Padrões de Middleware para TV Digital

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1 Padrões de Middleware para TV Digital Alexsandro Paes, Renato Antoniazzi UFF Universidade Federal Fluminense Centro Tecnológico Departamento de Engenharia de Telecomunicações Mestrado em Telecomunicações Fundamentos de Sistemas Multimídia Av. Passos da Pátria, 156- Niterói/RJ Brasil CEP.: Resumo. Este artigo apresenta uma introdução à TV Digital e ao conceito de middleware e também os padrões de middleware para TV Digital compatíveis e suportados pelos principais sistemas de transmissão atuais. São descritos os padrões americano, europeu e japonês. No final do artigo é feita uma comparação entre as principais características de cada padrão. 1 Introdução O objetivo deste trabalho é o de apresentar o de Middleware para TV Digital, os atuais padrões de mercado e uma pequena comparação entre eles, em termos de funcionalidades disponibilizadas. O tema é muito vasto e não é a pretensão deste trabalho querer abordá-lo profundamente. A abordagem que foi dada ao trabalho é de caráter informativo e introdutório ao tema. Para isto, o trabalho foi dividido em 7 seções que abordam o assunto. Os conceitos de TV Digital e os pricipais padrões de mercado são apresentados na seção 2. Na seção 3, é mostrada uma definição de Middleware para TV Digital. Uma visão geral dos padrões abertos de Middleware disponíveis atualmente no mercado será encontrada na seção 4, seguida pela comparação das principais caracterísiticas encontradas nestes padrões, na seção 5. Terminamos com uma conclusão sobre a comparação mostrada na seção 5 e com as espectativas dos autores em relação ao futuro do Middleware, na seção 6.

2 2 TV Digital TV Digital é um sistema de televisão com transmissão, recepção e processamento digitais, podendo, na ponta do usuário final, os programas serem exibidos por meio de equipamentos totalmente digitais ou através de aparelhos analógicos acoplados a unidades conversoras (URD Unidade Receptora Decodificadora, é também conhecida pelos termos IRD Integrated Receiver Decoder e Set Top Box - STB). Um sistema completo de televisão pode ser composto, ou visto, por três grupos específicos de trabalho. O primeiro é o que podemos chamar genericamente de estúdio. O segundo componente pode ser classificado como a transmissão dessas informações para o usuário final (telespectador), mais conhecida como processo de radiodifusão (broadcast), atualmente realizada de forma analógica, e o terceiro a recepção (antena e acessórios/televisor). Este é o componente que completa o elo necessário para que o telespectador possa desfrutar da programação transmitida pela emissora. Podemos redefinir Televisão Digital em sendo a transmissão de sinais de televisão na forma digital. E que, de imediato se entende em garantia de resultados de imagem e som de melhor qualidade para o telespectador. Adicionalmente, a imagem poderá ser mais larga (widescreen) que a atual, eventualmente com um maior grau de resolução (alta definição) e um som estéreo realisticamente envolvente (surround). Entretanto, as inovações não param. Onde se captava um único programa (por canal), poderão existir vários programas (sistema de múltiplos programas). Finalmente a televisão digital poderá oferecer um dos recursos mais esperados: a interatividade. Nas figuras 1 e 2 é apresentado um modelo comparativo dos sistemas com relação de aspecto (aspect ratio) 4:3 e 16:9. Fig. 1 Aspect ratio: maior ângulo de visão proporcionado pelos sistemas de alta definição (16:9). 2

3 Fig. 2 - Imagem com aspect ratio de16:9 cobre melhor o campo de visão. Através da análise da figura 3 é possível perceber as vantagens do HDTV (High Definition TV) face aos sistemas convencionais, apresentando maior nitidez da imagem e melhor cobertura do campo de visão. Fig. 3 Comparação de uma mesma imagem sendo vista por um monitor com aspect ratio 4:3 e um 16:9. Portanto, a tecnologia digital abre um leque muito grande de novas possibilidades. A digitalização dos sinais de áudio e vídeo possibilitará melhor qualidade de imagem com maior imunidade a ruído e distorção; Melhor qualidade de som, com o tratamento do áudio, permite reforçar graves e agudos; Melhor aproveitamento do espectro radioelétrico proporcionando assim, maior robustez frente a interferências viabilizando recepção com menores valores de intensidade de campo, maior quantidade de informação transmitida na mesma faixa de freqüência; Flexibilidade na manipulação e enriquecimento do tratamento e edição dos sinais; Capacidade de transporte conjunto de múltiplos programas com vídeo, diversos áudios, texto e dados; Oferecimento de serviços interativos. As resoluções e formatos de tela possíveis são [1]: LDTV (Low Definition Television) - Baixa Definição, refere-se a uma qualidade de resolução inferior. Um exemplo típico é um sistema com 240 linhas, 320 pixels por linha e varredura progressiva. Ex.:placas de captura para microcomputadores e videocassete doméstico(30 quadros/seg). SDTV (Standard Definition Television) - Definição Padrão, categoria padrão. Sistema com resolução espacial de 480 linhas, com 640 pixels por linha, e uma resolução temporal de 60 quadros (frames) por segundo em modo entrelaçado. 3

4 EDTV (Enhanced Definition Television) - Definição Estendida, categoria intermediária entre HDTV e SDTV. Sistema com largura de tela 16:9; resolução de 480 linhas e 720 pixels/linhas com varredura progressiva. O áudio é estéreo surround (5.1), como no HDTV. HDTV (High Definition Television) Alta Definição, conceito de televisão de alta definição com resolução de 1080 linhas e 1920 pixels/linha em modo entrelaçado ou 720 linhas com 1280 pixels/linha em modo de varredura progressiva, ambos com tela em formato 16:9. O áudio utilizado é o estéreo Surround 5.1, como pode ser visto na figura 4, que utiliza três alto-falantes frontais, dois laterais e um para freqüências hiper-baixas. Este último gera vibrações de baixa freqüência que são captados pelo corpo humano em forma de sensações, reproduzindo as cenas de maneira mais realista. Fig. 4 - Sistema de alto-falantes para TV Digital conforme a ITU. 2.1 Arquitetura do Sistema de TV Digital Como no modelo OSI para Redes de Computadores, a arquitetura de um sistema de TV digital é dividida em camadas. Estas têm uma autonomia e prestam ou recebem serviço de suas camadas vizinhas. Esta independência traz flexibilidade para os usuários deste sistema. Cada camada existente possui um grupo de padrões industriais ou de mercado, muitos já implantados. A tabela 1 apresenta os subsistemas [2]. Subsistema Transmissão e Recepção Função no ambiente das emissoras Transmissão do sinal de TV Digital Função no ambiente dos usuários Sintonia do sinal de TV Modulação e Demodulação Adequação (modulação) ao meio de transmissão Demodulação do sinal em fluxo de transporte codificado. Codificação e Decodificação Transporte Codificação do fluxo de transporte. Multiplexação de vários programas em fluxo de transporte Decodificação do fluxo de transporte codificado. Demultiplexação do programa selecionado pelo usuário do fluxo de transporte 4

