Internet e Web (MP3)Internet e Web (MP3)

Fernando BezerraFernando BezerraKaryn MouratoKaryn Mourato

Newton MagalhãesNewton Magalhães

Junho de 1999Junho de 1999

ApresentaçãoApresentação Dentre as aplicações multimídia, Dentre as aplicações multimídia,

as relacionadas com música as relacionadas com música interativa são as que exigem alta interativa são as que exigem alta performance da transmissão.performance da transmissão.

Os S.O. tradicionais e a infraestrutura de Os S.O. tradicionais e a infraestrutura de redes atuais não correspondem à redes atuais não correspondem à qualidade necessária a estas aplicações.qualidade necessária a estas aplicações.

1. Introdução1. Introdução

Em 1995, é desenvolvido o Vosaic, uma extensão do Em 1995, é desenvolvido o Vosaic, uma extensão do Navegador Mosaic capaz de transmitir (exibir) video Navegador Mosaic capaz de transmitir (exibir) video e audio em tempo real através da Internet, usando e audio em tempo real através da Internet, usando algoritmos adaptativos de compactação (e algoritmos adaptativos de compactação (e descompactação) de arquivos.descompactação) de arquivos.

A grande rede já se apresentava como um obstáculo A grande rede já se apresentava como um obstáculo ao desenvolvimento destas aplicações. ao desenvolvimento destas aplicações.

Atualmente, a Internet ainda apresentaAtualmente, a Internet ainda apresentagrandes atrasos na transmissão (LATÊNCIA) egrandes atrasos na transmissão (LATÊNCIA) egrandes variações destes atrasos (JITTER).grandes variações destes atrasos (JITTER).

PROBLEMA:

Introdução - CONTINUAÇÃOIntrodução - CONTINUAÇÃO

Infelizmente, atualmente a Música na Internet Infelizmente, atualmente a Música na Internet (transmitida através da grande rede) está limitada a (transmitida através da grande rede) está limitada a transmissão em um sentido: transmissão em um sentido:

POUCA INTERAÇÃO!POUCA INTERAÇÃO!

2. Desafio tecnológico2. Desafio tecnológico Eis o grande desafio na transmissão de música:Eis o grande desafio na transmissão de música:

Volume de espaço (Volume de espaço (largura de bandalargura de banda) e ) e Tempo Limite (Tempo Limite (atrasos na transmissãoatrasos na transmissão).).

Quando um servidor manda um fluxo de audio (com qualidade de Quando um servidor manda um fluxo de audio (com qualidade de CD) de 256Kbps através de uma rede, é essencial que esta rede CD) de 256Kbps através de uma rede, é essencial que esta rede seja capaz de suportar uma taxa média de dados de no mínimo seja capaz de suportar uma taxa média de dados de no mínimo 256Kbps.256Kbps.

Além disso, se o audio está sendo tocado em tempo real, o JITTER Além disso, se o audio está sendo tocado em tempo real, o JITTER da rede deve ser pequeno, sob pena de não ocorrer interrrupções da rede deve ser pequeno, sob pena de não ocorrer interrrupções na sua execução.na sua execução.

Desafio tecnológico - Desafio tecnológico - CONTINUAÇÃOCONTINUAÇÃO

Técnica adotada pelos softwares existentes:Técnica adotada pelos softwares existentes:Bufferização dos dados ´no cliente´ e atraso no começo da execução por alguns Bufferização dos dados ´no cliente´ e atraso no começo da execução por alguns

segundos.segundos.

PROBLEMA: INTERATIVIDADE!!!PROBLEMA: INTERATIVIDADE!!!

A EXTREMA SENSIBILIDADE NA TRANSMISSÃO DE MÚSICA COM INTERAÇÃO: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...

