На чем основан принцип сжатия аудио. Как определить, каким кодером был создан mp3 файл? Методы сжатия звуковой информации

МИНИСТЕРСТВО СЕЛЬСКОГО ХОЗЯЙСТВА

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

СТАВРОПОЛЬСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ АГРАРНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

Экономический факультет

Кафедра «Прикладная информатика»

САМОСТОЯТЕЛЬНАЯ

КОНТРОЛИРУЕМАЯ РАБОТА

по дисциплине «Мультимедиа»

Тема «Сжатие звуковой информации»

Выполнил:

студент группы 2ПО

Проверил:

доцент кафедры ПИ,

к. т.н., доцент

Ставрополь, 2011

СЖАТИЕ ЗВУКОВОЙ ИНФОРМАЦИИ

Общие сведения

При первичном кодировании в студийном тракте используется об 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 так 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 канал 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 сущей первичным цифровым звуковым сигналам значительной избыточности

Различают статистическую и психоакустическую избыточность первичных цифровых сигналов. Сокращение статистической избыточности базируется на учете свойств самих звуковых сигналов, а психоакустичсской - на учете свойств слухового восприятия.

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 эта алгоритмы позволяли бы при обратном преобразовании восстанавливать исходные сигналы без искажений. Наиболее часто для этой цели используют ортогональные преобразования. Оптимальным с этой точки зрения является преобразование Карунена - Лоэва. Но его реализация требует существенных вычислительных затрат. Незначительно по эффективности ему уступает модифицированное дискретное косинусное преобразование (МДКП). Важно также, что для реализации МДКП разработаны быстрые вычислительные алгоритмы. Кроме того, между коэффициентами преобразования Фурье (к которому мы все привыкли) и коэффициентами МДКП существует простая связь, что позволяет представлять результаты вычислений в форме, достаточно хорошо согласующейся с работой механизмов слуха. Дополнительно уменьшить скорость цифрового потока позволяют также методы кодирования, учитывающие стати звуковых сигналов (например, вероятности появления уровней звукового нала разной величины). Примером такого учета являются коды Хаффмана где наиболее вероятным значениям сигнала приписываются более короткие кодовые слова, а значения отсчетов, вероятность появления которых мала кодируются кодовыми словами большей длины. Именно в силу этих двух причин в наиболее эффективных алгоритмах компрессии цифровых аудиоданных кодирование подвергаются не сами отсчеты ЗС, а коэффициенты МДКП, и для их кодирования используются кодовые таблицы Хаффмана. Заметим, что число таких таблиц достаточно велико и каждая из них адаптирована к звуковому сигналу определенного жанра.

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

После устранения статистической избыточности скорость цифрового пока 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, изменясь 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.

В этой связи следует обратить внимание на две очень важные для практики особенности. Если компрессия цифровых аудиоданных уже использовалась ранее в канале связи при доставке программы, то ее повторное применение часто ведет к появлению существенных искажений, хотя исходный сигнал кажется нам на слух вполне качественным перед повторным кодированием. Поэтому очень важно знать «историю» цифрового сигнала, и какие методы кодирования при его передаче уже использовались ранее. Если измерять традиционными методами параметры качества таких кодеков на тональных сигналах (как это часто и делается), то мы будем для них получать при разных, даже самых малых установленных значениях скорости цифрового потока, практически идеальные величины измеряемых параметров. Результаты же тестовых прослушиваний для них, выполненные на реальных звуковых сигналах, будут принципиально отличаться Иными словами, традиционные методы оценки качества для кодеков с компрессией цифровых аудиоданных не пригодны.

Работы по анализу качества и оценке эффективности алгоритмов компрессии цифровых аудиоданных с целью их последующей стандартизации начались в 1988 году, когда была образована международная экспертная группа MPEG (Moving Pictures Experts Group). Итогом работы этой группы на первом этапе явилось принятие в ноябре 1992 года международного, стандарта MPEG 1 ISO/IEC 11172-3 (здесь и далее цифра 3 после номера стандарта относится к той его части, где речь идет о кодировании звуковых сигналов).

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 АС-3 (ад/52) качестве альтернативны стандартам MPEG. Несколько позже четко сформировались две разные платформы цифровых технологий для радиовещания и телевидения - это DAB (Digital Audi o Broadcasting), DRM (Digital Radio Mondiale), DVB (с наземной DVB-T, кабельной DVB-C, спутниковой DVB-S разновидностями) и ATSC (Dolby АС-3). Первая из них (DAB, DRM) продвигается Европой, ATSC - США. Отличаются эти платформы, прежде всего, выбранным алгоритмом компрессии цифровых аудиоданных, видом цифровой модуляции и процедурой помехоустойчивого кодирования ЗС.

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. 4.1. В блоке временной и частотной сегментации исходный звуковой сигнал разделяется на субполосные составляющие и сегментируется по времени, Длина кодируемой выборки зависит от формы временной функции звукового сигнала. При отсутствии резких выбросов по амплитуде используется так называемая длинная выборка, обеспечивающая высокое разрешение по частоте. В случае же резких изменений амплитуды сигнала длина кодируемой выборки резко уменьшается, что дает более высокое разрешение по времени. Решение об изменении длины кодируемой выборки принимает блок психоакустического анализа, вычисляя значение психоакустической энтропии сигнала. После сегментации субполосные сигналы нормируются, квантуются и кодируются. В наиболее эффективных алгоритмах компрессии кодированию подвергаются не сами отсчеты выборки ЗС, а соответствующие им коэффициенты МДКП.

Обычно при компрессии цифровых аудиоданных используется энтропийное кодирование, при котором одновременно учитываются как свойства слуха человека, так и статистические характеристики звукового сигнала. Однако основную роль при этом играют процедуры устранения психоакустической избыточности. Учет закономерностей слухового восприятия звукового сигнала выполняется в блоке психоакустического анализа. Здесь по специальной процедуре для каждого субполосного сигнала рассчитывается максимально допустимый уровень искажений (шумов) квантования, при котором они еще маскируются полезным сигналом данной субполосы. Блок динамического распределения бит в соответствии с требованиями психоакустической модели для каждой субполосы кодирования выделяет такое минимально возможное их количество при котором уровень искажений, вызванных квантованием, не превышал порога их слышимости, рассчитанного психоакустической моделью. В современных алгоритмах компрессии используются также специальные процедуры форме итерационных циклов, позволяющие управлять величиной энергии искажений квантования в субполосах при недостаточном числе доступных для кодирования бит.

