Принцип сжатия звука. Форматы сжатия звуковой информации на примере mp3 и FLAC

19.07.2019

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.

На данный момент наиболее часто встречаются MP3 файлы с битрейтом 192 кбит/c, что может косвенно говорить о том, что большинство считает этот битрейт достаточным. Реально воспринимаемое «качество» зависит от исходного аудиофайла, слушателя и его аудиосистемы. Некоторые меломаны предпочитают сжимать музыку с «максимальным качеством» - 320 кбит/c, либо даже переходить на другие форматы, например FLAC, где битрейт в среднем ~1000 кбит/c. Также среди меломанов бытует мнение, что некоторые сэмплы (фрагменты аудиозаписи) не поддаются качественному сжатию с потерями: на всех возможных битрейтах не составляет особого труда отличить сжатое аудио от оригинала.

Режимы кодирования и опции

Существует три версии MP3 формата для различных нужд: MPEG-1, MPEG-2 и MPEG-2.5. Отличаются они возможными диапазонами битрейта и частоты дискретизации:

* 32-320 кбит/c при частотах дискретизации 32000 Гц, 44100 Гц и 48000 Гц для MPEG-1 Layer 3;

* 16-160 кбит/c при частотах дискретизации 16000 Гц, 22050 Гц и 24000 Гц для MPEG-2 Layer 3;

* 8-160 кбит/c при частотах дискретизации 8000 Гц и 11025 Гц для MPEG-2.5 Layer 3.

Режимы управления кодированием звуковых каналов

Так как формат MP3 поддерживает двухканальное кодирование (стерео), существует 4 режима:

* Стерео - двухканальное кодирование, при котором каналы исходного стереосигнала кодируются независимо друг от друга, но распределение бит между каналами в общем битрейте может варьироваться в зависимости от сложности сигнала в каждом канале.

* Моно - одноканальное кодирование. Если закодировать двухканальный материал этим способом, различия между каналами будут полностью стёрты, так как два канала смешиваются в один, он кодируется и он же воспроизводится в обоих каналах стереосистемы. Единственным плюсом данного режима может являться только выходное качество по сравнению с режимом Стерео при одинаковом битрейте, так как на один канал приходится вдвое большее количество бит, чем в режиме Стерео.

* Двухканальный - два независимых канала, например звуковое сопровождение на разных языках. Битрейт делится на два канала. Например, если заданный битрейт 192 кбит/c, то для каждого канала он будет равен только 96 кбит/c.

* Объединённое стерео (Joint Stereo) - оптимальный способ двухканального кодирования. Например, в одном из режимов Объединённое стерео левый и правый каналы преобразуются в их сумму (L+R) и разность (L-R). Для большинства звуковых файлов насыщеность канала с разностью (L-R) получается намного меньше канала с суммой (L+R). Также тут свою роль играет восприятие звука человеком, для которого различия в направлении звука намного менее примечательны. Поэтому Объединённое стерео позволяет либо сэкономить на битрейте канала (L-R) или улучшить качество на том же битрейте, поскольку на канал суммы (L+R) отводится бо?льшая часть битрейта. Бытует мнение, что данный режим не подходит для звукового стереоматериала, в котором в двух каналах воспроизводится субъективно абсолютно различный материал, так как он стирает различия между каналами. Но современные кодеки используют различные схемы в разных фреймах (включая чистое стерео) в зависимости от исходного сигнала.

CBR расшифровывается как Constant Bit Rate, то есть Постоянный битрейт, который задается пользователем и не изменяется при кодировании произведения. Таким образом каждой секунде произведения соответствует одинаковое количество закодированных бит данных (даже при кодировании тишины). CBR может быть полезен для потоков мультимедиа данных по ограниченному каналу; в таком случае кодирование использует все возможности канала данных. Для хранения данный режим кодирования не является оптимальным, так как он не может выделить достаточно места для сложных отрезков исходного произведения, при этом бесполезно тратя место на простых отрезках. Повышенные битрейты (выше 256 кбит/c) могут решить данную проблему, выделив больше места для данных, но зато и пропорционально увеличивая размер файла.

VBR расшифровывается как Variable Bit Rate, то есть Варьирующийся 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). Этот метод MP3-кодирования является самым прогрессивным и до сих пор развивается и улучшается, так как аудиоматериал разной насыщенности может быть закодирован с определенным качеством, которое обычно выше, чем при установке среднего значения в методе CBR. Плюс к тому, размер файла уменьшается за счет фрагментов, не требующих высокого битрейта. Минусом данного метода кодирования является сложность предсказания размера выходного файла. Но этот недостаток VBR-кодирования незначителен в сравнение с его достоинствами. Также минусом 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. Формат VBR постоянно улучшается, благодаря постоянному совершенствованию математической модели кодеков, в частности после выхода обновленной версии свободного mp3-кодека lame (версия 3.98), кодирование с переменным битрейтом, по заявлению самих разработчиков, качественно лучше CBR и тем более ABR.

ABR расшифровывается как Average Bit Rate, то есть Усредненый Битрейт, который является гибридом VBR и CBR: битрейт в кбит/c задается пользователем, а программа варьирует его, постоянно подгоняя под заданный битрейт. Таким образом, кодер 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 намного хуже, чем при использовании VBR. С другой стороны, этот метод позволяет наиболее гибко задавать битрейт (может быть любым числом между 8 и 320, против исключительно кратных 16 чисел метода CBR) и вычислять размер выходного файла.

Метки в границах mp3-файла (в начале и\или в конце). В них могут быть записана информация об авторстве, альбоме, годе выпуска и прочая информация о треке. В более поздних версиях тегов возможно хранение обложек альбомов и тексты песни. Существуют различные версии тегов.

Недостатки

Технические недостатки. MP3 является лидером по распространённости, но при этом не является лучшим по техническим параметрам. Существуют форматы, позволяющие добиться большего качества при одинаковом размере файла, такие как Vorbis, AAC. Также в формате MP3 отсутствует режим кодирования без потерь, желательный для профессионального использования. При этом MP3 вполне подходит (с профессиональной точки зрения) для распространения демонстрационных композиций или иных способов «раздачи» своей музыки из-за повсеместной распространённости проигрывателей.

Юридические ограничения. Для свободного использования формата существуют патентные ограничения. Компания Alcatel-Lucent обладает правами на MP3 и получает отчисления от тех, кто использует этот формат - производителей плееров и мобильных телефонов. Из-за этого лицензионная чистота формата под вопросом. В частности, Alcatel-Lucent предъявила претензии компании Microsoft за то, что в Windows была встроена поддержка MP3. Однако срок действия патентов на технологию заканчивается в 2010 году, после чего любая компания сможет использовать её свободно.

