Áudio/Música na Internet

Desafios

MP3

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Problema central do áudio/musica na Internet

Domínio exigente aplicações musicais e sonoras exigem alta performance da

transmissão e mecanismos especiais de recuperação de informação

Infra-estrutura e tecnologia ainda inadequadas Infra-estrutura atual de rede e sistemas operacionais não

responde satisfatoriamente à demanda as soluções para recuperação de informação sonora são

incipientes

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Problemas decorrentes

Problema 1: Grande fluxo de dados

Audio com qualidade de CD dois canais de 16bits e taxa de amostragem de 44.1kHz Largura de banda necessária: 1411.2Kbps.

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Problemas decorrentes

Problema 2: Atraso Latência - diferença entre tempo de saída e chegada dos

dados Jitter - variação de atraso

interrupções na música impossibilidade de interatividade (em vídeo Conferência, um

atraso de 1s é tolerável, enquanto em música - atraso de 1s é inaceitável)

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Problemas decorrentes

Problema 3: som é difícil de ser indexado e recuperado Como fazer busca por peças ...

com harmonia moderna? tocada por orquestra de câmara? com uma sonoridade do tipo x? onde tem um solo de saxofone? cuja melodia é mais ou menos esta (assobio)?

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Largura de Banda e atraso

Problemas da infra-estrutura atual Velocidade e banda de transmissão

Modens: 56Kbps, Cable Modens: 1,5Mbps (1411.2Kbps desejado)

Mesmo que desse para enviar, iria congestionar Protocolos

Projetados para troca de informação textual e transferência de arquivos. Não otimizados para grande quantidade de dados

Sistemas operacionais suportam um número qualquer de tarefas sem preocupação

com a qualidade do serviço oferecido (QoS)

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Soluções: Largura de Banda

Compactação e Codificação (representação alternativa) de dados

Melhor suporte de rede

Melhor suporte de sistemas operacionais

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Compactação

Idéia eliminar redundâncias e otimizar forma de aramazenamento

PCM-não linear (-law) comprometimento da qualidade do áudio

RealAudio Uma das primeiras propostas para a transmissão de sons

em tempo-real pela Internet via streaming (transmissão e execução conjuntas)

comprometimento significativo da qualidade do áudio dependência das condições de transmissão dos dados

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Compactação

MP3 Boa compressão: até 11:1

ex. 4 min de música 40MB (PCM) e 3,5MB (MP3) Boa qualidade, pois as perdas são pouco significativas Porém, só a codificação não pode ser feita em tempo real,

só a decodificação

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Representação alternativa (codificação)

Representação alternativa Compressão de dados gera atraso e ainda produz uma

grande taxa de dados (da ordem de 128kbps) Que tal mudar de paradigma?

NetSound Sistema de descrição de som e música capaz de transmitir

especificações Csound em tempo real. Economiza largura de banda pois envia descrição

matemática da onda sonora no lugar da onda de audio Ordem de centenas de bps , ao invés de Mbps ou Kbps.

não resolve o problema de atraso por conta do processamento pesado na máquina de destino

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Representação alternativa (codificação)

MIDI Armazenar informação como notas musicais ao invés de

ondas sonoras. Não há controle de qualidade, pois depende do sintetizador

do receptor (pouquíssima informação sobre forma de onda) Pouca disponibilidade de conteúdo

MOD Tentativa de melhorar em relação ao MIDI, com informações

sobre timbre do instrumento. Atraso, devido ao processamento pesado exigido.

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Compactação e Codificação: Conclusões

Problemas Compactação/codificação resolvem o problema da largura

de banda mas não o do atraso Transmissão interativa de música é extremamente sensível

a atrasos!!

Idéias melhorar redes e sistemas operacionais!