Алгоритмы сжатия звука MPEG основаны на описанных в первой главе свойствах восприятия звуковых сигналов слуховым аппаратом человека. Использование эффекта маскировки позволяет существенно сократить объем звуковых данных, сохраняя приемлемое качество звучания. Принцип здесь достаточно простой: «Если какая-то составляющая не слышна, то и передавать ее не следу». На практике это означает, что в области маскирования можно снизить число битов на отсчет до такой степени, чтобы шум квантования все еще оставался ниже порога маскирования. Таким образом, для работы звукового кодера необходимо знать пороги маскирования при различных комбинациях воздействующих сигналов. Вычислением этих порогов занимается важный узел в кодере психоакустическая модель слуха (ПАМ). Она анализирует входной сигнал в последовательные отрезки времени и определяет для каждого блока отсчетов спектральные компоненты и соответствующие им области маскирования. Входной сигнал анализируется в частотной области, для этого блок отсчетов, взятых во времени, с помощью дискретного преобразования Фурье преобразуется в набор коэффициентов при компонентах частотного спектра сигнала. Разработчики кодеров компрессии имеют значительную свободу в построении модели, точность ее функционирования зависит от требуемой степени сжатия

Полосное кодирование и блок фильтров. Наилучшим методом к кодирования звука, учитывающим эффект маскирования, оказывается полосное кодирование. Сущность его заключается в следующем. Группа отсчетов входного звукового сигнала, называемая кадром, поступает на блок фильтров (БФ) который содержит, как правило, 32 полосовых фильтра. Учитывая сказанное pan критических полосах и маскировании, хорошо бы иметь в блоке фильтров полосы пропускания, по возможности совпадающие с критическими. Однако практическая реализация цифрового блока фильтров с неравными полосами достаточно сложна и оправдана только в устройствах самого высокого класса Обычно используется блок фильтров на основе квадратурно-зеркальных (W. ров с равными полосами пропускания, охватывающих с небольшим взаимным, перекрытием всю полосу слышимых частот (рис. 4.2). В этом случае полоса пропускания фильтра равна π/32T, а центральные частоты полос равны (2к + 1) π /64Т, где Т - период дискретизации;

к = 0,1,..., 31. При частоте дискретизации 48 кГц полоса пропускания секции фильтра составляет 750 Гц.

На выходе каждого фильтра оказывается та часть входного сигнала, которая попадает в полосу пропускания данного фильтра. Далее, в каждой полосе с помощью ПАМ, анализируется спектральный состав сигнала и оценивается, какую часть сигнала следует передавать без сокращений, а какая лежит ниже порога маскирования и может быть переквантована на меньшее число бит. Поскольку, в реальных звуковых сигналах максимальная энергия обычно сосредоточена точена в нескольких частотных полосах, может оказаться, что сигналы в других полосах не содержат различимых звуков и могут вообще не передаваться, личие, например, сильного сигнала в одной полосе означает, что несколько вышележащих полос будут маскироваться и могут кодироваться меньшим лом бит.

Для сокращения максимального динамического диапазона определяется максимальный отсчет в кадре и вычисляется масштабирующий множитель, который приводит этот отсчет к верхнему уровню квантования. Эта операция аналогична компандированию в аналоговом вещании . На этот же множитель умножаются и все остальные отсчеты. Масштабирующий множитель передается к декодеру вместе с кодированными данными для коррекции коэффициента передачи последнего. После масштабирования производится оценка порога маскирования и осуществляется перераспределение общего числа битов между всеми полосами.

Квантование и распределение битов. Все вышеописанные операции не сокращали заметно объем данных, они были как бы подготовительным этапом к собственно сжатию звука. Как и при компрессии цифровых видеосигналов, основное сжатие происходит в квантователе. Исходя из принятых ПАМ решений о переквантовании отсчетов в отдельных частотных полосах, квантователь меняет шаг квантования таким образом, чтобы приблизить шум квантования данной полосе к вычисленному порогу маскирования. При этом на отсчет может понадобиться вместовсего 4 или 5 битов.

Принятие решения о передаваемых компонентах сигнала в каждой частотной полосе происходит независимо от других, и требуется некий «диспетчер», который выделил бы каждому из 32 полосных сигналов часть из общего ресурса битов, соответствующую значимости этого сигнала в общем ансамбле. Роль такого диспетчера выполняет устройство динамического распределения битов.

Возможны три стратегии распределения битов.

В системе с прямой адаптацией кодер производит все расчеты и посылает результаты декодеру. Преимущество данного способа в том, что алгоритм распределения битов может обновляться и изменяться, не затрагивая работы декодера. Однако для пересылки дополнительных данных декодеру расходуется заметная часть общего запаса битов.

Система с обратной адаптацией осуществляет одинаковые расчеты и в кодере, и в декодере, поэтому нет необходимости пересылать декодеру дополнительные данные. Однако сложность и стоимость декодера значительно выше, чем в предыдущем варианте, и любое изменение алгоритма требует обновления или переделки декодера.

Компромиссная система с прямой и обратной адаптацией разделяет функции расчета распределения битов между кодером и декодером таким образом, что кодер производит наиболее сложные вычисления и посылает декодеру только ключевые параметры, затрачивая на это относительно немного битов, Декодер проводит лишь несложные вычисления. В такой системе кодер не может быть существенно изменен, но настройка некоторых параметров допустим.

Обобщенная схема звукового кодера и декодера, выполняющих цифровое сжатие согласно описанному алгоритму с прямой адаптацией, приведена на рисунки 4.3,а. Сигналы на выходе частотных полос объединяются в единый цифровой поток с помощью мультиплексора.

В декодере процессы происходят в обратном порядке. Сигнал демультиплексируется, делением на масштабирующий множитель восстанавливаются исходные значения цифровых отсчетов в частотных полосах и поступают на объединяющий блок фильтров, который формирует на выходе поток звуковых данных, адекватный входному с точки зрения психофизиологического восприятия звукового сигнала человеческим ухом.

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 схожесть уровней в общем подходе к кодированию, уровни различаются п левому использованию и внутренним механизмам. Для каждого уровня определен 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 Ш). 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 ^гналом для кодера MPEG-1 принят цифровой сигнал AES/EBU (двухканальный цифровой звуковой сигнал с разрядностью квантованиябита на отчет) Предусматриваются следующие режимы работы звукового кодера:

■ одиночный канал (моно);

■ двойной канал (стерео или 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.

В основу алгоритма Уровня I положен, разработанный компанией Philips для записи на компакт-кассеты, формат DCC (Digital Compact Cassette). Кодирование первого уровня применяется там, где не очень важна степень компрессии и решающими факторами являются сложность и стоимость кодера и декодера. Кодер Уровня I обеспечивает высококачественный звук при скорости цифрового потока 384 кбит/с на стереопрограмму.

Уровень II требует более сложного кодера и несколько более сложного декодера, но обеспечивает лучшее сжатие - «прозрачность» канала достигается уже при скорости 256 кбит/с. Он допускает до 8 кодирований/декодирований без заметного ухудшения качества звука. В основу алгоритма Уровня П положен популярный в Европе формат MUSICAM.

Самый сложный Уровень III включает все основные инструменты сжатия: полосное кодирование, дополнительное ДКП, энтропийное кодирование, усовершенствованную ПАМ. За счет усложнения кодера и декодера он обеспечивает высокую степень компрессии - считается, что «прозрачный» канал формируется на скорости 128 кбит/с, хотя высококачественная передача возможна и на более низких скоростях. В стандарте рекомендованы две психоакустические модели: более простая Модель 1 и более сложная, но и более высококачественная Модель 2. Они отличаются алгоритмом обработки отсчетов. Обе модели могут использоваться всех трех уровней, но Модель 2 имеет специальную модификацию для Уровня III.

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 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 МР-3) 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.

Кодер первого уровня. Рассмотрим более подробно работу кодера первого уровня (рис 4.4). Блок фильтров (БФ) обрабатывает одновременно 384 о счета звуковых данных и распределяет их с соответствующей субдискретизацией в 32 полосы, по 12 отсчетов в каждой полосе с частотой дискретизации 48/32 =1,5 кГц. Длительность кадра при частоте дискретизации 48 кГц составляет 8 мс. Упрощенная психоакустическая модель оценивает только частотное маскирование по наличию и «мгновенному» уровню компонентов сигнала в каждой полосе. По результатам оценки для каждой полосы назначается как можно более грубое квантование, но так, чтобы шум квантования не превышал порога маскирования. Масштабирующие множители имеют разрядность 6 бит и перекрывают динамический диапазон 120 дБ с шагом 2 дБ. В цифровом потоке передаются также 32 кода распределения битов. Они имеют разрядность 4 бита и указывают на длину кодового слова отсчета в данной полосе после переквантования.