Форматы - Форматы сжатия звука

FLAC (англ. Free Lossless Audio Codec - свободный аудио-кодек без потерь) - популярный свободный кодек для сжатия аудио. В отличие от кодеков с потерями Ogg Vorbis, MP3, FLAC не удаляет никакой информации из аудиопотока и подходит как для прослушивания музыки на высококачественной звуковоспроизводящей аппаратуре, так и для архивирования аудиоколлекции. На сегодня формат FLAC поддерживается многими аудиоприложениями.

Аудиопоток

Основными частями потока являются:

* Строка из четырёх байтов «fLaC»

* Блок метаданных STREAMINFO

* Другие необязательные блоки метаданных

* Аудио фреймы

Первые четыре байта идентифицируют поток FLAC. Следующие за ними метаданные содержат информацию о потоке, затем идут сжатые аудиоданные.

Метаданные

FLAC определяет несколько типов блоков метаданных (все они перечислены на странице формата). Блоки метаданных могут быть любого размера, новые блоки могут быть легко добавлены. Декодер имеет возможность пропускать неизвеcтные ему блоки метаданных. Обязателен только блок STREAMINFO. В нём содержится частота дискретизации, количество каналов и т. п., а также данные, позволяющие декодеру настроить буферы. Сюда также записывается подпись MD5 несжатых аудиоданных. Это полезно для проверки всего потока после его передачи.

Другие блоки предназначены для резервирования места, хранения таблиц точек поиска, тегов, список разметки аудиодисков, а также данных для конкретных приложений. Опции для добавления блоков PADDING или точек поиска приведены ниже. FLAC не нуждается в точках поиска, однако они позволяют значительно увеличить скорость доступа, а также могут быть использованы для расстановки меток в аудио редакторах.

Аудиоданные

За метаданными следуют сжатые аудиоданные. Метаданные и аудиоданные не чередуются. Как и большинство кодеков, FLAC делит входной поток на блоки и кодирует их независимо друг от друга. Блок упаковывается во фрейм и добавляется к потоку. Базовый кодер использует блоки постоянного размера для всего потока, однако формат предусматривает наличие блоков разной длины в потоке.

Разбиение на блоки

Размер блока - очень важный параметр для кодирования. Если он очень мал, то в потоке будет слишком много заголовков фреймов, что уменьшит уровень сжатия. Если размер большой, то кодер не сможет подобрать эффективную модель сжатия. Понимание процесса моделирования поможет Вам увеличить уровень сжатия для некоторых типов входных данных. Обычно при использовании линейного прогнозирования на аудиоданных с частотой дискретизации 44.1 кГц оптимальный размер блока лежит в диапазоне 2-6 тысяч сэмплов.

Межканальная декорреляция

Если на вход поступают стерео аудиоданные, они могут пройти через стадию межканальной декорреляции. Правый и левый канал преобразуются к среднему и разностному по формулам: средний = (левый + правый)/2, разностный = левый - правый. В отличие от joint stereo этот процесс не приводит к потерям. Для данных с аудио компакт-дисков это обычно приводит к значительному увеличению уровня сжатия.

Моделирование

На следующем этапе кодер пытается аппроксимировать сигнал такой функцией, чтобы полученный после её вычитания из оригинала результат (называемый разностью, остатком, ошибкой) можно было закодировать минимальным количеством битов. Параметры функций тоже должны записываться, поэтому они не должны занимать много места. FLAC использует два метода формирования аппроксимаций:

* подгонка простого полинома к сигналу

* общее кодирование с линейными предикторами (LPC).

Во-первых, постоянное полиномиальное предсказание (-l 0) работает значительно быстрее, но менее точно, чем LPC. Чем выше порядок LPC, тем медленнее, но лучше будет модель. Однако с увеличением порядка выигрыш будет все менее значительным. В некоторой точке (обычно около 9) процедура кодера, определяющая наилучший порядок, начинает ошибаться и размер получаемых фреймов возрастает. Чтобы преодолеть это, можно использовать полный перебор, что приведёт к значительному увеличению времени кодирования.

Во-вторых, параметры для постоянных предикторов могут быть описаны тремя битами, а параметры для модели LPC зависят от количества бит на сэмпл и порядка LPC. Это значит, что размер заголовка фрейма зависит от выбранного метода и порядка и может повлиять на оптимальный размер блока.

Остаточное кодирование

Когда модель подобрана, кодер вычитает приближение из оригинала, чтобы получить остаточный (ошибочный) сигнал, который затем кодируется без потерь. Для этого используется то обстоятельство, что разностный сигнал обычно имеет распределение Лапласа и есть набор специальных кодов Хаффмана, называемый кодами Райса, позволяющий эффективно и быстро кодировать эти сигналы без использования словаря.

Кодирование Райса состоит из нахождения одного параметра, отвечающего распределению сигнала, а затем использования его для составления кодов. При изменении распределения меняется и оптимальный параметр, поэтому имеется метод позволяющий пересчитывать его по необходимости. Остаток может быть разбит на контексты или разделы, у каждого из которых будет свой параметр Райса. FLAC позволяет указать, как нужно производить разбиение. Остаток может быть разбит на 2n раздела.

Составление фреймов

Аудиофрейму предшествует заголовок, который начинается с кода синхронизации и содержит минимум информации, необходимой декодеру для воспроизведения потока. Сюда также записывается номер блока или сэмпла и восьмибитная контрольная сумма самого заголовка. Код синхронизации, CRC заголовка фрейма и номер блока/сэмпла позволяют осуществлять пересинхронизацию и поиск даже в отсутствие точек поиска. В конце фрейма записывается его шестнадцатибитная контрольная сумма. Если базовый декодер обнаружит ошибку, будет сгенерирован блок тишины.

Чтобы поддерживать основные типы метаданных, базовый декодер умеет пропускать теги ID3v1 и ID3v2, поэтому их можно свободно добавлять. Теги ID3v2 должны располагаться перед маркером «fLaC», а теги ID3v1 - в конце файла.

Существуют модификации FLAC кодера: Improved FLAC encoder и Flake.

