Сжатие звука MP3. Аудио компрессия для меломанов

3.2. Mp3 - технология сжатия звуковой информации

Само название МрЗ появилось в результате сокращения аббревиатуры MPEG-1 Layer3.

MPEG (Motion Pictures Expert Group) - это группа при Международной организации по стандартизации и Международном электрическом комитете, которая занимается разработкой стандартов для цифрового сжатия видео и аудио информации. А зачем сжимать эту информацию? Во-первых, для экономии экономических и материальных ресурсов при передаче информации на расстояние по каналам связи (в том числе и спутниковым), а во-вторых, для ее хранения.

Официальное одобрение стандарт MPEG-1 получил в 1992 году, однако до недавнего времени открытие не было востребовано в полной мере. Лишь с появлением достаточно мощных процессоров Pentium (с тактовыми частотами от 300 МГц и выше, позволяющих резко снизить время на кодирование/декодирование сигнала) и высокоскоростных модемов стандарт получил широкое признание.

Стандарт MPEG-1 является потоковым форматом и состоит из аудио, видео и системной частей. Последняя часть содержит информацию об объединении и синхронизации двух первых.

Передача данных происходит потоком независимых отдельных блоков данных - фреймов, получаемых при "нарезке" на равные по продолжительности участки, которые кодируются независимо друг от друга.

Всего в настоящее время существует пять видов (номеров) стандартов MPEG:

1) MPEG1 - сжатие аудио и видео с общей скоростью до 150 Кбайт/сек (аудио 38, 44.1, 48 килогерц);

2) MPEG2 - сжатие аудио и видео с общей скоростью до 300 Кбайт/сек (аудио 38, 44.1, 48 килогерц), сжатие аудио ИДЕНТИЧНО MPEG1;

3) MPEG2.5 - сжатие аудио с пониженным разрешением (аудио 16,22.05,24 килогерц). Интересно заметить, что стандарт MPEG2.5 (еще известный как MPEG2 LSF - LOW SAMPLE FREQUENCY - низкая частота сканирования аудио) введен фирмой IIS Fraunhofer (институт информационных технологий имени Фраунхофера из Германии). Этот стандарт является расширением "чистого" аудио MPEG2 (то есть MPEG1!) для частоты сканирования аудио в два раза меньшей, чем обычно;

4) MPEG3 - многоканальный MPEG1+MPEG2. Этот стандарт практически не используется;

5) MPEG4 - новомодный за рубежом стандарт. Его особенность: может держать до 8-и каналов аудио (то есть AC-3 - цифровое расширение системы Surround.

Чем выше индекс уровня тем выше сложность и производительность алгоритма кодирования, соответственно и увеличиваются требования к системным ресурсам.

Здесь под термином "кодирование" понимается процесс, позволяющий получать файл в сжатом виде, который занимает меньше места на диске и соответственно быстрее передается по каналам связи. В сжатой форме файл использоваться не может, соответственно, перед использованием его необходимо декодировать. Сжатие файла происходит не всегда с положительным результатом. Результат напрямую зависит от метода компрессии и от содержимого самого файла.

Принцип кодирования сигнала в MPEG Audio основан на использовании психоакустической модели (Psycho-acoustics), суть которой в следующем.

Существует ряд звуковых частот, которые человеческое ухо не воспринимает. Происходит маскирование одних звуков другими, как с большей амплитудой, так и с близкой частотой. Так, например, если излучается сильный звук частотой 1000 Гц (маскирующий), то более слабый звук частотой 1100 Гц (маскируемый) человеческое ухо не зафиксирует из-за особенностей порога слышимости человеческого уха. Порог слышимости на краях частотного диапазона (16-20 Гц и 16-20 кГц) значительно повышается, т.к. на этих частотах слух имеет значительно меньшую чувствительность по сравнению с областью наибольшей чувствительности слуха (диапазон 1-5 кГц). Также известно, что время восстановления чувствительности слуха после громкого сигнала составляет порядка 100 мс, а время задержки восприятия этого же сигнала составляет порядка 5 мс.