В декодере отсчеты каждой частотной полосы выделяются демультиплексором и поступают на перемножитель, который восстанавливает их первоначальный динамический диапазон. Перед этим восстанавливается исходная разрядность отсчетов - отброшенные в квантователе младшие разряды заменяются нулями. Коды распределения битов помогают демультиплексору разделить в последовательном потоке кодовые слова, принадлежащие разным отсчетам и передаваемые кодом с переменной длиной слова. Затем отсчеты всех 32 каналов подаются на синтезирующий БФ, который проводит повышающую дискретизацию и расставляет отсчеты должным образом во времени, восстанавливая исходную форму сигнала.

Кодер второго уровня. В кодере второго уровня устранены основные недостатки базовой модели полосного кодирования, связанные с несоответствием критических полос слуха и реальных полос БФ, из-за чего в низкочастотных участках диапазона эффект маскирования практически не использовался. Величина кадра увеличена втрое, до 24 мс при дискретизации 48 кГц, одновременно обрабатываются уже 1152 отсчета (3 субкадра по 384 отсчета). В качестве входного сигнала для ПАМ используются не полосные сигналы с выхода БФ, а спектральные коэффициенты, полученные в результате 512-точечного преобразования Фурье входного сигнала кодера. Благодаря увеличению и временной длительности кадра и точности спектрального анализа эффективность работы ПАМ возрастает.

На втором уровне применен более сложный алгоритм распределения битов. Полосы с номерами от 0 до 10 обрабатываются с четырехразрядным кодом распределения (выбор любой из 15 шкал квантования), для полос с номерами от 11 до 22 выбор сокращается до 3 разрядов (выбор одной из 7 шкал), полосы с номерами от 23 до 26 предоставляют выбор одной из 3 шкал (двухбитовый код), а полосы с номерами от 27 до 31 (выше 20 кГц) не передаются. Если шкалы квантования, выбранные для всех блоков кадра, оказываются одинаковыми, то номер шкалы передается только один раз.

Еще одно существенное отличие алгоритма второго уровня в том, что не все масштабирующие множители передаются по каналу связи. Если различие множителей трех последовательных субкадров превышает 2 дБ не более чем в течение 10% времени, передается только один набор множителей и это дает экономию расходуемых битов. Если в данной полосе происходят быстрые изменения уровня звука, передаются два или все три набора масштабирующих множителей. Соответственно декодер должен запоминать номера выбранных писал квантования и масштабирующие множители и применять их при необходимости к последующему субкадру. Кодер третьего уровня. Кодер Уровня III использует усовершенствованный алгоритм кодирования с дополнительным ДКП.

Основной недостаток кодеров второго уровня - неэффективная обработка быстро изменяющихся переходов и скачков уровня звука – устраняется благодаря введению двух видов блоков ДКП - «длинного» с 18 отсчетами и «короткого» с 6 отсчетами. Выбор режима осуществляется адаптивно путем переключения оконных функций в каждой из 32 частотных полос. Длинные блоки обеспечивают лучшее частотное разрешение сигнала со стандартными характеристиками, в то время как короткие блоки улучшают обработку быстрых переходов. В одном кадре могут быть как длинные, так и короткие блоки, однако общее число коэффициентов ДКП не изменяется, так как вместо одного длинною передаются три коротких блока. Для улучшения кодирования применяются также следующие усовершенствования.

■ Неравномерное квантование (квантователь возводит отсчеты в степень 3/4 перед квантованием для улучшения отношения сигнал-шум; соответственно, декодер возводит их в степень 4/3 для обратной линеаризации).

■ В отличие от кодеров первого и второго уровней, на третьем уровне масштабирующие множители присваиваются не каждой из 32 частотных полос БФ, а полосам масштабирования - участкам спектра, не связанным с этими полосами и примерно соответствующим критическим полосам.

■ Энтропийное кодирование квантованных коэффициентов кодом Хаффмана.

■ Наличие «резервуара битов» - запаса, который кодер создает в периоды стационарного входного сигнала.

Кодер третьего уровня более полно обрабатывает стереосигнал в формате joint stereo (MS Stereo). Если кодеры нижележащих уровней работают только в режиме кодирования по интенсивности, когда левый и правый каналы в полосах выше 2 кГц кодируются как один сигнал (но с независимыми масштабирующими множителями), кодер третьего уровня может работать и в режиме «сумма-разность», обеспечивая более высокую степень сжатия разностного канала. Стереосигнал раскладывается на средний между каналами и разностный. При этом второй кодируется с меньшей скоростью. Это позволяет несколько увеличить качество кодирования в обычной ситуации, когда каналы по фазе совпадают. Но это приводит и к резкому его ухудшению, если кодируются сигналы, по фазе не совпадающие, в частности, фазовый сдвиг практически всегда присутствует в записях, оцифрованных с аудиокассет, но встречается и на CD, особенно если сам CD был записан в свое время с аудиоленты.

В рамках третьего уровня кодирование стереосигнала допустимо еще тремя различными методами.

■ Joint Stereo (MS/IS Stereo) вводит еще один метод упрощения стереосигнала, повышающий качество кодирования на особо низких скоростях. Состоит в том, что для некоторых частотных диапазонов оставляется уже даже не разностный сигнал, а только отношение мощностей сигнала в разных каналах. Понятно, что для кодирования этой информации употребляется еще меньшая скорость. В отличие от всех остальных, этот метод приводит к потере фазовой информации, но выгоды от экономии места в пользу среднего сигнала оказываются выше, если речь идет об очень низких скоростях. Этот режим по умолчанию используется для высоких частот на скоростях от 96 кбит/с и ниже (другими качественными кодерами этот режим практически не используется). Но, как уже говорилось, при применении данного режима происходит потеря фазовой информации. Кроме того, теряется также любой противофазный сигнал.

■ Dual Channel - каждый канал получает ровно половину потока и кодируется отдельно как монофонический сигнал. Метод рекомендуется главным образом в случаях, когда разные каналы содержат принципиально разные сигналы, например, текст на разных языках. Данный режим устанавливается в некоторых кодерах по требованию.

■ Stereo - каждый канал кодируется отдельно, но кодер может принять решение отдать одному каналу больше места, чем другому. Это может быть полезно в том случае, когда после отброса части сигнала, лежащей ниже порога слышимости или полностью маскируемой код не полностью заполняет выделенный для данного канала объем, и кодер имеет возможность использовать это место для кодирования другого канала. Этим, например, избегается кодирование «тишины» в одном канале, когда в другом есть сигнал. Данный режим используется на скоростях выше 192 кбит/с. Он применим и на более низких скоростях порядка кбит/с.

Основные используемые кодеры III Уровня - кодеры от фирмы XingTech, кодеры от фирмы FhG IIS, и кодеры, основанные на исходном коде ISO.

Кодеры от XingTech не отличаются высоким качеством кодирования, но вполне подойдут для кодирования электронной музыки. Благодаря своей скорости они остаются идеальными кодерами для музыки, не требующей высокого качества кодирования.

