"Заметки на полях" (FAQ)

Автор: Александр Радзишевский

Часто задаваемые вопросы (и ответы) на околозвуковые темы технического характера

Содержание:

Алгоритмы кодирования аудио:

Кратко об истории и характеристиках стандартов MPEG.

Что такое CBR и VBR?

Каковы отличия режимов CBR, VBR и ABR? (применительно к кодеру Lame)

Какие методы кодирования стерео информации используются в алгоритмах MPEG (и других)?

Какие параметры предпочтительны при кодировании MP3?

Какие альтернативные MPEG-1 Layer III (MP3) алгоритмы компрессии существуют?

Другие вопросы:

Можно ли осуществить преобразование из одного потокового формата аудио данных в другой?

Можно ли осуществить преобразование WAV в MIDI, WAV в трекерный модуль?

Можно ли выделить из аудио потока звучание конкретного инструмента или голоса?

Какие существуют способы преобразования MIDI в WAV?

Какой метод сравнения двух аудио сигналов можно признать наиболее точным?

Кратко об истории и характеристиках 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. Точнее, группа MPEG была создана Международной организацией стандартов (International Standards Organization или сокращенно ISO) и Международной электротехнической комиссией (International Electro-Technical Commission или сокращенно IEC).

Группа была образована для создания стандартов кодирования подвижных изображений и аудио информации. Начиная с первого собрания в мае 1988 года группа начала расти и выросла до сообщества специалистов высокого уровня. Обычно, в собрании MPEG принимают участие около 350 специалистов из более чем 200 компаний. Встречи проводятся около трех раз в году. Большая часть участников MPEG - это индивидуальные специалисты, занятые в тех или иных научных и академических учреждениях. Это из области истории. Теперь о практике. На сегодняшний день MPEG разработаны следующие стандарты и алгоритмы:

• MPEG-1 (ноябрь 1992) - стандарт кодирования, хранения и декодирования подвижных изображений и аудио информации;
• MPEG-2 (ноябрь 1994) - стандарт кодирования для цифрового телевидения;
• MPEG-4 - стандарт для мультимедиа приложений: версия 1 (октябрь 1998) и версия 2 (декабрь 1999);
• MPEG-7 - универсализованный стандарт работы с мультимедиа информацией, предназначенный для обработки, фильтрации и управления мультимедиа информацией.

По порядку.

1) Рассмотрим комплект MPEG-1. Этот комплект, в соответствии со стандартами ISO, включает в себя три алгоритма различного уровня сложности: Layer (уровень) I, Layer II и Layer III. Общая структура процесса кодирования одинакова для всех уровней. Для каждого уровня определен свой формат записи бит-потока и свой алгоритм декодирования. Алгоритмы MPEG основаны в целом на изученных свойствах восприятия звуковых сигналов слуховым аппаратом человека (то есть кодирование производится с использованием так называемой "психоакустической модели").

Кратко об алгоритме кодирования. Входной цифровой сигнал сначала раскладывается на частотные составляющие спектра. Затем этот спектр очищается от заведомо неслышных составляющих – низкочастотных шумов и наивысших гармоник, то есть фактически фильтруется. На следующем этапе производится значительно более сложный психоакустический анализ слышимого спектра частот. Это делается в том числе с целью выявления и удаления «замаскированных» частот (частот, которые не воспринимаются слуховым аппаратом в виду их приглушения другими частотами). После всех этих манипуляций из цифрового аудио сигнала исключается больше половины информации. Затем, в зависимости от уровня сложности используемого алгоритма, может быть также произведен анализ предсказуемости сигнала. Кроме этого, базируясь на том, что человеческое ухо способно различать направление звучания только средних частот, то в случае, когда кодируется стерео сигнал, его можно превратить в совмещенный стерео (joint stereo). Это значит, что фактически происходит отделение верхних и нижних частот и их кодирование в моно варианте (средние частоты остаются в режиме стерео). Далее, в случае появления, например, «тишины» в одном из каналов, «пустующее» место заполняется информацией либо повышающей качество другого канала, либо просто не поместившейся до этого. В довершение ко всему проводится сжатие уже готового бит-потока упрощенным аналогом алгоритма Хаффмана (Huffman), что позволяет также значительно уменьшить занимаемый потоком объем.

