Форматы сжатия аудиоданных с потерями. Методы, используемые для сжатия цифрового звука: Audio MPEG, PASC, ATRAC

Наиболее известны Audio MPEG, PASC и ATRAC. Все они используют так называемое "кодирование для восприятия" (perceptual coding) при котором из звукового сигнала удаляется информация, малозаметная для слуха. В результате, несмотря на изменение формы и спектра сигнала, его слуховое восприятие практически не меняется, а степень сжатия оправдывает незначительное уменьшение качества. Такое кодирование относится к методам сжатия с потерями (lossy compression), когда из сжатого сигнала уже невозможно точно восстановить исходную волновую форму. Приемы удаления части информации базируются на особенности человеческого слуха, называемой маскированием: при наличии в спектре звука выраженных пиков (преобладающих гармоник) более слабые частотные составляющие в непосредственной близости от них слухом практически не воспринимаются (маскируются). При кодировании весь звуковой поток разбивается на мелкие кадры, каждый из которых преобразуется в спектральное представление и делится на ряд частотных полос. Внутри полос происходит определение и удаление маскируемых звуков, после чего каждый кадр подвергается адаптивному кодированию прямо в спектральной форме. Все эти операции позволяют значительно (в несколько раз) уменьшить объем данных при сохранении качества, приемлемого для большинства слушателей. Каждый из описанных методов кодирования характеризуется скоростью битового потока (bitrate), с которой сжатая информация должна поступать в декодер при восстановлении звукового сигнала. Декодер преобразует серию сжатых мгновенных спектров сигнала в обычную цифровую волновую форму.

Audio MPEG - группа методов сжатия звука, стандартизованная MPEG (Moving Pictures Experts Group - экспертной группой по обработке движущихся изображений). Методы Audio MPEG существуют в виде нескольких типов - MPEG-1, MPEG-2 и т.д.; в настоящее время наиболее распространен тип MPEG-1. Существует три уровня (layers) Audio MPEG-1 для сжатия стереофонических сигналов: 1 - коэффициент сжатия 1:4 при потоке данных 384 кбит/с; 2 - 1:6..1:8 при 256..192 кбит/с; 3 - 1:10..1:12 при 128..112 кбит/с. Минимальная скорость потока данных в каждом уровне определяется в 32 кбит/с; указанные скорости потока позволяют сохранить качество сигнала примерно на уровне компакт-диска. Все три уровня используют входное спектральное преобразование с разбиением кадра на 32 частотные полосы. Наиболее оптимальным в отношении объема данных и качества звука признан уровень 3 со скоростью потока 128 кбит/с и плотностью данных около 1 Мб/мин. При сжатии с более низкими скоростями начинается принудительное ограничение полосы частот до 15-16 кГц, а также возникают фазовые искажения каналов (эффект типа фэйзера или фленжера). Audio MPEG используется в компьютерных звуковых системах, CD-i/DVD, "звуковых" дисках CD-ROM, цифровом радио/телевидении и других системах массовой передачи звука. комплект MPEG-1 предусмотрен для кодирования сигналов, оцифрованных с частотой дискретизации 32, 44.1 и 48 КГц. Как было указано выше, комплект MPEG-1 имеет три уровня (Layer I, II и III). Эти уровни имеют различия в обеспечиваемом коэффициенте сжатия и качестве звучания получаемых потоков. Layer I позволяет сигналы 44.1 КГц / 16 бит хранить без ощутимых потерь качества при скорости потока 384 Кбит/с, что составляет 4-х кратный выигрыш в занимаемом объеме; Layer II обеспечивает такое же качество при 194 Кбит/с, а Layer III - при 128 (или 112). Выигрыш Layer III очевиден, но скорость компрессии при его использовании самая низкая (надо отметить, что при современных скоростях процессоров это ограничение уже не заметно). Фактически, Layer III позволяет сжимать информацию в 10-12 раз без ощутимых потерь в качестве. - Стандарт MPEG-2 был специально разработан для кодирования ТВ сигналов вещательного телевидения. В апреле 1997 этот комплект получил «продолжение» в виде алгоритма MPEG-2 AAC (MPEG-2 Advanced Audio Coding - продвинутое аудио кодирование).

Стандарт MPEG-4 - это особая статья. MPEG-4 не является просто алгоритмом сжатия, хранения и передачи видео или аудио информации. MPEG-4 - это новый способ представления информации, это - объектно-ориентированное представление мультимедиа данных. Стандарт оперирует объектами, организует из них иерархии, классы и прочее, выстраивает сцены и управляет их передачей. Объектами могут служить как обычные аудио или видео потоки, так и синтезированные аудио и графические данные (речь, текст, эффекты, звуки...). Такие сцены описываются на специальном языке.