Desafio tecnológico - Desafio tecnológico - CONTINUAÇÃOCONTINUAÇÃO

Um experimento informal realizado no Laboratório de Linguagens Sonoras na PUC-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 SP usando um MAX patch para atrasar o som produzido por um dos músicos em um dueto:dueto:

APÓS ALGUMA PRÁTICA, OS MÚSICOS ERAM CAPAZES DE COMPENSAR ATRASOS APÓS ALGUMA PRÁTICA, OS MÚSICOS ERAM CAPAZES DE COMPENSAR ATRASOS ACIMA DE 70 OU 80 ms, CHEGANDO A CANTAR JUNTOS.ACIMA DE 70 OU 80 ms, CHEGANDO A CANTAR JUNTOS.

A grande rede ainda não está preparada para tornar o sonho da interatividade A grande rede ainda não está preparada para tornar o sonho da interatividade (com qualidade) em realidade...(com qualidade) em realidade...

NETSOUNDNETSOUND

Sistema de descrição de som e música capaz de Sistema de descrição de som e música capaz de transmitir especificações transmitir especificações Csound Csound em tempo real.em tempo real.

Técnica utilizada: ECONOMIA DA BANDA PASSANTETécnica utilizada: ECONOMIA DA BANDA PASSANTEAo invés de enviar uma onda de audio digital através da Ao invés de enviar uma onda de audio digital através da rede, o NETSOUND envia uma descrição matemática da rede, o NETSOUND envia uma descrição matemática da onda sonora, a qual é decodificada e executada no onda sonora, a qual é decodificada e executada no receptor.receptor.

3. Trabalhos na área3. Trabalhos na área´O que a turma tem feito...´´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.

Trabalhos realizados - Trabalhos realizados - CONTINUAÇÃOCONTINUAÇÃO

REDE MULTIMÍDIAREDE MULTIMÍDIA

O global Visual Music Project está desenvolvendo uma infraestrutura para tempo real, uma REDE O global Visual Music Project está desenvolvendo uma infraestrutura para tempo real, uma REDE MULTIMÍDIA.MULTIMÍDIA.

Conexões dedicadas, com tecnologia ISDN, têm reduzido o problema Conexões dedicadas, com tecnologia ISDN, têm reduzido o problema do tempo limite para transmissões de músicas em tempo real.do tempo limite para transmissões de músicas em tempo real.

4. Infraestrutura 4. Infraestrutura TecnológicaTecnológica

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.

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.

4.1 Compressão de 4.1 Compressão de dadosdados

Infraestrutura Infraestrutura TecnológicaTecnológicaCONTINUAÇÃOCONTINUAÇÃO

PROBLEMA:Audio com qualidade de CD requer dois canais de 16bits, contendo 44.1kHz, equivalendo a uma taxa de 1411.2Kbps. Problema de VOLUME de dados pode ser resolvido com técnicas de compressão de dados.

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.

4.2 Representação alternativa 4.2 Representação alternativa de dadosde dados

Infraestrutura Infraestrutura TecnológicaTecnológicaCONTINUAÇÃCONTINUAÇÃOO

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.

MIDI: Armazenar informação como notas musicais ao invés de ondas sonoras.(-) qualidade comprometida, pois não há controle sobre forma das ondas.

MOD: Tentativa de melhora, com informações sobre timbre do instrumento.(-) atraso, devido ao processamento pesado exigido.

4.3 Suporte de Rede4.3 Suporte de RedeInfraestrutura Infraestrutura TecnológicaTecnológicaCONTINUAÇÃOCONTINUAÇÃO

PROBLEMAS:Largura de Banda, Latência e Jitter.

Problema de BANDA está sendo tratado com reforço na estrutura física (Cabos e Roteadores).

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.

4.4 Suporte de Sist. 4.4 Suporte de Sist. OperacionaisOperacionais

Os sistemas operacionais atuais suportam um número qualquer de tarefas, sem preocupar-se com a qualidade dos serviços que será oferecido aos usuários.

Sistemas operacionais apropriados para aplicações em tempo real usam algoritmos especiais para reservar uma porção considerável dos recursos da máquina.

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 Infraestrutura TecnológicaTecnológicaCONTINUAÇÃCONTINUAÇÃOO

•A História do MP3A História do MP3 Em 1947 a International Organization for Em 1947 a International Organization for

Standartization (ISO) foi estabelecida.Standartization (ISO) foi estabelecida.

