de vídeo. 7. Conclusão A Plataforma Windows Media 9 ao longo do tempo se mostrou robusta e eficiente para criação, distribuição e exibição de mídia comprimida. Seus codecs de áudio e vídeo mostraram-se bastantes competitivos em relação aos seus principais competidores e continuam tendo uma grande aceitação no Mercado, seja em dispositivos de consumo como mídia pré-gravada e recuperada ou em streaming em tempo real para computadores via Internet. As novas tecnologias para DVD, HD-DVD e Blue Ray já incorporam nativamente os Codecs Windows Media 9 e H.264/AVC em seus firmwares, demonstrando que ambos estão sendo considerados padrões de indústria. 8. Referências [1] What Is the Windows Media Platform Site Oficial Windows Media da Microsoft [2] Jordi Ribas-Corbera: Windows Media 9 Series - a platform to deliver compressed audio and video for Internet and broadcast applications EBU, Janeiro 2003

22 [3] Site Windows Media para Aparelhos Eletrônicos de Consumo t.aspx [4] Jennifer Winters: Getting Started with Windows Media Encoder Microsoft New Media Platforms Division, Novembro [5] Jennifer Winters: Advanced Encoding Techniques with Windows Media 9 Series Microsoft Corporation, Dezembro aspx [6] Arundhati Kantharaj: Windows Media Audio White Paper Wipro Technologies, Janeiro de 2005 [7] Encoding Audio and Video Windows Media Codecs Microsoft Corporation, Abril [8] Windows Media Audio 9 Series Codecs Site Oficial Windows Media da Microsoft [9] DVD Forum Codec Results Site Oficial DVD Forum [10] Windows Media Video 9 Series Codecs Site Oficial Windows Media da Microsoft [11] Sridhar Srinivasan: Windows Media Video 9: overview and applications Elsevier B.V., Junho pdf [12] Jay Loomis e Mike Wasson: VC-1 Technical Overview Microsoft Corporation, Abril de x

23 [13] Guangyu Wang: A Training-Based Method for Reducing Ringing Artifact in BDCT-Encoded Images Eurographics Digital Library,