Universidade de Passo Fundo - UPF

Instituto de Ciências Exatas e Geociências - ICEG

Curso de Ciência da Computação

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Neste artigo busca-se investigar o estado atual da tecnologia de videoconferência baseada em computador, avaliar o potencial efetivo desta tecnologia para auxiliar no ensino à distância e buscar elementos para subsidiar a especificação de requisitos de comunicação de dados para apoiar aplicações que envolvam principalmente a utilização de áudio e vídeo em tempo real, sobre redes de computadores (Internet).

This paper looks for investigating the current state of desktop videoconferencing technology, to evaluate the potential effectiveness of this technology to help distance learning and looks for elements to subsidize the specification of data communications requirements to support applications that mainly involve real time audio and video utilization, over networks (Internet).

Com todas as facilidades fornecidas pelos equipamentos que se encontram conectados a uma rede de computadores, a idéia de ensino à distância e auto-aprendizado auxiliado por computadores interligados em rede começou a tornar-se realidade. Existem atualmente indicativos de que o processo de ensino a distância, através da videoconferência, está seguindo um caminho irreversível e, se já não o é, brevemente será uma tendência. Tendo em vista esta tendência, constatou-se a necessidade de avaliar as condições da rede existentes para apoiar serviços de apoio ao ensino à distância, especialmente os que se caracterizam por tráfego mais alto, tal como os serviços de multimídia interativos (áudio e vídeo em tempo real).

A RNP (Rede Nacional de Pesquisa), no Brasil, teve no início do ano de 1996 seu backbone atualizados de 64 Kbps para 2 Mbps, além de outros nós da RNP terem seus canais de comunicação também incrementados para velocidades de transmissão maiores. A maioria dos nós que ainda possuem uma ligação de baixa velocidade à Internet, já possuem planos de atualizar a velocidade de suas conexões. E esta tendência de aumento de velocidade das linhas tende a ser constante. Conclui-se então que muitas instituições de ensino e pesquisa já possuem um meio à disposição que além de facilitar e agilizar a comunicação, pode ser usado para atingir objetivos bem maiores como, por exemplo, o ensino à distância utilizando-se de recursos multimídia.

A Internet tem sido, ao longo destes anos, uma soberba ferramenta de conferência. Mas não, infelizmente, uma conferência de tempo real, porque as partes interagem em instantes separados por minutos, horas e, às vezes, por dias. Para superar esta dificuldade, novas ferramentas de conferência estão surgindo. Ao invés de digitar para se comunicar, pode-se assistir e escutar, duas atividades a que os usuários estão mais familiarizados, ou simplesmente, videoconferência. Videoconferência é a capacidade de suportar comunicação via áudio e vídeo, em ambos os sentidos, em tempo real.

O paradigma de videoconferência através de computadores pessoais é de que participantes, sentados em frente ao computador, sem precisar se deslocar até um local adequado, possam se comunicar com outros participantes usando o computador. São utilizados o computador pessoal, um hardware e software apropriados para codificar e decodificar os sinais. O compartilhamento de documentos e o relativo baixo custo de videoconferência baseada em computador pessoal torna-a um meio ideal para a comunicação, colaboração e aprendizado. Avanços na tecnologia de computação, tais como processadores mais velozes, aumento do número de periféricos compatíveis com sistemas de videoconferência e barateamento dos mesmos, além de melhores e mais sofisticados esquemas de compressão de dados, têm tornado possível a integração de dados de áudio e vídeo no ambiente computacional desktop. Um outro fator que influenciou bastante no aumento de produtos para videoconferência foram os avanços conseguidos na área de compressão de áudio e vídeo, conseguindo reduzir o tamanho dos dados de áudio e vídeo de uma maneira bastante significativa nestes últimos anos.

Como exemplo, podemos citar a tecnologia MBone que, em experiências realizadas na Universidade de Passo Fundo, demonstraram que é perfeitamente possível, utilizando computadores PC Pentium de 166 MHz ou superior, juntamente com o sistema operacional Unix (FreeBSD) e Windows95, a realização de videoconferência sobre uma rede de computadores. Também foi constatado que no MBone, se consegue altas taxas de compressão, mantendo mesmo assim uma qualidade de vídeo aceitável. Isto reflete em conseguir realizar o envio e recebimento de vídeo mesmo sobre conexões de redes de baixa velocidade (em torno de 128 Kbps). Até algum tempo atrás, realizar videoconferência em computadores era uma tarefa difícil e complicada. Difícil porque o hardware adequado ainda era muito caro (principalmente o computador com processador adequado, a placa de captura de vídeo e a câmera de vídeo), estando disponível apenas a poucos usuários (basicamente somente workstations tinham capacidade de processamento adequada). Era uma tarefa complicada pois os sistemas de videoconferência existentes para computadores eram ainda instáveis, não muito amigáveis, tornando complicada a tarefa de instalá-los e principalmente de configurá-los. Porém, isto hoje mudou. Computadores PC com processador Pentium (166 MHz ou superior) já possuem capacidade de abrigar um sistema de videoconferência. Vários modelos de placas de captura de vídeo e áudio e câmeras compatíveis surgiram, com preços compatíveis aos demais periféricos de um PC.