Таким образом, происходит передача только той звуковой информации, которая может быть адекватно воспринята подавляющим большинством слушателей, а вся остальная, увы, безвозвратно теряется.

Как уже упоминалось, все уровни имеют одинаковую базовую структуру, при которой кодер анализирует исходный сигнал, вычисляет для него гребенку фильтров (32 полосы) и применяет психоакустическую модель. С заранее выбранной частотой квантования, величиной потока и маскирования кодер производит квантование и кодирование сигнала.

Сравнительные характеристики способов кодирования для одного канала при частоте квантования в 32 кГц представлены в таблице 2.

Таблица 2.

Способ кодирования	Скорость передачи (кбит/с)	Коэффициент сжатия
Layer 1	192	1:4
Layer 2	128-96	1:6...8
Layer 3	64-56	1:10...12

Перед кодированием исходный сигнал разбивается на фреймы, каждый из которых кодируется отдельно с разными параметрами и помещается в конечном файле независимо от других. Последовательность воспроизведения определяется порядком расположения фреймов. Вся информация о фрейме содержится в его заголовке, а информация о фреймах содержится в заголовке файла. Для информации об артисте, альбоме, названии композиции, жанре и пр. предусмотрен ID3/ID2 tag - заголовок. Подавляющее большинство существующих проигрывателей используют данный заголовок для прокрутки этой информации во время проигрывания музыкального фрагмента.

Между фреймами может содержаться произвольная информация, допустим, авторские права, расположенные ровным слоем по всему файлу. Основное требование к последовательно расположенным фреймам заключается в том, чтобы отсутствовали совпадения с сигнатурой начала фрейма.

Частота следования фреймов называется битрейтом (BIT RATE - битовая скорость, чем она выше, тем ближе будет конечный результат к оригиналу).

Каждый битрейт имеет свою область применения. Для создания качественной копии, соответствующей качеству оригиналу применяются только высокие битрейты порядка 256 кбит/с. При битрейте 128 кбит/с качество конечного продукта кажется вполне нормальным, но заметить разницу между копией и оригиналом способны уже многие. В Интернете чаще всего содержатся как раз МРЗ файлы, закодированные битрейтом 128 кбит/с. Но для создания действительно качественной копии необходимо использовать скорость кодирования в 320 кбит/с, хотя конечный файл получается меньше лишь в 4,3 раза по сравнению с 10,8 раз на 128 кбит/с и 5,4 раза на 256 кбит/с. Поэтому выбирать битрейт необходимо самому, исходя из потребностей.

После фреймовой разметки исходный сигнал с помощью гребенчатых фильтров разделяется на составляющие, представляющие отдельные частотные диапазоны, в сумме дающие обрабатываемый сигнал. Для каждого такого диапазона определяется своя психоакустическая модель и участки фрейма, которые "выпадают" из процесса кодирования. Для оставшихся данных определяется максимально допустимая частота квантования, которая должна обеспечивать потери ниже величины маскирующего эффекта.

После обработки всех фреймов формируется итоговый поток, который дополнительно кодируется по методу Хаффмана. Этот алгоритм также используется в архиваторе ARJ, только с динамической, постоянно изменяющейся таблицей Хаффмана, что требует двух проходов по данным; при фиксированной же таблице Layer 3, сжатие происходит за один проход. Указанный метод позволяет "сжать" до 20 процентов от общего объема. В результате получаем конечный поток кодированных аудиоданных.

При мне" с простым безыскусным напевом Глинки, услышанным от Грибоедова, и более сложное драматическое решение в романсе - восточной поэме Рахманинова, полной элегической тоски и одиночества. Музыкальная пушкиниана ХХ века также весьма обширна и интересна. В числе наиболее значительных произведений - балеты "Медный всадник" Глиэра, одна из главных тем которого поистине стала "гимном великому...

Песен, прибауток, считалок для исполнения на музыкальных инструментах; для нориолизации просодической стороны речи при импровизации мелодичных и ритмических подпевок. В работе с учащимися начальных классов в коррекционно-развивающем обучении могут быть использованы лишь самые простые инструменты. Это музыкальные инструменты ударной группы как чисто ритмические, не обладающие определенной высотой...