– Objetivo: promover o desenvolvimento da padronização Objetivo: promover o desenvolvimento da padronização e atividades relacionadas no mundo para facilitar o e atividades relacionadas no mundo para facilitar o intercâmbio internacional de bens e serviços além de intercâmbio internacional de bens e serviços além de desenvolver a cooperação nas esferas da ciência, desenvolver a cooperação nas esferas da ciência, tecnologia e atividades econômicas.tecnologia e atividades econômicas.

A padronização é tanto importante para a A padronização é tanto importante para a Indústria de Computação como para os Indústria de Computação como para os consumidores.consumidores.

•A História do MP3A História do MP3 Criação do Joint Photographic Experts Group (JPEG).Criação do Joint Photographic Experts Group (JPEG).

– Para garantir que não haveria nenhuma “batalha” de Para garantir que não haveria nenhuma “batalha” de padrões para o armazenamento de imagens em padrões para o armazenamento de imagens em computadores.computadores.

O arquivo com formato JPEG é o formato mais O arquivo com formato JPEG é o formato mais popular de imagem na Internetpopular de imagem na Internet– Porquê?Porquê?– permite que a figura seja armazenada num menor espaço permite que a figura seja armazenada num menor espaço

de armazenamento e que a mesma seja transmitida num de armazenamento e que a mesma seja transmitida num tempo muito menor sobre a rede, embora mantenha a tempo muito menor sobre a rede, embora mantenha a maioria da qualidade da imagem original.maioria da qualidade da imagem original.

•A História do MP3A História do MP3 No final da década de 80, a ISO estabeleceu o Moving Pictures Expert Group (MPEG)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 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.das mesmas numa mídia de armazenamento digital, tal como CD-ROM, CD-i e Video CD.

Em 1992 houve um encontro entre a ISO e a IECEm 1992 houve um encontro entre a ISO e a IEC– desse encontro resultou um novo padrão para codificação de audio e video.desse encontro resultou um novo padrão para codificação de audio e video.

Esse padrão ISO/IEC 11172 é chamado de MPEG 1.Esse padrão ISO/IEC 11172 é chamado de MPEG 1.

•Tipos de codificação MPEG 1 Tipos de codificação MPEG 1 para audio.para audio.

Diferentes tipos de codificação MPEG 1 para audio foram criadas nesse período.Diferentes tipos de codificação MPEG 1 para audio foram criadas nesse período. Layer-1 Layer-1

– a taxa mais baixa de compressão a taxa mais baixa de compressão – é usada em produtos de consumo como Digital Compact Casset (DCC), máquinas Philips e é usada em produtos de consumo como Digital Compact Casset (DCC), máquinas Philips e

CD-i.CD-i.

Layer-2 Layer-2 – tem uma taxa de compressão maiortem uma taxa de compressão maior– é usada em produtos tais como VideoDisc e moving sound tracks.é usada em produtos tais como VideoDisc e moving sound tracks.

–

•O MP3O MP3

Fraunhofer Institut für Integrierte Schaltungen, Fraunhofer Institut für Integrierte Schaltungen, ou Fraunhofer IISou Fraunhofer IIS– desenvolveu a codificação de audio MPEG Layer-3.desenvolveu a codificação de audio MPEG Layer-3.

É chamado de MPEG Layer-3 ou MP3, mas não É chamado de MPEG Layer-3 ou MP3, mas não MPEG 3.MPEG 3.

Os desenvolvimentos posteriores do Os desenvolvimentos posteriores do Fraunhofer ISS são MPEG 2 e MPEG 4.Fraunhofer ISS são MPEG 2 e MPEG 4.

•O AlgoritmoO Algoritmo

Dr. Karlheinz Brandenburg do Fraunhofer ISS e Dr. Karlheinz Brandenburg do Fraunhofer ISS e o Dr. Dieter Seizer da Universidade de Erlagen, o Dr. Dieter Seizer da Universidade de Erlagen, Alemanha,desenvolveram o algoritmo MP3 Alemanha,desenvolveram o algoritmo MP3 para compressão.para compressão.