5 Compressão e Descompressão Middleware Compressão de um programa Injeção de dados no fluxo de transporte Descompressão de um programa Extração de dados do fluxo e processamento Tabela 1 Subsistemas de TV Digital O processo de transmissão de TV Digital está ilustrado na figura 5 [3]. A arquitetuta de TV Digital introduz um conceito de abstração de elementos atômicos do sistema. Áudio, Vídeo e Dados são agrupados em um elemento único chamado de Serviço. O Serviço também é chamado de principal unidade de produção. O início e fim de cada mídia está na semântica do serviço. A união de vários serviços formam um Bouquet. Os pacotes de TV são administrados com este nível de abstração.segue abaixo a exemplificação gráfica na figura 6 [3]. Fig. 5 Processo de transmissão e recepção de TV digital 5

6 Fig. 6 Modelo de entrega de serviços da TV Digital Existem alguns padrões de TV Digital atualmente em uso. As próximas sub-seções apresentam visões gerais dos padrões americano, europeu, japonês e chinês. 2.2 Padrão ATSC Fig. 7 Sistema ATSC. ATSC (Advanced Television System Comitee) [ 3 e 4 ] é um padrão de tecnologia (televisão) digital criado nos Estados Unidos, adotado pela FCC (Federal Communications Commission). A figura 7 [ 3 e 4 ] apresenta o diagrama em blocos do padrão. O padrão ATSC-T (ATSC Terrestre), como será visto adiante, em sua versão atual, não permite aplicações móveis e portáteis, devido a um conjunto de características, tais como: modulação, entrelaçamento temporal e inflexibilidade na 6

7 configuração dos parâmetros de transmissão, que causam uma baixa imunidade a multipercurso afetando a recepção em campo (outdoor) e interiores (indoor). [5] Atualmente, esse padrão somente é utilizado com os canais de 6MHz da TV analógica. Utiliza, além do MPEG-2 para a codificação do sinal de vídeo e multiplexação de fluxos elementares, a codificação Dolby AC-3 para áudio e um sistema de modulação conhecido como 8-VSB para a camada de transporte (no caso da radiodifusão terrestre). Os vários fluxos elementares de vídeo, áudio e dados na entrada do multiplexador (figura 7), caracterizam um ou mais programas. A saída do multiplexador MPEG-2 é um fluxo de 19,39 Mbit/s. Esse feixe pode ser aplicado a um modulador 8-VSB (padrão ATSC-T para radiodifusão terrestre), 64-QAM (padrão preferido para transmissão via cabo) ou QPSK (padrão preferencial para satélite). O fluxo MPEG-2 é composto por blocos de 188 bytes cada, sendo o primeiro byte o de sincronismo. 2.3 Padrão DVB Fig. 8 Sistema DVB. O padrão europeu denominado DVB (Digital Vídeo Broadcasting) [1] foi criado por um consórcio europeu para transmissão de televisão digital e é o padrão adotado pela maioria dos países no mundo, conforme ilustra a figura 10. Admite 5 modos de transmissão com resoluções que variam, de acordo com a especificação, de 240 a 1080 linhas. A figura 8 [1] ilustra o padrão. O DVB-T (DVB Terrestre) também comporta a recepção por dispositivos móveis.entretanto, segundo seus críticos, não funciona satisfatoriamente, principlamente no modo hierárquico, quando transmite ao mesmo tempo para televisão de alta definição e sistemas móveis. [5] O DVB-T possibilita a utilização mais racional do espectro, apresentando uma relação capacidade/robustez de acordo com a configuração da camada de transmissão e com o conteúdo do que está sendo transmitido; consumo menor de potência - pode operar com canais de 6, 7 ou 8 MHz bastando alterar o clock principal; utilização de um tipo de modulação com grande número de portadoras; robustez às condições não favoráveis de transmissão terrestre apresentando alta imunidade ao multipercurso e; recepção móvel.. O sistema usa os pilotos espalhados (scaretered-pilots) para 7

8 estimação e sincronização de canais. Em função desta proposta, os sinais pilotos ocupam espaço do payload. Uma outra característica importante é a possibilidade de construção de redes de freqüência única (SFN Single Frequency Network), que é possível devido ao tipo de modulação utilizada. Nesse caso em vez de ter uma única antena transmissora de grande potência cobrindo uma vasta região, ter-se-ia uma rede de transmissoras de pequena potência, operando no mesmo canal, transmitindo o mesmo conteúdo, o mais sincronizadamente possível, com a distribuição da programação entre as transmissoras sendo feito através de qualquer tecnologia (ATM, SDH ou mesmo PDH). A sincronização é obtida com o empacotamento das informações em megaquadros e o uso de rótulos de tempo para sincronizar o início de transmissão dos mesmos. O relógio dos transmissores é sincronizado através de um satélite. O padrão MPEG-2 também é utilizado para codificação do sinal de áudio e vídeo e para a camada de multiplexação. Para a radiodifusão terrestre (VHF/UHF) é utilizada a modulação COFDM (Coded Orthogonal Frequency Division Multiplexing). Nesse método, o sinal a ser transportado é dividido e transmitido através de grande quantidade de pequenas portadoras, que podem ser moduladas em QPSK, 16-QAM ou 64-QAM. O DVB-T admite dois modos de operação, em relação ao número de portadoras, conhecidos como 2k (que utiliza 1705 portadoras) e 8k (6817 portadoras), conforme é mostrado na figura 9.[1] É justamente essa divisão do sinal em um grande número de portadoras que possibilita maior imunidade a ruídos, em particular a ecos resultantes de multipercurso. Fig. 9 Símbolos COFDM (Esta figura é apenas para efeito de ilustração. A quantidade de portadoras e os espaçamentos não estão em escala) 8