29 января 2003 г. Xiphophorus (сейчас называется Xiph.Org Foundation) анонсировали включение формата FLAC в линейку своих продуктов, таких, как Ogg Vorbis

Некоторые методы сжатия звуковых данных (доп. к Лекции 2)

Кодирование данных без потерь (lossless coding) - это способ кодирования аудио, который позволяет осуществлять стопроцентное восстановление данных из сжатого потока. К такому способу уплотнения данных прибегают в тех случаях, когда сохранение оригинального качества данных критично. Например, после сведения звука в студии звукозаписи, данные необходимо сохранить в архиве в оригинальном качестве для возможного последующего использования. Существующие сегодня алгоритмы кодирования без потерь (например, Monkeys Audio) позволяют сократить занимаемый данными объем на 20-50%, но при этом обеспечить стопроцентное восстановление оригинальных данных из полученных после сжатия. Подобные кодеры – это своего рода архиваторы данных (как ZIP, RAR и другие), только предназначенные для сжатия именно аудио.

Кодирование данных с потерями (lossy coding). Цель такого кодирования - любыми способами добиться схожести звучания восстановленного сигнала с оригиналом при как можно меньшем объеме упакованных данных. Это достигается путем использования различных алгоритмов «упрощающих» оригинальный сигнал (выкидывая из него «ненужные» слабослышимые детали), что приводит к тому, что декодированный сигнал фактически перестает быть идентичным оригиналу, а лишь похоже звучит.

Методов сжатия, а также программ, реализующих эти методы, существует много. Наиболее известными являются MPEG-1 Layer I,II,III (последним является всем известный MP3), MPEG-2 AAC (advanced audio coding), Ogg Vorbis, Windows Media Audio (WMA), TwinVQ (VQF), MPEGPlus, TAC, и прочие.

В среднем, коэффициент сжатия, обеспечиваемый такими кодерами, находится в пределах 10-14 (раз).

Некоторые форматы звуковых файлов :

Формат AU . Этот простой и распространенный формат на системах Sun и NeXT (в последнем случае, правда, файл будет иметь расширение SND). Файл состоит из короткого служебного заголовка (минимум 28 байт), за которым непосредственно следуют звуковые данные. Широко используется в Unix-подобных системах и служит базовым для Java-машины.

Формат WAVE (WAV). Стандартный формат файлов для хранения звука в системе Windows. Является специальным типом другого, более общего формата RIFF (Resource Interchange File Format); другой разновидностью RIFF служат видеофайлы AVI. Файл RIFF составлен из блоков, некоторые из которых могут, в свою очередь, содержать другие вложенные блоки; перед каждым блоком данных помещается четырехсимвольный идентификатор и длина. Звуковые файлы WAV, как правило, более просты и имеют только один блок формата и один блок данных. В первом содержится общая информация об оцифрованном звуке (число каналов, частота дискретизации, характер зависимости громкости и т.д.), а во втором - сами числовые данные. Каждый отсчет занимает целое количество байт (например, 2 байта в случае 12-битовых чисел, старшие разряды содержат нули). При стереозаписи числа группируются парами для левого и правого канала соответственно, причем каждая пара образует законченный блок - для нашего примера его длина составит 4 байта. Такая, казалось бы, излишняя структурированность позволяет программному обеспечению оптимизировать процесс передачи данных при воспроизведении, но, как в подобных случаях всегда бывает, выигрыш во времени приводит к существенному увеличению размера файла.

Формат MP3 (MPEG Layer3) . Это один из форматов хранения аудиосигнала, позднее утвержденный как часть стандартов сжатого видео. Природа получения данного формата во многом аналогична уже рассмотренному нами ранее сжатию графических данных по технологии JPEG. Поскольку произвольные звуковые данные обратимыми методами сжимаются недостаточно хорошо, приходится переходить к методам необратимым: иными словами, базируясь на знаниях о свойствах человеческого слуха, звуковая информация “подправляется” так, чтобы возникшие искажения на слух были незаметны, но полученные данные лучше сжимались традиционными способами. Это называется адаптивным кодированием и позволяет экономить на наименее значимых с точки зрения восприятия человека деталях звучания. Приемы, применяемые в MP3, непросты для понимания и опираются на достаточно сложную математику, но зато обеспечивают очень значительный эффект сжатия звуковой информации. Успехи технологии MP3 привели к тому, что ее применяют сейчас и во многих бытовых звуковых устройствах, например, плеерах и сотовых телефонах.

Формат MIDI. Название MIDI есть сокращение от Musical Instrument Digital Interface, т.е. цифровой интерфейс для музыкальных инструментов. Это довольно старый (1983 г.) стандарт, объединяющий разнообразное музыкальное оборудование (синтезаторы, ударные, освещение). MIDI базируется на пакетах данных, каждый из которых соответствует некоторому событию, в частности, нажатию клавиши или установке режима звучания. Любое событие может одновременно управлять несколькими каналами, каждый из которых относится к определенному оборудованию. Несмотря на свое изначальное предназначение, формат файла стал стандартным для музыкальных данных, которые при желании можно проигрывать с помощью звуковой карты компьютера безо всякого внешнего MIDI-оборудования. Главным преимуществом файлов MIDI является их очень небольшой размер, поскольку это не детальная запись звука, а фактически некоторый расширенный электронный эквивалент традиционной нотной записи. Но это же свойство одновременно является и недостатком: поскольку звук не детализирован, то разное оборудование будет воспроизводить его по-разному, что в принципе может даже заметно исказить авторский музыкальный замысел.

Формат MOD. Представляет собой дальнейшее развитие идеологии MIDI-файлов. Известные как “модули программ воспроизведения”, они хранят в себе не только “электронные ноты”, но и образцы оцифрованного звука, которые используются как шаблоны индивидуальных нот. Таким способом достигается однозначность воспроизведения звука. К недостаткам формата следует отнести большие затраты времени при наложении друг на друга шаблонов одновременно звучащих нот.

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.

От редактора

Мы публикуем второе издание этой статьи, дополненное и переработанное. Многим нашим читателям изложенный здесь материал покажется слишком очевидным, другим — весьма спорным. Однако, для людей, только что открывших для себя существование магического мира MP3 , данная статья должна принести неоценимую пользу и ответить на большинство возникших вопросов.

От автора

Как следует из названия, статья посвящена описанию некоторых тонкостей, которые возникают при использовании стандарта сжатия аудиоданных MPEG I/II Layer 3 (mp3). Данная работа не претендует на статус законченного исследования, включающего в себя тестирование кодеров или проигрывателей mp3. Это лишь попытка автора структурировать свои знания, а также отразить свой опыт знакомства с вышеупомянутым стандартом.

Способ подачи материала предполагает наличие у читателя базовых знаний по mp3, которые, впрочем, вы можете почерпнуть в любой момент из источников, указанных в разделе "Список ссылок".

Стратегические вопросы

Имеет ли смысл использовать сжатие с потерями вообще ?