As principais ferramentas de áudio existentes atualmente na Internet não requerem nenhum hardware adicional. Em computadores do tipo PC, são necessários apenas uma placa de som, um microfone e caixas acústicas. Existem vários métodos de compressão de áudio usados pelas ferramentas. O tipo de compressão varia de método para método, sendo que uns apresentam qualidade melhor do que outros, mas, em contrapartida, utilizam mais intensamente a CPU do que outros métodos; uns conseguem comprimir os dados de áudio mais do que outros, mas a qualidade é menor e/ou a CPU é utilizada mais intensamente. O melhor método de compressão é aquele que melhor se adaptar às características do equipamento e da conexão de rede utilizadas. A seguir são mostrados os principais métodos de compressão utilizados nas ferramentas de áudio, com suas respectivas taxas de transmissão geradas:

Tabela 1 - Principais métodos de codificação de áudio e suas taxas de bits geradas.

A partir da tabela acima, pode-se concluir que, para a transmissão de áudio através de uma rede, utilizando-se por exemplo a codificação PCM, é necessário a conexão de rede possuir, pelo menos, uma velocidade superior a 78 Kbps. Mas, como existe ainda o tráfego gerado pelas demais aplicações, é recomendável que para se obter uma boa qualidade de áudio e evitar perdas de pacotes, que a conexão de rede esteja dimensionada de tal forma que suporte o tráfego de áudio e também todo o demais tráfego, e ainda apresente uma certa "folga", para que em momentos que ocorrerem rajadas de tráfego na rede, a conexão consiga ainda ter uma boa vazão.

Atualmente existe uma quantidade considerável de métodos de codificação de áudio implementados nas ferramentas (Tabela 1) e, uma vez que cada um destes geram taxas que variam entre 9 Kbps a 78 Kbps, percebe-se que transmitir áudio é menos dispendioso que a transmissão de vídeo, e possui ainda a flexibilidade quando se deparar com conexões lentas, pois é só trocar o método para um outro que necessite de uma banda passante menor. É claro que poderá ocorrer uma perda de qualidade na substituição de método por outro, pois geralmente quanto mais comprimido são os dados de áudio, mais informações provavelmente foram descartadas na codificação/compressão. Atualmente, tanto no MBone (PCM - cerca de 78 Kbps) quanto no CU-SeeMe (IDVI - cerca de 46 Kbps), são utilizados os métodos de codificação de áudio que geram a maior consumo de banda passante, pois são os que apresentam a melhor qualidade em comparação aos demais.

Vídeo nada mais é do que uma seqüência de imagens estáticas. Quando estas imagens (quadros) são apresentadas em seqüência a uma considerável velocidade, tem-se a ilusão de movimento. Atualmente, os cinemas são apresentados a 24 quadros por segundo (qps) e a televisão é apresentada a 30 qps. Uma qualidade de vídeo aceitável em ferramentas de videoconferência baseada em computador, fica em torno de 6 quadros por segundo. A esta taxa (6 qps), já se consegue perceber movimentos e expressões de pessoas do outro lado da rede. Taxas superiores a 6 qps tornarão a qualidade da apresentação ainda melhor, enquanto que taxas abaixo de 6 qps poderão comprometer a qualidade da videoconferência.

A transmissão de vídeo é, atualmente, a maior responsável pelo consumo de banda passante. Vídeo transmitido sobre uma rede de computadores, com uma qualidade aceitável (taxas em torno de 6 qps), necessita em torno de 128 Kbps. As ferramentas VIC e IVS do MBone, por empregar o método de compressão H.261, conseguem atingir taxas maiores de quadros por segundo, sem consumir grande quantidade a mais de banda passante. Porém, neste caso, é imperativo que a compressão do vídeo esteja ocorrendo em um computador com capacidade de processamento adequada para tal. No caso de computadores do tipo PC, como já citado anteriormente, um Pentium 166MHz ou superior já consegue cumprir este requisito. A maioria das ferramentas de vídeo permitem definir o consumo máximo de banda passante. Então, nada impede de se transmitir vídeo sobre conexões de redes lentas limitando bastante a banda passante, adequando-a a velocidade da rede. Porém, nestes casos, a qualidade será prejudicada.