9 Fig. 10 Distribuição geográfica do DVB no mundo 2.4 Padrão ISDB Fig. 11 Sistema ISDB O ISDB (Integrated Services Digital Broadcasting) [6] é um padrão de radiodifusão de serviços multimídia desenvolvido no Japão pelo consórcio DIBEG (Digital Broadcasting Experts Group), contando principalmente com o suporte da emissora pública japonesa NHK. É baseado no sistema de transmissão europeu, mas é, segundo seus entusiastas, superior a ele no que diz respeito à imunidade a interferências, permitindo a convivência da televisão de alta definição com a recepção móvel. [5]. A figura 11 ilustra o padrão [6]. Como ocorre no ATSC e no DVB, o ISDB utiliza, para a codificação do sinalfonte de vídeo, o padrão MPEG-2, o mesmo ocorrendo para a camada de multiplexação. Para a codificação do sinal-fonte de áudio, o padrão adotado é a variante 9

10 MPEG-2, AAC (Advanced Audio Coding). Para a radiodifusão terrestre, o padrão ISDB-T utiliza, como no DVB-T, o sistema COFDM, com as portadoras moduladas em 16-QAM, 64-QAM, QPSK ou, adicionalmente DQPSK. Como no DVB, o ISDB é um sistema com parâmetros configuráveis pela emissora, permitindo obter diferentes níveis de robustez com as respectivas capacidades de transporte. O ISDB-T apresenta três modos de operação, ou seja, de número de portadoras: 2K, 4K e 8K. Em comparação ao DVB-T, existe um modo intermediário, chamado 4K. O número de portadoras no ISDB-T é ligeiramente inferior, o mesmo ocorrendo com o comprimento do símbolo. Por outro lado, o ISDB-T utiliza um clock mais rápido. O modo 4K suporta as características de transmissão requeridas tanto para recepção fixa quanto para recepção móvel e é, portanto mais adequado para uma programação combinando recepção fixa/móvel/portátil. Devido à segmentação de banda, um receptor portátil de um segmento é capaz de receber as transmissões tanto das estações de rádio quanto das estações de TV, devido à compatibilidade dos sistemas. Esta característica do ISDB-T não só possibilita uma extensa gama de serviços, como também confere significativos benefícios aos radiodifusores e fabricantes de receptores, em termos da popularização da radiodifusão digital e do cultivo de um novo mercado.[5] 2.5 Padrão Chinês Das cinco propostas originalmente apresentadas como candidatas para adoção na China [7], apenas duas ainda continuam em avaliação pelas autoridades chinesas: o sistema ADTB-T e o sistema DMB-T. A expectativa do governo chinês é de que o padrão já esteja em operação durante as Olimpíadas de Pequim de 2008 e seja a vitrine deste evento. Tem-se a preocupação de ter HDTV e recepção móvel no mesmo canal ADTB-T O sistema ADTB-T (Advanced Digital Television Broadcasting Terrestrial) é um sistema de portadora única baseado na modulação OQAM (Offset-QAM) e desenvolvida pelo HDTV TEEG (Technical Executive Experts Group). Esse tipo de modulação nada mais é do que a variação da modulação QAM, a qual se parece com a modulação 8VSB e é facilmente mutável. Como no ATSC, utiliza portadora única, porém com dois sinais pilotos para sincronização. A distribuição da potência para os canais pilotos é de 0,39dB. Para este modo de transmissão (em portadora única), apresenta os seguintes parâmetros, quando utilizadas as seguintes modulações: 64-OQAM com taxa de 25 Mbps e com potência de 14,9dB; 16-OQAM com taxa de 12 Mbps e com potência de 8,1dB; 4-OQAM com taxa de 6,3 Mbps e com potência de 3,2dB. O ADTB-T tem muita similaridade com o ATSC DMB-T O sistema DMB-T (Digital Multimedia Broadcasting Terrestrial) é um sistema que utiliza múltiplas portadoras e modulação OFDM. Tem uma proposta ampla e a sua 10

11 principal característica é a integração para permitir a construção de terminais multimídia. Prevê a construção de terminais portáteis de baixo custo. Os chineses propuseram uma modificação na arquitetura original do sistema OFDM do DVB-T usando processamento temporal na estimação do canal. O sistema não usa os pilotos espalhados (scaretered-pilots) do DVB-T, a estimação do canal é feita com base numa seqüência pseudo-aleatória transmitida durante o intervalo de guarda. Em função desta proposta, os sinais pilotos não são mais necessários e, com isso, o payload para a mesma configuração é um pouco maior. Os idealizadores deste sistema afirmam, sem mostrar resultados de teste, que esta estratégia também permite obter um C/N (Relação Sinal/Ruído) mais próximo do limiar teórico. Para possibilitar a recepção móvel, é utilizado um sistema hierárquico diferente do DVB-T e do ISDB-T e com possibilidade de até três camadas de serviço. Técnicas de espalhamento de espectro (spread spectrum) são empregadas na sincronização do sistema. A construção de redes SFN (Single Frequency Network) também está prevista. A idéia é codificar a seqüência do pacote de informações para identificar o tempo e os transmissores, através de rótulos de sincronismo. A identificação do transmissor no sinal permite o ajuste de atraso nas retransmissoras. O código de transmissores é semelhante ao sinal de GPS (Global Position System), porém com precisão pior, cerca de 15 metros. Nesta proposta de sistema, a FFT só é calculada depois da sincronização do receptor. A informação de gravação do tempo (time stamp) pode ser recuperada a partir da camada de transmissão sem precisar do fluxo de transporte (transport stream). Como o sistema é todo hierárquico, a identificação dos símbolos em RF permite a implementação de receptores portáteis com controle de potência e um clock mais lento: que só precisaria ler um símbolo a cada 100 símbolos transmitidos, por exemplo. O receptor portátil funciona com interpolação no tempo. 3 Middleware Middleware é um termo geral, normalmente utilizado para um tipo de código de software que atua como um aglutinador, ou mediador, entre dois programas existentes e independentes. Sua função é trazer independência das aplicações com o sistema de transmissão. Permite que vários códigos de aplicações funcionem com diferentes equipamentos de recepção (IRDs). Através da criação de uma máquina virtual no receptor, os códigos das aplicações são copilados no formato adequado para cada sistema operacional. Resumidamente, podemos dizer que o middleware possibilita o funcionamento de um código para diferentes tipos de plataformas de recepção (IRDs) ou vice-versa.[8] O Middleware se faz necessário para resolver o novo paradigma que foi introduzido com a TV Digital: a combinação da TV tradicional (broadcast) com a interatividade, textos e gráficos. Esta interatividade necessitará de várias características e funcionalidades, encontradas no ambiente WEB: representação gráfica; identificação do usuário; navegação e utilização amigável etc. [9] 11