Комплект MPEG-1 предусмотрен для кодирования сигналов, оцифрованных с частотой дискретизации 32, 44.1 и 48 КГц. Как было указано выше, комплект MPEG-1 имеет три уровня (Layer I, II и III). Эти уровни имеют различия в обеспечиваемом коэффициенте сжатия и качестве звучания получаемых потоков. Layer I позволяет сигналы 44.1 КГц / 16 бит хранить без ощутимых потерь качества при скорости потока 384 Кбит/с, что составляет 4-х кратный выигрыш в занимаемом объеме; Layer II обеспечивает такое же качество при 194 Кбит/с, а Layer III – при 128 (или 112). Выигрыш Layer III очевиден, но скорость компрессии при его использовании самая низкая (надо отметить, что при современных скоростях процессоров это ограничение уже не заметно). Фактически, Layer III позволяет сжимать информацию в 10-12 раз без ощутимых потерь в качестве.

2) Стандарт MPEG-2 был специально разработан для кодирования ТВ сигналов вещательного телевидения, поэтому на рассмотрении MPEG-2 мы бы не останавливались, если бы в апреле 1997 этот комплект не получил «продолжение» в виде алгоритма MPEG-2 AAC (MPEG-2 Advanced Audio Coding – продвинутое аудио кодирование). Стандарт MPEG-2 AAC стал результатом кооперации усилий института Fraunhofer, компаний Sony, NEC и Dolby. MPEG-2 AAC является технологическим приемником MPEG-1. Существует несколько разновидностей этого алгоритма: Homeboy AAC, AT&T a2b AAC, Liquifier AAC, Astrid/Quartex AAC и Mayah AAC. Наиболее высокое качество звучания по сравнению c MPEG-1 Layer III обеспечивают две предпоследние реализации. Все приведенные разновидности алгоритма AAC не являются совместимыми между собой.

Также, как и в комплекте аудио стандартов кодирования MPEG-1, в основе алгоритма AAC лежит психоакустический анализ сигнала. Вместе с тем, алгоритм AAC имеет в своем механизме множество дополнений, направленных на улучшение качества выходного аудио сигнала. В частности, используется другой тип преобразований, улучшена обработка шумов, изменен банк фильтров, а также улучшен способ записи выходного бит-потока. Кроме того, AAC позволяет хранить в закодированном аудиосигнале т.н. «водяные знаки» (watermarks) – информацию об авторских правах. Эта информация встраивается в бит-поток при кодировании таким образом, что уничтожить ее становится невозможно не разрушив целостность аудиоданных. Эта технология (в рамках Multimedia Protection Protocol) позволяет контролировать распространение аудиоданных (что, кстати, является препятствием на пути распространения самого алгоритма и файлов, созданных с помощью него). Следует отметить, что алгоритм AAC не является обратно совместимым (NBC – non backwards compatible) с уровнями MPEG-1 несмотря на то, что он представляет собой продолжение (доработку) MPEG-1 Layer I, II, III.

MPEG-2 AAC предусматривает три различных профиля кодирования: Main, LC (Low Complexity) и SSR (Scaleable Sampling Rate). В зависимости от того, какой профиль используется во время кодирования, изменяется время кодирования и качество получаемого цифрового потока. Наивысшее качество звучания (при самой медленной скорости компрессии) обеспечивает основной Main профиль. Это связано с тем, что профиль Main включает в себя все механизмы анализа и обработки входного потока. Профиль LC упрощен, что сказывается на качестве звучания получаемого потока, сильно отражается на скорости компрессии и, что более важно, декомпрессии. Профиль SSR также представляет собой упрощенный вариант профиля Main.

Говоря о качестве звука, можно сказать, что поток AAC (Main) 96 Кбит/с обеспечивает качество звучания, аналогичное потоку MPEG-1 Layer III 128 Кбит/с. При компрессии AAC 128 Кбит/с, качество звучания ощутимо превосходит MPEG-1 Layer III 128 Кбит/с.

3) Стандарт MPEG-4 - это особая статья. MPEG-4 не является просто алгоритмом сжатия, хранения и передачи видео или аудио информации. MPEG-4 - это новый способ представления информации, это - объектно-ориентированное представление мультимедиа данных. Стандарт оперирует объектами, организует из них иерархии, классы и прочее, выстраивает сцены и управляет их передачей. Объектами могут служить как обычные аудио или видео потоки, так и синтезированные аудио и графические данные (речь, текст, эффекты, звуки...). Такие сцены описываются на специальном языке. Не будем останавливаться подробно на этом стандарте - это тема отдельного обширного обсуждения. Следует только сказать, что в качестве средств компрессии аудио в MPEG-4 используется комплекс нескольких стандартов аудио кодирования: алгоритм MPEG-2 AAC, алгоритм TwinVQ, а также алгоритмы кодирования речи HVXC (Harmonic Vector eXcitation Coding) - для битрейтов 2-4 Кбит/с и CELP (Code Excited Linear Predictive) - для битрейтов 4-24 Кбит/с. Кроме того, MPEG-4 имеет множество механизмов обеспечения масштабируемости.