Нравственных качеств личности ребенка, закладывает первоначальные основы общей культуры будущего человека. II. Педагогические условия реализации видов деятельности детей в детском саду 2.1 Методы музыкального обучения в детском саду Основной вид музыкальной деятельности, которому принадлежит ведущая роль в реализации познавательной и коммуникативной функции музыки – ее восприятие...

Работы над музыкальным произведением, уровнем эмоционально-поведенческих расстройств. 2. Специфика музыкальной работы в детском доме для умственно отсталых детей-сирот и детей, лишенных попечения родителей Решению задач музыкального образования помогает использование разнообразных форм организации музыкальной деятельности, каждая из которых обладает определенными возможностями (см. схему). ...

Чем более объем памяти WT-карты, тем реалистичнее звучание (ибо в памяти хранится больше образцов, записанных с более высоким разрешением). Стандарт General MIDI описывает более 200 инструментов, для хранения образцов их звучания (таблиц) требуется не менее 8 Мбайт памяти (минимум 20 Кбайт для каждого образца).

Известен WF-метод (Wave Form ) генерации звучания, основанный на преобразовании звуков в сложные математические формулы и дальнейшем применения этих формул для управления мощным процессором с целью воспроизведения звука; от WF-синтеза ожидают еще лучшей (относительно FM и WT-технологий) реальности звучания музыкальных инструментов при ограниченных объемах звуковых файлов.

Типовая схема подключения внешних устройств к IBM PC-ориентированной звуковой плате (карте ) приведена на рис.4.8.

Для сокращения потока данных используются иные (отличные от PCM) методы кодирования аналогового сигнала. Например, известна существенно сокращающая объем хранимых данных техника кодирования, основанная на известных характеристиках аналогового сигнала; при т.н. -кодировании аналоговый сигнал преобразуется в цифровой код, определяемый логарифмом величины сигнала (а не его линейным преобразованием). Недостаток метода - необходимость иметь априорную информацию о характеристиках исходного сигнала.

Известны методы преобразования, не требующие априорной информации об исходном сигнале. При дифференциальной импульсно-кодовой модуляции (DPCM, Differential Pulse Code Modulation ) сохраняется только разность между текущим и предшествующим уровнями сигнала (разница требует для цифрового представления меньшего количества бит, чем полная величина амплитуды). При дельта-модуляции (DM, Delta Modulation ) каждая выборка состоит всего из одного бита, определяющего знак изменения исходного сигнала (увеличение или уменьшение); дельта-модуляция требует повышенной частоты сэмплинга. Технологии дифференциальной импульсно-кодовой модуляции связаны с накапливающейся со временем ошибкой, поэтому применяются специальные меры периодической калибровки АЦП.

Наибольшее распространение при записи звука получила адаптивная импульсно-кодовая модуляция (ADPCM, Adaptive Pulse Code Modulation ), использующая 8- или 4-разрядное кодирование для разности сигналов. Технология впервые была применена фирмой Creative Labs и обеспечивает сжатие данных до 4:1.

Однако часто применяются иные (программные) методы сжатия/распаковки аудиоинформации; среди них в последнее время наиболее популярен формат MP3 , разработанный институтом Fraunhofer IIS (Fraunhofer Institutе Integrierte Schaltungen , www.iis.fhg.de) и фирмой THOMSON (полная спецификация формата MP3 опубликованы на сайте www.mp3tech.org). Полное название стандарта MP3 звучит MPEG-Audio Layer-3 (где MPEG суть Moving Picture Expert Group , не путать с предназначенным для использовании в телевидении высокой четкости стандартом MPEG-3).

MP3-кодирование данных происходит посредством выделения независимых отдельных блоков данных - фреймов. Для этого исходный сигнал при кодировании разбивается на равные по продолжительности участки, именуемые фреймами и кодируемые отдельно (для дополнительного снижения объема данных применяется сжатие с применением алгоритма Хеффмена ); при декодировании сигнал формируется из последовательности декодированных фреймов. Процесс кодирования требует ощутимого времени, декодирование (при воспроизведении) осуществляется `на лету".