12 As plataformas de Middleware deverão fornecer os seguintes serviços básicos [13]: Front-end / STB (Set Top Box) o Browser: Padrões abertos (HTML 4.0; Java Script 1.1); Padrões proprietários. o Gerenciamento da Plataforma: Atualizações de software; STB shut down. Back-end o Translações / Reformatação do conteúdo WEB para TV; o Proxy; o Segurança; o Gerenciamento do assinante. A figura 12 [3] apresenta o diagrama em blocos do modelo de middleware para TV Digital. Fig. 12 Arquitetura em camadas Os desenvolvedores de aplicações deixam de se preocupar com os protocolos existentes nas camadas inferiores do sistema de transmissão e objetivam apenas uma 12

13 interface padrão para desenvolvimento de seu trabalho. Html e Java são formatos aceitos na maioria dos Middlewares em funcionamento. Ainda não temos um padrão de Middleware universal. Três grupos tentam formalizar um padrão aberto: Europa com sistema DVB tenta padronizar o MHP; Estados Unidos com ATSC tenta o DASE; Japão com ISDB tenta o ARIB. OpenTV da OpenTV, MediaHighway da NDS e TV Pack da Microsoft são alguns Middleware proprietários que disputam com os abertos este mercado. A vantagem dos proprietários sobre os abertos é o suporte ao desenvolvimento. Além de proverem um ambiente de desenvolvimento para criação de aplicativos, as empresas proprietárias trazem a opção de uma solução completa, envolvendo tanto Middleware como aplicativos. Embora as aplicações sejam portáteis entre diferentes plataformas de hardware e sistemas operacionais, elas se tornarão dependentes do Middleware adotado. As aplicações desenvolvidas para MHP, provavelmente não funcionarão no ARIB antes de alguns ajustes de programação [3]. A figura 13 [13} apresenta a estrutura do modelo funcional do middleware para TV Digital. CONTENT SERVICES APPLICATIONS TV EPG PPV VOD Application Server HTML Browser Mail GAME Application Download Remote Control Settings Teletext Service & Programme Management Purchase & Billing Management Communication & Interaction Navigation & Selection HMTL Interpreter & Transcoder HMTL Browser Application Management Layer Interactive Application Loader Interactive Application Command & Control GRAPHICS TEXT RENDERING TUNER SOUND Filesystem & Download Management Memory Management I/O Management Software Decoder (MEGP4, WM9, Real Time 10,..) Porting Layer CAS / DRM Subsystem User Interface Management Fig Modelo Funcional Genérico do Middleware. No modelo funcional, destacam-se as seguintes camadas: Network Management (SNMP, NTP, Logging) Presentation Control Kernel Security Network Layer RTP RTCP RSTP UDP IP TCP 13

14 Porting Layer camada entre os drivers e o Middleware; Network Layer responsável pelo gerenciamento do transporte, comandos e controles da rede; Security integra a autenticação do usuário com os propósitos do CAS e DRM (Digital Rigths Management); Kernel é o cérebro do STB. Gerencia os arquivos do sistema, a memória e a codificação de audio e vídeo; Presentation Control atua na experiência do usuário que assiste à TV; Application Management Layer gerencia o conteúdo, os serviços da plataforma interativa e os aplicativos. Os padrões de Middleware adotam versões modificadas, reduzidas ou estendidas de três blocos fundamentais. São eles: DAVIC, HAVi e JavaTV. DAVIC (Digital Audio-Visual Council) é uma associação que representa diversas indústrias do segmento Audiovisual. Seu objetivo é especificar um padrão comum para difusão. Neste padrão são definidas interfaces em diversos pontos de referência, onde cada interface é definida por um conjunto de fluxo de informações e protocolos. A especificação também define formatos para fonte, texto, hipertexto, áudio e vídeo. Controle de acesso, filtragem de informações, notificação de modificação de recursos, informações de serviço, estão dentro do escopo de atividades do DAVIC. [3] HAVi é uma iniciativa das oito maiores companhias de produtos eletrônicos que especifica um padrão para interconexão e interoperação de dispositivos de áudio e vídeo. Esta especificação possui mecanismos para permitir que as funcionalidades de um dispositivo sejam remotamente usadas e controladas, a partir de outros dispositivos. Esta especificação provê uma independência da plataforma e da linguagem de programação para os dispositivos envolvidos, fazendo assim que diferentes equipamentos possam interagir. O padrão de rede IEEE1394-Firewire (IEEE1995) é adotado. O Firewire suporta taxa de 400Mbps isócrona, ideal para trafego com fluxo em tempo real. [3] JavaTV é uma extensão da plataforma Java que permite a produção de conteúdo para TV Interativa. Sua função é permitir a criação de aplicações interativas portáteis para TV, independentes da tecnologia de transmissão. Java TV Consiste basicamente de uma máquina virtual Java e bibliotecas de códigos reusáveis e específico para TV Interativa. A máquina virtual é residente no receptor e pode ser usadas por outros blocos funcionais (como o DAVIC, HAVi e bibliotecas do MHP). Java TV permite níveis avançados de interatividade, com ou sem canal de retorno, e associado ou não com fluxo de broadcast (vídeo e áudio). [3] As aplicações são serviços providos pelo sistema. Correio eletrônico, guia de programação, E-Commerce, jogos, sinopse etc. A figura 14 apresenta um exemplo de aplicação. 14