4) Стандарт MPEG-7, разработка которого еще не окончена, вообще в корне отличается от всех иных стандартов MPEG. Стандарт разрабатывается не для установления каких-то рамок для передачи данных или типизации и описания данных какого-то конкретно рода. Стандарт предусмотрен как описательный, предназначенный для регламентации характеристик данных любого типа, вплоть до аналоговых. Использование MPEG-7 предполагается в тесной связи с MPEG-4. Выпуск в свет MPEG-7 намечен на 2001 год.

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

Что такое CBR и VBR?

Как известно, результатом кодирования сигнала с помощью такого алгоритма, как, например, MPEG-1 Layer III (MP3) (или некоторых других алгоритмов), является бит-поток с фреймовой (блочной) структурой. Это объясняется тем, что кодирование исходного потока производится не целиком, а по частям. То есть фактически исходный поток разделяется на блоки определенной фиксированной длины, затем каждый блок (фрейм) в отдельности подвергается кодированию и результат (кодированный блок информации) направляется в результирующий поток (будь то файл или поток данных).

CBR (Constant Bit Rate - постоянный битрейт) - это такой способ кодирования исходного аудиопотока, при котором все его блоки (фреймы) кодируются с одинаковыми параметрами (с одинаковым битрейтом). Иными словами, битрейт на всей протяженности (всех фреймов) результирующего потока является постоянным.

VBR (Variable Bit Rate - переменный битрейт) - это такой способ кодирования исходного аудиопотока, при котором каждый отдельный блок (фрейм) кодируется со своим битрейтом. Выбор битрейта, оптимально подходящего для кодирования данного фрейма, осуществляется самим кодером путем анализа "сложности сигнала" в каждом отдельном фрейме.

Каковы отличия режимов CBR, VBR и ABR? (применительно к кодеру Lame)

Прежде чем начать разговор, уточним две детали:

1. Кодирование в MP3 происходит поблочно: кодируемый файл разбивается на фреймы (кадры) с одинаковым интервалом, каждый кадр кодируется и записывается в выходной поток; таким образом, выходной поток также имеет кадровую структуру.

2. Фреймы могут быть закодированы не на любом битрейте, а только на одном из входящих в таблицу стандартных для MPEG1 Layer III битрейтов: 32, 40, 48, 56, 64, 80, 96, 112, 128, 160, 192, 224, 256, 320. Кодирование на любых промежуточных битрейтах ("freeformat") стандартом не предусмотрено.

Вступление

Люди, использующие VBR в Lame, обычно аргументируют это фразой: "я хочу получать постоянное качество, а не постоянный битрейт". Действительно, ведь в музыке бывают простые пассажи, на которые вполне хватает и 128 Кбит/сек (например паузы между песнями), а бывают и сложные, на которых человек с хорошим слухом, хорошей аудио картой и прочей аудиоаппаратурой услышит дефекты компрессии даже на 320 Кбит/сек. На самом деле такой аргумент не совсем равомочен.

CBR

Даже в режиме CBR, mp3-кодер может перераспределять биты во времени, выделяя большее или меньшее количество бит во время сложного или простого пассажей, что позволяет в целом улучшить качество звучания. Такое перераспределение бит делается за счёт так называемого резервуара бит: во время кодирования простых пассажей кодер тратит на них не весь заданный пользователем битрейт, а лишь около 90%, около 10% экономится в резервуаре для кодирования сложных мест (изначально резервуар пуст). При кодировании сложных пассажей кодер будет использовать все 100% указанного битрейта и добавлять дополнительные биты из резервуара (если таковые имеются, то есть если резервуар не пуст). К сожалению, в соответствии со стандартом, размер резервуара ограничен. Это означает, что если простой сигнал продолжается достаточно долго, резервуар накапливает свой объем до определенных максимально допустимых пределов и далее кодирование идёт уже с использованием всех 100% битрейта. И обратная ситуация: если сложный сигнал продолжается достаточно долго, из резервуара (постепенно) забираются все сэкономленные биты и далее кодирование идёт с использованием уже теперь всех 100% битрейта.