Стандарт MPEG-7 вообще в корне отличается от всех иных стандартов MPEG. Стандарт разрабатывается не для установления каких-то рамок для передачи данных или типизации и описания данных какого-то конкретно рода. Стандарт предусмотрен как описательный, предназначенный для регламентации характеристик данных любого типа, вплоть до аналоговых. Использование MPEG-7 предполагается в тесной связи с MPEG-4.

Для удобства обращения со сжатыми потоками, все алгоритмы MPEG разработаны таким образом, что позволяют осуществлять декомпрессию (восстановление) и воспроизведение потока одновременно с его получением (download ) - потоковая декомпрессия «на лету» (stream playback ). Эта возможность очень широко используются в интернете, где скорость передачи информации ограничена, а с использованием подобных алгоритмов появляется возможность обрабатывать информацию прямо во время ее получения не дожидаясь окончания передачи.

PASC Precision Adaptive Sub-band Coding - точное адаптивное внутриполосное кодирование) - частный случай Audio MPEG-1 Layer 1 со скоростью потока 384 кбит/с (сжатие 1:4). Применяется в системе DCC.

ATRAC Adaptive TRansform Acoustic Coding - акустическое кодирование адаптивным преобразованием) базируется на стереофоническом звуковом формате с 16-разрядным квантованием и частотой дискретизации 44.1 кГц. ATRAC (Adaptive TRansform Acoustic Coding) разделяет 16-битный 44,1 кГц цифровой аудио сигнал на 52 частотных диапазона (после быстрого преобразования Фурье). Диапазоны с низкими частотами передаются более точно, чем с высокими. Алгоритм использует психо-акустическое кодирование, где применяется эффект маскировки и порог слышимости звука, в результате чего часть информации может быть отброшена и выходящий поток данных имеет размер в 1/5 оригинального. Каждый канал обрабатывается независимо (портативный MD привод Sony MZ-1 использует один чип ATRAC кодера/декодера на канал). Другой алгоритм кодирования, PASC (Precision Adaptive Sub-band Coding - сейчас используется Philips в DCC ) разделяет цифровой сигнал на промежутки равного размера и удаляет часть информации (уменьшая поток до 1/4 оригинального). PASC является алгоритмом MPEG Layer 1 (его можно распаковать проигрывателями MPEG Layer 1 после небольшой предварительной коррекции).
Оба алгоритма выполняют сжатие данных, обеспечивая хранение 16-битного звукового потока. Цель алгоритма - сжать поток для уменьшения занимаемого им пространства на диске. Существует огромного множество алгоритмов сжатия. Некоторые алгоритмы сжимают данные без потерь (они используются, к примеру, в архиваторах), при этом информация после декомпрессии не отличается от оригинала. PASC и ATRAC относятся к алгоритмам с потерей части информации, они не пытаются сохранить каждый бит входящих данных, они просто стараются выделить и сохранить акустически "важные" биты. Поэтому важно найти звуки, которые будут замаскированы человеческой слуховой системой, которые человек не сможет услышать даже при их воспроизведении. Оба алгоритма сжатия звука прекрасно справляются с этой задачей. Какой звуковой поток записывается на минидиск после сжатия ATRAC? Для стерео сигнала - 292162,5 бит/с. ATRAC сжимает 512 входящих 16-битовых семплов (1024 байта) в "звуковые группы" ATRAC (212 байт), в результате получается коэффициент сжатия 4,83:1. - 44100 семплов/с (входящий поток одного канала) - 512 семплов на звуковую группу (получаем 86,133 звуковых групп/с/канал) - 2 канала (получаем 172,266 звуковых групп/с)
- 212 байт/звуковую группу (получаем 36,5 кбайт/с в стерео) - 8 бит/байт (получаем кбит/с) - 292162,5 бит/с ATRAC (используется в MDLP) работает на 132 кбит/с (LP2) и 66 кбит/с (LP4).

Сегодня большинство из нас имеет дело преимущественно с цифровыми системами воспроизведения звука. В этих системах звук хранится в цифровом виде – то есть – в виде последовательностей нулей и единиц, которые после раскодирования их с помощью специального программного и аппаратного обеспечения, превращаются в звук. В мире цифровой музыки идет борьба, с одной стороны, за качество воспроизведения, а с другой – за объем хранимых данных. Это два противоборствующих понятия – чем выше качество звука, тем, обычно, больше места требуется для его хранения. Для того, чтобы сохранить цифровой звук с как можно более высоким качеством в как можно меньшем объеме информации, были разработаны алгоритмы сжатия звука.