MP3-формат обеспечивает наилучшее качество звука при минимальном объеме файла. Это достигается учетом особенностей человеческого слуха, в том числе эффекта маскирования слабого сигнала одного диапазона частот более мощным сигналом соседнего диапазона (когда он имеет место) или мощным сигналом предыдущего фрейма, вызывающего временное понижение чувствительности уха к сигналу текущего фрейма (проще говоря, удаляются второстепенные звуки, которые не слышатся человеческим ухом из-за наличия в данный/предыдущий момент другого - более громкого звука). Также учитывается неспособность большинства людей различать сигналы, по мощности лежащие ниже определенного уровня, разного для разных частотных диапазонов. Этот процесс называется адаптивным кодированием и позволяет экономить на наименее значимых с точки зрения восприятия человеком деталях звучания. Степень сжатия (следовательно и качество), определяются не форматом MP3, а шириной потока данных при кодировании.

Аудиоинфоpмация, сжатая по такой технологии, может передаваться потоком (streaming), а может храниться в файлах формата MP3 или WAV-MP3. Отличие второго от первого состоит в наличии дополнительного заголовка WAV-файла, что позволяет при наличии MP3 - кодека (codec, кодер и декодер в комплексном исполнении) в системе использовать для работы с таким файлом стандартные средства Windows. Параметры компрессии при кодировании файла можно варьировать в широких пределах. Качество, неотличимое большинством рядовых слушателей от качества CD, достигается при скорости передачи (bitrate, битрейт ) 112128 Кбайт в секунду; при этом сжатие составляет примерно 14:1 относительно исходного объема. Специалисты обычно требуют скорости передачи 256320 Кбайт/сек (это соответствует всего лишь двойной скорости CD-проигрывателя, но для большинства отечественных InterNet - линий недоступна).

Принципиальной особенностью MPEG-кодирования (как видео-, так и аудиоинформации) является компрессия с потерями . После упаковки и распаковки звукового файла методом MP3 результат не идентичен оригиналу `бит в бит". Напротив, упаковка целенаправленно исключает из упаковываемого сигнала несущественные компоненты, что и приводит к чрезвычайному возрастанию коэффициента сжатия (сжатие до 96:1 при качестве телефонного канала).

Для MP3 также написано множество удобного программного обеспечения. Налажено производство аппаратных (карманных и автомобильных) MP3 плееров (MP3 поддерживает до 5 каналов).

На рубеже 19981999 г. фирма XingTech (www.xingtech.com) первая использовала технологию переменного битрейта (VBR, Variable Bite Rate ). В случае VBR задается максимальный допустимый уровень потерь, а кодер выбирает минимальный битрейт, достаточный для выполнения поставленной задачи. Стоящие рядом в конечном потоке фреймы могут оказаться в итоге закодированными с разными параметрами.

По расчетам специалистов MP3 останется актуальным в ближайшее десятилетие (даже несмотря на существование форматов AAG и VQF и продвигаемого MS формата WMA ). О существовании иных кодеров (преобразователей информации из одного формата в другой) см. www.sulaco.org/mp3/free.html и www.xiph.org.

Возможным конкурентом MP3 в (не столь близком) будущем может стать формат MPEG-4 (точнее, его аудиокомпонента), основанный на объектном подходе к звуковым сценам (язык BIFS позволяет располагать источники звука в трехмерном пространстве сцены, управлять их характеристиками и применять к ним эффекты независимо друг от друга и т.д., в следующих версиях предполагается добавление возможности задания акустических параметров среды).

Для кодирования аудиообъектов MPEG-4 предлагает наборы инструментов как для `живых" звуков, так и для синтезированных. MPEG-4 устанавливает синтаксис двоичных потоков и процесс декодирования в терминах наборов инструментов, что позволяет применять различные алгоритмы сжатия. Диапазон предлагаемых стандартом скоростей потока для кодирования живых звуков - от 2 до 128 Кбайт/сек и выше. При кодировании с переменным потоком минимальная средняя скорость может оказаться еще меньше (порядка 1,2 Кбайт/сек). Для звука высшего качества применяется алгоритм AAC, который дает качество лучше, чем у CD при потоке в 10 с лишним раз меньше. Другой возможный алгоритм кодирования живого звука - TwinVQ . Для кодирования речи предлагаются алгоритмы HVXC (Harmonic Vector eXcitation Coding ) для скоростей потока 24 Кбайт/сек и CELP (Code Excited Linear Predictive ) для скоростей 424 Кбайт/сек.