Será apresentado a seguir as duas principais tecnologias existentes, de domínio público, para dar suporte à videoconferência baseada em computadores sobre redes TCP/IP.

CU-SeeMe é uma ferramenta de videoconferência que permite enviar e receber vídeo e áudio em tempo real, através de redes usando TCP/IP. Atualmente, esta ferramenta encontra-se disponível para as plataformas PC/Windows95 e MacIntosh. CU-SeeMe provê uma conexão de vídeo em tempo real, de um-para-um, ou seja, somente dois, e não mais que dois computadores rodando o software CU-SeeMe poderão se comunicar. Porém, com o intermédio de um refletor, é possível realizar videoconferências de um-para-muitos ou muitos-para-muitos, dependendo das necessidades e das capacidades de hardware e principalmente da rede. Para receber vídeo no CU-SeeMe basta apenas um computador pessoal, do tipo PC ou MacIntosh, com um monitor de vídeo VGA ou superior e uma conexão com a uma rede TCP/IP. Para receber e enviar áudio, é necessário uma placa de som, onde estarão conectados os alto-falantes e o microfone. O alto-falante interno, que vem de fábrica na maioria dos computadores do tipo PC, não funciona para emitir som no CU-SeeMe. Para enviar vídeo através do CU-SeeMe, são necessárias as mesmas ferramentas de quando se está recebendo imagens no CU-SeeMe, mais uma câmara de vídeo e uma placa de captura de vídeo.

O MBone (Multicast Backbone) é uma rede experimental que se utiliza da Internet e que se superpõe a ela. O MBone é uma rede baseada em uma extensão do protocolo IP chamado IP multicast. Utilizando multicast em WAN’s, consegue-se o envio e recebimento de pacotes utilizando um mínimo de largura de banda. Por isso, o multicast é o método mais indicado para a difusão de dados em tempo real para um número grande de destinatários que se encontram esparsos em uma rede. Pode-se antecipar que as sessões MBone trarão um grande benefício no entendimento e compreensão de como a infra-estrutura de futuras redes usando multicast e capacidades em tempo real, serão usadas para permitir o oferecimento de uma série de tele-serviços dentre os quais o ensino à distância é dos mais relevantes. O MBone, diferentemente do CU-SeeMe (que possui todas as ferramentas integradas em um só pacote), possui uma série de ferramentas, sendo que os usuários podem optar por aquelas que mais lhe convier. Atualmente, as ferramentas mais utilizadas pelos participantes são : VIC (ferramenta de vídeo), VAT (ferramenta de áudio), WB (ferramenta de quadro-branco compartilhado) e SDR (anúncio de sessão).

Atualmente, existem tecnologias disponíveis e eficientes para a realização de videoconferência baseada em computador sobre redes de computadores que se utilizam do TCP/IP para a comunicação. Porém, o tráfego gerado pelas ferramentas de videoconferência pode interferir e degradar os demais serviços que se utilizam da rede e também ter a sua qualidade abaixo da desejada. Por tudo isso, as redes que irão conduzir dados de uma videoconferência devem estar dimensionadas para que possam acomodar o tráfego gerado pelas ferramentas de videoconferência e todo o tráfego das demais aplicações. Esta preocupação deve estar presente principalmente no caso da Internet, onde o tráfego gerado pelos demais aplicativos pode degradar a qualidade de uma videoconferência devido às características de tempo real dos dados (áudio e vídeo) que a videoconferência utiliza. Sugere-se que conexões de rede por onde irão trafegar dados de uma videoconferência tenham uma velocidade mínima de 128 Kbps. Conexões mais lentas a essa não permitem sessões de videoconferência de qualidade aceitável.

As técnicas de compressão variam de acordo com a qualidade, quantidade de banda passante requerida e disponível e complexidade computacional. Atualmente, tanto para áudio como para vídeo, existe uma gama considerável de técnicas de compressão disponíveis nas ferramentas, cada uma se adequando melhor a uma determinada situação.

As perspectivas para um futuro próximo, no que diz respeito à videoconferência baseada em computadores, são de que a qualidade da videoconferência, como um todo, tendem a melhorar muito. Um dos gargalos existentes tende a desaparecer, que é o de capacidade de processamento de CPU. Um outro gargalo, e o maior de todos no momento, é a largura de banda. Este gargalo também tende a ser amenizado, pois as conexões de rede de longa distância estão tendo seus links atualizados para velocidades cada vez maiores, e novas tecnologias de redes de alta velocidade estão surgindo e sendo empregadas cada vez mais. Ou seja, existe uma forte tendência, a curto e médio prazo, em se ter largura de banda suficiente para o envio de dados de áudio e vídeo em tempo real, com uma qualidade cada vez maior.