Кодеры от FhG IIS известны наивысшим качеством кодирования на низких и средних скоростях, благодаря наиболее подходящей для таких скоростей психоакустичекой модели. Из консольных кодеров данной группы наиболее предпочтителен 13епс 2.61. Пока также используется кодер mр3епс 3.1, но последний никто всерьез не тестировал. Другие кодеры, такие, как Audio Active или МРЗ Producer, обладают значительными недостатками в основном из-за ограничения возможностей настройки и неразвитости интерфейса.

Остальные кодеры ведут свое происхождение от исходных кодов ISO. Существует два основных направления развития - оптимизация кода по скорости и оптимизация алгоритма по качеству. Первое направление наилучшим образом представлял кодер BladeEnc, в котором используется первоначальная модель ISO, но проведено много оптимизаций кода, а вторую модель представляет mpegEnc.

Кодер МР3Рго анонсирован в июле 2001 года компанией Coding Technologies вместе с Tomson Multimedia и институтом Fraunhofer. Формат МР3Рго является развитием III уровня (МРЗ). МР3Рго является совместимым с МРЗ назад (полностью) и вперед (частично), т. е. файлы, закодированные с помощью МР3Рго, можно воспроизводить в обычных проигрывателях. Однако качество звучания при этом заметно хуже, чем при воспроизведении в специальном проигрывателе. Это связано с тем, что файлы МР3Рго имеют два потока аудио, в то время как обычные проигрыватели распознают в них только один поток, т. е. обычный MPEG-1 Layer 3.

В МР3Рго использована новая технология - SBR (Spectral Band Replication). Она предназначена для передачи верхнего частотного диапазона. Дело в том, что предыдущие технологии использования психоакустических моделей имеют один общий недостаток: все они работают качественно, начиная со скорости 128 кбит/с. На более низких скоростях начинаются различные проблемы: либо для передачи звука необходимо обрезать частотный диапазон, либо кодирование приводит к появлению различных артефактов. Новая технология SBR дополняет использование психоакустических моделей. Передается (кодируется) чуть более узкий диапазон частот чем обычно (т. е. с обрезанными «верхами»), а верхние частоты воссоздаются (восстанавливаются) уже самим декодером на основе информации о более низких частотных составляющих. Таким образом, технология SBR применяется фактически не столько на стадии сжатия, сколько на стадии декодирования. Второй поток данных, о котором говорилось выше, как раз и есть та минимальная необходимая информация, которая используется при воспроизведении для восстановления верхних частот. Пока достоверно не известно, какую точно информацию несет этот поток, однако проведенные исследования показывают, что эта информация о средней мощности в нескольких полосах частот верхнего диапазона.

Основы принципа аналого-цифрового преобразования, метод конверсии и сжатия звука, существующие форматы хранения звука. Программы для конвертации и обработки звука и аудио-файлов. Применение этих программ в лингвистических исследованиях.

Битрейт - это объем информации в единицу времени. Вообще битрейт - это сколько битов мы тратим на кодирование звука длительностью 1 сек.

Аналого-цифровой преобразователь (АЦП, англ. Analog-to-digital converter, ADC) - устройство, преобразующее входной аналоговый сигнал в дискретный код (цифровой сигнал). Обратное преобразование осуществляется при помощи ЦАП (цифро-аналогового преобразователя, DAC). Как правило, АЦП - электронное устройство, преобразующее напряжение в двоичный цифровой код. Тем не менее, некоторые неэлектронные устройства с цифровым выходом, следует также относить к АЦП, например, некоторые типы преобразователей угол-код. Простейшим одноразрядным двоичным АЦП является компаратор.

Схема преобразования звукового сигнала из аналогового в цифровой:

Дискретизация - это преобразование непрерывных изображений и звука в набор дискретных значений в форме кодов.

Квантование - это процесс выравнивания набора музыкальных нот под сетку.

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

Основанная идея, на которой основаны все методики сжатия аудио сигнала с потерями, – пренебрежение тонкими деталями звучания оригинала, лежащие вне пределов которые воспринимает человеческое ухо.

Кодек (CoDec) - это сокращение слов «компрессор и декомпрессор». По сути, кодек - это набор файлов, драйверов и библиотек, необходимых для упаковки видео или звукового файла в сжатый формат и воспроизведения сжатого файла.

Форматы:

AAC (англ. Advanced Audio Coding) - формат аудио-файла с меньшей потерей качества при кодировании, чем MP3 при одинаковых размерах. Формат также позволяет сжимать без потери качества исходника (профиль ALAC AAC).

AAC (Advanced Audio Coding) изначально создавался как преемник MP3 с улучшенным качеством кодирования. Формат AAC, официально известный как ISO/IEC 13818-7, вышел в свет в 1997 как новая, седьмая, часть семьи MPEG-2. Существует также формат AAC, известный как MPEG-4 Часть 3.

Apple AIFF - Этот тип файлов является стандартным для систем Apple Macintosh и систем обработки звука, построенных на его основе. Apple AIFF расшифровывается как Audio Interchange File Format - формат файла обмена звуком, он в чем-то схож с WAV. Его особенностью является то, что он позволяет размещать вместе со звуковой волной дополнительную информацию, в частности, самплы WaveTable (примеры звучания инструментов вместе с параметрами синтезатора), что улучшает качество итогового результата. Хотя в настоящее время компьютеры Apple способны воспроизводить файлы практически любых форматов, в том числе и МР3.

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

FLAC является членом семейства кодеков, разрабатываемых Xiph.Org. К слову, в него же входит известный ogg vorbis – один из лучших lossy-алгоритмов сжатия музыки. В качестве контейнера для аудиоданных используется, разумеется, OGG (файлы с расширением.ogg) и ещё один open-source контейнер – Matroska (файлы с расширением.mka).

Сразу стоит отметить полную открытость как формата, так и алгоритма FLAC. Они не патентованы, поэтому могут совершенно безвозмездно использоваться в любых программах. Именно этим обусловлена широкая поддержка FLAC в проигрывателях – любой серьёзный плеер имеет плагин для FLAC. Кроме этого существуют аппаратные mp3-плееры с поддержкой кодека FLAC.

Программа-кодировщик FLAC скомпилирована для большинства используемых платформ, так что проблем с совместимостью на альтернативных Windows операционных системах возникнуть не должно.

FLAC поддерживает теги собственного формата “FlacTags”. Есть возможность кодирования многоканального звука – серьёзное преимущество по сравнению с Monkey’s Audio. Формат поддерживает любые частоты семплирования в диапазоне от 1 Гц (!) до 65,535 Гц. Разрядность аудио от 4-х (!) до 32-х бит.

Считается, что в сравнении с остальными lossless-кодеками FLAC наиболее эффективно расходует ресурсы системы при раскодировании (воспроизведении) аудио. К сожалению, это достигается за счёт значительного повышения времени кодирования (сжатия).

Сайт FLAC регулярно обновляется, выходят новые версии кодека. Вообще, по активности развития FLAC безусловно лидирует. Вполне возможно, что в будущем это сделает его основным форматом. Что ж, посмотрим…

FLAC является оптимальным выбором для хранения музыки в высоком качестве.

MIDI (англ. Musical Instrument Digital Interface - цифровой интерфейс музыкальных инструментов) - стандарт на аппаратуру и программное обеспечение, позволяющее воспроизводить (и записывать) музыку путем выполнения/записи специальных команд, а также формат файлов, содержащих такие команды. Воспроизводящее устройство или программа называется синтезатором (секвенсором) MIDI и фактически является автоматическим музыкальным инструментом.