Существует два различных подхода к сжатию аудиоинформации. Первый называется сжатием без потерь ( lossless ) – в ходе такого сжатия звук, записанный в цифровом виде, сохраняется полностью, без потерь. Другой подход к сжатию аудиоданных называется сжатием с потерями ( lossy ) – звук особым образом обрабатывается, из него удаляется все, по заключению алгоритма сжатия, лишнее, а то, что остается, сжимается. Такое сжатие, в сравнении со сжатием без потерь, позволяет добиться гораздо более высоких уровней сжатия, то есть – уменьшить размеры звуковых файлов, в то время как качество звучания, если не стараться сжать файл слишком сильно, страдает не особенно заметно.

Музыкальные записи можно сжимать и обычными архиваторами, однако они не могут работать в режиме реального времени, к тому же, уровень сжатия несжатых музыкальных записей редко когда превышает 50%. Другой, используемый на практике, способ сжатия аудиоинформации заключается в применении специальных программ – так называемых кодеков, с помощью которых можно сжимать и "на лету" заниматься раскодированием и воспроизведением сжатых композиций.

Говоря о кодеках для сжатия аудиоинформации, следует различать понятия кодек и контейнер медиаданных. Контейнер – это, упрощенно говоря, некая стандартная оболочка , в которой хранятся аудиоданные, сжатые тем или иным кодеком. Например, в MP4-контейнере могут храниться данные, сжатые различными кодеками – в частности – кодеком сжатия с потерями AAC , кодеком сжатия без потерь ALAС и другими. Обычно для различных типов данных, которые хранятся в MP4-контейнере, применяются различные расширения файла. Точно так же, в WAV -файле могут храниться различные данные – например, сжатые в популярном формате MP3 или несжатая информация в формате PCM – в случае с WAV -файлами расширение имени файла остается неизменным (. wav ), а различаются эти файлы лишь по своей внутренней структуре.

Перечень программ

В табл. 3.1. приведены программы, описанные в данной теме. Это, в основном, универсальные программы, вы можете выбрать для кодирования тех или иных файлов любую из них. Входным форматом файлов по умолчанию является WAV , однако практически все программы умеют кодировать музыку между форматами и "разжимать" исходные файлы в стандартные WAV .

Таблица 3.1. Программы и форматы файлов

Программы и форматы	MP3	OGG	WMA	AAC	VQF	FLAC	WAV PACK	APE	ALAC
Lame	+
Winlame	+	+	+
RazorLame	+
Windows Media Encoder			+
aoTuV		+
iTunes				+
ImToo WMA MP3 Converter*	+		+
MP4 Converter**
ImToo Audio Encoder	+	+	+	+	+	+			+
Flac Frontend						+
Cue Splitter ***
WavPack Frontend							+
Monkey’s Audio								+
dBpoweramp	+	+	+	+		+	+	+	+

* Программа ImToo WMA MP3 Converter поддерживает большое количество входных форматов файлов, на выходе же могут быть лишь MP3 и WMA .

** Программа MP4 Converter конвертирует видеофайлы различных форматов в формат, понятный плеерам Apple iPod .

*** Программа для разбиения больших аудиофайлов в соответствии с индексными картами.

Сжатие с потерями

Среди существующих форматов сжатия аудиоданных с потерями можно отметить "большую четверку" - MP3 , WMA , Ogg Vorbis и AAC . Ваш MP3 -плеер с практически 100% вероятностью будет поддерживать один из этих форматов, а скорее всего – несколько. Знания о некоторых особенностях форматов будут особенно полезны при практической работе с аудиоинформацией. Например, в следующих лекциях мы рассмотрим ПО для работы со звуком, в частности, подробно остановимся на конверсии звука из одного формата в другой, и если вы будете знать о формате сжатия данных немного больше, чем его название, это может вам неплохо помочь. Итак, начнем с самого популярного формата.

MP3

Полное название MP3 – MPEG 1 Audio Layer 3. MP3 – это формат сжатия аудиоданных с потерями, который добился невероятной популярности по всему миру. В настоящее время существуют варианты стандарта - MPEG-2 Layer 3 и MPEG-2 .5 Layer 3.

История MP3 начинается в конце 1980-х годов, когда рабочая группа инженеров института Фраунгофера (Fraunhofer Society) начала работать над проектом DAB ( Digital Audio Broadcast ). Проект был частью исследовательской программы EUREKA и в ее рамках был известен как EU -147. MP3 стал результатом переработки стандартов сжатия аудиоинформации Musicam и ASPEC, добавления к идеям, используемых в этих стандартах, новых оригинальных концепций. Непосредственное отношение к стандарту имеет так же компания Thomson.