O que esse algoritmo permite?O que esse algoritmo permite?– Ele permite uma compressão de audio (CD) com uma Ele permite uma compressão de audio (CD) com uma

razão de 11 para 1, embora ainda mantenha a razão de 11 para 1, embora ainda mantenha a qualidade de som (CD). qualidade de som (CD).

• O que é MP3?O que é MP3? Quando uma música é copiada para o disco rígido Quando uma música é copiada para o disco rígido

de um computador, ela ocupará um espaço de de um computador, ela ocupará um espaço de armazenamento considerável.armazenamento considerável.

Usando MP3 você pode reduzir este espaço sem Usando MP3 você pode reduzir este espaço sem perder qualquer parte significativa do som perder qualquer parte significativa do som gravado. A palavra chave é “significativa”, gravado. A palavra chave é “significativa”, porque perdas realmente ocorrem.porque perdas realmente ocorrem.– Ex: Uma cópia direta de uma música stereo de 4-min Ex: Uma cópia direta de uma música stereo de 4-min

ocupa cerca de 40 MB no disco rígido. Usando MP3, este ocupa cerca de 40 MB no disco rígido. Usando MP3, este arquivo pode ser reduzido a aproximadamente 3,5 MB.arquivo pode ser reduzido a aproximadamente 3,5 MB.

• TécnicasTécnicas Primeira técnica:Primeira técnica:

– as deficiências do ouvido humano são a base técnica as deficiências do ouvido humano são a base técnica – the masking effect ou mascaramento.the masking effect ou mascaramento.– este efeito é de muita importância para música.este efeito é de muita importância para música.

Instrumentos altos “mascaram” partes de sons mais suaves.Instrumentos altos “mascaram” partes de sons mais suaves.

Segunda técnica:Segunda técnica:– está ligada a primeiraestá ligada a primeira– Efeito estereofônico conjuntoEfeito estereofônico conjunto

ocorre quando um sinal é mudado de stereo para mono.ocorre quando um sinal é mudado de stereo para mono. mesmo princípio é aplicado em sistemas de auto-falantes sub-woofer. mesmo princípio é aplicado em sistemas de auto-falantes sub-woofer.

ll

• TécnicasTécnicas

Terceira técnica:Terceira técnica:– Codificação de HuffmanCodificação de Huffman

usada para realizar a redução de dados em MP3.usada para realizar a redução de dados em MP3. baseia-se no fato de que a música consiste de padrões baseia-se no fato de que a música consiste de padrões

recorrentes.recorrentes. mesma técnica usada para compressão de arquivos mesma técnica usada para compressão de arquivos

texto.texto. Normalmente, a combinação da Codificação de Huffman Normalmente, a combinação da Codificação de Huffman

e o mascaramento provam a seguinte afirmação: ou a e o mascaramento provam a seguinte afirmação: ou a música é muito complexa, no caso em que muitos sons música é muito complexa, no caso em que muitos sons estão mascarados, ou o som é muito simples, no caso estão mascarados, ou o som é muito simples, no caso em que padrões recorrentes são usados mais facilmente.em que padrões recorrentes são usados mais facilmente.

•Usos e implicações de MP3Usos e implicações de MP3 O aspecto mais positivo de tal desenvolvimento é sem O aspecto mais positivo de tal desenvolvimento é sem

dúvida o ganho no espaço de endereçamento.dúvida o ganho no espaço de endereçamento. Mais do que 700 min de música caberão em um único Mais do que 700 min de música caberão em um único

CD. CD. – 1 min de música MP3 é 0.9 MB e 650 MB cabem num 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 maior facilidade de transferir música de um lugar para outro

ou ter todos os hits dos Beattles num único CD.ou ter todos os hits dos Beattles num único CD. Durante viagensDurante viagens

– Projetistas de rádio para carros deveriam aprender com tais Projetistas de rádio para carros deveriam aprender com tais oportunidadesoportunidades

Principal problema: a falta de qualquer dispositivo portátil para Principal problema: a falta de qualquer dispositivo portátil para executar arquivos MP3. Ainda é necessário um computador para executar arquivos MP3. Ainda é necessário um computador para ouvir as músicas.ouvir as músicas.