Давайте попытаемся обозначить границы применения mp3. Везде, где качество звука не должно в точности соответствовать оригиналу и где в будущем наверняка не потребуется серьезная обработка хранимых данных, использование mp3 (или другого формата сжатия с потерями) вполне допустимо. Не всякому захочется каждый час вставлять в CD привод новый музыкальный диск, если объем винчестера составляет десятки гигабайт. Куда как проще записать музыку в mp3 на винчестер или CD-ROM и слушать оттуда. Или воспользоваться портативным mp3 плеером, mp3-CD плеером, автомагнитолой с поддержкой mp3. А можно просто скачать mp3 из интернета на выбор.

В этом и следующем подразделах будут описаны случаи, когда применение сжатия с потерями недопустимо, а также предпринята попытка разобраться — почему?

Не имеет смысла делать архивы звуковых данных для их дальнейшей обработки (библиотеки сэмплов, фонотеки и т.п.) в mp3. Это касается и MiniDisk (там тоже используется сжатие с потерями), и других форматов: многие виды цифровой обработки влекут за собой слышимые искажения. Данное правило не зависит от используемого битрейта. Говоря о дальнейшей обработке звука я имею в виду нечто более серьезное, чем просто микширование или fade in/out, например flange, distortion, dynamic compression, reverberation, фильтрация шумов и даже использование эквалайзера… Скажем, в mp3 нельзя хранить сэмплы (для их хранения используют специальные форматы сжатия без потерь , например sfArk). Так как в случае кодирования с потерями нельзя восстановить утраченные на этапе кодирования данные, то в mp3 желательно сохранять только окончательные варианты звукозаписей.

Еще один аргумент: вы знаете как аудиодиск, перегнанный в mp3, записать обратно на аудиокомпакт-диск так, чтобы между треками не было ни пауз лишних, ни щелчков? Не знаете? Почитайте, скажем, www.r3mix.net . Морока та еще… Если вы хотите сказать: "А я вот делал — все ОК!" — конкретизируем задачу: музыка должна переходить без пауз из трека в трек, причем паузой считается не только промежуток в 1-2 секунды, но и маленькие отрезки тишины в единицы-десятки миллисекунд. Теоретически и в этом случае можно все сделать идеально слитно, но может так оказаться, что "овчинка не будет стоить выделки".

Какие существуют способы хранения звука без потерь?

Я храню фонотеку в wav-файлах (в PCM формате). Можно также использовать CD-DA; для него характерны большая совместимость, но меньшая точность считывания при проигрывании. Есть и другие варианты — обычное архивирование (ZIP , RAR) или специальные программы типа WavPack , Monkey"s Audio , RK Audio , LPAC Archiver , Shorten . Однако работа с файлами, сжатыми подобным образом, чревата неприятными сюрпризами: wav (PCM) играют подавляющее большинство проигрывателей, а вот экзотику типа RKA… Известно о существовании плагина для RKA под WinAmp, но на WinAmp свет клином не сошелся: есть же люди, которые им не пользуются. Таким образом, один только WinAmp — это еще не совместимость (в широком смысле). А другие программы-проигрыватели? А аппаратные плееры? А mp3-CD плееры? Не знаю, как для вас, а для меня совместимость в указанном выше смысле очень важна. А использование только одной пары кодер/проигрыватель существенно ограничивает свободу. Например, для того чтобы дать послушать какой-то файл своим друзьям, нужно еще убеждать их в необходимости использовать новый проигрыватель.

Из каких соображений нужно исходить при выборе параметров сжатия?

По моему мнению, можно выделить два основных режима сжатия: "сохранение приемлемого уровня качества при достижении максимального сжатия" (например, для публикации в Сети) и "полное субъективное сохранение качества исходного материала при не самом большом сжатии" (для хранения и регулярного прослушивания). Стоит заметить, что пороговые битрейты для того и другого режимов индивидуальны. Для меня они составляют 128 и 256 кб/с соответственно. Безусловно, существует множество промежуточных вариантов: есть портативный плеер mp3 с плохонькими наушниками, которому достаточно 160 кб/с; в машине установлена магнитола с поддержкой mp3 и акустикой получше — тут потребуется, скажем, 192 кб/с. Таким образом, выбирая параметры сжатия, нужно прежде всего определить те задачи, для которых создаются mp3 файлы, и уже исходя из этого решить, какое соотношение между качеством звука и размером файла вас устроит. Следует также учитывать, что понятие качества звука у разных людей может сильно отличаться.

С точки зрения здравого смысла, не стоит беспокоить себя вопросами: "Какого же битрейта достаточно, чтобы никто не услышал разницу с CD-DA?" Ведь всё дело в том, что психоакустическая модель алгоритмов mp3 разрабатывалась под среднестатистического человека с его среднестатистическими ушами. Поэтому оценочные суждения по затронутому вопросу могут быть диаметрально противоположными. Для кого-то качество mp3@128 kbps, сделанного Xing"ом, ничуть не хуже Audio CD даже на отличной аппаратуре. Другой запросто отличает mp3@320 kbps от музыкального CD в любых слепых тестах. Отсюда просто нужно сделать правильные выводы. В первом случае человеку не нужно тратить много денег на качественную аудиотехнику, а во втором — можно только порадоваться за ее (его) тонкий слух. Таким образом, исходя из собственных потребностей Вам придется один раз поэкспериментировать, чтобы выяснить, каких параметров в дальнейшем стоит придерживаться.

Хранение wav-файлов позволит в случае изобретения некоего принципиально нового, усовершенствованного алгоритма (условно назовем его mp2000) перегнать в более качественный формат точные копии оригиналов, в то время как самих оригиналов может уже и не быть под рукой… Если помните, аналогичная ситуация возникла с началом победного шествия формата видеосжатия MPEG4.

Какой формат сжатия с потерями лучше использовать: mp3, LQT, WMA, MP+, ogg vorbis …

Следует отметить, что пока ни одна из перечисленных в заголовке альтернатив формату mp3 одновременно и по качеству, и совместимости к нему не приблизилась. Существуют форматы, которые уже сегодня обеспечивают качество сравнимое или даже лучшее, чем у mp3. Например LQT AAC, который часто называют mp4. Однако битрейт у него ограничен до 192 кб/с (за что его не любят ценители mp3 @ 256/320 kbps), и запросы к аппаратуре куда как серьезнее (последнее, правда, в век бурного развития вычислительной техники является проблемой временной). Тем не менее, думаю, вы согласитесь, что по совместимости с mp3 пока никому не сравниться.

Еще один реальный конкурент — ogg vorbis. Формат сейчас находится в стадии бета-тестирования, но, говорят, у него очень неплохие показатели и, следовательно, большой потенциал. В Сети уже обсуждают "плюсы" и "минусы" использования ogg и mp3, и сравнение часто оказывается не в пользу последнего.