MPEG-4 предполагает возможность синтеза речи. На входы синтезатора поступает проговариваемый текст, а также различные параметры `окраски" голоса - ударения, изменения высоты тона, скорости произнесения фонем и т. п. Можно также задать для `говорящего" пол, возраст, акцент и др. В текст можно вставлять управляющую информацию, обнаружив которую синтезатор синхронно с произнесением соответствующей фонемы передаст параметры или команды другим компонентам системы (например, параллельно с голосом может генерироваться поток параметров для анимации лица). Как и всегда, MPEG-4 задает правила работы, интерфейс синтезатора, но не его внутреннее устройство.

Интересная часть `звуковой" составляющей - средства синтеза произвольных звуков и музыки. MPEG-4 предлагает в качестве стандарта подход, разработанный в колыбели многих передовых технологий - MIT Media Lab . и названный SA (Structured Audio , Структурированный Звук). Это не конкретный метод синтеза, а формат описания методов синтеза, в котором можно задать любой из существующих методов (а также, как утверждается, будущих). Для этого предлагаются два языка - SAOL (Structured Audio Orchestra Language ) и SASL (Structured Audio Score Language ). Первый задает оркестр, а второй - то, что этот оркестр должен играть. Оркестр состоит из инструментов, каждый инструмент представлен сетью элементов цифровой обработки сигналов - синтезаторов, цифровых фильтров, которые все вместе и синтезируют нужный звук. С помощью SAOL можно запрограммировать практически любой нужный инструмент, природный или искусственный звук. Сначала в декодер загружается набор инструментов, а затем поток данных SASL заставляет этот оркестр играть, управляя процессом синтеза; таким образом обеспечивается одинаковое звучание на всех декодерах при очень низком входном потоке и высокой точности управления. С появлением MPEG-4 фактически обретает более реальные и понятные очертания идея ITV (Interactive TeleVision, Интерактивное Телевидение ), о котором спорят уже несколько лет и под которым каждый понимает нечто свое (от простого `видео-по-запросу" до детективов с многовариантным развитием сюжета и участием зрителя).

Данные о MPEG-4 приведены в основном для информации о современных тенденциях записи и синтеза медиаданных, интересующихся отсылаем к cselt.it/mpeg и www.mpeg.org. В конце 2000 г. группа разработчиков MPEG планировала объявить об окончании работы над стандартом MPEG-7 (официальное название - Multimedia Content Description Interface ).

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.

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) .

Общие сведения

При первичном кодировании в студийном тракте используется

обычно равномерное квантование отсчетов звукового сигнала (ЗС) с

разрешением ∆А= 16–24 бит/отсчет при частоте дискретизации f = 44,1–96

кГц. В каналах студийного качества обычно ∆А =16 бит/отсчет, f = 48 кГц,

полоса частот кодируемого звукового сигнала ∆F = 20–20000 Гц.

Динамический диапазон такого цифрового канала составляет около 54 дБ.

Если f = 48 кГц и ∆А = 16 бит/отсчет, то скорость цифрового потока при

передаче одного такого сигнала равна V = 48x16 = 768 кбит/с. Это требует

суммарной пропускной способности канала связи при передаче звукового

сигнала форматов 5.1 (Dolby Digital) или 3/2 плюс канал сверхнизких

частот (Dolby Surround, Dolby-Pro-Logic, Dolby THX) более 3,840 Мбит/с.

Но человек способен своими органами чувств сознательно обрабатывать

лишь около 100 бит/с информации. Поэтому можно говорить о присущей

первичным цифровым звуковым сигналам значительной избыточности.

