Internet e Web (MP3) Fernando Bezerra Karyn Mourato Newton Magalhães Junho de 1999.

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1 Internet e Web (MP3) Fernando Bezerra Karyn Mourato Newton Magalhães Junho de 1999

2 Apresentação n Dentre as aplicações multimídia, as relacionadas com música interativa são as que exigem alta performance da transmissão. n Os S.O. tradicionais e a infraestrutura de redes atuais não correspondem à qualidade necessária a estas aplicações.

3 1. Introdução n Em 1995, é desenvolvido o Vosaic, uma extensão do Navegador Mosaic capaz de transmitir (exibir) video e audio em tempo real através da Internet, usando algoritmos adaptativos de compactação (e descompactação) de arquivos. n A grande rede já se apresentava como um obstáculo ao desenvolvimento destas aplicações. Atualmente, a Internet ainda apresenta grandes atrasos na transmissão (LATÊNCIA) e grandes variações destes atrasos (JITTER). PROBLEMA:

4 Introdução - CONTINUAÇÃO n Infelizmente, atualmente a Música na Internet (transmitida através da grande rede) está limitada a transmissão em um sentido: POUCA INTERAÇÃO!

5 2. Desafio tecnológico n Eis o grande desafio na transmissão de música: Volume de espaço (largura de banda) e Tempo Limite (atrasos na transmissão). Quando um servidor manda um fluxo de audio (com qualidade de CD) de 256Kbps através de uma rede, é essencial que esta rede seja capaz de suportar uma taxa média de dados de no mínimo 256Kbps. Além disso, se o audio está sendo tocado em tempo real, o JITTER da rede deve ser pequeno, sob pena de não ocorrer interrrupções na sua execução.

6 Desafio tecnológico - CONTINUAÇÃO n Técnica adotada pelos softwares existentes: Bufferização dos dados ´no cliente´ e atraso no começo da execução por alguns segundos. PROBLEMA: INTERATIVIDADE!!! n A EXTREMA SENSIBILIDADE NA TRANSMISSÃO DE MÚSICA COM INTERAÇÃO: VIDEO CONFERÊNCIA: um atraso de 1seg é tolerável... MÚSICA: Dois artistas cantando ou tocando juntos, um atraso da ordem de 1 segundo já irrita quem ouve...

7 Desafio tecnológico - CONTINUAÇÃO n Um experimento informal realizado no Laboratório de Linguagens Sonoras na PUC-SP usando um MAX patch para atrasar o som produzido por um dos músicos em um dueto: APÓS ALGUMA PRÁTICA, OS MÚSICOS ERAM CAPAZES DE COMPENSAR ATRASOS ACIMA DE 70 OU 80 ms, CHEGANDO A CANTAR JUNTOS. n A grande rede ainda não está preparada para tornar o sonho da interatividade (com qualidade) em realidade...

8 n NETSOUND Sistema de descrição de som e música capaz de transmitir especificações Csound em tempo real. Técnica utilizada: ECONOMIA DA BANDA PASSANTE Ao invés de enviar uma onda de audio digital através da rede, o NETSOUND envia uma descrição matemática da onda sonora, a qual é decodificada e executada no receptor. 3. Trabalhos na área ´O que a turma tem feito...´ (+) ORDEM DE centenas de bps, AO INVÉS DE Mbps ou Kbps. (-) Resolve o problema de largura de banda, mas não o problema de tempo limite ( LATÊNCIA E JITTER ), por conta do processamento pesado na máquina de destino.

9 Trabalhos realizados - CONTINUAÇÃO n REDE MULTIMÍDIA O global Visual Music Project está desenvolvendo uma infraestrutura para tempo real, uma REDE MULTIMÍDIA. Conexões dedicadas, com tecnologia ISDN, têm reduzido o problema do tempo limite para transmissões de músicas em tempo real.

10 4. Infraestrutura Tecnológica n A Internet é baseada em protocolos projetados para troca de informação textual e transferência de arquivos. Não são otimizados para grande quantidade de dados e para lidar com ambientes heterogêneos. n Alternativas encontradas por pesquisadores da área: 4.1 Compactação de dados; 4.2 Representação alternativa de dados; 4.3 Suporte de Rede; 4.4 Suporte de Sistemas Operacionais.

11 4.1 Compressão de dados Infraestrutura Tecnológica CONTINUAÇÃO n PROBLEMA: Audio com qualidade de CD requer dois canais de 16bits, contendo 44.1kHz, equivalendo a uma taxa de 1411.2Kbps. n Problema de VOLUME de dados pode ser resolvido com técnicas de compressão de dados. n A GRANDE JOGADA DO MP3: Capturar apenas as informações que são mais importantes para o ouvido humano, ignorando o que não pode ser percebido. Entretanto, o problema está no poder computacional necessário à descompressão dos arquivos, causando ATRASO.

