A codificação eficiente dos sinais de vídeo apresenta dois grandes objetivos, a redução do tamanho ocupado pelas amostras codificadas e a otimização da banda utilizada em sua transmissão. Esses objetivos são alcançados pelas técnicas de compressão, que têm por base duas premissas básicas: a comprovação, através de estudos científicos, de que a visão humana é incapaz de perceber toda a informação presente em uma imagem complexa em movimento, permitindo que sejam desenvolvidos processos que descartem as informações imperceptíveis; e o fato de que a maioria das seqüências de imagens apresenta muitas regiões repetidas, onde não acontece movimento, que podem ser transmitidas com velocidade muito menor que a necessária para a imagem como um todo.
Com base nessas técnicas, desde início da década de 1990 foram desenvolvidos alguns padrões para a codificação digital de sinais de vídeo, sempre buscando uma melhor qualidade de transmissão com maior eficiência de utilização de banda, destacando-se as Recomendações ITU-T da série H.2XX e a família desenvolvida pelo grupo MPEG. Assim, serão descritos os padrões mais utilizados nas aplicações de transmissão de vídeo, com o objetivo de mostrar as suas principais características e a sua possibilidade de
3.2.1 – Os padrões H.261 e MPEG-1
O padrão de codificação de vídeo definido pela Recomendação ITU-T H.261, para utilização em sistemas audiovisuais de faixa estreita, foi desenvolvido em 1990 para a transmissão de sinais digitais de vídeo sobre linhas ISDN, então a grande promessa para a convergência das redes de comunicação, operando em taxas múltiplas de 64 kbps, definidas entre 40 kbps e 2Mbps e suportando quadros de vídeo com resoluções de 352x288, 176x144 ou 88x72 pixels, para 25 quadros por segundo.
Da mesma forma, o padrão MPEG-1 foi desenvolvido na mesma época com o objetivo de oferecer uma qualidade aceitável de vídeo utilizando taxas de até 1,5Mbps, suportando quadros com varredura progressiva (não entrelaçados) com resolução de 352x240 pixels, para 30 quadros por segundo (sistema NTSC), ou 352x288 pixels, para 25 quadros por segundo (sistemas PAL e SECAM); com qualidade de imagem comparável à oferecida pelas antigas fitas VHS (Video Home System), que difundiram o conteúdo de vídeo para uso doméstico na década de 1980. O MPEG-1 é considerado o formato de maior compatibilidade dentro da família MPEG, sendo reproduzido sem problemas pela grande maioria dos aplicativos disponíveis para computadores pessoais e aparelhos de VCD e DVD. É também um elemento desse padrão o MPEG-1 Audio Layer 3, CODEC para compressão de sinais de áudio popularmente conhecido como MP3, que modificou as estruturas da indústria fonográfica mundial a partir do final da década passada, permitindo de forma simples e eficiente o oferecimento e o intercâmbio de músicas através da Internet. Considerando a emulação de um circuito E1 sobre uma PSN utilizando a tecnologia TDMoIP®, esses padrões de codificação, que operam a taxas inferiores a 2Mbps, podem ser utilizados para broadcasting de IPTV de forma transparente através desse pseudo-circuito.
3.2.2 – O padrão H.262 ou MPEG-2 Vídeo
Conforme as tecnologias de processamento digital de sinais se tornaram mais poderosas e baratas, dando condições para que equipamentos capazes de decodificar algoritmos mais complexos fossem acessíveis aos clientes residenciais, permitindo mais qualidade de vídeo, foram desenvolvidos padrões de codificação mais avançados. Em 1994 foi criado o MPEG-
2, mais tarde definido na Recomendação ITU-T H.262, como também é conhecido, cujo principal objetivo foi a adaptação do MPEG-1 para dar suporte à HDTV (High Definition
TeleVision), com resolução típica de 1280x720 pixels. Esse padrão é tipicamente utilizado na codificação de sinais de áudio e vídeo para broadcasting, exigindo equipamentos mais poderosos, mas alcançando maior eficiência na codificação, ou seja, oferecendo melhor qualidade por kbps utilizado na transmissão dos sinais.
O MPEG-2 é o padrão utilizado pelos DVDs, assim como nas transmissões diretas via satélite (DTH) utilizando a banda Ku das TVs por assinatura, bem como nas transmissões digitais de TV a cabo. Esse padrão é dividido em três partes:
A parte “Sistemas” define dois formatos de encapsulamento, o chamado Transport Stream, projetado para transportar sinais de áudio e vídeo através de meios não confiáveis, como transmissão através do ar para TV digital; e o chamado Program Stream, projetado para meios confiáveis, como os discos utilizados nos padrões DVD e SVCD.