Статистическая избыточность обусловлена наличием

корреляционной связи между соседними отсчетами временной функции звукового сигнала при его дискретизации. Для ее уменьшения применяют достаточно сложные алгоритмы обработки. При их использовании потери информации нет, однако исходный сигнал оказывается представленным в более компактной форме, что требует меньшего количества бит при его кодировании. Важно, чтобы все эти алгоритмы позволяли бы при обратном преобразовании восстанавливать исходные сигналы без искажений.

Однако даже при использовании достаточно сложных процедур обработки устранение статистической избыточности звуковых сигналов позволяет в конечном итоге уменьшить требуемую пропускную способность канала связи лишь на 15–25% по сравнению с ее исходной величиной, что никак нельзя считать революционным достижением.

После устранения статистической избыточности скорость цифрового потока при передаче высококачественных ЗС и возможности человека по их обработке отличаются, по крайней мере, на несколько порядков. Это свидетельствует также о существенной психоакустической избыточности первичных цифровых ЗС и, следовательно, о возможности ее уменьшения. Наиболее перспективными с этой точки зрения оказались методы, учитывающие такие свойства слуха, как маскировка, предмаскировка и послемаскировка. Если известно, какие доли (части) звукового сигнала ухо воспринимает, а какие нет вследствие маскировки, то можно вычленить и затем передать по каналу связи лишь те части сигнала,

которые ухо способно воспринять, а неслышимые доли (составляющие исходного сигнала) можно отбросить (не передавать по каналу связи).

Кроме того, сигналы можно квантовать с возможно меньшим разрешением по уровню так, чтобы искажения квантования, изменяясь по величине с изменением уровня самого сигнала, еще оставались бы неслышимыми, т.е. маскировались бы исходным сигналом. Однако после устранения психоакустической избыточности точное восстановление формы временной функции ЗС при декодировании оказывается уже невозможным.

К настоящему времени достаточное распространение в радиовещании получили также еще нескольких стандартов MPEG, таких, как MPEG-2 ISO/IEC 13818-3, 13818-7 и MPEG-4 ISO/IEC 14496-3. В отличие от этого в США был разработан стандарт Dolby AC-3 (А/52) в качестве альтернативны стандартам MPEG. Несмотря на значительное разнообразие алгоритмов компрессии цифровых аудиоданных, структура кодера, реализующего такой алгоритм обработки сигналов, может быть представлена в виде обобщенной схемы, показанной на рис. 5.1.

Семейство стандартов MPEG

MPEG расшифровывается как «Moving Picture Coding Experts Group», дословно – группа экспертов по кодированию подвижных изображений. MPEG ведет свою историю с января 1988 года. Начиная с первого собрания в мае 1988 года, группа начала расти, и выросла до очень большого коллектива специалистов. Обычно, в собрании MPEG

принимают участие около 350 специалистов из более чем 200 компаний.

Большая часть участников MPEG – это специалисты, занятые в тех или

иных научных и академических учреждениях.

Стандарт MPEG-1

Стандарт MPEG-1 (ISO/IEC 11172-3) включает в себя три алгоритма различных уровней сложности: Layer (уровень) I, Layer II и Layer III. Общая структура процесса кодирования одинакова для всех уровней. Однако, несмотря на схожесть уровней в общем подходе к кодированию, уровни различаются по целевому использованию и внутренним механизмам. Для каждого уровня определен свой цифровой поток (общая ширина потока) и свой алгоритм декодирования.

MPEG-1 предназначен для кодирования сигналов, оцифрованных с частотой дискретизации 32, 44.1 и 48 КГц. Как было указано выше, MPEG-1 имеет три уровня (Layer I, II и III). Эти уровни имеют различия в обеспечиваемом коэффициенте сжатия и качестве звучания получаемых потоков.

MPEG-1 нормирует для всех трех уровней следующие номиналы скоростей цифрового потока: 32, 48, 56, 64, 96, 112, 192, 256, 384 и 448 кбит/с, число уровней квантования входного сигнала – от 16 до 24. Стандартным входным сигналом для кодера MPEG-1 принят цифровой сигнал AES/EBU (двухканальный цифровой звуковой сигнал с разрядностью квантования 20–24 бита на отсчет). Предусматриваются следующие режимы работы звукового кодера:

− одиночный канал (моно);

− двойной канал (стерео иди два моноканала);

− joint stereo (сигнал с частичным разделением правого и левого каналов).