12 4.2 Representação alternativa de dados Infraestrutura Tecnológica CONTINUAÇÃO n PROBLEMA: Compressão de dados gera ATRASOS e ainda produz uma grande taxa de dados (da ordem de 128kbps). Isto pode ser evitado com a técnica de representação alternativa. n MIDI: Armazenar informação como notas musicais ao invés de ondas sonoras. (-) qualidade comprometida, pois não há controle sobre forma das ondas. n MOD: Tentativa de melhora, com informações sobre timbre do instrumento. (-) atraso, devido ao processamento pesado exigido.

13 4.3 Suporte de Rede Infraestrutura Tecnológica CONTINUAÇÃO n PROBLEMAS: Largura de Banda, Latência e Jitter. n Problema de BANDA está sendo tratado com reforço na estrutura física (Cabos e Roteadores). n LATÊNCIA E JITTER estão sendo tratados com o emprego de novos protocolos de rede e hardware. Redes ATM e FDDI possibilitam boas transmissões. Uma versão mais poderosa do IP (Protocolo da Internet), denominada IPv6 provê suporte para sistemas capazes de transmitir em tempo real garantindo que a LARGURA DE BANDA, a LATÊNCIA e o JITTER são conhecidos.

14 4.4 Suporte de Sist. Operacionais n Os sistemas operacionais atuais suportam um número qualquer de tarefas, sem preocupar-se com a qualidade dos serviços que será oferecido aos usuários. n Sistemas operacionais apropriados para aplicações em tempo real usam algoritmos especiais para reservar uma porção considerável dos recursos da máquina. n Sistemas que estão sendo desenvolvidos controlam a aceitação de execução de novas tarefas e gerenciam a alocação de recursos observando-se as necessidades (para execução) das aplicações. Com estas facilidades, o sistema pode garantir que os arquivos de audio serão processados com a qualidade exigida. Infraestrutura Tecnológica CONTINUAÇÃO

15 A História do MP3A História do MP3 Em 1947 a International Organization for Standartization (ISO) foi estabelecida. Em 1947 a International Organization for Standartization (ISO) foi estabelecida. –Objetivo: promover o desenvolvimento da padronização e atividades relacionadas no mundo para facilitar o intercâmbio internacional de bens e serviços além de desenvolver a cooperação nas esferas da ciência, tecnologia e atividades econômicas. n A padronização é tanto importante para a Indústria de Computação como para os consumidores.

16 A História do MP3A História do MP3 n Criação do Joint Photographic Experts Group (JPEG). – Para garantir que não haveria nenhuma “batalha” de padrões para o armazenamento de imagens em computadores. n O arquivo com formato JPEG é o formato mais popular de imagem na Internet –Porquê? – permite que a figura seja armazenada num menor espaço de armazenamento e que a mesma seja transmitida num tempo muito menor sobre a rede, embora mantenha a maioria da qualidade da imagem original.

17 A História do MP3A História do MP3 n No final da década de 80, a ISO estabeleceu o Moving Pictures Expert Group (MPEG) – Objetivo: desenvolver um sistema de codificação para transmissão de moving pictures e gravação das mesmas numa mídia de armazenamento digital, tal como CD-ROM, CD-i e Video CD. n Em 1992 houve um encontro entre a ISO e a IEC –desse encontro resultou um novo padrão para codificação de audio e video. n Esse padrão ISO/IEC 11172 é chamado de MPEG 1.

18 Tipos de codificação MPEG 1 para audio.Tipos de codificação MPEG 1 para audio. Diferentes tipos de codificação MPEG 1 para audio foram criadas nesse período. n Layer-1 –a taxa mais baixa de compressão –é usada em produtos de consumo como Digital Compact Casset (DCC), máquinas Philips e CD-i. n Layer-2 –tem uma taxa de compressão maior –é usada em produtos tais como VideoDisc e moving sound tracks. –

19 O MP3O MP3 n Fraunhofer Institut für Integrierte Schaltungen, ou Fraunhofer IIS –desenvolveu a codificação de audio MPEG Layer-3. n É chamado de MPEG Layer-3 ou MP3, mas não MPEG 3. n Os desenvolvimentos posteriores do Fraunhofer ISS são MPEG 2 e MPEG 4.