По всей видимости, вытеснять mp3 будут долго: вспомните CD-DA, которому пророчили скорую смерть по появлении mp3, MiniDisk и пр. Многие замечания о mp3 справедливы и для других форматов сжатия с потерями.

Воспроизведение mp3

Этот раздел будет интересен даже тем, кто вовсе не собирается заниматься сжатием звуковых данных. Речь пойдёт о некоторых неочевидных моментах проигрывания уже готовых файлов.

Какой проигрыватель mp3 лучше?

Среди программных проигрывателей лучшими традиционно считаются сделанные на коде Fraunhofer: некоторые версии WinAmp "а, WinPlay , AudioActive , Microsoft Media Player … Код от Фраунгофера используется в WinAmp версий 1.5, 1.6, 2.13, 2.20, 2.21, 2.22, 2.666, 2.7 и более поздних; остальные версии оснащены собственным декодером от NullSoft, а копирайт Фраунгофера лишь соблюдение лицензионных требований. Также заслуживает упоминания X-Audio и все, что сделано на этом коде ( , CoolPlay , MusicMatch Jukebox). Еще есть множество проигрывателей, использующих код ISO, самые удачные — MPG123 , UltraPlayer и мой любимый Apollo (качество воспроизведения, конечно, не идеальное, но в целом он очень удобен). Существует даже плагин под WinAmp для декодирования mp3, построенный на основе MPG123. Широко известен проигрыватель NAD , базирующийся на коде ISO. Звук его считается одним из лучших, но беда в том, что он не понимает VBR. Все, что сделано на коде Xing (Xing player , FreeAmp), считается самым худшим вариантом: эти проигрыватели задирают высокие частоты, что сделано, по-видимому, для компенсации завала высоких частот кодерами Xing.

Что касается аппаратных проигрывателей mp3, то о их внутреннем устройстве по части применённых алгоритмов известно совсем мало. Но безусловно то, что алгоритмы в них используются те же, что и в программных проигрывателях. Некоторые содержат аппаратную реализацию алгоритма Fraunhofer в отдельном чипе. Другие проигрыватели имеют даже flash-микросхемы для обновления алгоритмов декодирования mp3. В любом случае нужно смотреть, на основе какого кода сделан проигрыватель. Считается, что Fraunhofer — это всегда хорошо, ISO и X-Audio — зависит от реализации, Xing — однозначно плохо.

Имеет ли смысл выбирать проигрыватель mp3 файлов в зависимости от используемого кодера?

Да. Как было написано выше, проигрыватели на базе Xing задирают высокие частоты, так как при сжатии кодеры на базе Xing эти частоты безбожно режут. В паре они компенсируют друг друга: mp3, сделанные Xing"ом, гораздо лучше звучат в исполнении Xing MPEG Player"а, чем Fraunhofer"a. Авторы LAME (см. следующий раздел) также советуют использовать именно LAME для декодирования сделанных ими mp3.

Безусловно, держать дома набор проигрывателей или даже декодеров (программ, которые могут только преобразовать mp3 в PCM wav файл) неудобно. Поэтому к таким крайним мерам я рекомендую прибегать только в особо ответственных случаях преобразования звука из mp3: запись на аудиокомпакт-диски, микширование, переупаковка другим кодером и т.п.

Как определить, каким кодером был создан mp3 файл?

Поскольку формат mp3 не предусматривает никаких подписей кодера в созданном файле, однозначно определить использовавшийся кодер очень сложно. Есть несколько примет, позволяющих с большей или меньшей степенью вероятности строить догадки: например, кодеры на основе Fraunhofer"а и ISO заполняют тишину разными значениями (акустически тишина не нарушается). Кодеры Xing первыми использовали технологию VBR. В такие файлы они вставляли свою подпись. Позже такую же подпись стал делать LAME (см. следующий раздел), чем, понятное дело, усложнил задачу определения использовавшегося кодера. Сегодня LAME ставит уже свою подпись.

Существуют программы, которые на основе известных признаков пытаются установить, каким кодером пользовались при создании mp3. Одна из таких программ — RenaTager . При ее использовании могут возникнуть проблемы: программа уже не модифицируется, в связи с чем неверно определяет новые версии кодеров. Возможно, такая функция скоро будет включена в альтернативный плагин под WinAmp для воспроизведения mp3 MAD . Я слышал еще о программе mp3GuessEnc , которая имеет интерфейс командной строки, и EncSpot , аналогичной программе с удобным оконным интерфейсом. Но со 100% вероятностью каким кодером был получен файл невозможно. Часто эти программы показывают, что один-два трека с компакт-диска сделаны другим кодером, хотя ведь диск был сжат одним кодером с одинаковыми параметрами.

К слову, стандарт id3v2 предусматривает поле, в котором указано название кодера.

Ламерам посвящается…

Чтобы читатель лучше понял, о чем пойдет речь, позволю себе привести выдержку из англо-русского словаря:

lame — — прил . 1) хромой, изувеченный; 2) неудачный, неправильный; 3) разг. простоватый, отсталый

Что такое лейм?

LAME (читается как "лейм") — это проект по созданию программного кодера mp3, основанный на принципах открытых исходных кодов. Название проекта расшифровывается как "Lame Ain"t a Mpeg Encoder", что означает "лейм — это не MPEG кодер".

Весь его код пишет группа програмистов-энтузиастов. За основу был взят свободно распространяемый в качестве приложения к стандарту MPEG демонстрационный код от ISO. Кодер динамично совершенствуется: новые версии выходят практически каждый день.

На мой взгляд, лейм заслуживает большего признания. Это отличный кодер, который имеет огромное количество настроек, позволяющих кодировать на любой вкус. Лейм поддерживает VBR, кодирование на битрейтах до 320 кб/с включительно, выбор режима кодирования стереосигнала, выбор частот среза фильтров ВЧ и НЧ и многое другое. Качество кодирования на высоких битрейтах всеми признано лучшим.

Чтобы обойти лицензионные ограничения автора стандарта MPEG Layer 3 и владельца патентов Fraunhofer IIS , лейм официально распространяют только в виде патча (исправление или замена нескольких файлов) для оригинального кода mp3 кодера от ISO. В соответствии с этими ограничениями автор или распространитель программ для работы с mp3 должен платить лицензионные отчисления вне зависимости от того, продается ли эта программа или распространяется свободно. Заявляя о нарушении своих прав, Fraunhofer добилась закрытия ряда интересных проектов в области mp3, например проигрывателя NAD , кодера mpegEnc .