Важнейшим свойством MPEG-1 является полная обратная совместимость всех трех уровней. Это означает, что каждый декодер может декодировать сигналы не только своего, но и нижележащих уровней. MPEG-1 оказался первым международным стандартом цифрового сжатия звуковых сигналов и это обусловило его широкое применение во многих областях: вещании, звукозаписи, связи и мультимедийных приложениях. Наиболее широко используется Уровень II, он вошел составной частью в европейские стандарты спутникового, кабельного и наземного цифрового ТВ вещания, в стандарты звукового вещания, записи на DVD, Рекомендации МСЭ BS.1115 и J.52. Уровень III (его еще называют МР3) нашел широкое применение в цифровых сетях с интегральным обслуживанием (ISDN) и в сети Интернет. Подавляющее большинство музыкальных файлов в сети записаны именно в этом стандарте.

Стандарт MPEG-2

MPEG-2 это расширение MPEG-1 в сторону многоканального звука. Следствием совместимости MPEG-2 с MPEG-1 в части кодирования звука стало полное использование трехуровневой системы, разработанной в MPEG-1 для обработки звуковых данных кодерами стандарта MPEG-2. Различия между стандартами начинаются при переходе от двухканалъного звука, принятого за основу в MPEG-1, к многоканальному звуку, поддерживаемому в MPEG-2.

MPEG-2 специфицирует различия режима передачи многоканального звука, в том числе пятиканальный формат, семиканальный звук с двумя дополнительными громкоговорителями, применяемыми в кинотеатрах с очень широким экраном, расширения этих форматов с низкочастотным каналом. Соответствующее расположение громкоговорителей показано в таблице 4. 1. В данном случае в числителе дроби указывается число фронтальных каналов, в знаменателе – число каналов, излучаемых сзади.

Одной из разновидностей многоканального звука является многоязычное звуковое сопровождение. Оно может осуществляться либо передачей отдельного цифрового потока для каждого языка, либо

добавлением нескольких (до 7) языковых каналов со скоростью 64 кбит/с к многоканальному потоку 384 кбит/с. Возможна передача

дополнительных звуковых каналов для людей с ухудшением зрения и слуха.

Система улучшенного кодирования звука ААС. Одной из лучших

современных систем сжатия звука признана система ААС (Advanced Audio Coding – усовершенствованная система кодирования звука),

специфицированная в седьмой части стандарта ISO/IEC 13818. В отличие от других методов сжатия звуковых данных, принятых в MPEG-2, она не обладает свойством обратной совместимости – декодеры MPEG-1 не могут декодировать сигнал ААС.

На данный момент существуют пять разновидностей формата ААС:

2. AT&T а2b ААС;

3. LiquifierPROAAC;

4. Astrid/Quartex ААС;

Все эти модификации несовместимы между собой, имеют собственные кодеры/ декодеры и неодинаковы по качеству.

Стандарт MPEG-4

В качестве средств компрессии звука в MPEG-4 (ISO/IEC 14496-3) используется комплекс нескольких стандартов кодирования звука: улучшенный алгоритм MPEG-2 ААС, алгоритм TwinVQ, а также алгоритмы кодирования речи HVXC и CELP. Кроме того, MPEG-4 предусматривает множество механизмов обеспечения масштабируемости и предсказания. Однако в целом, стандарт MPEG-4 ААС, предусматривающий правила и алгоритмы кодирования звука, является, в общем, продолжением MPEG-2 AAC.

MPEG-4 – аудио предлагает широкий перечень приложений, которые

покрывают область от простой речи до высококачественного многоканального звука, и от естественных до синтетических звуков.

Метод кодирования MPEG-4 CELP. Метод кодирования MPEG-4

CELP предназначен для обработки речевых сигналов. На практике

применяются в основном три основных класса кодеров: кодеры формы,

вокодеры и гибридные кодеры.