В отличие от других форматов, хранит не оцифрованный звук, а наборы команд (проигрываемые ноты, ссылки на проигрываемые инструменты, значения изменяемых параметров звука), которые могут воспроизводиться по-разному в зависимости от устройства воспроизведения. Удобство формата MIDI как формата представления данных позволяет реализовывать устройства, производящие автоматическую аранжировку по заданным аккордам, а также приложения 3D-визуализации звука. Кроме того, такие файлы, как правило, имеют на несколько порядков меньший размер, чем оцифрованный звук сравнимого качества.

Monkey’s Audio - популярный формат кодирования цифрового звука без потерь. Распространяется бесплатно вместе с открытым исходным кодом и набором программного обеспечения для кодирования и воспроизведения, а также плагинами к популярным плеерам. Файлы Monkey’s Audio используют следующие расширения: .ape для хранения аудио и.apl для хранения метаданных. Несмотря на открытый исходный код, Monkey"s Audio не является свободным, так как его лицензия накладывает значительные ограничения на использование.

Аудиофайлы, сжатые кодеком Monkey’s Audio, имеют расширение ‘APE’ – как видите, обезьяны присутствуют не только в логотипе или названии (от английского ape - обезьяна, примат).

Средний битрейт в аудиофайле составляет 600-700 кбит/с; сравните с 128 кбит/с в Mp3. Среднее сжатие составляет 40-50 % в зависимости от жанра музыки: если классические или джазовые произведения сжимаются самым лучшим образом, то композиции в стиле trash-metal или что-то подобное «электронно шумовое» покажет наихудший результат. Для кодеков с потерями при приемлемом качестве сжатие составляет около 80 %.

Существуют четыре степени сжатия. Максимальная компрессия может показаться единственно верным решением, даже несмотря на довольно большое время сжатия. Однако нужно учитывать ещё и расход ресурсов системы, воспроизводящей файл, – для максимально сжатого файла он относительно высок.

Формат.APE обеспечивает поддержку тегов для поиска композиций в музыкальной коллекции. Ещё одним плюсом является проверка целостности файла при раскодировании. Поддерживается восстановление оригинального wav-файла из сжатого.APE.

Monkey’s Audio имеет графический фронтэнд под Windows, иначе говоря удобную оконную программу для управления процессом кодирования. Остальные кодеки требуют использования командной строки или фронтэндов сторонних разработчиков. Самое приятное, что фронтэнд Monkey’s Audio можно использовать и с другими кодеками – Rkau, Wavpack, Shorten и даже lossy-кодеками mp3 и ogg vorbis.

Немного о недостатках. Кодек Monkey’s Audio существует только под Windows. Однако на сайте написано, что «версии под Mac и Linux уже разрабатываются». К слову сказать, сам сайт не обновлялся достаточно давно, что не является хорошим признаком. Также отсутствует какая-либо поддержка среди производителей аппаратных плееров.

Отсутствие кросплатформенности кодека для многих является самым серьёзным минусом Monkey’s Audio. Но шаги по исправлению этого недостатка уже делаются. Стоит упомянуть проект JMAC (http://sourceforge.net/projects/jmac/) по переработке исходных кодов Monkey’s Audio под язык Java. Это позволит использовать кодек на любой ОС без необходимости внесения изменений в исходники и перекомпиляции.

MP3 - (формат кодирования звуковой дорожки MPEG) - лицензируемый формат файла для хранения аудио-информации.

Самый популярный формат сжатия на сегодняшний день – это МР3. Формат МР3 (MPEG Layer 3) был разработан, после ряда промежуточных форматов, институтом Фраунхофера в Германии. Вообще то, формат.МР3 основан на обмане человеческого уха. После некоторых исследований выяснилось, что человеческому слуху свойственно адаптироваться к появлению новых звуков, что выражается в повышении порога слышимости. Поэтому одни звуки способны маскировать (то есть, делать субъективно неслышимыми) другие. Вот и в этом формате часть звуков, которые, как считает соответствующая теория, делаются неслышимыми, просто убираются из общего звучания. После чего получившийся «полуфабрикат» кодируется по методу Хоффмана. Обязательно следует учитывать то, что в формате МР3 программы, сжимающие звук из оригинального, не являются стандартизированными, то есть каждый грамотный программист может реализовать свою схему сжатия. А стандартам подчиняются только декодеры, что приводит к тому, что качество воспроизведения формата МР3 далеко не всегда зависит от плеера, проигрывающего этот файл. В связи с разными способностями и пристрастиями реализаторов различных кодеров, одни из них лучше справляются с симфонической музыкой, другие - с роком и металлом, третьи - с рэпом и рэйвом и так далее.

JointStereo, являющийся одной из особенностей МР3, означает, что вместо кодирования стерео как двух независимых каналов производится кодирование т.н. центрального канала и разницы, отличающей его от исходных стереоканалов. Довольно много составляющих звука в стереоканалах одинаковы, и их кодирование в общем канале позволяет высвободить дополнительную полосу для более подробного кодирования разницы, что приводит к некоторому улучшению качества.

Обязательно следует упомянуть и о Variable Bit Rate, или VBR. Это означает, что кодер изменяет степень сжатия «на лету», в зависимости от характера звука. Такой подход приводит к уменьшению итогового размера файла или, при увеличении требований к качеству, при том же размере файла позволяет добиться лучшего звучания.

MP3 Pro - Появившийся в 2001 году кодек MP3 Pro был создан компанией Coding Technologies совместно с Thomson Multimedia. В его основе лежит МР3, и в результате он получился полностью совместимым с MP3 назад и лишь частично вперед. В нем используется технология SBR (Spectral Band Replication), за счет чего кодек обеспечивает хорошее качество на низких битрейтах. Однако качество кодирования на средних и высоких скоростях передачи данных уступает качеству почти всех других кодеков. В итоге MP3 Pro применяется больше для трансляций в интернете и демонстраций фрагментов новых музыкальных композиций.

Аудио стандарт MPEG-4 не требует единственного или малого набора высокоэффективных схем компрессии, а скорее сложный набор для выполнения широкого круга операций от кодирования низкокачественной речи до высококачественного аудио и синтезирования музыки.

Семейство алгоритмов аудио кодирования MPEG-4 охватывает диапазон от кодирования низкокачественной речи (до 2 кБит/с) до высококачественного аудио (от 64 кБит/с на канал и выше).

RAW - Да, это не только формат изображения, в котором пишут фотографии некоторые цифровые камеры. На самом деле, RAW является т.н. «чистой оцифровкой», в которой не содержится заголовка и находится лишь последовательность отсчетов звуковой волны. Обычно оцифровка хранится в 16-разрядном формате.

Shorten – один из первых появившихся lossless-кодеков. Долгое время проект "спал сладким сном". Однако, в 2007 году, он снова начал развиваться.

TTA (True Audio) - Напоследок о самом интересном. TTA разрабатывается командой наших соотечественников. И, надо сказать, результат их работы впечатляет. Обо всём по порядку.

Кодек является ещё довольно молодым, но несмотря на это содержит все необходимые возможности. Не будем в очередной раз перечислять их, отметим лишь, что формату не хватает лишь поддержки трансляции аудио через сеть.