15 Fig. 14 Guia Eletrônico de Programação (EPG) O formato de apresentação Web traz um alto grau da familiaridade para o usuário e, com Return Path (canal de retorno do usuário), permite um ambiente de interação com receptor. Esta inovação revoluciona o sistema de TV. Um sistema que basicamente apenas difundia informação agora permite que o receptor interaja com o transmissor. 4 Padrões de Middleware 4.1 Multimedia Home Platform - MHP Na figura15 temos um diagrama básico da arquitetura MHP [3]. Nesta figura podemos visualizar a integração dos blocos funcionais com JVM (máquina virtual Java). O objetivo do MHP é prover Middleware que suporte um grande número de serviços, inclusive Web Browsing. Interoperabilidade e segurança de informação são observadas com um maior grau de atenção por este padrão. Além dos objetivos citados, o MHP é um padrão aberto, podendo assim ser usados por empresas, países e fundações sem o pagamento de Royalties. 15

16 Fig. 15 Diagrama básico do MHP O MHP define um interface entre as aplicações e terminais para que serviços sejam providos. Enquanto DVB está mais focado nos aspectos de transmissão dos sinais digitais, o MHP se direciona para aspectos referentes a apresentação dos serviços para o usuário do sistema. Por ser uma plataforma aberta, o receptor com MHP a princípio poderia receber serviços de diferentes operadoras de TV Digital. Como já foi citado, a API está apta a trabalhar com diferentes hardwares e diversas redes de transmissão. Podemos ter transmissões baseadas em satélite, cabo e outras. Este Middleware pode trabalhar em linguagem procedural e declarativa (só a partir da versão 1.1). O modelo procedural é composto por 4 blocos fundamentais (Java API, DAVIC, HAVi e DVB API) sobre uma camada de interface baseada em máquina virtual Java e denominada como DVB-J API. [ 3 e 9 ]. Na figura 16 mostramos um exemplo da estrutura do DVB-J [3]. No modo declarativo, o modelo implementa funções baseadas na linguagem HTML, denominada DVB-HTML. O MHP suporta três diferentes tipos de configurações para implementação de plataformas de serviços. Eles são Enhanced Broadcast, Interactive Broadcast e Internet Access. 16

17 Fig. 16 Estrutura do DVB-J Enhanced Broadcast Combina transmissão de áudio e vídeo e serviços de download de aplicações, que permitem serviços de interação local. Este tipo de configuração não suporta canal de retorno. Suporte a linguagem HTML pode ser incrementado a partir de plug-in. A figura 17 ilustra esta configuração [ 9 e 10 ]. Fig. 17 Enhanced Broadcast Interactive Broadcast Esta contém todas as funcionalidades do Enhanced e também permite diferentes formas de interação, modo Global, com ou sem associação com serviços de Broadcast. Esta configuração requer canal de retorno e suporta Internet Protocol (IP). A figura 18 ilustra esta configuração [ 9 e 10 ]. 17

18 Fig Interactive Broadcast Nesta configuração é incluída a interface para Return Path. Internet Access Esta configuração tem todas as funcionalidade dos modos antecessores e permite acesso a serviços Internet. Interação entre serviços Broadcast e serviços Internet são possíveis. Browser para e API Java para acesso à Internet também são comuns nesta configuração. A figura 19 ilustra esta configuração [ 9 e 10 ]. Fig. 19 Internet Access Em relação às versões do MHP, podemos citar as versões 1.0 (2000), versão 1.1 (2001) e (2003) [3]. Versão 1.0 Apenas suporte às configurações Enhanced e Interactive Broadcasting. Versão 1.1 Suporte aos três tipos de configurações (Enhanced e Interactive Broadcasting, Internet Access). Modelo Procedural (DVB-J) e Modelo Declarativo (DVB-HTML). O MHP pode suportar diversos tipos de aplicações de serviço. Podemos citar [9]: 18

19 Guia de programação interativa (EPG); Serviços de informação (horários de vôos, condição do trânsito, clima); Aplicações sincronizadas com programa de TV (placar de jogos); TV-Commerce e Transações seguras. A utilização do DVB no mundo já esta bem difundida [1]. Na Itália, foi adotado como padrão e foram registradas vendas de receptores com MHP em 2004 [1]. Na Coréia do Sul, no ano de 2003, receptores estavam funcionando [1]. O padrão também foi adotado pela Alemanha e pela Suécia [1]. 4.2 ATSC-DASE Padrão americano que define o DTV Application Software Enviornment Level-1 (DASE-1) [11]. Trata-se de uma camada de SW que permite ao conteúdo da programação e aos aplicativos, rodarem num equipamento chamado Receptor Comum. O DASE-1, ou simplesmente DASE, define basicamente as interações entre o DASE Content Model (DASE Applications) e o DASE Environment Model (DASE System). APLICAÇÃO DASE (XHTML, CSS, ECMA Script, JavaTV etc) DASE System Ambiente de Aplicações Declarativas Ambiente de Aplicações Procedurais Interpretador de Interpretador Interpretador estilo de folha XHTML ECMA Script ou cascata Interpretador de código JAVA Byte (Máquina virtual JAVA) Implementação de API de modelos de documentos e ambientes de objetos pjava, JMF, JavaTV, HAVI, W3C Implementação de API Decodificação de conteúdo comum (PNG, JPEG, ZIP, Portable Font Resource etc) FRAMEWORK DE SEGURANÇA Fig. 20 Modelo de blocos do DASE O modelo em blocos do padrão DASE, ilustrado na figura 20[11], é dividido em: Aplicação DASE é a coleção de informações que expressa um conjunto específico de comportamentos observáveis. Ambiente de Aplicações Declarativas é basicamente o browser de documentos multimídia (User Agent). 19