Кодеры формы характеризуются способностью сохранять основную

форму речевого сигнала. К кодерам формы относятся кодеры с импульсно

кодовой модуляцией (ИКМ), кодеры с дифференциальной ИКМ (ДИКМ),

адаптивной дифференциальной ИКМ (АДИКМ) и др. Системы передачи с

подобным типом кодеров обеспечивают хорошее качество воспроизведения речевых сигналов (стандартная полоса частот которых составляет 300–3400 Гц) и более широкополосных звуковых сигналов. Однако, эти кодеры малоэффективны с точки зрения снижения скоростей передачи цифровых сигналов.

Вокодеры (от английских слов «voice» – голос и «coder» – кодирующее устройство) обеспечивают значительно большее снижение скоростей передачи речевых сигналов. Сжатие на передающей стороне производится в анализаторе, выделяющем из речевого сигнала медленно меняющиеся составляющие, которые передаются по каналу связи в виде кодовых комбинаций. На приемной стороне с помощью местных источников сигналов, управляемых с использованием принятой информации, синтезируется речевой сигнал.

Стандарт MPEG-7

Аудио MPEG-7 FCD имеет пять технологий: структура описания звука, которая включает в себя масштабируемые последовательности, дескрипторы нижнего уровня и униформные сегменты тишины; средства описания тембра музыкального инструмента; средства распознавания звука; средства описания голосового материала и средства описания мелодии.

Описание системы аудио MPEG-7. Аудиоструктура содержит

средства нижнего уровня, которые обеспечивают основы для формирования звуковых приложений высокого уровня. Предоставляя общую платформу структуры описаний, MPEG-7 Audio устанавливает базис для совместимости всех приложений, которые могут быть созданы в рамках данной системы.

Метод сжатия звука Ogg Vorbis

Сразу после своего появления формат MP3 приобрел огромную

популярность у пользователей персонального компьютера, на аудиодиск

размером 650 Мб можно поместить в 10 раз больше звуковой информации, при этом сохранив приемлемое качество. Созданные таким образом файлы можно без проблем пересылать через Интернет, использовать в переносных устройствах, собирать музыкальные коллекции.

OggVorbis принадлежит к тому же типу форматов аудиосжатия, что и МР3, AAC, VQF, РАС, QDesign AIFF и WMA, т.е. к форматам сжатия с потерями. Психоакустическая модель, используемая в OggVorbis по

принципам действия близка к МР3 и иже с ними, но и только – математическая обработка и практическая реализация этой модели в корне

независимым от всех предшественников.

Главное неоспоримое преимущество формата OggVorbis – это его

полная открытость и бесплатность. WMA и Astrid/Quartex тоже бесплатны, но авторы этих форматов не опубликовали исходные коды своих разработок, a Xiphophorus именно это и сделала. OggVorbis создается в рамках проекта GNU и полностью подчиняется GNU GPL (генеральная публичная лицензия). А это означает, что формат совершенно открыт для коммерческого и некоммерческого использования, его коды можно модифицировать безо всяких ограничений, группа разработчиков оставляет за собой лишь право утверждать новые спецификации формата.

OggVorbis использует математическую психоакустическую модель отличную от МР3, и это сказывается на звучании. MP3 и OggVorbis трудно сравнивать, но в целом звучание OggVorbis гораздо лучше.

При кодировании кодеки OggVorbis используют VBR (variable bitrate), подобно некоторым МР3 кодекам, что позволяет существенно уменьшить размер композиции, при незначительной потере качества.

Что же касается скорости кодирования, то тут пока нет никаких выдающихся результатов. Скорость кодека OggVorbis не быстрее кодека МР3. Разработчики признают, что код кодека совершенно не оптимизирован, так как эта программа была выпущена как можно быстрее для демонстрации спецификации, чтобы не быть голословными. Т.е., в будущем можно ожидать существенного улучшения скоростных характеристик, особенно, когда подключатся сторонние производители.

OggVorbis, как и МР3, изначально разрабатывался как сетевой

потоковый формат. Это свойство является очень важным, особенно учитывая мультиплатформенную направленность формата OggVorbis. Интернет-радиостанция использующая низкоскоростные версии OggVorbis сможет вещать сразу на всех платформах, тогда как такая же радиостанция, использующая для передачи WMA (в виде ASF) будет ограничена только пользователями Windows.