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Soluções: Atraso

Melhorar o suporte de sistemas operacionais Algoritmos especiais para aplicações de tempo real Controle de Admissão

o processo só é aceito para ser executado se houver recursos Reserva de recursos

recursos exclusivos para aplicações em tempo real

Buffers Armazenagem temporária (tamponização ou bufferização)

dos dados “no cliente” atrasando o início da execução por alguns segundos.

porém, esta armazenagem inviabiliza a interatividade

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Soluções: Atraso & Largura de Banda

Problema de banda reforço na estrutura física (Cabos e Roteadores)

Problema de latência e jitter emprego de novos protocolos de rede e hardware

Iniciativas Redes ATM e FDDI

Reservas de Recursos Controle de Admissão

Conexões dedicadas (tecnologia ISDN) IPv6: suporte transmitir em tempo real dado que a banda, a

latência e o jitter são conhecidos

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Aplicações

Apesar dos pesares, está rolando muita coisa... Download em geral Radio na Web; Ensaios e Concertos distribuídos e em tempo real

MP3

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Histórico

No final da década de 80 criou-se o Motion Pictures Expert Group (MPEG) para

desenvolver um sistema de codificação para transmissão de moving pictures e gravação destas em uma mídia digital, tal como CD-ROM, CD-i e Vídeo CD.

Em 1992, foi definido um novo padrão para codificação de áudio e

vídeo, chamado ISO/IEC 11172 ou MPEG-1.

Logo depois Fraunhofer Institut für Integrierte Schaltungen desenvolveu a

codificação de áudio MPEG Layer-3 (IS 11172-3 e IS 13818-3).

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Taxa de Compressão

Layer I 1:4

1:6 … 1:8

1:10 … 1: 12

Layer II

Layer III

Comparação

Como o MP3 atinge um fator de compressão de até 11:1 ? Codificação de Huffman (compressão sem perda de

informações). Psico-acústica (compressão com perda de informações).

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Compressão de dados

Entropia de eventos Quanto menor a probabilidade de um evento acontecer,

mais informação ele contém e maior é a entropia A compressão é função da redundância

Codificação de entropia (David Huffman) Amostras que acontecem com maior freqüência serão

mapeadas para uma palavra de código menor O decodificador contém o mapeamento inverso Exemplo código Morse

e ‘.’ z “--..” Exemplo Fax:

6666 6666 é transmitido como 86

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Compressão de dados

Vantagens: Não é destrutivo

Desvantagens: não é eficiente e nem suficiente para a música

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Psico-acústica

Fator de compressão: Limiar Auditivo Menor nível que o ouvido pode detectar a uma determinada

freqüência Um codificador perceptual compara o sinal de entrada com

o limiar de audição e descarta os sinais que estão abaixo

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Mascaramento

Dois tipos de mascaramento Simultâneo Temporal

Mascaramento Simultâneo A presença física de um som não garante audibilidade. Ao

contrário, ela pode gerar a não audibilidade de outros sons. Quando dois sons são tocados simultaneamente, os com

maior volume podem obscurecer os com menor volume. A curva de mascaramento é assimétrica

é mais fácil um tom mais baixo (na freqüência) mascarar um mais alto do que o contrário.

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Mascaramento Simultâneo

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Mascaramento Temporal

Mascaramento Temporal Ocorre quanto sons são tocados próximos no tempo, mas

não ao mesmo tempo. Um som de maior volume que ocorre antes ou depois de um

som mais baixo pode mascará-lo. Mascaramento simultâneo é mais forte do que o

mascaramento temporal.

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Mascaramento Temporal (cont.)

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Mascaramento Temporal e Simultaneo

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MPEG Audio Tag ID3v1: Meta-Dados

O TAG usado para descrever o arquivo MPEG muito útil em busca na internet

Tamanho Descrição

33030

30

304

1

TAGTítuloArtista

ÁlbumAno

ComentárioGênero

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Referências

http://www.dv.co.yu/mpgscript/mpeghdr.htm http://www.napster.com http://drogo.cselt.it/mpeg/standards/mpeg-4/mpeg-4.htm Áudio na Internet

http://www.music-center.com.br/internet.htm Real Audio

http://jimhartley.com/ratutor.html http://service.real.com/help/library/index.html http://204.236.5.3/rma/g1/rsg2sdk_r4.zip http://www.reelradio.com/rainfo.html