A parte “Vídeo” é semelhante ao MPEG-1, mas ao contrário deste também suporta quadros com varredura entrelaçada, como os utilizados nos sistemas de transmissão de TV analógica. O MPEG-2 não é, como o primeiro, otimizado para taxas abaixo de 1Mbps, mas supera a performance do MPEG-1 em taxas acima de 3Mbps, e seus decodificadores, quando totalmente compatíveis com o padrão, são capazes de reproduzir MPEG-1.
Finalmente, a parte “Áudio” é novamente uma evolução do MPEG-1, com codificação de sinais de áudio em mais de dois canais, mas compatível com os decodificadores MPEG-1 (MP3) através da reprodução dos dois canais principais em estéreo.
Considerando suas características e a qualidade superior oferecida, a emulação de um circuito E1 sobre uma rede de pacotes não seria suficiente para broadcasting de IPTV utilizando o padrão MPEG-2, e o desempenho apresentado pelos padrões anteriores em taxas inferiores a 2Mbps os credencia como a melhor escolha para a aplicação proposta.
3.2.3 – O padrão H.263
O padrão definido pela Recomendação ITU-T H.263 é um codificador de vídeo desenvolvido em 1995 como solução de compressão para baixas taxas de transmissão, em aplicações de videoconferência. Esse padrão foi desenvolvido como uma evolução do H.261, operando de forma otimizada em taxas inferiores àquelas utilizadas pelo mesmo, considerando também diversos aspectos dos padrões MPEG-1 e MPEG-2, que o tornam um substituto adequado para o primeiro em todas as taxas utilizadas, sobretudo em virtude das suas evoluções H.263v2/H.263+, desenvolvida em 1998, e H.263v3/H.263++, de 2000. O padrão H.263 foi projetado para utilização em sistemas baseados na Recomendação ITU- T H.324, para videotelefonia e videoconferência sobre redes comutadas a circuitos, mas também é utilizado nas redes baseadas na Recomendação ITU-T H.323, para videoconferência em redes IP; e H.320, para videoconferência em redes ISDN. Além disso, a maioria do conteúdo em Flash Video presente em sítios Internet como o YouTube,
MySpace e similares é apresentado com essa codificação.
Dessa forma, o H.263 apresenta-se como um excelente candidato para a aplicação proposta de broadcasting de IPTV através da emulação de circuitos E1 sobre uma rede de pacotes, utilizando a tecnologia TDMoIP®.
3.2.4 – O padrão H.264 ou MPEG-4 Vídeo
O padrão definido pela Recomendação ITU-T H.264, também conhecido como AVC (Advanced Video Coding), que corresponde à Parte 10 do padrão MPEG-4 teve como principal objetivo em seu desenvolvimento a capacidade de oferecer uma boa qualidade de vídeo utilizando taxas 50% inferiores às utilizadas pelos padrões anteriores, como o H.263, o MPEG-2 e o próprio MPEG-4 Parte 2, fazendo isso sem grandes incrementos de complexidade que tornassem a solução impraticável ou cara demais. Um segundo objetivo era realizar tal tarefa de modo flexível, permitindo que o padrão pudesse ser aplicado a uma grande variedade de aplicações, envolvendo taxas e resoluções de quadro tanto baixas como elevadas, e que operasse sobre diversas redes e sistemas, como videotelefonia comutada a circuitos, redes IP, transmissão de TV digital e armazenamento em DVDs.
Esse padrão tem como característica a elevada compressão de dados, sendo produto de um esforço conjunto entre os grupos VCEG (Video Coding Experts Group), patrocinado pelo ITU-T, e o MPEG (Moving Picture Experts Group), formando a parceria denominada JVT (Joint Vídeo Team), que apresentou sua primeira versão em 2003.
O padrão MPEG-4 absorveu muitas características de seus antecessores MPEG-1 MPEG- 2, incluindo novas funcionalidades como suporte a renderização tridimensional, objetos VRML (Virtual Reality Modelling Language), suporte para a gerência digital de direitos autorais e interatividade. Foram também desenvolvidas extensões para suporte à codificação de vídeo com fidelidade superior, denominadas FRExt (Fidelity Range
Extensions), com maior precisão de amostragem, incluindo a codificação em 10 e 12 bits, e uma melhor resolução de cores, além de técnicas avançadas de processamento de sinais. Em função da premissa de simplicidade e baixos custos assumida para a proposta de broadcasting IPTV discutida nesse trabalho, o padrão MPEG-4, embora possa ser utilizado em taxas compatíveis com a emulação de um circuito E1 sobre uma rede de pacotes, não é recomendável dada a baixa maturidade da tecnologia e ao elevado custo dos codificadores.