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SINCRONISMO EM TV DIGITAL MÓVEL – FINAL

TRANSMISSÃO
SINCRONISMO EM TV DIGITAL MÓVEL – FINAL
OS AUTORES CONTINUAM A MOSTRAR CONCEITOS SOBRE SINCRONIZAÇÃO DE MÍDIAS NA INFRA-ESTRUTURA DE TV DIGITAL E QUE O FRAMEWORK PROPOSTO PERMITE SIMULAÇÕES PARA DEFINIR LIMITES TOLERÁVEIS PARA AS CARACTERÍSTICAS DA REDE PRIMÁRIA.
Por Roberto Mitsuake Hirayama, e Regina Melo Silveira
Algoritmos de Resincronização de Mídias
Vários algoritmos foram propostos na literatura científica para implementar a resincronização de mídias com o intuito de corrigir os efeitos de atrasos e de remultiplexações no fluxo de transporte. Três métodos principais podem ser utilizados: o reordenamento dos pacotes contendo amostras do relógio (PCR), o recálculo e reposicionamento das amostras do relógio (PCR) e a compensação da variação de atraso. Esses métodos serão descritos nessa seção com base nas propostas das referências bibliográficas [7, 8, 11, 12, 14, 24, 26].

Algoritmos de resincronização baseados no recálculo do PCR e na compensação de variações de atraso
Os mecanismos baseados no recálculo do PCR [7, 8] efetuam a resincronização através da determinação de novas amostras do relógio do emissor, ou seja, os PCRs. Como são recalculados os valores do PCR, um novo posicionamento dessas amostras dentro do fluxo de transporte torna-se necessário para garantir o novo sincronismo. Os métodos que utilizam essa abordagem são geralmente implementados em hardware, pois precisam gerar novos PCRs o que depende de osciladores e outros dispositivos (PLLs, etc) que são construídos em hardware na grande maioria das implementações.


Fig. 3 – Padding de pacotes TS nulos.

Os métodos por compensação da variação de atraso, por sua vez, reconstroem o relógio do emissor tentando compensar os atrasos inseridos previamente. Esses algoritmos fazem estimativas da variação de atraso e as utilizam na implementação de filtros para a compensação desses atrasos.
Embora utilizem o mesmo princípio, várias formas de compensar os atrasos são possíveis. Em [16, 26] foi proposto um algoritmo que utiliza uma regressão linear das amostras do relógio e dos tempos de chegada de cada amostra para determinar uma função linear que represente o comportamento do relógio na ausência de atrasos. Ou seja, através da reta de regressão é reconstruído o relógio do emissor sem variações de atraso. Outro método proposto em [11, 14, 24] compensa as variações de atraso através da multiplicação dos PCRs por fatores de escalonamento proporcionais a diferença de fase entre o relógio reconstruído no receptor e o representado pelo PCR. Ou seja, através de um escalonamento adaptativo do valor dos PCRs, o sinal do relógio do receptor é ajustado.
Os métodos descritos nessa seção são bastante eficientes para a reconstrução do relógio do emissor, entretanto, dependem de implementações complexas baseadas em hardware.

Algoritmo de correção da periodicidade das amostras do relógio do emissor
Esse algoritmo, proposto por Yu et al [10], baseia-se em procedimentos simples que podem ser implementados puramente em software, ao contrário de outros mecanismos. O método proposto leva em consideração o fato dos valores de PTS e DTS serem associados apenas ao bit inicial do quadro que o transporta. Portanto, se for assegurado que o início dos quadros contendo o PTSs ou DTSs são mantidos inalterados, o receptor funcionará corretamente mesmo se forem adicionados mais bits a esse quadro no final do pacote. Ou seja, são consideradas somente as posições das amostras no fluxo de pacotes TS.
A solução de Yu utiliza pacotes TS nulos para garantir o sincronismo, sem a necessidade de serem modificados os valores do PCR, mantendo a distância entre pacotes que contenham PCRs preservada. O algoritmo insere bits de enchimento aos pacotes TS ao final dos dados úteis ou inclui pacotes TS nulos, na proporção necessária para compensar reduções no número de bytes de mídias após manipulações, tais como recodificação de vídeos, remultiplexação de programas e operações de filtragem (filtros passa-baixas). Por exemplo, no caso da recodificação de um vídeo para um padrão mais eficiente poderiam ser inseridos bytes em número equivalente aos eliminados por essa operação.
No entanto, esse método só pode ser utilizado quando operações sobre o fluxo de transporte reduzem o número de bytes das mídias ou quando os pacotes que contém PCRs são adiantados, conforme mostrado na figura 3. Ou seja, esse algoritmo pode ser utilizado para compensar a chegada prematura de pacotes que contém PCRs e com uma constante monitoração da distância entre PCRs consecutivos a variação da distância pode ser compensada pela inserção de pacotes TS nulos na proporção de bytes faltantes.