Формат открыт, равно как и исходные коды программы-кодировщика. Существуют скомпилированные версии под Mac и Linux. Проблем с совместимостью при воспроизведении также возникнуть не должно, ибо уже существуют плагины для всех популярных проигрывателей, а также DirectShow фильтры для Windows Media Player. Есть плагин для Adobe Audition, что немаловажно для музыкантов. За последние 4 года даже появилась аппаратная поддержка в плеерах!

WAV - Он является основным аудио форматом для многих и многих систем воспроизведения цифрового звука и используется как стандартный формат звуковых файлов в персональных компьютерах. К тому же, он имеет солидный набор спецификаций, изрядно пополнившийся за последнее время. Его полное название - Microsoft RIFF/WAVE - Resource Interchange File Format/Wave - формат файлов передачи ресурсов/волновая форма, и создан он был инженерами Microsoft и Intel. В свою очередь, WAV расшифровывается как Waveform Audio File Format.

Windows Media Audio (WMA) - лицензируемый формат файла, разработанный компанией Microsoft для хранения и трансляции аудио-информации.

Номинально формат WMA характеризуется хорошей способностью сжатия, что позволяет ему «обходить» формат MP3 и конкурировать по параметрам с форматами Ogg Vorbis и AAC. Но как было показано независимыми тестами, а также при субъективной оценке качество форматов все таки не является однозначно эквивалетным, а преимущество даже перед MP3 однозначным, как это утверждается компанией Microsoft.

Программы:

DVDVideoSoft Free Studio 6.1.1.426

Пакет бесплатных программ обработки мультимедиа. Конвертирование видео, аудио. Поддержка многих медиаформатов, включая форматы мобильных устройств. Возможность записи CD/DVD/BlueRay-дисков. Работы с медиафайлами сервиса YouTube, других сервисов....

Format Factory 3.0.1.1

Универсальный конвертер видео, аудио, графических файлов. Поддержка большого количества мультимедиа форматов, возможность создания DVDRip....

Русский, Украинский

Free MP3 Cutter and Editor 2.6.0.1654

Очень простая, маленькая, удобная программа редактирования звуковых файлов формата mp3, wav. Free MP3 Cutter and Editor удобен как простой редактор звуковых MP3, WAV-файлов. Может использоваться любым, даже неопытным пользователем....

MediaCoder 0.8.20.5380 Full

Программа обработки медиафайлов: сжатие, конвертер видео-, аудио-, извлечение аудио из видео, создание CD/DVDRip. Непростой, но довольно мощный медиаконвертер. Предоставляет полный спектр настроек при обработке, сжатии, конвертации форматов....

MP3 Quality Modifier 2.51

Основная задача программы - пакетное уменьшение размера MP3 файлов путем изменения его битрейта простым и интуитивно понятным способом, так чтобы размер файла значительно уменьшился, а качество звука осталось прежним. Изменять характеристики MP3 файлов можно при помощи предлагаемых настроек или выставить свои собственные расширенные настройки. Доступны настройки частот и звуковых каналов....

Power Sound Editor Free 7.8.1

Бесплатная версия звукового редактора и средства записи. Богатые возможности обработки звука. Простое понятное управление операциями и различными эффектами над аудио данными....

Nero - многофункциональный мультимедийный пакет для работы с CD и DVD дисками, звуком и видео, включающий в себя также утилиту резервного копирования, вёрстки обложек дисков, поддержку виртуальных дисков. Начиная с версии 6.6.0.13, Nero может также записывать диски форматов HD DVD и Blu-ray. Поддерживает технологии нанесения изображений LabelFlash, DiscT@2, LightScribe. Существуют версии для операционных систем Microsoft Windows и Linux (только программа для записи дисков, без дополнительных утилит).

[править]Состав пакета

Nero Burning ROM - мощная программа для высококачественного копирования и прожига дисков CD, DVD и Blu-ray. Кроме этого в Nero Burning ROM содержатся множество полезных инструментов, которые значительно превосходят функции простого копирования. Это единственная программа, которая необходима пользователю для сохранения данных и предоставления к ним доступа.

Среди основных возможностей Nero Burning ROM можно выделить следующие: высококачественный прожиг и копирование дисков; компоновка дисков CD, DVD и Blu-ray простым перетягиванием файлов; разделение больших файлов для их записи на нескольких физических дисках; надежность чтения данных, несмотря на царапины, возраст и изношенность дисков; улучшенный уровень безопасности с использованием паролей и шифрования...

Nero StartSmart - программа-меню для запуска нижеперечисленных приложений.

Nero Express - Nero Burning Rom с упрощённым пользовательским интерфейсом.

Nero BackItUp - утилита для резервного копирования данных.

Nero Cover Designer - редактор обложек для CD и DVD и их прожиг на диски LightScribe / Label Flash.

Nero Wave Editor - редактор звуковых файлов.

Nero SoundTrax - программа для создания собственных аудиодисков.

Nero ImageDrive - приложение для работы с виртуальными компакт-дисками. Отсутствует в версии 9 и выше. Разработка приложения прекращена.

Nero Vision - программа для записи видеодисков CD/DVD и видеозахвата. Начиная с 5-й версии (Nero 8) может записывать HDTV на HD-DVD/Blu-Ray.

[править]Варианты поставки

Nero поставляется во множестве разных вариантов. Самые частые поставки осуществляются в виде OEM пакетов, которые, обычно, прилагают к большинству CD и DVD рекордеров. Так же Nero продаётся в полном варианте, называемом Premium для европейских продавцов и Ultra Edition для американских. По непонятным причинам для Северной Америки в полный пакет Nero 7 (Ultra Edition) не были включены две технологии: LabelFlash и DiscT@2. В Европейской же версии Nero 7 Premium обе они присутствуют в полном объёме. В остальных функциях они полностью идентичны.

[править]Варианты поставки 10-й версии пакета

Начиная с 10-й версии пакета, некоторые компоненты пакета можно покупать отдельно. Варианты сборок:

Nero Multimedia Suite 10 - самый полный пакет, содержащий все компоненты Nero;

Nero Vision Xtra - содержит только программы: Nero Vision Xtra, Nero MediaHub и Nero Control Center;

Nero Burning ROM - содержит только программы: Nero BackItUp и Nero Express.

[править]Дополнительные утилиты

Nero CD-DVD Speed - тестирование CD или DVD привода.

Nero DriveSpeed - утилита для регулирования скорости вращения CD или DVD привода Отсутствует в версии 10 и выше. Разработка приложения прекращена.

Nero InfoTool - приложение для выдачи подробной информации о возможностях CD или DVD привода, также выдает информацию о системе.

[править]Старые версии программы

На официальном сайте можно приобрести диски с обновлением для предыдущих версий Nero по цене в $10.

[править]Название программы

Программа получила своё название в честь императора Нерона (англ. Nero), предавшего Рим огню (по одной из версий). Благодаря игре слов, название программы Nero Burning ROM(E) может переводиться как «Нерон, сжигающий Рим» или как «Nero, прожигающий (CD-)ROM» . В отличие от Нерона, Nero ничего не уничтожает, а «прожиг», или «выжигание» означает процесс записи оптического носителя.

Значок программы содержит исторический казус: на нём изображён горящий Колизей, который Нерон не мог сжечь - он был построен через несколько лет после смерти Нерона при Веспасиане.

Аудиоинформации удается при использовании специальных методов, основанных на анализе структуры данных и последующим сжатием с некоторыми потерями .

