Niterói, RJ, Brasil, 8-10 de novembro de 2005. PADRÕES DE MIDDLEWARE PARA TV DIGITAL Alexsandro Paes, Renato H. Antoniazzi, Débora C. Muchaluat Saade Universidade Federal Fluminense (UFF) / Centro Tecnológico Departamento de Engenharia de Telecomunicações Niterói, RJ, Brasil alex232@midiacom.uff.br, renato.h.antoniazzi@accenture.com, debora@midiacom.uff.br RESUMO Este artigo apresenta uma visão geral dos padrões de TV Digital, com enfoque na camada de middleware. São discutidos o conceito de middleware, os principais padrões de middleware para TV Digital compatíveis e suportados pelos principais sistemas de transmissão atuais e uma comparação entre esses padrões. Palavras-Chaves: MIDDLEWARE. TV DIGITAL. PADRÕES. 1 INTRODUÇÃO O objetivo deste trabalho é apresentar o conceito de middleware para TV Digital, os atuais padrões de mercado e uma comparação entre eles, em termos de funcionalidades disponibilizadas. O trabalho está estruturado como se segue. Os conceitos de TV Digital e os principais padrões de mercado são apresentados na seção 2. Na seção 3, é mostrada a definição de middleware para TV Digital e apresentado um resumo das principais características dos padrões de middleware. Na seção 4, é feita uma comparação entre os padrões e a última seção exibe as considerações finais. 2 TV DIGITAL A TV Digital é um sistema de televisão com transmissão, recepção e processamento digitais, podendo, no receptor 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). Podemos redefinir Televisão Digital como sendo a transmissão de sinais de televisão na forma digital. Este sistema aumenta a garantia de resultados de imagem e som de melhor qualidade para o telespectador. Além disto, a imagem poderá ser mais larga (widescreen proporção 16 X 9) que a atual (proporção 4 X 3), eventualmente com um maior grau de resolução (alta definição) e um som estéreo realisticamente envolvente (surround). A televisão digital oferecerá a interatividade. Além disso, 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. 3.1 ARQUITETURA DO SISTEMA DE TV DIGITAL Analogamente ao modelo OSI para Redes de Computadores, o modelo da arquitetura de um sistema de TV digital é dividido em camadas. Estas têm uma autonomia e prestam ou recebem serviços das camadas vizinhas. Na figura 1 é apresentada o modelo da arquitetura da TV Digital. Além das funções de modulação/transmissão e demodulação/recepção conhecidas da TV convencional, são introduzidas as funções de compressão/descompressão e de middleware. O middleware ocupa uma posição entre a camada de transporte e os aplicativos interativos. Observa-se que é através do middleware que atua o provedor de serviços interativos [3]. 3.1.1 PADRÃO ATSC O padrão ATSC -T (ATSC Terrestre/Norte Americano), 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 configuração dos parâmetros de transmissão, que causam uma baixa imunidade a multipercurso afetando a recepção em campo (outdoor) e interiores (indoor) [4]. 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). 3.1.2 PADRÃO DVB
O padrão denominado DVB (Digital Vídeo Broadcasting) foi criado por um consórcio europeu para transmissão de televisão digital e é o padrão adotado pela maioria dos países no mundo. Admite 5 modos de transmissão com resoluções que variam, de acordo com a especificação, de 240 a 1080 linhas [1]. 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]. 3.1.3 PADRÃO 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. 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]. 3 MIDDLEWARE Middleware é um termo geral, normalmente utilizado para um 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 compilados 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 [7]. 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 [8]. Assim, os desenvolvedores de aplicações deixaram de se preocupar com os protocolos existentes nas camadas inferiores do sistema de transmissão e focalizaram uma interface padrão para desenvolvimento de seu trabalho. Html e Java são formatos aceitos na maioria dos Middlewares em funcionamento. Além disso, 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. 3.2 PADRÕES DE MIDDLEWARE Ainda não existe um padrão de Middleware universal. Três grupos tentam formalizar um padrão aberto: a Europa com sistema DVB tenta padronizar o MHP, os Estados Unidos com ATSC tenta o DASE e o Japão com ISDB tenta o ARIB. 3.2.1 MHP - DVB A função do padrão MHP (Multimidia Home Plataform) é prover Middleware que suporte um grande número de serviços, inclusive Web Browsing. A interoperabilidade e a segurança de informação são observadas com um maior grau de atenção por este padrão. Além dos objetivos citados, o MHP é um padrão aberto, permitindo um grau de customização por desenvolvedores.