20 O AlgoritmoO Algoritmo n Dr. Karlheinz Brandenburg do Fraunhofer ISS e o Dr. Dieter Seizer da Universidade de Erlagen, Alemanha,desenvolveram o algoritmo MP3 para compressão. n O que esse algoritmo permite? –Ele permite uma compressão de audio (CD) com uma razão de 11 para 1, embora ainda mantenha a qualidade de som (CD).

21 O que é MP3? O que é MP3? n Quando uma música é copiada para o disco rígido de um computador, ela ocupará um espaço de armazenamento considerável. n Usando MP3 você pode reduzir este espaço sem perder qualquer parte significativa do som gravado. A palavra chave é “significativa”, porque perdas realmente ocorrem. –Ex: Uma cópia direta de uma música stereo de 4-min ocupa cerca de 40 MB no disco rígido. Usando MP3, este arquivo pode ser reduzido a aproximadamente 3,5 MB.

22 Técnicas Técnicas n Primeira técnica: –as deficiências do ouvido humano são a base técnica –the masking effect ou mascaramento. –este efeito é de muita importância para música. n Instrumentos altos “mascaram” partes de sons mais suaves. n Segunda técnica: –está ligada a primeira – Efeito estereofônico conjunto n ocorre quando um sinal é mudado de stereo para mono. n mesmo princípio é aplicado em sistemas de auto-falantes sub- woofer. l

23 Técnicas Técnicas n Terceira técnica: –Codificação de Huffman n usada para realizar a redução de dados em MP3. n baseia-se no fato de que a música consiste de padrões recorrentes. n mesma técnica usada para compressão de arquivos texto. n Normalmente, a combinação da Codificação de Huffman e o mascaramento provam a seguinte afirmação: ou a música é muito complexa, no caso em que muitos sons estão mascarados, ou o som é muito simples, no caso em que padrões recorrentes são usados mais facilmente.

24 Usos e implicações de MP3Usos e implicações de MP3 n O aspecto mais positivo de tal desenvolvimento é sem dúvida o ganho no espaço de endereçamento. n Mais do que 700 min de música caberão em um único CD. –1 min de música MP3 é 0.9 MB e 650 MB cabem num CD. –maior facilidade de transferir música de um lugar para outro ou ter todos os hits dos Beattles num único CD. n Durante viagens –Projetistas de rádio para carros deveriam aprender com tais oportunidades n Principal problema: a falta de qualquer dispositivo portátil para executar arquivos MP3. Ainda é necessário um computador para ouvir as músicas.

25 Usos e implicações de MP3Usos e implicações de MP3 n Em bares e restaurantes –O barman não precisaria mudar constantemente os CD’s e a música continuaria tocando a partir de um pequeno computador, que provavelmente já existe para fins administrativos. n Estúdios de gravação e estações de rádio –Aqui o armazenamento de música é de vital importância n Com um bom computador e algum equipamento de som básico tem se tornado mais fácil e mais barato se gravar em casa.

26 Usos e implicações de MP3Usos e implicações de MP3 n O computador e os fanáticos em Internet (internautas) constituem o maior grupo de usuários de MP3. –Pois compreenderam rapidamente as possibilidades de MP3 e começaram a usá-las em larga escala. n Um comportamento freqüente é o donwload de arquivos de sites na Internet (na maioria ilegais) n Tais comportamentos são alarmantes à indústria da música. –A qual tem que oferecer uma alternativa: distribuição digital da música na Internet.

27 Tecnologias futurasTecnologias futuras n Enquanto isso, técnicas de compressão melhores foram projetadas pelo Fraunhofer ISS. n MPEG 2 -> garnde probabilidade de se tornar popular. –usado para discos DVD. –combinação de compressão de dados e de trilhas mais estreitas no disco resulta em um disco que é capaz de armazenar 4,7 GB de dados, que são 7,5 vezes maior do que um CD regular. n AAC (Advanced Audio Coding): – é uma versão audio de MPEG 2. –ao contrário de MP3, ACC não é um padrão aberto que qualquer um pode ajudar a desenvolver futuramente.

28 Tecnologias futurasTecnologias futuras –O software ACC ainda não está disponível. n MPEG 4 –será um novo padrão para broadcasting, moves e aplicações multimídia baseadas em MPEG 2. –Primeira versão estava disponível no final de 1998. n Por alguma razão MPEG’s 5 e 6 foram saltados. n MPEG 7 –este padrão é focado principalmente em sobrecargas de informação, que os usuários “rodam” na Internet e é projetado par fazer busca de conteúdos de audio e video tão facilmente como busca texto. –foi projetado para fazer busca de vídeo e áudio bem como filtrar tais buscas.