Стандарт развивался в начале 1990-х, в 1995 году была опубликована окончательная версия стандарта, однако еще в 1994 году был создан первый программный MP3 -кодировщик, который назывался l3enc. Тогда же было выбрано расширение. mp3 для файлов, закодированных в данном формате, а в 1995 году появился первый программный MP3 -проигрыватель Winplay3, доступный широкой общественности. Благодаря высокому качеству музыки при небольшом размере файлов, а так же из-за появления простого и качественного программного обеспечения для проигрывания и создания MP3 -файлов (например, широко известного и ныне здравствующего WinAmp’a, который появился еще в середине 1990-х годов), стандарт обрел огромную популярность и пользуется ей до сих пор.

Возможности MP3

Говоря о возможностях формата MP3, пожалуй, надо начать с формата, в котором хранят музыку на обычных музыкальных CD-дисках, на так называемых Audio CD . Звук, записанный на такие диски, имеет вполне определенные характеристики, а именно, это 44.1kHz 16Bit Stereo (44,1 кГц, 16-битный стереозвук). В переводе на нормальный человеческий язык это означает, что каждая секунда звучания состоит из 44100 образцов (этот параметр называют частотой дискретизации), каждый из которых имеет размер 16 бит (то есть – два байта), причем, информация записывается для двух каналов – для правого и для левого. В итоге получается, что для хранения одной секунды музыки в формате Audio CD потребуется 44100*16*2=1411200 бит, или 176400 байт, или 172,2 Кб. Таким образом, пятиминутная композиция займет 176400*5*60=52920000 байт, то есть – почти 50 мегабайт дискового пространства. Даже сегодня, учитывая десятки, а чаще – сотни гигабайт жестких дисков, которые есть в распоряжении обычных пользователей, довольно сложно представить себе музыкальную коллекцию, состоящую исключительно из звука, записанного в таком неэкономном формате. Что и говорить о жестких дисках на пару гигабайт, которые были пределом мечтаний многих лет десять назад.

Файлы, сжатые в MP3 практически без потери первоначального качества, занимают в 6-10 раз меньше места, чем оригинал. То есть из огромного 50-мегабайтного файла получается вполне пристойный 5-мегабайтный. Причем, если сжать такой файл с помощью обычных алгоритмов сжатия (RAR или ZIP, например), которые используются для простых файлов, мы получим, в лучшем случае, 50% выигрыш (то есть файл порядка 25 Мб). В чем же дело? Почему же MP3 способен так сильно сжимать файлы, практически не ухудшая их качества. Ответ на вопрос здесь кроется в слове "практически". Ведь обычное сжатие не изменяет качества композиций, оно полностью сохраняет его, а MP3 проводит некие манипуляции с файлом, которые могут сказаться на его качестве.

Как работает MP3

В основе MP3 лежит множество механизмов сжатия, в частности, так называемое адаптивное кодирование, основанное на психоакустических моделях, которые учитывают особенности восприятия звука человеком и удаляют из него все "лишнее" - все то, что среднестатистическому человеку невозможно услышать при прослушивании композиций. Как мы уже говорили, если не стремиться слишком сильно сжать композицию, применив наиболее качественный вариант MP3-кодирования, то ее размер будет примерно в 6-10 раз меньше оригинала с CD-качеством, а качество этих двух записей будет идентичным – вряд ли даже профессионал различит их. При более высоких уровнях сжатия потери (их еще называют артефактами сжатия) слышны гораздо сильнее, но тот, кто пользуется сильно сжатой MP3-музыкой, сознательно идет на такой шаг. Например, сильно сжатые MP3 чрезвычайно популярны в среде сотовых телефонов – часто встроенной памяти аппарата не хватает для того, чтобы закачать в него достаточное количество качественных MP3, в результате владелец жертвует качеством записи ради количества. Но вернемся к описанию принципов работы MP3, в частности, к психоакустическим моделям.

Адаптивное кодирование, основанное на психоакустических моделях, применяет различные знания об особенностях восприятия звуков человеком. Так, если одновременно воспроизводятся два звуковых сигнала, один из которых слабее, то более слабый сигнал заглушается (или, как говорят, маскируется) более сильным сигналом. В результате получается, что человек слышит более сильный звук, а более слабый – нет. В таком случае информация о более слабом звуке просто отбрасывается. Точно так же происходит, если сразу после громкого звука идет тихий – громкий звук вызывает временное понижение слуховой чувствительности, в результате – тихий звук оказывается не слышным – информацию о нем так же можно убрать. Так же при обработке музыкальных композиций учитывается то, что большинство людей не способны различить сигналы, мощность которых находится ниже определенного уровня для различных частотных диапазонов.