20 o Aplicações Declarativas é o documento multimídia composto por regras de estilo, scripts, markups, gráficos, vídeo e áudio. Ambiente de Declarações Procedurais é a JAVA Virtual Machine e a implementação de suas APIs. o Aplicações Procedurais é o aplicativo JavaTV xlet, composto por código binário, compilado em JAVA, em conjunto com outros conteúdos como gráficos, vídeos e áudios. Uma aplicação DASE não precisa ser puramente Declarativa ou Procedural. Em particular, as aplicações Declarativas geralmente utilizam scripts, o que é característica das aplicações Procedurais. Por outro lado, as aplicações Procedurais podem se referir a conteúdos declarativos como, por exemplo, conteúdos gráficos. O padrão DASE não especifica a implementação dos ambientes de aplicação nos Receptores Comuns. Os fabricantes poderão implementar ambos os ambientes de aplicação num mesmo receptor, ou não. O padrão define as seguintes capacidades: Capacidade de entrada para usuários o DASE System suporta interação com os usuários através de navegação que permite: o Facilidade de movimentação (up, down, left, rigth); o Dígitos (0-9); o Ativação (Select /Enter); o Cores; o Teclado básico (físico/virtual); o Mouse/trackball. Capacidade de áudio - suporta decodificação em tempo real e apresentação do conteúdo do fluxo de áudio. Capacidade de vídeo - suporta decodificação de vídeo em tempo real e apresentação do conteúdo do fluxo de vídeo. Capacidade gráfica O DASE suporta a decodificação e a apresentação de conteúdo visual, que não seja vídeo, de acordo com as seguintes resoluções: o 1920 X 1080; o 1280 X 720; o 960 X 540; o 640 X 480. O display, onde serão mostradas as imagens, deverá suportar um ou mais dos seguintes modos gráficos: o 8-bit pseudo-color; o 16-bit direct-color (RGBA 4444 ou RGBA5551); 20

21 o 24-bit direct-color (RGBA 6666 ou RGBA8880); o 32-bit direct-color (RGBA 8888). Modelo de Display Background Vídeo Canais Alfa Gráfico Ponteiro/Cursor Usuário Fig. 21 Composição do Modelo de Display do DASE O modelo de display [11] é apresentado em quatro camadas: background, vídeo, gráfico e cursor. Cada camada pode ser independente da outra. As quatro camadas compõem juntas o display. São consideradas Facilidades Comuns aquelas utilizadas pos ambos os ambientes de aplicação. Cada facilidade define uma categoria de tipos de conteúdo, enumerando um conjunto com um ou mais tipos de conteúdo. Foram definidas as seguintes categorias: Conteúdo de aplicações metadados utilizadas para especificar as informações essenciais sobre as aplicações DASE, o que é necessário para a instalação e o processamento das aplicações. Conteúdo gráfico consiste dos conteúdos do tipo non-stream, que representam uma imagem estática. Suporta os padrões image/jpeg e image/png (Portable Network Graphics). Conteúdo de vídeo non-streaming são conteúdos que representam um ou mais quadros que serão apresentados progressivamente e de forma síncrona. Suporta o padrão video/mng (Multiple Network Graphics). Conteúdo da áudio non-streaming - são conteúdos que representam um ou mais quadros de áudio que serão apresentados progressivamente e de forma síncrona. Suporta o padrão audio/basic. Nota: R=red; G= green; B= blue; A = alfa. Conteúdo de fluxo de vídeo (streaming video) - são conteúdos que representam um ou mais quadros que serão apresentados progressivamente e, opcionalmente, 21

22 com um ou mais canais de áudio. Suporta os padrões video/mpeg (MPEG-2 Video Program) e video/mpv (MPEG-2 Video Elementary Stream). Conteúdo de fluxo de áudio - são conteúdos que representam um ou mais quadros de áudio que serão apresentados progressivamente e de forma síncrona. Suporta o padrão audio/ac3 (Dolby AC-3). Conteúdo de fonte são tipos de conteúdos que representam os formatos de letras e símbolos que serão utilizados nos textos. Devem ser compatíveis com o padrão application/font (Portable Font Resource). Conteúdo de arquivo são tipos de conteúdos que servem como pacotes para um ou mais recursos da aplicação. Suporta o padrão application/zip (ZIP Archive Resource). Conteúdo de disparo (trigger) - este conteúdo é usado para permitir a entrega de eventos pelo sistema de entrega à aplicação DASE. 4.3 ARIB O padrão ARIB (Association of Radio Industries and Business) [12] define as regras de aplicação de um modelo de referência para o serviço de broadcasting de dados, transportado como parte do serviço de broadcasting digital, definido pelo padrão Japonês de broadcasting digital. Neste sistema, áudio, vídeo e todos os serviços de dados são multiplexados e transmitidos via broadcasting de rádio, em um fluxo empacotado (Transport Stream TS), especificado pelo MPEG-2. Canais para a interatividade das comunicações são disponibilizados atraves dos canais interativos da rede, tanto fixas quanto móveis. A figura 22 mostra um diagrama com as principais características do ARIB [12]. Foram definidos três tipos de sistemas de transmissão de dados que são suportados pelo ARIB[12]: Sistema de transmissão de dados que utiliza o armazenamento dos pacotes como um fluxo de pocotes no PES (Packetized Elementary Stream). Este sistema é muito usado para aplicações em tempo real e, basicamente, para serviços de dados que necessitem de controle de tempo na decodificação e reprodução vídeo, áudio e legendas ou ainda naqueles que precisam ser sincronizados com outros fluxos. Este sistema é especificado como data stream. Sistema de transmissão de dados que utiliza as seções. Sistema utilizado para serviços de armazenagem de informação (data storage services). Dados que serão transmitidos repetidas vezes podem ser armazenados no receptor após o primeiro download e reutilizados sempre que necessário. Este serviço é especificado como data carrousel. Sistema onde os dados são armazenados diretamente no payload do pacote TS. Este sistema será especificado quando se tornar necessário, como uma especificação expandida. 22