Algoritmo de reposicionamento de pacotes com escalonamento da taxa de bits
Esse algoritmo [10] foi proposto com o objetivo de modificar a taxa de bits, determinada pela distância entre PCRs, para um novo valor constante. Assim, pode-se resincronizar o fluxo de transporte sem que seja necessária a modificação dos valores dos PCRs. Ou seja, é efetuado um escalonamento da taxa de bits, refletindo a mudança no número de pacotes entre PCRs consecutivos ou a distância entre eles, determinando assim uma nova taxa constante que preservará, assim, o sincronismo.
O algoritmo calcula a distância (em número de pacotes) de cada pacote TS, exceto os que carregam vídeo, em relação ao último PCR, multiplicando essa distância por um fator de escalonamento “s”, sendo o resultado utilizado para determinar a distância desse pacote e o PCR no novo fluxo de transporte, ou seja, sua nova posição. A figura 4 mostra um exemplo de como atua esse algoritmo.
O escalonamento da taxa de bits pode ser utilizado nos casos onde um pacote contendo PCR esteja atrasado, ou seja, temos mais pacotes TS entre o PCR atual e o último PCR ou a distância entre PCRs é maior que a esperada. Nesse caso, um escalonamento dos pacotes entre os dois PCRs deve ser feito e assim uma nova taxa de bits é determinada para o fluxo de transporte. Os PCRs subseqüentes indicarão se é necessário escalonar a taxa novamente ou não, sendo a nova taxa mantida até que seja necessária uma nova modificação.


Fig. 4 – Exemplo de escalonamento da taxa de bits por um valor s.

Framework para testes e avaliação do sincronismo
O framework proposto nesse artigo tem como objetivo simular as perturbações causadas por redes de pacotes para estudar a influência da qualidade de serviço das redes primárias de distribuição no sincronismo e na qualidade de programas MPEG-2 inseridos em fluxos de transporte.
É proposta a estrutura de uma rede primária de teste apresentada na figura 5, para a transmissão de pacotes de um fluxo de transporte conhecido. As características dessa rede, ou seja, atrasos, variações de atrasos, banda disponível, etc, são controladas. Adicionalmente, a influência dessa rede na apresentação das mídias será avaliada através de medições da qualidade objetiva do vídeo apresentado ao usuário [35].
Cada um dos módulos do framework proposto e apresentado na figura 5 tem uma função na simulação de redes de pacotes para a distribuição de conteúdo. A seguir são detalhadas brevemente as características de cada módulo e apontado seu objetivo para a simulação:
Servidor de streaming: Ele tem o objetivo de efetivamente gerar os pacotes TS a partir de um arquivo residente no computador onde está sendo executado. Ou seja, a partir de um arquivo formatado previamente com as características desejadas serão obtidos os fluxos de mídia para a transmissão. O fluxo de transporte definido possui características especiais, pois apresenta tanto cenas de movimento intenso quanto cenas estáticas com um apresentador (Rugby na TelePiu da Itália). Com essas duas modalidades de exibição teremos uma variação do nível de atividade do vídeo em conseqüência será possível comparar o efeito das mudanças nos parâmetros da rede para as duas opções. Qualquer software que implemente a transmissão de pacotes TS utilizando uma interface de rede IP e transmitindo com o protocolo UDP pode ser utilizado;


Fig. 5 – Rede primária de testes.