Битрейт

При MP3-кодировании особенную важность имеет так называемый битрейт (bitrate или ширина потока), который задается при кодировании. Например, уже описанный Audio CD может быть закодирован с максимальным битрейтом 320 Кбит/c (килобит в секунду – этот показатель так же обозначают как kbps , kbs , kb/s) до 128 и ниже. На практике, при битрейте ниже 128 Кбит/с качество звучания падает настолько сильно, что кодировать с подобным битрейтом есть смысл лишь тогда, когда другой альтернативы просто нет.

С одним и тем же битрейтом могут быть закодированы различные исходные материалы, например, звук может быть не стереофоническим, а монофоническим, другой может быть частота дискретизации или размер выборки, однако битрейт – это очень важный интегральный показатель качества MP3-файла. В общем случае, чем он больше – тем это лучше. Очень часто при кодировании MP3-записей Audio CD -качества, можно встретить битрейт 192 Кбит/с – он неплохо подходит для этих целей, однако при прослушивании подобных записей на качественной аудиоаппаратуре (особенно, если сравнить их с оригинальными Audio CD ), заметны артефакты сжатия.

Однако, нельзя однозначно утверждать, что любая музыкальная композиция, скажем, записанная на битрейте 192 Кбит/с лучше, чем композиция, записанная на 128 Кбит/с. Многое зависит от самой музыки, от кодировщика, от исходного качества записи, а так же от того, какой тип битрейта использован при записи композиции.

Так, наиболее простой тип битрейта – это постоянный битрейт – или CBR ( Constant Bit Rate ). Этот битрейт не меняется в течение кодирования всей композиции, то есть каждая секунда звучания, независимо от ее содержимого, кодируется одинаковым количеством бит.

Bit Rate ) – его можно назвать комбинацией VBR и CBR . Так, перед началом кодирования пользователь задает средний битрейт, а при кодировании программа, используя переменный битрейт, следит за тем, чтобы в итоге битрейт вписался в установленное пользователем ограничение. Качество выходного файла получается, таким образом, хуже, чем при использовании VBR (но немного лучше, чем при использовании аналогичного CBR ), однако размер файла поддается гибкой и точной регулировке.

В ходе кодирования исходный аудиосигнал разбивается на участки, которые называются фреймами. Каждый фрейм кодируются отдельно, а при декодировании звуковой сигнал реконструируется из декодированных фреймов. Особый интерес при кодировании MP3 представляет способ обработки стереосигнала – давайте остановимся на этом вопросе подробнее.

Каждому кто хоть немного пользовался компьютером, знакомо слово «архиватор». Кому незнакомо, поясним, что архиватором называется программа, предназначенная для сжатия/разжатия файлов. Среди наиболее известных являются WinZip и WinRar. Они сжимают файлы в одном случае на несколько процентов, в другом - в разы. Все зависит от типа файла. Исполняемые файлы уменьшаются на незначительную величину, зато текстовые теряют свой «вес» сразу в несколько раз. Однако такие методы сжатия не подходят к звуковым файлам по ряду причин. Прослушать такой файл можно только после его распаковки. Но тогда теряется весь смысл сжатия. А в бытовых плеерах это вообще становится невозможным. Правда, есть еще возможность использования оперативной памяти, но она настолько дорога, что «овчинка выделки не стоит». Вторая причина кроется в том, что даже после сжатия звукового файла особого выигрыша в освободившемся пространстве не получится. Если взять WAV-файл размером 44 Мб, то после Упаковки его с помощью архиватора WinZip получится файл размером 34 Мб. Как вы заметили, «бонус» в 10 Мб не впечатляет. К тому же с никуда не Девшимися проблемами распаковки.
Поэтому для звуковых файлов применяют немного иные способы сжатия, идним из них (наверное, самым распространенным) является сжатие с потерями (Loss compression). Принцип его построен на особенностях человеческого восприятия той или иной среды (звука, изображения). Очень понятно это объясняется на примере цифровой фотографии. Все знают, что она состоит из множества точек. Каждая точка имеет свой определенный цвет. ^0 физиологически глаз человека не способен воспринимать все эти цвета, показывать вам каждую точку по отдельности (даже увеличив в разы), многие из них вы вообще не увидите. Дальтонизм тут ни при чем. Берется зрение обычного здорового человека. Так вот, если из фотографии изъять все эти невидимые точки, их количество заметно поубавится. Соответственно, как вы понимаете, уменьшится и размер фотографии. На этом принципе происходит кодирование и видеофайлов.
Так же и с нашим слухом. Не все звуки мы способны слышать, тем не менее они записываются в файл. Получается, что они впустую занимают место на диске. После удаления этих «глухих» мест файл существенно «похудеет». Например, если в звуке одновременно присутствует очень мощный сигнал (грохот пушек) и тут же находит место более тихий (выстрел из пистолета с глушителем), то соответственно он все равно не будет услышан, и его можно спокойно удалить, не изменяя общей картины.
Также сразу же после громкого звука человеческое ухо резко понижает свою чувствительность к тихому звуку. Например, каждый когда-нибудь испытал звон в ушах после того, как у вас под ухом взорвали хлопушку или тому подобное. Ведь после этого вы не слышали даже то, что вам говорят? Еще учитывается невосприимчивость большинства людей к звукам, находящимся в определенном частотном диапазоне.
Обычно человек слышит в диапазоне от 20 до 2000 Гц. Все это относится к адаптивному кодированию. Благодаря ему достигается до десятикратного уменьшения размера файла.