Практически весь исходный код ISO подвергся доработке, поэтому для компиляции и сборки работающей версии лейма достаточно его исходных текстов. Учтите, на официальной странице нет готовых программ (чтобы Fraunhofer не могла придраться). О том, где их найти, вы узнаете в одном из следующих подразделов.

Лейм не имеет графической оболочки и управляется из командной строки. Где найти графические оболочки, созданные специально для этой программы, будет сказано ниже. Некоторые программы (например, для копирования музыки с аудиокомпакт-дисков) имеют возможность подключения внешнего mp3 кодера, в частности LAME. Список таких программ приведен на .

Какие версии лейма существуют? Какая версия новее, какая надежнее?

Самая последняя версия имеет типовое название alfa. Никто, включая авторов кодера, не может гарантировать отсутствие в ней ошибок. Поскольку обновление происходит очень часто, для однозначной идентификации версии кодера нужно указывать номер альфа-версии и дату внесения последних изменений в исходный код. Альфа-версии рекомендуется использовать только для тестирования новых возможностей лейма.

После того, как текущая версия пройдет стадию альфа-тестирования и исправления ошибок, появляется бета-версия. Иногда даже в ней встречаются серьезные огрехи (например — 3.67, если память не изменяет), и тогда выпускается новая, улучшенная бета-версия. Как правило, бета-версии работают много лучше и надежнее альфа-версий. Лично я предпочитаю подождать некоторое время (2 — 3 месяца), прежде чем начать использовать данную бета-версию.

В 1999 году координатор проекта лейм принял решение о регулярном выпуске stable (отлаженных) версий, отличающихся от текущих тем, что на протяжении длительного времени не подлежат содержательному обновлению (во избежание свежих ошибок, хотя исправление старых только приветствуется). Нынешняя stable — 3.70 (апрель 2000 года). Меня отговаривали от ее использования, потому что в 3.8х добавили ABR, улучшили качество (постоянная дилемма между надежностью и новыми возможностями).

Замечу, что последняя бета-версия — 3.87 — держится с сентября 2000 года. Это означает, что за все это время сколько-нибудь серьезных оплошностей не было замечено. И, для меня лично, этого достаточно, чтобы сделать свой выбор в пользу 3.87.

Лейм — это ISO код или нет?

Изначально лейм делался как патч именно для кода ISO. При модернизации кодера упор делался на исправление ошибок и совершенствование алгоритма. Но уже в 2000 году в версии, кажется, 3.6, было замечено, что весь код ISO изменен и лейм свободно компилируется без оригинальных исходников ISO. Так что сегодня лейм можно называть ISO-кодером только в историческом смысле, структура же его изменена настолько, что проще считать лейм самостоятельной разработкой. Причем разработкой качественной и перспективной: сейчас лейм уверенно конкурирует как по скорости, так и по качеству с аналогичными программами на основе кода от Fraunhofer.

Что лучше: LAME или Fraunhofer-based кодеры?

Одним нравится попадья, другим — свиной хрящик. Эта дискуссия сродни спорам о том, с какой стороны нужно разбивать яйцо. В августе 1999 года я в результате тестирования установил, что Fraunhofer-based кодеры имеют преимущество перед леймом на битрейтах в 160 кб/с и ниже. Лейм, соответственно, лучше при 192 кб/с и выше. Изменилось ли что-то с тех пор? Повсеместно наблюдаемая тенденция к использованию высоких битрейтов (от 160 и выше) и VBR может обеспечить LAME большое будущее.

ISO-based кодеры, а тем более кодеры на базе Xing использовать сегодня смысла не имеет. Лейм вобрал в себя все лучшее от ISO и ринулся догонять Fraunhofer. Кто-то считает, что уже догнал. А кто-то полагает, что лучше не спешить с выводами и использовать старый добрый Fraunhofer. Вспоминают о том, что во всех тестированиях на низких битрейтах (128 и ниже) Fraunhofer был лидером и уверенно обходил лейм, но забывают, что за прошедшее с тех пор время ситуация могла измениться.

Говорят, что версии лейма появляются чуть ли не каждый день потому, что в старых находят ошибки. Да, все так. У Фраунгофера тоже находят, но не исправляют годами — разве это лучше?

По крайней мере, VBR в лейме лучше, чем в Fraunhofer"е, хотя и тут он далек от идеала.

Где взять откомпилированный под Windows LAME?

На большинстве сайтов можно найти как stable-версии, так и последнюю beta, а иногда и alfa.

Есть ли для LAME оконные оболочки под Windows?

Подготовка материала перед сжатием

В этот раздел вошли советы по подготовке аудиоматериала в цифровом виде к процессу сжатия. Как вы получите этот материал — в этой статье я рассматривать не буду.

Постоянная составляющая

В некоторых случаях (практически никогда на CD и фактически всегда при записи с линейного или микрофонного входа) сигнал имеет так называемую постоянную составляющую: колебания уровня сигнала происходят не относительно условного нуля (середины диапазона уровней сигнала), а относительно некоторого другого уровня. Настоятельно рекомендуется эту составляющую убирать перед кодированием, благо это умеет практически любой звуковой редактор (remove DC offset). Некоторые кодеры (например лейм), кодируя такие файлы, сильно искажают звук, так как их психоакустическая модель рассчитана на исходный сигнал без постоянной составляющей.

Надо ли понижать уровень файла?

Да, надо, если пиковый уровень исходного сигнала около 0 дБ, иначе при кодировании может произойти искажение сигнала. Использование сжатия с потерями подразумевает, что исходный сигнал будет восстановлен не точно, а приблизительно. Из-за этого, на участке с пиковой амплитудой вы имеете шанс получить превышение пикового уровня сигнала (0 дБ), что и повлечет за собой искажения. Количество таких искажений зависит от кодера и битрейта (чем выше битрейт, тем меньше искажений). В общем, только заниженный перед сжатием уровень исходного сигнала гарантирует (в какой-то мере) защиту от искажений.

На сколько понижать? Вопрос спорный. Нужно учитывать то, что при понижении уровня и передискретизации также будут возникать искажения исходного сигнала. Естественно, что искажения будут меньше при понижении уровня ровно в 2 раза, но это достаточно большое понижение громкости. Можно попробовать выбрать что-то кратное этому "вдвое". Скажем, снизить уровень на 25%. А кто-то, может быть, предпочтет целые числа по децибелам, скажем — 3,00 дБ.

Поскольку наличие искажений от превышения пикового уровня сигнала зависит от битрейта и кодера, приведу здесь наблюдения одного из моих знакомых: "при 320 + лейм нормально — 98%, а при 128 — 85-88% от максимального уровня (100% = 0dB)". Сам я с файлами, уровень сигнала которых приближался к 0 дБ, не экспериментировал.