Módulo de Controle da Rede: Esse módulo tem a função de simular as condições reais de uma rede de pacotes utilizada para a distribuição de conteúdo em banda base – pacotes TS não modulados para transmissão pela interface aérea. A maioria dos problemas encontrados nesse tipo de rede pode ser reproduzida por esse módulo, por exemplo: atrasos fixos para os pacotes simulando o atraso de trânsito na rede, variação de atraso para simular um encaminhamento diferente para cada pacote em nós da rede (buffers mais ou menos congestionados em roteadores, por exemplo), perda de pacotes simulando nós congestionados na rede, duplicação de pacotes para simular problemas de roteamento e controle na largura de banda do canal para simular enlaces com banda bastante reduzida. Esses parâmetros são controlados minuciosamente para que se possa estabelecer uma relação a posteriori entre eles e a qualidade do vídeo recebido no cliente de streaming;
Módulo de Resincronismo: Esse módulo tem como principal objetivo atuar no fluxo de transporte para minimizar os efeitos de variações de atraso em pacotes TS. Para isso, serão utilizados programas residentes no computador de destino da transmissão que modificarão o posicionamento de pacotes TS que possuem amostras PCR, de forma a resincronizar o fluxo de transporte quando necessário. Ou seja, serão implementados alguns dos algoritmos descritos em Resincronização de Mídias. Os requisitos principais desse módulo são a simplicidade e a rapidez no processamento, pois a solução utilizada não pode prejudicar a recepção dos pacotes TS pelo cliente de streaming. Foi escolhida uma solução em software devido a sua simplicidade quando comparada a soluções em hardware, entretanto, a eficiência no processamento deve ser um dos requisitos no seu desenvolvimento;
Cliente de streaming: O cliente, que neste caso simula o set-top box e o aparelho de TV digital, terá o papel de receber os pacotes TS enviados pelo servidor de streaming e redirecioná-los tanto para a tela do computador onde está sendo executado como para um arquivo. Para implementar essas funções, o software cliente terá que interpretar as tabelas PSI (Program Specific Information) [23], por exemplo, PAT (Program Allocation Table) e PMT (Program Map Table) do fluxo de transporte; demultiplexar as mídias de cada programa existente; decodificá-las e exibi-las na tela do computador. Ao mesmo tempo, o cliente deverá gravar os pacotes TS recebidos em um arquivo residente no computador para análises futuras. Essas duas tarefas são essenciais para a avaliação da transmissão, pois indicam o comportamento da exibição no momento em que ela está ocorrendo (exibição na tela) e possibilita uma análise posterior pelo módulo de avaliação de qualidade de vídeo (arquivo);
Módulo de Avaliação da Qualidade de Vídeo: Esse módulo tem o papel de analisar a qualidade dos vídeos recebidos pelo cliente de streaming de forma objetiva, ou seja, efetuando algumas medidas de qualidade. Podem ser utilizadas métricas como o PSNR (Peak Signal To Noise Ratio) [41], MSE (Mean Square Error) [39, 40, 41] ou métricas mais sofisticadas como o VQM (Video Quality Metric) [35] que faz análises de referência completa ou de referência reduzida dos vídeos original e recebido. Esse módulo deve extrair os vídeos do arquivo gravado no computador de destino e calcular alguma métrica que indique a qualidade do vídeo recebido. Com essa métrica podemos comparar o desempenho da exibição em diversas condições de transmissão. Por isso, torna-se muito importante relacionar as condições da rede com a métrica calculada. O resultado obtido por meio desse módulo pode ser utilizado para avaliar os algoritmos implementados no módulo de resincronismo, assim como para estudar a influência dos parâmetros de rede na qualidade da exibição.
A rede primária de testes utiliza hosts conectados através de redes locais, podendo ser utilizado o VideoLAN [36] para atuar como servidor e cliente de streaming na transmissão. Para o módulo de controle da rede pode ser utilizado o NISTNet [37], que é um pacote de software de domínio público utilizado para simular diversas condições de uma rede de dados. Ele simula um roteador e controla a perda de pacotes, atraso, variação de atraso e banda máxima disponível da rede. O módulo de resincronização utiliza os algoritmos descritos na seção 4 e atua nos efeitos da variação de atraso em pacotes TS, ou seja, quando o pacote TS chega ao receptor atrasado ou adiantado em relação ao atraso permitido pelo modelo de sincronismo do MPEG-2 System.
Finalmente, para o módulo de avaliação da qualidade do vídeo pode ser usado o VQM, Video Quality Measurement Tool [38] que é um pacote de software disponibilizado gratuitamente pelo NTIA (National Telecommunication Industry Association) – órgão do governo americano – a institutos de pesquisa e universidades. O VQM efetua medidas de qualidade objetiva de vídeo através de padrões obtidos do vídeo original e do vídeo recebido no terminal final. Os algoritmos utilizados pelo VQM são descritos pelos autores em [35]. Alternativamente, podem ser implementados algoritmos para medir outras métricas como o PSNR ou a MSE dos vídeos recebidos. Dentre os módulos desse framework, apenas dois permitem uma atuação direta na rede primária de teste: o módulo de controle da rede e o módulo de resincronização. O primeiro pode ser utilizado para simular as condições reais de uma rede de pacotes e o segundo pode mitigar os efeitos da variação de atraso no sincronismo, como descrito acima.
Com o framework proposto podem ser feitas simulações com o intuito de definir limites toleráveis para as características da rede primária (principalmente variação de atraso e perda de pacotes) de forma a manter a qualidade objetiva do vídeo apresentado ao usuário, mas também avaliar o desempenho de algoritmos de resincronização na presença de variação de atraso na rede. Além disso, algumas questões importantes podem ser esclarecidas por meio de testes utilizando o framework proposto:
– Qual a influência de parâmetros como a variação de atraso e a perda de pacotes na qualidade do vídeo, ou seja, como métricas de qualidade de vídeo como PSNR ou MSE variam à medida que esses parâmetros da rede são variados?
– A duplicação de pacotes produz efeitos negativos para a qualidade do vídeo recebido?
– Qual o valor limite para a variação de atraso de forma que os algoritmos de resincronismo consigam evitar a perda de sincronismo na exibição do vídeo?
– Qual parâmetro da rede determina a maior distorção do vídeo recebido, ou seja, qual das características da rede que mais influencia na exibição do vídeo ao usuário?
As questões acima são muito relevantes para indicar quais são os limites razoáveis de atraso, variação de atraso e perda de pacotes que possibilitam uma exibição das mídias com qualidade. Além disso, as respostas a essas questões tornam possível avaliar em que medida os algoritmos de resincronismo descritos na Resincronização de Mídias podem ajudar a manter o sincronismo das mídias, contribuindo indiretamente para uma melhor qualidade de exibição.
O framework proposto pode avaliar os efeitos do sincronismo na exibição das mídias independente da compressão utilizada (MPEG-1, MPEG-2, MPEG-4, etc), pois são analisados os fluxos de transporte que carregam os quadros dos vídeos comprimidos e não os vídeos em si. Entretanto, na análise de qualidade objetiva dos vídeos deve ser observada a compressão utilizada. Outro aspecto bastante relevante é a integração entre os módulos do framework, que é fundamental para efetivamente simular uma rede de distribuição de conteúdo baseada em transmissão de pacotes. Deve-se garantir, portanto, que os módulos estejam conectados através de uma rede de pacotes. Nota-se que vários aspectos devem ser observados para viabilizar os estudos desejados através desse framework.