•Usos e implicações de MP3Usos e implicações de MP3 Em bares e restaurantesEm bares e restaurantes

– O barman não precisaria mudar constantemente os O barman não precisaria mudar constantemente os CD’s e a música continuaria tocando a partir de um CD’s e a música continuaria tocando a partir de um pequeno computador, que provavelmente já existe pequeno computador, que provavelmente já existe para fins administrativos.para fins administrativos.

Estúdios de gravação e estações de rádioEstúdios de gravação e estações de rádio– Aqui o armazenamento de música é de vital Aqui o armazenamento de música é de vital

importânciaimportância Com um bom computador e algum Com um bom computador e algum

equipamento de som básico tem se tornado equipamento de som básico tem se tornado mais fácil e mais barato se gravar em casa.mais fácil e mais barato se gravar em casa.

•Usos e implicações de MP3Usos e implicações de MP3 O computador e os fanáticos em Internet O computador e os fanáticos em Internet

(internautas) constituem o maior grupo de (internautas) constituem o maior grupo de usuários de MP3.usuários de MP3.– Pois compreenderam rapidamente as possibilidades de Pois compreenderam rapidamente as possibilidades de

MP3 e começaram a usá-las em larga escala.MP3 e começaram a usá-las em larga escala. Um comportamento freqüente é o donwload de Um comportamento freqüente é o donwload de

arquivos de sites na Internet (na maioria ilegais)arquivos de sites na Internet (na maioria ilegais) Tais comportamentos são alarmantes à Tais comportamentos são alarmantes à

indústria da música.indústria da música.– A qual tem que oferecer uma alternativa: distribuição A qual tem que oferecer uma alternativa: distribuição

digital da música na Internet.digital da música na Internet.

•Tecnologias futurasTecnologias futuras Enquanto isso, técnicas de compressão melhores foram Enquanto isso, técnicas de compressão melhores foram

projetadas pelo Fraunhofer ISS.projetadas pelo Fraunhofer ISS. MPEG 2 -> garnde probabilidade de se tornar popular.MPEG 2 -> garnde probabilidade de se tornar popular.

– usado para discos DVD.usado para discos DVD.– combinação de compressão de dados e de trilhas mais estreitas combinação de compressão de dados e de trilhas mais estreitas

no disco resulta em um disco que é capaz de armazenar 4,7 GB 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. de dados, que são 7,5 vezes maior do que um CD regular.

AAC (Advanced Audio Coding): AAC (Advanced Audio Coding): – é uma versão audio de MPEG 2.é uma versão audio de MPEG 2.– ao contrário de MP3, ACC não é um padrão aberto que qualquer ao contrário de MP3, ACC não é um padrão aberto que qualquer

um pode ajudar a desenvolver futuramente. um pode ajudar a desenvolver futuramente.

•Tecnologias futurasTecnologias futuras– O software ACC ainda não está disponível.O software ACC ainda não está disponível.

MPEG 4MPEG 4– será um novo padrão para broadcasting, moves e aplicações será um novo padrão para broadcasting, moves e aplicações

multimídia baseadas em MPEG 2.multimídia baseadas em MPEG 2.– Primeira versão estava disponível no final de 1998.Primeira versão estava disponível no final de 1998.

Por alguma razão MPEG’s 5 e 6 foram saltados.Por alguma razão MPEG’s 5 e 6 foram saltados. MPEG 7MPEG 7

– este padrão é focado principalmente em sobrecargas de este padrão é focado principalmente em sobrecargas de informação, que os usuários “rodam” na Internet e é projetado informação, que os usuários “rodam” na Internet e é projetado par fazer busca de conteúdos de audio e video tão facilmente par fazer busca de conteúdos de audio e video tão facilmente como busca texto.como busca texto.

– foi projetado para fazer busca de vídeo e áudio bem como foi projetado para fazer busca de vídeo e áudio bem como filtrar tais buscas.filtrar tais buscas.