В общих чертах смысл сжатия без потерь таков: в исходных данных находят какую-либо закономерность и с учётом этой закономерности генерируют вторую последовательность, которая однозначно описывает исходную. Например, для кодирования двоичных последовательностей, в которых много нулей и мало единиц, мы можем использовать такую замену:

00 > 0
01 > 10
10 > 110
11 > 111

В таком случае шестнадцать битов:

00 01 00 00 11 10 00 00

будут преобразованы в тринадцать битов:

0 10 0 0 111 110 0 0

Если мы запишем сжатую строку без пробелов, мы всё равно сможем расставить в ней пробелы - а значит, восстановить исходную последовательность.

FLAC (Free Lossless Audio Codec - свободный аудио-кодек без потерь)

Принцип кодирования: алгоритм пытается описать сигнал такой функцией, чтобы полученный после её вычитания из оригинала результат (называемый разностью, остатком, ошибкой) можно было закодировать минимальным количеством битов.

Когда модель подобрана, алгоритм вычитает приближение из оригинала, чтобы получить остаточный (ошибочный) сигнал, который затем кодируется без потерь.

Сжатие с потерями (MP3, AAC, WMA, OGG)

Используется алгоритм сжатия с потерями, размер MP3-файла со средним битрейтом 128 кбит/с примерно равен 1/11 от оригинального файла с аудио CD (несжатое аудио формата CD-Audio имеет битрейт 1411,2 кбит/с). MP3 файлы могут создаваться с высоким или низким битрейтом, что влияет на качество результата.

Принцип сжатия заключается в снижении точности некоторых частей звукового потока, что практически неразличимо для слуха большинства людей. Звуковой сигнал разбивается на равные по продолжительности отрезки, каждый из которых после обработки упаковывается в свой фрейм (кадр). Разложение в спектр требует непрерывности входного сигнала, в связи с этим для расчётов используется также предыдущий и следующий фрейм. В звуковом сигнале есть гармоники с меньшей амплитудой и гармоники, лежащие вблизи более интенсивных - такие гармоники отсекаются, так как среднестатистическое человеческое ухо не всегда сможет определить присутствие либо отсутствие таких гармоник. Такая особенность слуха называется эффектом маскировки. Также возможна замена двух и более близлежащих пиков одним усреднённым (что, как правило, и приводит к искажению звука). Критерий отсечения определяется требованием к выходному потоку. Поскольку весь спектр актуален, высокочастотные гармоники не отсекаются, а только выборочно удаляются, чтобы уменьшить поток информации за счёт разрежения спектра. После спектральной «зачистки» применяются математические методы сжатия и упаковка во фреймы.

Типы битрейта MP3

CBR расшифровывается как Constant Bit Rate, то есть постоянный битрейт, который задаётся пользователем и не изменяется при кодировании произведения. Таким образом, каждой секунде произведения соответствует одинаковое количество закодированных бит данных (даже при кодировании тишины).

VBR расшифровывается как Variable Bit Rate, то есть изменяющийся битрейт или переменный битрейт, который динамически изменяется программой-кодером при кодировании в зависимости от насыщенности кодируемого аудиоматериала и установленного пользователем качества кодирования (например, тишина закодируется с минимальным битрейтом). Минусом данного метода кодирования является то, что VBR считает «незначительной» звуковой информацией более тихие фрагменты, таким образом получается, что если слушать очень громко, то эти фрагменты будут некачественными, в то время как CBR делает с одинаковым битрейтом и тихие, и громкие фрагменты.