23 TV, audio service Multimedia Services PSI/SI ~ program index Section Video, audio Subtitle, superimpose Data Stream PES MPEG 2 TS (TS packet) PSI Program Specific Information SI Service Information Fig. 22 Diagrama de blocos do ARIB Multimedia coding Mono-media coding Carrousel transmission format Section Each Communication Protocol Two-way network (fixed / mobile) PES Packetized Elementary Stream TS Transport Stream As funções básicas dos receptores foram especificadas para receber e disponibilizar os serviços multimídia. Os receptores deverão possuir as funções de recepção, display, comunicação com o serviço de dados (interatividade) além, é claro, das funções básicas de um receptor normal de TV. Recepção e armazenamento é desejado que os serviços de multimídia disponibilizados possam usar receptores de custo baixo para armazenamento destes serviços. Para atender a estas restrições de capacidade de armazenamento, foram definidos dois tipos de serviços de armazenamento: o O primeiro armazena somente as informações dos dados transmitidos; o O segundo, armazena as informações dos dados e o vídeo normalmente transmitido em broadcasting. Para o armazenamento de vídeo, um segundo dispositivo de armazenamento (HD ou unidade de fita) é necessário e para o armazenamento de dados, poderá ser utilizado dispositivo com menor capacidade, como flash memory. Durante o período que o usuário está assistindo a um programa, é necessário que a função de recepção de dados em background esteja ativa. Apresentação para reproduzir na tela o conteúdo multimídia exatamente como foi enviado, as funções de display e play-back foram especificadas. As funções de apresentação foram projetadas baseadas na estrutura lógica da tela do 23

24 display, composta por plano de vídeo, plano de figura, plano de gráficos e textos, plano de legendas e plano de controle. Plano de vídeo Plano de figura Plano de controle Plano de gr áficos e textos Plano de subt legendas ítulos Fig. 23 Estrutura lógica do display ARIB Usuário A figura 23 apresenta a estrutura lógica dos planos que compõe o display ARIB [12]. Os processos no receptor podem ser divididos em três etapas: Decodificação dos dados transmitidos dados mono-mídia, como caracteres, figuras, vídeo e áudio são transmitidos por meio de data stream ou de data carrousel. Estes dados são decodificados e divididos para serem codificados, por tipo, de forma individual (mono-mídia). Decodificação dos dados mono-mídia os dados mono-mídia serão decodificados no decodificador apropriado. Geralmente vídeo e áudio são decodificados por hardware, mas existem casos em que podem ser decodificados por software, como no caso de imagens estáticas. Apresentação Texto, gráfico, figuras e vídeo são mostrados pelos planos de gráficos e textos, figuras e vídeo, respectivamente e o resultado final é composto pelo plano de controle. Em um serviço multimídia, o controle das apresentações mono-mídia é feito pela especificação da codificação das superposições e do plano de legendas. Cada plano de apresentação mapeia o conteúdo a ser mostrado utilizando um sistema de coordenadas retangulares que definirão as representações da informação em cada um destes planos. A Tabela 2 mostra a especificação ARIB para estas apresentações [12]. 24

25 PLANO VÍDEO FIGURA CONTROLE TEXTO & GRÁFICO LEGENDAS ESPECIFICAÇÃO 1920 X 1080 X 16 Y, Cr, Cb (4:2:2) 8 bits 1920 X 1080 X 16 Y, Cr, Cb (4:2:2) 8 bits 1920 X 1080 X 1 1 bit de controle 1920 X 1080 X 24 Y, Cr, Cb (4:4:4) 8 bits - composição α em 256 valores 1920 X 1080 X 8 8 bits para endereçamento de mapa de cores - composição α em 256 valores Tabela 2 Especificação das resoluções de apresentação dos Planos O mapeamento por sistema de coordenadas retangulares permite definir nas coordenadas X e Y um fator N, de maneira que o sistema utiliza N como um fator de redução. Assim, o par de coordenadas será (X/N, Y/N), onde N pode assumir os valores 1; 1,5 e 2. Para N=1, o mapeamento é dito 1:1 e o sistema de coordenadas suporta até 1920 X 1080 posições. Para N=1,5 o sistema de coordenadas suporta 1280 X 720 posições e para N=2, 960 X 540. Desta forma, o ARIB permite alteração de resolução [12]. Uma visão geral das características do sistema é apresentada a seguir [12]: Serviços o Conteúdo Permite apresentar legendas e superposição sobre HDTV e SDTV; Permite assistir HDTV, SDTV, áudio ou informações independentes multimídia. Entende-se por informações independentes multimídia como sendo a informação que permite ao usuário assistir, de maneira integrada, vários tipos de mídia como texto, figuras, vídeo, áudio etc de forma interativa. Considera as possibilidades de serviços, não somente de broadcasting, mas também as combinações de vários outros serviços de comunicações e transmissão de pacotes. Consideram os serviços interativos, utilizando os serviços de comunicações, como as redes de telefonia pública. Considera o público que irá adquirir os serviços, oferecendo serviços especiais e diferenciados para idosos e deficientes. o Acessibilidade Permite adicionar EPG (Electronic Program Guide), índice e funções de gravação automática para melhorar a seleção da programação. 25

26 o Permite acesso dos controles, de forma variada, diretamente do usuário. Considera que o tempo para o chaveamento de canais/programas/serviços não deverá ser percebido com atraso/retardo pelo usuário. Extensões Considera que haverá extensões para o estilo dos serviços, de especificação de novas codificações, dos sistemas de acesso condicionais (VoD) e dos receptores. Considera a possibilidade de atender os novos serviços, no futuro. Interoperabilidade Permite recepção via receptores tradicionais, similares aos existentes para HDTV e SDTV. Meios como broadcasting via satélite, broadcasting terrestre e CableTV deverão ter prioridade em poder utilizar o padrão. Considera a integração com os sistemas de comunicações e redes de pacotes como alta prioridade. O uso de receptores comuns capazes de concentrar a recepção de vários tipos de mídia, dos sistemas de comunicações e das redes de pacotes também devem ser considerados como prioritários. Capacidade de Controle Considera a flexibilidade de controle do sistema usando a eficiência da capacidade de transmissão por meio da transmissão do controle de HDTV, SDTV e áudio via broadcasting digital. Considera as funções de controle como ferramentas para proteção de direitos autorais. Considera as funções automáticas de controle de recepção tais como o canal de emergência via broadcasting. Erros de apresentação no display Nos serviços relacionados com HDTV, SDTV e áudio, os erros de apresentação de legendas, superposição e informações multimídia devem ser tratados dentro de um período de tempo que não permita ao usuário perceber que tal erro ocorreu. 5 Comparação entre os padrões A Tabela 3 apresenta as comparações entre as principais caracterísiticas dos padrões de Middleware aberto. 26