ABR: Пояснение

Можно было бы сказать что резервуар неплохо справляется со своей основной обязанностью - накопление "лишних" битов во время простых пассажей и их выдача в качестве дополнительных при кодировании сложных пассажей, если бы не одно "но": он обладает конечным и причём весьма ограниченным размером, что означает, что копить его можно лишь до определенных пределов, и вынимать, соответственно, тоже, пока резервуар не опустошится. Именно для того чтобы убрать этот главный недостаток резервуара и был разработан ABR.

Главное отличие ABR от CBR в том, что в CBR все фреймы обязаны быть одного размера (то есть битрейт для всех фреймов должен быть одинаков), в ABR же это ограничение снято, соответственно, существует возможность вместо стандартного весьма ограниченного по размеру резервуара использовать практически бесконечный "виртуальный" резервуар. Выглядит это приблизительно следующим образом.

ABR: Механизм

Допустим, что пользователь указал режим ABR и определенный битрейт B (пользователь может указывать абсолютно любой битрейт от 32 до 320, даже не из стандартной сетки битрейтов, например можно указать в качестве желаемого среднего битрейта 129). Кодер принимает кусок аудио (фрейм), который необходимо закодировать. Таким же образом, как и в CBR, определяет его сложность (об этом мы поговорим ниже). Если пассаж сложный, то кодер также берёт на него больше битов, но уже не из резервуара (как в CBR), а просто на просто увеличивая битрейт на необходимое количество ступеней (выбранный битрейт должен входить в сетку стандартных), создавая таким образом "виртуальный резервуар" (поднять битрейт здесь можно - это не CBR). Что значит "виртуальный резервуар"? Это просто: мы предположили, что указанного пользователем битрейта B кодеру мало, ему нужно K бит (K > B), тогда кодер подбирает такой минимальный стандартный битрейт N, при котором выполняется: N >= K (такой выбор битрейта мы и называем "виртуальный резервуар"). Затем происходит кодирование с помощью K бит взятого куска аудио. Однако N >= K, то есть мы использовали меньше бит, чем есть во взятом фрейме, так не будем же мы выбрасывать эти лишние биты? Вот эти лишние биты мы и записываем в уже настоящий резервуар. Так как в ABR есть возможность использовать "виртуальный резервуар" не имеет смысла строить стандартный резервуар, поэтому когда придет следующий кусок аудио, для его кодирования сначала будут использованы биты из резервуара, а потом кодер решит какой битрейт необходим дальше. Другими словами, если в CBR кодер все время старается накопить как можно больше бит в резервуаре, то в ABR кодер наоборот, старается избавиться от бит в резервуаре, так как копить их незачем - можно просто поднять битрейт.

Простые пассажи кодируются меньшим количеством бит, на них берётся примерно 95% от указанного битрейта B, но теперь остаток не откладывается в резервуар, кодер просто берёт фрейм с меньшим битрейтом. Возникающая разница (оставшиеся биты) записывается в стандартный резервуар (не выбрасывать же оставшиеся биты...). Пример. Допустим пришел "простой" пассаж. Тогда кодер берет все биты (если таковые есть) в резервуаре (настоящем), потом ищет ближайший стандартный битрейт, при котором суммарное количество бит, получившееся для этого фрейма (все биты из резервуара + взятый битрейт), составит 95% от заданного пользователем битрейта B, производит кодирование, а лишние биты (если они остались) снова сохраняет в резервуаре.

ABR: Итог

Таким образом, использование резервуара в ABR отлично от CBR. В CBR битрейт менять нельзя и резервуар специально копят путем сохранения там бит, которые остались (были сэкономлены) от кодирования фрейма на заданном изначально фиксированном битрейте во время простого пассажа; если для кодирования нужны биты и резервуар пуст - то пуст, ничего с этим поделать нельзя и кодирование идет просто на указанном битрейте в ущерб качеству. В ABR битрейт переменный и стандартный резервуар фактически не нужен, однако поскольку поднятие (опускание) битрейта происходит обязательно до определенного табличногозначения, которое может оказаться выше необходимого кодеру количества бит, то лишние биты, конечно, не выбрасывают, а сохраняют в резервуаре. Иными словами, в CBR накопление стандартного резервуара - основная задача, в ABR же есть неограниченный "виртуальный резервуар" и стандартный используется только для хранения лишних бит, образовавшихся в результате разницы между табличными значениями битрейтов и реально необходимым битрейтом.