Надо ли использовать нормализацию?

Как правило, нет. Существует принцип невмешательства в работу исполнителя и звукорежиссера. Если что-то звучит тише, значит, так задумано. Это все равно, что читать книгу с главной героиней-брюнеткой, но представлять ее себе блондинкой, потому что вам так больше нравится. Это будет уже не авторский замысел, а ваша вольная обработка.

Тем более неразумно выглядит нормализация под очень высокий уровень (часто 98% или даже 100%) — см. предыдущий подраздел.

Таким образом, нормализация при работе с материалом, полученным с аудио компакт-дисков, практически не нужна, а при работе с другими записями — только в случае очень уж низкого уровня сигнала и только для альбома целиком.

Замечания по поводу увеличения уровня в целое число раз справедливы и в данном случае, так как нормализация — это передискретизация с новым уровнем сигнала.

Тонкости процесса сжатия

В этом разделе описаны некоторые особенности процесса сжатия, как-то: выбор параметров кодера, битрейта и прочего.

Надо ли (в лейме) выключать психоакустику?

Думаю, нет. Лейм очень быстро развивается. В августе 1999 года я тестировал версию 3.24, нынешняя версия — 3.87. В той, старой, версии я действительно слышал разницу в звучании между файлами, сделанными со включенной психоакустикой и с выключенной. Последний вариант мне нравился больше. Но, с точки зрения теории кодирования mp3, это неверно. Психоакустика составляет неотъемлемую и достаточно важную часть алгоритма сжатия. Так что плохо реализованные алгоритмы психоакустики были ошибкой старых версий лейма. И ее, кстати, исправили. Попробуйте сравнить сами.

Есть, правда, одно "но".

Тонкая настройка психоакустики при сжатии

Как я уже говорил выше, психоакустика рассчитана на среднего человека и соответствует настройкам "по умолчанию" для проигрывателя. Из-за этого, подняв высокие частоты в эквалайзере, мы можем услышать искажение идеального, на первый взгляд, звучания мп3 файла. Вот что говорят по этому поводу на MP3 Forum "е:

Народ! Я, кажется, раз 20 писал про одно простое соображение. Повторюсь еще раз.

Иногда некоторые моменты психоакустики отключать надо. Вот, например, в лейме есть опция понижения ATH (Absolute threshold of hearing), т.е. абсолютный порог слышимости. Зачем кодировать звуки, которые мы не слышим, скажете вы? А вот зачем. Если человек будет слушать эту музыку через эквалайзер, то данные параметры (параметры психоакустической модели с стандартным ATH — АГ) можно считать неприменимыми. Т.е. стоит чуток поднять высоких частот, все огрехи mp3 как на ладони.

Ну почему об этом до сих пор никто не написал, а?

Только вот понижение ATH слишком уж "больно" отражается на битрейте в виде его сильного увеличения.

Какой режим кодирования стереосигнала лучше: stereo, joint stereo или dual channel?

Выбор режима кодирования стерео зависит от конкретной ситуации. С одной стороны, при использовании joint stereo на кодирование среднего канала выпадает больше половины битрейта при почти одинаковых правом и левом каналах, с другой стороны, кодер может оставить слишком мало места для кодирования разницы каналов и смазать стереоэффекты. В таком случае, казалось бы, предпочтительнее режим stereo, когда кодер кодирует каналы раздельно, но пропорция, в которой он делит битрейт для правого и левого каналов, может изменяться. А если на каком-то ответственном отрезке кодер сделает поток в одном из каналов чересчур маленьким? Словом, у каждого метода есть преимущества и недостатки — оптимальный выбор будет зависеть от типа записи.

Следует учесть, что некоторые записи содержат сдвиг фаз между каналами, что практически исключает возможность использования joint stereo. Правда, есть специальное ПО , которое находит и корректирует такой сдвиг, однако использование еще одной программы в процессе сжатия не делает этот самый процесс проще. Где взять такую программу, сказано в разделе "Список ссылок".

Лейм автоматически выбирает для каждого фрейма stereo или joint stereo (при желании вы можете запретить ему делать это: "-m s" — только stereo, "-m f" — только joint stereo). Я использую режим с автоматическим выбором "-m j".

Существует мнение, что кодеру нужно запрещать перераспределение потока между каналами стереозаписи, для того чтобы на каком-то ответственном отрезке кодер не сделал поток в одном из каналов чересчур маленьким. Режим, когда каждому каналу отдается ровно половина потока битов, называют dual channel. В лейме этот режим активируется ключом "-m d". Рекомендую использовать такой режим только при заведомо большом размере потока — битрейт в 256 кб/с и больше.

Использовать ли переменный битрейт (VBR)?

Проблема в том, что под VBR (Variable BitRate — переменный битрейт) нужна своя психоакустическая модель, которая и будет управлять изменением битрейта. Раньше кодеры использовали CBR (Constant BitRate — постоянный битрейт) и принцип "обеспечить максимальное качество, упаковывая данные в поток заранее заданной ширины". Переменный битрейт требует совершенно другого подхода: "обеспечить заданный уровень качества, используя поток минимальной ширины", поэтому алгоритмы сжатия для VBR нужно создавать практически с нуля. Более или менее приемлемым прообразом такого алгоритма обладает только лейм, как самый быстроразвивающийся кодер. Ни Ксинг, ни Фраунгофер качественной разработки VBR пока не представили. Их алгоритмы варьируют средний битрейт в пределах 10-15% от основного, что, по-видимому, является результатом попытки адаптировать алгоритмы CBR для использования с VBR (а ведь в старых алгоритмах вообще не было возможности изменить битрейт).

Проблема также состоит в том, что до сих пор не существует сколько-нибудь точной математической модели человеческого слуха. Поэтому разработка психоакустических алгоритмов ведется опытным путем — методом проб и ошибок. Сложность построения алгоритма, получающего на входе некий "уровень качества", заключается в том, что не до конца ясно, как этот уровень качества связан с прочими параметрами алгоритма, в частности с битрейтом. Хотя человеку, далекому от этой технологии, куда как проще оперировать с параметром, непосредственно задающим уровень качества сжатия, чем с некими внутренними параметрами алгоритма.

На этом фоне вполне логичным выглядит появление компромиссного варианта — ABR (Average BitRate — средний битрейт), реализованного в LAME. По сути, это VBR с элементами доработанного старого алгоритма кодирования CBR. Когда качество падает ниже некоторого порога, битрейт увеличивается, если кодируемый сигнал достаточно прост, битрейт уменьшается. В итоге мы получаем обычный файл с VBR потоком, где параметром является не некий абстрактный уровень качества, а заданный битрейт.