27 COMPARAÇÃO DOS PADRÕES DE MIDDLEWARE CARACTERÍSTICA MHP DASE ARIB Segurança SIM SIM Não disponível Decodificação de conteúdo comum (PNG, SIM SIM SIM JPEG, ZIP etc) Tipos de aplicativos HTML e JavaTV XHTML,CSS,ECMA Script, JavaTV Não disponível Distinção entre aplicações declarativas e SIM SIM Não disponível procedurais Interação com usuário SIM SIM (teclado, mouse) SIM Capacidade de Áudio MPEG BC Non-streaming: (audio/basic) Streaming: (Dolby AC-3) SIM Capacidade de Vídeo MPEG 2 Non-streaming: (Multiple Network Graphics) Streaming: (MPEG 2) MPEG 2 Capacidade Gráfica LDTV: 320 X 240 SDTV: 640 X 480 EDTV: 720 X 480 HDTV: 1920 X X X X X 480 Alta definição: 1920 X 1080; 1280 X 720 e 960 X 540. Definição Normal: 620 X 480. Display Não disponível Multiplano: Background, vídeo, gráfico e ponteiro/cursor (8 bit pseudo color; RGBA 4444; RGBA 5551; RGBA 6666; RGBA 8880 e RGBA 8888) Multiplano: vídeo, figura, controle, gráfico e texto e legendas: (Y, Cr, Cb/4:2:2/8bits;Y, Cr, Cb/4:4:4/8bits/ composição do canal α em 256 valores;1920 X 1080 X 1-1 bit de controle; 8 bit para endereçamento de mapa de cores) Correção de erros sem perc Metadados SIM SIM SIM Receptor (STB) Receptores Comuns de baixo custo Receptores Comuns Receptores Comuns de baixo custo Extenções/Expansões SIM Não disponível SIM Serviços HDTV, SDTV, outros serviços de HDTV, SDTV, outros serviços de HDTV, SDTV, outros serviços de telecomunicações e de dados. telecomunicações e de dados. telecomunicações e de dados. Interatividade SIM SIM SIM, via digital broadcasting, SDTV (terrestre), Satélite, redes de pacotes e redes de telecomunicações. Controlabilidade Vantagens Funções de controle do usuário; Canais de emergência. Baixo preço do Set Up Box; Maior aceitabilidade mundial. Controle do usuário Possibilidade de contrapartidas comerciais nos EUA. Funções de controle do usuário; canais de emergência. Melhor para aplicações móveis; Proximidade funcional com DVB. Tabela 3 Comparação das características dos padrões de Middleware 27

28 6 CONCLUSÕES A TV Digital já é uma realidade. As possibilidades de entreternimento, aprendizado e interatividade disponibilizadas estão fazendo com que os provedores de serviços e também os provedores de conteúdo, cada vez mais, convirjam para um mesmo ponto: o terminal do usuário. Embora os grandes padrões da transmissão de TV Digital, o Europeu - DVB, o Americano - ATSC e o Japonês - ISDB (além dos Chineses ADTB e DMB, que ainda não se pode comentar, pois não existem muitas informações divulgadas) tenham suas diferenças técnicas, o conteúdo a ser gerado deverá, por uma questão ao menos de retorno de investimento, atingir a quantos usuários o desejarem, independentemente do padrão que estejam utilizando. É neste contexto que entra o Middleware, com a missão de unificar os padrões através da disponibilização de qualquer tipo de conteúdo em qualquer tipo de receptor, independentemente do padrão de transmissão. Pelo que foi mostrado neste trabalho, os Middlewares já convergem em um grande número de características. O próprio padrão Japonês ARIB - prevê atualizações neste sentido. Dentro de alguns anos, quando a TV Digital praticamente substituir a TV Analógica, a convergência total entre os Middlewares será notada, pois sem esta convergência alguns grupos de consumidores serão privados de conteúdo e isto os fará mudar de provedor para que tenham acesso a todo o conteúdo que desejarem. Acreditamos que quando as condições citadas acima forem verificadas, os Middlewares farão o papel de interface entre os diversos padrões de transmissão e o conteúdo dos serviços, programas, entretenimentos etc, gerados de forma independente do padrão de transmissão mas com o objetivo de atingir a todos os usuários. O Middleware certamente caminha para assumir a função de uma camada de aglutinação dentro do modelo da TV Digital. 28

29 7 REFERÊNCIAS [1] [2] TV Digital Interativa. Subgrupo do trabalho2 do CAPDA Comitê de Atividades de pesquisa e Desenvolvimento na Amazônia, Mar/2004, Amazonas AM. [3] Introdução à Televisão Digital Interativa: Arquitetura, Protocolo, Padrões e Práticas. Jorge Fernandes, Guido Lemos e Gledson Silveira, 2004, JAI-SBC, Salvador BA. [4] [5] Testes da SET-Abert Group Brazil- Brazilian Digital Television Tests, April /2000 (Relatório sobre desempenho em transmissões terrestres) [6] [7] JUN, Zhang Wen et al. Progress of digital TV in China. China: Technical executive experts group, NOV/2001 e JAN-MAR/2002. [8] Projetando um Serviço de Descoberta de Canais para TV Digital. Juliana R. B. Diniz Barros, Adriana R. Silva, Roberto S. M. Barros, Carlos A. G. Ferraz e Nelson S. Rosa. Faculdade Integrada do Recife, [9] Digital Terrestrial Television Action Groups- Report on API Migration, Mai/2001, DigiTag Task Force on API Migration, Suiça. [10] Draft MHP Cable Workshop, Munich, Jan/2002, MHP- Concept and Impact. [11] DASE/1 Standard [12] ARIB Standard: STD-B24, Vol. 1, V. 3.2, June, [13] Accenture Reference Information: Video 102 Training Course, May, 2005 Sophia Antipolis, France. 29