Реальная возможность обработки звука, сравнимых по качеству с существующими аналоговыми примерами, появилась только в конце 80-х годов. В 1988 году Международной организацией стандартов ISO (International Standards Organization) был сформирован комитет MPEG (Moving Pictures Expert Group, группа экспертов в области движущихся изображений), основной задачей которого является разработка стандартов кодирования подвижных изображений, звука и их комбинации. За десять лет своего существования комитет выработал ряд стандартов по данному вопросу. В результате обобщив обширные исследования в этой области, был рекомендован ряд специфических форматов для хранения данных, отличных по качеству результатов и скорости потока данных.

В настоящее время наиболлее распространены три стандарта хранения видеоданных: MPEG-1, MPEG-2 и MPEG-4. В рамках первых двух форматов существуют также форматы хранения звуковой информации – Layer-1, Layer-2 и Layer-3. Эти три звуковых формата определены для MPEG-1 и незначительными расширениями используются в MPEG-2. Все три формата похожи друг на друга, но используют различные уровни компромисса между сжатием и сложностью. Уровень Layer-1 - наиболее простой, не требует значительных затрат на сжатие, но и дает незначительную степень сжатия. Уровень Layer-3 – наиболее трудоемкий и обеспечивает самое лучшее сжатие. В последнее время этот формат завоевал огромную популярность. Его часто называют MP3. Такое название связано с расширением звуковых файлов, хранящихся в этом формате.

Основанная идея, на которой основаны все методики сжатия аудио сигнала с потерями , – пренебрежение тонкими деталями звучания оригинала, лежащие вне пределов которые воспринимает человеческое ухо. Здесь можно выделить несколько моментов.

Уровень шума. Звуковое сжатие базируется на простом факте – если человек находиться рядом с громко воющей сиреной, то вряд ли он услышит разговор стоящих неподалеку людей. Причем это происходит не оттого, что человек обращает большое внимание на громкий звук, а в большей степени оттого, что человеческое ухо фактически теряет звуки, лежащие в том же диапазоне частот, что и более громкий звук. Этот эффект носит название маскирующего, он изменяется с различием в громкости и частоте звука.

Вторым моментом является деление полосы звуковых частот на подполосы, каждая из которых далее обрабатывается отдельно. Программа кодирования выделяет самые громкие звуки в каждой полосе и использует эту информацию для определения приемлемого уровня шума для этой полосы. Лучшие программы кодирования учитывают также влияние соседних полос. Очень громкий звук в одной полосе может повлиять на маскирующий эффект и на близлежащие полосы.

Еще одним моментом кодирования является использование психоакустической модели, опирающейся на особенности человеческого восприятия звука. Сжатие с использованием этой модели основано на удалении заведомо неслышимых частот с более тщательным сохранением звуков, хорошо различаемых человеческим ухом. К сожалению, здесь не может быть точных математических формул. Восприятие звука человеком – сложный, до конца не изученный процесс, поэтому выбор методов сжатия выполняется на основе анализирующего прослушивания и сравнения по-разному сжатых звуков группами экспертов. Зато здесь имеются практически неограниченные возможности в сфере улучшения психоакустических моделей. Большинство существующих алгоритмов для кодировки человеческого голоса основано на высокой предсказуемости такого сигнала – универсальные алгоритмы сжатия MPEG с переменным успехом пытаются применить этот прием.

Еще одним приемом сжатия является использование так называемого совмещенного стерео. Известно, что слуховой аппарат человека может определить направление лишь средних частот – высокие и низкие звучат как бы отдельно от источника. Значит, эти фоновые частоты можно кодировать в моно сигнал. Кроме всего этого для сжатия используется различие в сложности потоков в каналах. Например, если в правом канале какое-то время полная тишина, это "зарезервированное" место используется для повышения качества левого канала или туда "впихиваются" необходимые биты, не влезшие в поток чуть раньше. На последней стадии сжатия используется алгоритм сжатия Хаффмана . Этот процесс позволяет улучшить степень сжатия для относительно однородных сигналов, которые плохо сжимаются с помощью описанных выше приемов. На основе описанных идей строятся алгоритмы сжатия, позволяющие достигать степени компрессии 10:1 или выше практически без потери в качестве звучания. При кодировании задают требуемый уровень компрессии, а алгоритмы сжатия добиваются требуемого значения уровня сжатия за счет потери качества. Требуемый уровень сжатия обычно указывают в виде величины потока данных (bit rate), измеряемого в Кбит/сек.

В качестве начального шага обработки изображения форматы сжатия MPEG-1 и MPEG-2 разбивают опорные кадры на несколько равных блоков, над которыми затем производится дискетное косинусное преобразование (DCT). По сравнению с MPEG-1, формат сжатия MPEG-2 обеспечивает лучшее разрешение изображения при более высокой скорости передачи видео данных за счет использования новых алгоритмов сжатия и удаления избыточной информации, а также кодирования выходного потока данных. Также формат сжатия MPEG-2 дает возможность выбора уровня сжатия за счет точности квантования. Для видео с разрешением 352х288 пикселей формат сжатия MPEG-1 обеспечивает скорость передачи 1,2 – 3 Мбит/с, а MPEG-2 – до 4 Мбит/с.

По сравнению с MPEG-1, формат сжатия MPEG-2 обладает следующими преимуществами:

MPEG-2 обеспечивает масштабируемость различных уровней качества изображения в одном видеопотоке.
В формате сжатия MPEG-2 точность векторов движения увеличена до 1/2 пикселя.
Пользователь может выбрать произвольную точность дискретного косинусного преобразования .
В формат сжатия MPEG-2 включены дополнительные режимы прогнозирования.

MPEG-4 использует технологию так называемого фрактального сжатия изображений. Фрактальное (контурно-основанное) сжатие подразумевает выделение из изображения контуров и текстур объектов. Контуры представляются в виде т.н. сплайнов (полиномиальных функций) и кодируются опорными точками. Текстуры могут быть представлены в качестве коэффициентов пространственного частотного преобразования (например, дискретного косинусного или вейвлет -преобразования).

Диапазон скоростей передачи данных, который поддерживает формат сжатия видео изображений MPEG 4, гораздо шире, чем в MPEG 1 и MPEG 2 . Дальнейшие разработки специалистов направлены на полную замену методов обработки, используемых форматом MPEG 2. Формат сжатия видео изображений MPEG 4 поддерживает широкий набор стандартов и значений скорости передачи данных. MPEG 4 включает в себя методы прогрессивного и чересстрочного сканирования и поддерживает произвольные значения пространственного разрешения и скорости передачи данных в диапазоне от 5 кбит/с до 10 Мбит/с. В MPEG 4 усовершенствован алгоритм сжатия , качество и эффективность которого повышены при всех поддерживаемых значениях скорости передачи данных.

К cодержанию

Вперёд

Итак, как мы уже знаем, для передачи звука с качеством аудио-компакт-дисков требуется пропускная способность, равная 1,411 Мбит/с. Понятно, что для практической передачи подобных данных через Интернет требуется значительное сжатие. Для этого были разработаны различные алгоритмы сжатия оцифрованного звука. Одним из самых популярных форматов является аудио-MPEG, имеющий три уровня (разновидности). Самым известным и качественным является MP3 (MPEG layer 3 - MPEG 3-го уровня). В Интернете можно найти огромное количество записей в MP3, не все из которых на самом деле являются легальными. Это привело к множеству судебных разбирательств, инициированных ущемленными в своих законных правах артистами и обладателями авторских прав. MP3 - это часть стандарта MPEG, предназначенного для сжатия видеосигнала. Методы сжатия движущихся изображений мы рассмотрим позднее в этой главе, а сейчас обратимся к сжатию звука.

