Vídeo Streaming Technology

Dentre os vários meios de comunicação, o que maior conteúdo transmite é a televisão, composto de áudio e vídeo.
Durante várias décadas os internáutas esperam por uma solução técnica que possibilite a apresentação e tráfego de imagens de TV via rede de computadores.
Há décadas que este tráfego é feito por meio de um processo conhecido como "file and play", ou "download and play" sendo um processo que requer um tempo considerável pois todo o arquivo deve estar no computador antes de ser apresentado.
Para resolver este problema , uma nova tecnologia foi desenvolvida e recebeu o nome de Video-streaming , tirando vantagens dos novos algoritmos de compressão de áudio e vídeo bem como de novos protocolos "real-time" desenvolvidos para este fim.
É o que vamos discutir neste boletim técnico.

Vídeo Digital

A vantagem do vídeo digital reside no fato de poder ser gravado, reproduzido e regravado com ou sem edição , várias vêzes sem perda de qualidade, mas traz consigo a desvantagem de ser formado por um número muito grande de bits, o que exige grande capacidade de armazenamento e em termos de transmissão, exige uma banda muito grande.
A qualidade de um sinal de vídeo pode ser avaliada pelos parâmetro:
1-Frame rate - número de quadros exibidos por segundo.
2-Color depth - Número de bits por pixel que representa as informações de cor.
3-Frame Resolution - Geralmente expresso em número de pixels horizontais e verticais.
Destes parâmetros , o Color Depth está diretamente ligado ao formato do vídeo digital, assim ; 4:4:4 requer 24 bits por pixel 4:2:2 requer 16 bits por pixel enquanto 4:1:1 requer 12 bits por pixel.
Explicando:

4:4:4 significa que os pixels R , G , B são amostrados para cada ponto da imagem.

4:2:2 significa que para cada 4 pixels Y temos 2 pixels R-Y e 2 pixels B-Y.

4:1:1 significa que para cada 4 pixels Y temos 1 pixel R-Y e 1 pixel B-Y.

Cada pixel tem 8 bits, então 8(4+4+4) / 4 = 24 , 8(4+2+2) / 4 = 16 , e 8*(4+1+1) / 4 = 12.

Um vídeo de 30 fps, 4:4:4 e 640x480 pixels contém 216 Megabits por segundo, ou em termos de memória , convertendo bits em BYTES ; 216 / 8 = 27 Megabytes por segundo de exibição.

Vídeo Streaming

Para trafegar este sinal numa rede temos que primeiro conhecer as características desta rede que depende da tecnologia utilizada:
Fast Ethernet ------- 100 Mbps.
Ethernet----------------10 Mbps.
Cable Modem-----------8 Mbps.
ADSL--------------------6 Mbps.
CD-ROM 1x----------1,2 Mbps
ISDN 2 ch ------------128 Kbps
ISDN 1ch -------------64 Kbps.
High speed modem----56 Kbps.
Standard modem-----28,8 Kbps.

Como podemos ver pela tabela nem a melhor tecnologia de rede consegue transportar este vídeo de alta qualidade.(30 fps, 4:4:4, full screen pois este requer 216 Mbps).
Para ser viável o envio de vídeo por rede de computadores, várias técnicas são usadas como:
1- "Scaling" que transforma o vídeo escalando para janela menor.
2- "Compressão" este já é nosso conhecido na forma de mpeg-2.
3- "Streaming" empacotando o vídeo e formando uma seqüência (trem de bits).
Vamos analisar um por um :

Scaling to small window

Podemos "Re-escalar" nosso vídeo para uma janela de ¼ ou 1/8 , normalmente se usa ¼ screen.

Como pode ser visto , uma Eternet 10 baseT que suporta 10 Mbps não é suficiente para trafegar esta sinal.
Podemos "Re-escalar " nosso vídeo para 1/8, reduzir o frame rate para 8 fps mas a imagem já não será aceitável .

Compressão de vídeo

Vários algoritmos de compressão foram criados nos últimos anos, porém a maioria são patenteados e portanto "tecnologia proprietária" como no quadro abaixo extraído de Vídeo Streaming technology da "COMPAQ Computer Corporation".

Vídeo Codec Standards

H.261

O primeiro codec para vídeo , desenvolvido pelo ITU em 1990 foi o STANDARD H.261 para vídeo fone e vídeo conferência , usando conexão ISDN.
Desenvolvido para imagens de pouco movimento como é o caso de vídeo conferência, e a um bit rate mínimo de 64 Kbps ( 1 linha ISDN ) .
Para atender aos diversos formatos de vídeo NTSC, PAL e SECAN foi criado o CIF= Common Intermediate Format com resolução de 352 x 288 pixels.
Os frame rates podem ser 7,5 10 15 ou 30 fps.
Aceita também Scaling de ¼ sendo chamado de QCIF.

H.263

Em 1994 a ITU aproveitando o desenvolvimento do MPEG-1 , criou o H.263 para atingir os novos modens de 28,8 Kbps, ou geração PSTN.
O H.263 suporta 5 formatos de imagens:
Sub-QCIF -------------- 128 x 96
QCIF-------------------- 176 x 144
CIF ---------------------- 352 x 288
4 CIF --------------------- 704 x 576
16 CIF ------------------ 1408 x 1152.
Perfazendo um bit rate de 8 Kbps a 1,5 Mbps

MPEG-1

MPEG-n é uma série de standards adotado pela International Standards Organizarion ISO, para compressão de áudio e vídeo.
O primeiro é MPEG-1 adotado em janeiro de 1992 e que fornece um vídeo com qualidade VHS , e um bit rate de 1,5 Mbps.

MPEG-2

Em 1994 a ISO adotou o MPEG-2 compatível com o MPEG-1 mas desenhado para TV-broadcast , TV a cabo e para transmissão via satélite com um bit rate de 2 Mbps até 10 Mbps.

MPEG-4

Este padrão foi proposto em 1993 para "low-bit-rate applications" como INTERNET e outros.
Recentemente foi modificado para suportar uma larga faixa de bit-rates como de 8 Kbps à 35 Mbps.
Este Standard foi o primeiro, dedicado à MULTIMIDIA , mistura de imagens com arquivos de computador como word, excel , gráficos, musica e locução, manejando arquivos separados para cada mídia.
A partir do mpeg-4 , todos os standards desenvolvidos tem como escopo, multimídia, como o MPEG-7 e o MPEG-21.
Maiores detalhes procure por "Documments-standards"