ABR расшифровывается как Average Bit Rate, то есть усредненный битрейт, который является гибридом VBR и CBR: битрейт в кбит/c задаётся пользователем, а программа варьирует его, постоянно подгоняя под заданный битрейт. Таким образом, кодек будет с осторожностью использовать максимально и минимально возможные значения битрейта, так как рискует не вписаться в заданный пользователем битрейт. Это является явным минусом данного метода, так как сказывается на качестве выходного файла, которое будет немного лучше, чем при использовании CBR, но хуже, чем при использовании VBR (при том же размере файла) .

Формат сжатия звука MP3

Методы сжатия звуковой информации

Сжатие звуковых данных

Сжатие аудиоданных представляет собой процесс уменьшения скорости цифрового потока за счет сокращения статистической и психоакустической избыточности цифрового звукового сигнала.

Сжатие звуковых данных (сжатие аудио) - тип сжатия данных, кодирования, применяемая для уменьшения объема аудиофайлов или для возможности уменьшения полосы пропускания для потокового аудио. Алгоритмы сжатия звуковых файлов реализуются в компьютерных программах, называемых аудиокодеками. Изобретение специальных алгоритмов сжатия звуковых данных мотивировано тем, что общие алгоритмы сжатия неэффективны для работы со звуком и делают невозможным работу в реальном времени.

Как и в общем случае, различают сжатия звука без потерь, что делает возможным восстановление исходных данных без искажений, и сжатие с потерями, при котором такое восстановление невозможно. Алгоритмы сжатия с потерями дают большую степень сжатия, например audio CD может вместить не более часа «несжатой» музыки, при сжатии без потерь CD вместит почти 2 часа музыки, а при сжатии с потерями при среднем битрейте - 7-10 часов.

Сжатие без потерь

Сложность сжатия звука без потерь заключается в том, что записи звука являются чрезвычайно сложными в своей структуре. Одним из методов сжатия является поиск образцов и их повторений, однако этот метод не эффективен для более хаотических данных, которыми являются, например оцифрованный звук или фотографии. Интересно, что если сгенерированная компьютером графика значительно легче поддается сжатию без потерь, то синтезированный звук в этом отношении не имеет преимуществ. Это объясняется тем, что даже сгенерированный компьютером звук обычно имеет очень сложную форму, которая представляет сложную задачу для изобретения алгоритма.

Другая сложность заключается в том, что звучание обычно меняется очень быстро и это также является причиной того, что упорядоченные последовательности байтов появляются очень редко.

Наиболее распространенными форматами сжатия без потерь являются:
Free Lossless Audio Codec (FLAC), Apple Lossless , MPEG-4 ALS , Monkey"s Audio , и TTA .

Сжатие с потерями

Сжатие с потерями имеет чрезвычайно широкое применение. Кроме компьютерных программ, сжатие с потерями используется в потоковом аудио в DVD, цифровом телевидении и радио и потоковому медиа в интернете.

Новацией этого метода сжатия было использование психоакустики для обнаружения компонентов звучания, которые не воспринимаются слухом человека. Примером могут служить или высокие частоты, которые воспринимаются только при достаточной их мощности, или тихие звуки, возникающие одновременно или сразу после громких звуков и поэтому маскируются ними - такие компоненты звучания могут быть переданы менее точно, или и вообще не переданы.

Для осуществления маскировки сигнал из временной последовательности отсчетов амплитуды превращается в последовательность спектров звуков, в которых каждый компонент спектра кодируется отдельно. Для осуществления такого преобразования используются методы быстрого преобразования Фурье, МДКП, квадратурной-зеркальных фильтров или другие. Общий объем информации при таком перекодировании остается неизменным. Сжатие в определенной частотной области может заключаться в том, что замаскированные или нулевые компоненты не запоминаются вообще, или кодируются с меньшим разрешением. Например, частотные компоненты в до 200 Гц и более 14 кГц могут быть закодированы с 4-битной разрядностью, тогда как компоненты в среднем диапазоне - с 16 битной. Результатом такой операции станет кодирования со средней разрядностью 8-бит, однако результат будет значительно лучше, чем при кодировании всего диапазона частот с 8-битной разрядностью.

Однако очевидно, что перекодированные с низким разрешением фрагменты спектра уже не могут быть восстановлены в точности, и, таким образом, теряются безвозвратно.
Главным параметром сжатия с потерями является битрейт, определяющий степень сжатия файла и, соответственно, качество. Различают сжатия с постоянным битрейтом (англ. Constant BitRate - CBR), переменным битрейтом (англ. Variable BitRate - VBR) и усереденим битрейтом (англ. Average BitRate - ABR).