Следует отметить, что некоторые проигрыватели не умеют корректно воспроизводить VBR. Например, очень качественный проигрыватель NAD сильнейшим образом искажает звук таких файлов. Объясняется это тем, что, когда этот проигрыватель был создан, ни один из кодеров не использовал VBR. С аналогичной проблемой можно столкнуться при использовании некоторых аппаратных проигрывателей mp3.

И все-таки будущее за принципом, положенным в основу VBR. Осталось только дождаться достойной программной реализации алгоритмов, создающих VBR файлы.

Следует подробнее остановиться на следующей ситуации: при переключении битрейта между фреймами один фрагмент сложного участка может быть закодирован с большим битрейтом, другой — с меньшим, полученный в результате скачок — слышимый дефект звучания. Случай во многом напоминает рассмотренный выше с режимом стерео — вот поэтому-то любители dual channel всегда используют CBR.

Список ссылок

В этом разделе приведен список ссылок на тематически связанные с mp3 ресурсы интернета, которые, на мой взгляд, больше других заслуживают внимания. Некоторые из них содержат свои богатые списки ссылок, дублировать которые не имеет смысла.

Ставший уже классикой и использующийся как ФАК в ФИДО эхоконференции RU.MPEG "Обзор MP3" (в двух частях: часть 1 , часть 2). В обзоре много ссылок на различные, связанные с mp3 сайты. Очень советую новичкам.

Техническая документация по стандарту сжатия mp3 — www.mp3-tech.org .

Официальный сайт проекта LAME — .

Намечается ли новое тестирование?

Честно говоря, сейчас я не считаю это необходимым. Я теперь не испытатель, а скорее аналитик: собираю информацию о чужих тестах, анализирую, делаю выводы.

Как ты сам кодируешь музыку?

При помощи лейма, версии 3.87. На 128 CBR психоакустика включена, для того чтобы показать друзьям-товарищам. То есть это режим "сохранения приемлемого уровня качества при достижении максимального сжатия". При VBR -V2 психоакустика включена для временного хранения качественных записей в mp3. Весь материал, достойный долговременного хранения в моей фонотеке, записывается в формате wav.

Как со мной связаться?

Мой e-mail: [email protected] . Если есть вопросы, не стесняйтесь, задавайте. Я отвечаю на все письма. Если вы участвуете в обсуждении этой статьи в каком-то форуме, сообщите, пожалуйста, мне об этом.

Вместо заключения

Я признателен всем, кто присылал критические замечания, предложения, пожелания. Особо хочу выделить постоянных участников MP3 Forum и автора этого проекта Михаила Федотова..com), при участии которых был подготовлен данный материал.

Спасибо за внимание. Надеюсь, хотя бы часть из приведенной выше информации окажется полезной.

Вконтакте

Одноклассники

Цифровой звук, если это не музыка, которую можно закодировать в виде MIDI, столь же неудобен для сжатия, как и картинка. Звуковой сигнал редко обладает избыточностью, т.е. имеет повторяющиеся участки (в основном из-за шумов). А значит, плохо сжимается с использованием алгоритмов компрессии без потерь, аналогичных LZW или методу Хаффмана.

В 1940 г. Харви Флетчер, выдающийся американский физик, отец стереозвука, привлёк для исследований человеческого слуха большое число испытуемых. Он проанализировал зависимость абсолютного порога слышимости от частоты сигнала, т.е. при какой амплитуде звук определённой частоты не слышен для человека. В построенной на основе опытов кривой максимальные значения находятся, как и ожидалось, на границах диапазона слышимости (около 20 Гц и ближе к 20 кГц), а минимум - приблизительно 5 кГц. Но главное, на что он обратил внимание, - это способность слуха адаптироваться к появлению новых звуков, что выражается в повышении порога слышимости. Иначе говоря, одни звуки способны делать неслышимыми другие, что называют маскированием одного звука другим.

Последнее свойство слуха при компрессии позволяет после громкого звукового сигнала некоторое непродолжительное время вообще не воспроизводить, а значит и не сохранять никакого звука. Например, громкий щелчок продолжительностью в 0,1 с может замаскировать последующие за ним звуки на 0,5 с, которые не надо сохранять. Говорят, что коэффициент компрессии в этом примере достигает , а описанную процедуру сжатия обычно называют маскированием во временной области .

При маскировании в частотной области синусоидальный сигнал маскирует более тихие, близкие по частоте сигналы, в том числе и синусоидальные сигналы много меньшей амплитуды. Удобно использовать разбиение спектра на полосы различной ширины, основываясь на особенностях слуха человека. Обычно выделяют 27 так называемых критических полос (critical band): 0-я от 50 до 95 Гц, 1-я от 95 до 140 Гц, …, 26-я от 20250 Гц и выше.

Для выполнения алгоритма сжатия исходный сигнал разбивается на кадры, которые подвергаются частотному анализу. Алгоритм сжатия выглядит примерно так:

1. При помощи специальных алгоритмов (ими могут быть быстрое преобразование Фурье или аналогичные), сигналы разделяются на 32 равные полосы спектра, при этом в одну получившуюся полосу могут попасть сразу несколько критических полос.

2. Используя так называемую психоакустическую модель (в которую, как правило, и входит частотное маскирование), определяют уровень маскирования полосы соседними.

3. Уровень в полосе, не превышающий вычисленный порог, считается равным нулю и не сохраняется. Наоборот, немаскированный уровень записывается в выходные данные.

В дальнейшем на каждый ненулевой уровень выделяется некоторое число битов, достаточное для его примерного представления. Так, в той части спектра, где человеческое ухо имеет наименьший порог слышимости, информация кодируется шестнадцатью битами, а на краях, там, где ухо менее чувствительно к искажениям, шестью и менее битами. К полученному потоку битов можно, например, применить алгоритм сжатия Хаффмана.

Различаются три версии алгоритма описанного MPEG-сжатием звука. В каждой версии данные разделяются на кадры, т.е. отдельный кадр состоит из 32 полос по 12 значений в каждой.

В MPEG layer1 (дословно "слой 1") в частотном фильтре используются один кадр и алгоритмы, основанные на дискретном косинусе - преобразовании (DCT). Психоакустическая модель задействует только частотное маскирование. Алгоритм позволяет упаковывать при соотношении 1:4 с потоком 384 Кбит/с.

MPEG layer2 использует три кадра в частотном фильтре(предыдущий, текущий и последующий) общий объём 32 полосы по 12 значений в 3 кадрах. Модель использует и временное маскирование. Упаковывает с соотношением от 1:6 до 1:8.