Conclusões e trabalhos futuros
Nesse artigo foram introduzidos conceitos sobre a sincronização de mídias na infraestrutura de TV digital, sendo apontada a necessidade de uma avaliação detalhada das influências do sincronismo para a qualidade de aplicações móveis de TV digital. Foi proposto um framework que possibilita esse estudo, ou seja, que nos fornece ferramentas para simular as condições reais de uma rede primária de distribuição de conteúdo e avaliar a qualidade do vídeo após sua transmissão por uma rede dessa natureza. Análises detalhadas dos algoritmos de resincronização e seu desempenho, assim como a avaliação da influência da rede primária na qualidade da apresentação de mídias aos usuários finais tornam-se possíveis por meio do framework proposto.
Simulações e seus resultados no intuito de responder as questões apontadas na framework para Testes e Avaliação do Sincronismo serão endereçados em trabalhos futuros.

Os autores
Roberto Mitsuake Hirayama e Regina Melo Silveira são pesquisadores do Laboratório de Arquitetura e Redes de Computadores (LARC) da Escola Politécnica da Universidade de São Paulo. Os autores apresentaram esse trabalho durante o Fórum de Oportunidades em Televisão Digital e Interativa que aconteceu em Minas Gerais em 2005.
e-mail: mitsuake@uol.com.br • e-mail: regina@larc.usp.br

Referências
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