Наиболее распространенными форматами сжатия с потерями являются: AAC, ADPCM, ATRAC, Dolby AC-3, MP2, MP3, Musepack Ogg Vorbis, WMA и другие.

Формат сжатия звука MP3

MPEG-1 Audio Layer 3 Расширение файла: .mp3 Тип MIME: audio/mpeg Тип формата: Audio

MP3 (более точно, англ. MPEG-1/2/2.5 Layer 3 (но не MPEG-3) - третий формат кодирования звуковой дорожки MPEG) - лицензируемый формат файла для хранения аудио-информации.

На данный момент MP3 является самым известным и популярным из распространённых форматов цифрового кодирования звуковой информации с потерями. Он широко используется в файлообменных сетях для оценочной передачи музыкальных произведений. Формат может проигрываться практически в любой популярной операционной системе, на практически любом портативном аудио-плеере, а также поддерживается всеми современными моделями музыкальных центров и DVD-плееров.

В формате MP3 используется алгоритм сжатия с потерями, разработанный для существенного уменьшения размера данных, необходимых для воспроизведения записи и обеспечения качества воспроизведения очень близкого к оригинальному (по мнению большинства слушателей), хотя меломаны говорят об ощутимом различии. При создании MP3 со средним битрейтом 128 кбит/с в результате получается файл, размер которого примерно равен 1/10 от оригинального файла с аудио CD. MP3 файлы могут создаваться с высоким или низким битрейтом, который влияет на качество файла-результата.

Принцип сжатия заключается в снижении точности некоторых частей звукового потока, что практически неразличимо для слуха большинства людей. Данный метод называют кодированием восприятия. При этом на первом этапе строится диаграмма звука в виде последовательности коротких промежутков времени, затем на ней удаляется информация не различимая человеческим ухом, а оставшаяся информация сохраняется в компактном виде. Данный подход похож на метод сжатия, используемый при сжатии картинок в формат JPEG.

MP3 разработан рабочей группой института Фраунгофера (нем. Fraunhofer-Institut f?r Integrierte Schaltungen) под руководством Карлхайнца Бранденбурга и университета Эрланген-Нюрнберг в сотрудничестве с AT&T Bell Labs и Thomson (Джонсон, Штолл, Деери и др.).

Основой разработки MP3 послужил экспериментальный кодек ASPEC (Adaptive Spectral Perceptual Entropy Coding). Первым кодировщиком в формат MP3 стала программа L3Enc, выпущенная летом 1994 года. Спустя один год появился первый программный MP3-плеер - Winplay3.

При разработке алгоритма тесты проводились на вполне конкретных популярных композициях. Основной стала песня Сюзанны Веги «Tom"s Diner». Отсюда возникла шутка, что «MP3 был создан исключительно ради комфортного прослушивания любимой песни Бранденбурга», а Вегу стали называть «мамой MP3».

Описание формата

В этом формате звуки кодируются частотным образом (без дискретных партий); есть поддержка стерео, причём в двух форматах (подробности - ниже). MP3 является форматом сжатия с потерями, то есть часть звуковой информации, которую (согласно психоакустической модели) ухо человека воспринять не может или воспринимается не всеми людьми, из записи удаляется безвозвратно. Степень сжатия можно варьировать, в том числе в пределах одного файла. Интервал возможных значений битрейта составляет 8 - 320 кбит/c. Для сравнения, поток данных с обычного компакт-диска формата Audio-CD равен 1411,2 кбит/c при частоте дискретизации 44100 Гц.

MP3 и «качество Audio-CD»

В прошлом было распространено мнение, что запись с битрейтом 128 кбит/c подходит для музыкальных произведений, предназначенных для прослушивания большинством людей, обеспечивая качество звучания Audio-CD. В действительности всё намного сложнее. Во-первых, качество полученного MP3 зависит не только от битрейта, но и от кодирующей программы (кодека) (стандарт не устанавливает алгоритм кодирования, только описывает способ представления). Во-вторых, помимо превалирующего режима CBR (Constant Bitrate - постоянный битрейт) (в котором, проще говоря, каждая секунда аудио кодируется одинаковым числом бит) существуют режимы ABR (Average Bitrate - усредненный битрейт) и VBR (Variable Bitrate - переменный битрейт). В-третьих, граница 128 кбит/c является условной, так как она была «изобретена» в эпоху становления формата, когда качество воспроизведения звуковых плат и компьютерных колонок как правило было ниже, чем в настоящее время.