O MHP define uma interface entre as aplicações e terminais para que os serviços sejam providos. Enquanto DVB está 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 poderia receber, a princípio, 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. A seguir, apresentamos alguns tipos de transmissões suportadas pelo padrão: 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 [9]. Interactive Broadcast 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) [9]. Internet Access Possui todas as funcionalidade dos modos antecessores e permite acesso a serviços Internet. Interação entre serviços Broadcast e serviços Internet são possíveis. Browser para e-mail e API Java para acesso à Internet também são comuns nesta configuração [9]. 3.2.2 DASE - ATSC Padrão americano que define o DTV Application Software Enviornment Level-1 (DASE-1). Trata-se de uma camada de SW que permite ao conteúdo da programação e aos aplicativos, rodarem num equipamento chamado Receptor Comum. O modelo do padrão foi dividido em [10]: 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). Entende-se por Aplicações Declarativas como 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. Entende-se por Aplicações Procedurais como o aplicativo JavaTV xlet, composto por código binário, compilado em JAVA, em conjunto com outros conteúdos como gráficos, vídeos e áudios. O padrão não especifica a implementação dos ambientes de aplicação nos Receptores Comuns, embora defina as seguintes capacidades: Capacidade de entrada para usuários interação com os usuários através de navegação. Capacidade de áudio - decodificação em tempo real e apresentação do conteúdo do fluxo de áudio. Capacidade de vídeo - decodificação de vídeo em tempo real e apresentação do conteúdo do fluxo de vídeo. Capacidade gráfica decodificação e a apresentação de conteúdo visual, que não seja vídeo, de acordo com várias resoluções. Modelo de Display - utiliza modelo baseado em planos de apresentação (display plan).
3.2.3 ARIB - ISDB O padrão ARIB (Association of Radio Industries and Business) 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 [11]. 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[11]. Três tipos de sistemas de transmissão de dados são suportados pelo ARIB[11]: transmissão de dados que utiliza o armazenamento dos pacotes como um fluxo de pacotes no PES (Packetized Elementary Stream); transmissão de dados que utiliza as seções, utilizado para serviços de armazenagem de informação (data storage services) e o sistema onde os dados são armazenados diretamente no payload do pacote TS. Os processos no receptor podem ser divididos em três etapas: decodificação dos dados multimídia; decodificação dos dados monomídia e apresentação. 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. O padrão também define como características do sistema os serviços oferecidos (conteúdo, acessibilidade, extensões), a interoperabilidade (interatividade), a capacidade de controle e os erros de apresentação no display. 4 COMPARAÇÃO ENTRE OS PADRÕES DE MIDDLEWARE A Tabela 1 apresenta a comparação das principais características dos middlewares. 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 Display LDTV: 320 X 240 SDTV: 640 X 480 EDTV: 720 X 480 HDTV: 1920 X 1080 Não disponível 1920 X 1080 1280 X 720 960 X 540 640 X 480 Multiplano: Background, vídeo, gráfico e ponteiro/cursor (8 bit pseudo color; RGBA 4444; RGBA 5551; RGBA 6666; RGBA 8880 e RGBA 8888) Alta definição: 1920 X 1080; 1280 X 720 e 960 X 540. Definição Normal: 620 X 480. 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 Funções de controle do usuário; Funções de controle do usuário; canais Controle do usuário Canais de emergência. de emergência. Vantagens Baixo preço do Set Up Box; Maior aceitabilidade mundial. Possibilidade de contrapartidas comerciais nos EUA. Melhor para aplicações móveis; Proximidade funcional com DVB. Tabela 1 Comparação das características dos padrões de Middleware
5 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. 6 REFERÊNCIAS [1] http://www.dvb.org [2] TV Digital Interativa. Subgrupo de Trabalho 2 do CAPDA Comitê de Atividades de Pesquisa e Desenvolvimento na Amazônia, Amazonas, Mar/2004. [3] FERNANDES, J.; LEMOS, G.; SILVEIRA,G. Introdução à Televisão Digital Interativa: Arquitetura, Protocolo, Padrões e Práticas, JAI-SBC, Salvador, 2004. [4] http://www.atsc.org [5] Testes da SET- Abert Group Brazil- Brazilian Digital Television Tests, Relatório sobre desempenho em transmissões terrestres (www.set.com.br),2000. [6] http://www.dibeg.org [7] DINIZ BARROS, J.R. B; SILVA, A. R.; BARROS, R.S.M.; FERRAZ, C.A.G.; ROSA, N.S. Projetando um Serviço de Descoberta de Canais para TV Digital. Faculdade Integrada do Recife, 2004. [8] Digital Terrestrial Television Action Groups - Report on API Migration, DigiTag Task Force on API Migration, Suiça, 2001. [9] Draft MHP Cable Workshop, MHP- Concept and Impact, Munique, 2002. [10] http:// www.atsc.org/standards.html - DASE/1 Standard [11] ARIB Standard: STD-B24, Vol. 1, V. 3.2, 2002.