Существуют две концепции сжатия звука. При кодировании формы сигналов сигнал раскладывается на компоненты при помощи преобразования Фурье. На рис. 2.1, а показан пример в виде временной функции и амплитуд, получающихся в результате ее разложения в ряд Фурье. Амплитуда каждого компонента кодируется с минимальными искажениями. Задачей является максимально аккуратная передача формы сигнала с минимально возможной затратой битов.

Другая концепция называется перцепционным кодированием. Она основана на некоторых недостатках слухового аппарата человека, позволяющих шифровать сигнал таким образом, что слушатель не ощутит никакой разницы по сравнению с настоящим сигналом, хотя на осциллографе эта разница будет весьма заметна. Наука, на которой базируется перцепционное кодирование, называется психоакустикой. Она изучает восприятие звука человеком. Формат MP3 использует перцепционное кодирование.

Ключевым свойством перцепционного кодирования является то, что одни звуки могут маскировать другие. Представьте себе, что теплым летним вечером вы медитируете на лужайке, слушая живой концерт для флейты с оркестром. Затем, откуда ни возьмись, появляется бригада рабочих с отбойными молотками в руках, которая начинает вскрывать асфальт на близлежащей улице. Расслышать флейту, к сожалению, уже никто не в состоянии. Нежные звуки, издаваемые ею, подверглись маскированию звуками отбойных молотков. Если рассматривать ситуацию с точки зрения передачи данных, то в этот момент достаточно кодировать лишь диапазон частот, в котором работают отбойные молотки, - все равно флейту за этим грохотом не слышно. Способность громких звуков определенного диапазона частот «прятать» более тихие звуки других диапазонов (которые были бы слышны при отсутствии громких звуков) называется частотным маскированием. На самом деле, даже после того как рабочие выключат отбойные молотки, слушатели не будут слышать флейту в течение некоторого небольшого периода времени. Это связано с тем, что при появлении очень громкого звука коэффициент усиления человеческого уха резко снизился, и после прекращения работы отбойных молотков требуется время для его возвращения в нормальное состояние. Этот эффект называется временным маскированием.

Чтобы перейти от качественного описания этих эффектов к количественным, представим себе проведение некого эксперимента 1. Человек, находящийся в тихом помещении, надевает наушники, соединенные со звуковой картой компьютера. Компьютер генерирует звук (чистую синусоидальную звуковую волну) с частотой 100 Гц, сила которого постепенно возрастает. Испытуемый должен нажать клавишу на клавиатуре, как только он услышит звук. Компьютер запоминает силу звука, при которой была нажата клавиша, и повторяет эксперимент на частотах 200 Гц, 300 Гц и т. д., доходя до верхнего предела слышимых частот. Эксперимент необходимо провести над большим количеством испытуемых. На рис. 7.27, а показан график с логарифмическим масштабом на обеих осях, показывающий усредненную зависимость порога слышимости от частоты звука. Наиболее очевидный вывод, который можно сделать при взгляде на эту кривую, состоит в том, что нет никакой необходимости когда бы то ни было кодировать частоты, амплитуда которых ниже порога слышимости.

Например, если сила звука на частоте 100 Гц равна 20 дБ, этот звук можно не кодировать, и качество звучания при этом не ухудшится, так как уровень 20 дБ при 100 Гц находится ниже порога слышимости (рис. 7.27, а).

Теперь рассмотрим эксперимент 2. Пусть компьютер повторяет действия эксперимента 1, но на этот раз на каждую тестовую частоту будет накладываться синусоидальная звуковая волна постоянной амплитуды с частотой, скажем, 150 Гц. Мы обнаружим, что порог слышимости для частот, расположенных вблизи 150 Гц, резко возрастает. Это отражено на графике на рис. 7.27, б.

Рис. 7.27. Порог слышимости как функция частоты (а); эффект маскирования (б)

Из последнего наблюдения можно сделать следующий вывод: зная, какие сигналы маскируются более мощными сигналами на близлежащих частотах, мы можем пренебречь соответствующими частотами и не кодировать их, экономя тем самым биты. Из рис. 7.27, б очевидно, что сигналом с частотой 125 Гц мо^ п ° полностью пренебречь, и никто не заметит разницы. Знание свойств времени° г ° маскирования позволяет даже после прекращения звучания громкого сип* 2 ^ в каком бы то ни было частотном диапазоне в течение некоторого времени (пока ухо настраивается на меньшую мощность звука) продолжать пренебрегать кодированием этой частоты. Суть алгоритма MP3 состоит в разложении сигнала в ряд Фурье для получения силы звука на каждой из частот с последующей передачей исключительно немаскированных частот, кодируемых минимально возможным числом бит.

Теперь, зная основной принцип, мы можем рассмотреть, как производится само кодирование. Сжатие звука выполняется путем замеров формы сигналов, производимых с частотой 32 000, 44 100 или 48 000 раз в секунду. Замеры могут сниматься по одному или двум каналам в одной из четырех комбинаций:

1. Монофонический звук (один входной поток).

2. Двойной монофонический звук (например, звуковая дорожка на английском

и японском).

3. Разъединенное стерео (каждый канал сжимается отдельно).

4. Объединенное стерео (учитывается межканальная избыточность сигнала).

Для начала выбирается желаемая выходная битовая скорость. С помощью алгоритма MP3 можно сжать записанную на компакт-диск стереофоническую запись рок-н-ролла до 96 Кбит/с с потерей качества, едва заметной даже для фанатов рок-н-ролла, не лишенных слуха. Если мы хотим «перегнать в MP3» фортепианный концерт, нам понадобится битовая скорость по крайней мере 128 Кбит/с. Чем обусловлена такая разница? Дело в том, что соотношение сигнал/шум в рок-н- ролле гораздо выше, чем в фортепианном концерте (только в техническом смысле, разумеется). Можно, впрочем, выбрать меньшую битовую скорость и получить более низкое качество воспроизведения.

После этого отсчеты обрабатываются группами по 1152 (что занимает около 26 мс). Каждая группа предварительно проходит через 32 цифровых фильтра, выделяющих 32 частотных диапазона. Одновременно входной сигнал заводится в психоакустическую модель для определения маскирующих частот. Затем каждый из 32 частотных диапазонов преобразуется с целью получения более точного спектрального разрешения.

Следующим шагом является распределение имеющегося запаса бит между частотными диапазонами. При этом большее число бит отводится под диапазон с наибольшей немаскированной спектральной мощностью, меньшее - под немаскируемые диапазоны с меньшей спектральной мощностью, и совсем не отводятся биты под маскируемые диапазоны. Наконец, битовые последовательности шифруются с помощью кода Хаффмана (Huffman), который присваивает короткие коды числам, появляющимся наиболее часто, и длинные - появляющимся редко.

На самом деле, эта тема далеко не исчерпана. Существуют методы шумоподавления, сглаживания сигналов, использования межканальной избыточности (при наличии такой возможности), однако все это, к сожалению, невозможно охватить в рамках нашей книги. Более формально изложенные математические основы этих процессов даются в книге (Pan, 1995).

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.