VBR

VBR - переменный битрейт. Пользователь указывает желаемое качество. Lame опираясь на свою психоакустическую модель выделяет для каждого фрейма ровно то количество бит, которое необходимо для достижения заданного качества. В выходном потоке фреймы соответственно имеют разные битрейты (которые всегда ложатся в таблицу стандартных битрейтов). Использование резервуара в VBR абсолютно идентично ABR - туда попадают только неиспользованные хвостики фреймов.

Методы оценки сложности сигнала

Таким образом, основное отличие CBR, ABR и VBR, как вы уже наверное поняли из сказанного выше, состоит в использовании разных методов подсчёта необходимого для кодирования каждого фрейма количества бит.

Методы оценки сложности сигнала: метод 1 (VBR)

Первый метод основан на вычислении "психоакустической маскировки" и "ошибки кодирования". Этот метод используется в VBR и теоретически должен был бы давать максимальное качество если бы психоакустическая модель Lame'а была идеальна. В основе этого метода лежит очень простая идея: на кодирование выделяется минимальное количество бит, необходимое для выполнения условия: [ошибка_кодирования] < [порога_маскировки] (то бишь дефекты кодирования должны маскироваться основным сигналом и не должны быть различимы на слух).

Пояснение по поводу маскировки. Основная масса "аудио компрессоров с потерями" использует для сжатия аудио сигнала особенности человеческого слуха (в противовес существуют аудиокомпрессоры использующие особенности звукоизвлечения), а именно его неидеальность. Можно указать несколько основных "дефектов" слуха используемых в сжатии звука: 1) ограниченный динамический диапазон. Человек не слышит слабых сигналов или иначе говоря существует некий порог слышимости. 2) громкие сигналы (особенно шумовые, а не тональные) обладают маскирующим действием, при чем как во временной, так и в частотной области (если кто-то "жахнул" из пушки вы можете и совсем слух потерять 8-) ), т.е. любой мощный, особенно шумовой сигнал определённой частоты маскирует достаточно слабый сигнал, особенно если он лежит в близком частотном диапазоне и такой замаскированный сигнал можно не кодировать, ведь человек его не слышит. Порог маскировки может быть увеличен на несколько дециБелл уменьшением качества кодирования (объяснение этому: чем хуже качество кодирования, тем больше артефактов и помех в звучании, и тем более мощный сигнал необходим, чтобы замаскировать эти помехи).

Плюс такого метода: теоретически максимальное качество. Минусы: невысокая скорость а также то, что из-за не идеальности психоакустической модели в Lame, постоянно занижается битрейт, соответственно не рекомендуется использовать без фиксированной нижней границы около 112- 128 кБ/с, а следовательно режим VBR вообще не рекомендуется использовать на низких средних битрейтах. Резервуар в VBR минимизирован, а следовательно не рекомендуется использовать ограничение битрейта сверху (объяснение: так как практически резервуара в VBR нет, если ограничить битрейт сверху, то некоторым фреймам со "сложной" музыкой может оказаться недостаточно бит для кодирования звука, поскольку дополнительные биты взять неоткуда - резервуара нет и битрейт ограничен; такие фреймы будут кодироваться только тем количеством бит, которое имеется в наличии - то есть на максимально допустимом битрейте, что может привести к плохому качеству кодирования).

Методы оценки сложности сигнала: метод 2 (ABR / CBR)

Второй метод основан на вычислении Perceptual Entropy (PE), характеризующей сложность кодируемого сигнала (чем сложнее сигнал, тем PE больше). Этот метод используется при кодировании CBR и ABR. Механизм расчета сложности сигнала с помощью PE полностью отличается от механизма, использованного в VBR. Не вдаваясь глубоко в подробности следует сказать, что если в первом методе расчет сложности сигнала проводился опираясь на свойства маскировки, то в данном методе сложность сигнала оценивается путем попытки его предсказания: чем более сложный сигнал (огибающая ведет себя хаотично), тем труднее он предсказуем и, соответственно, тем больше бит требуется для кодирования сигнала. Во время кодирования кодер пытается предсказать сигнал, затем сравнивает предсказанный сигнал с оригиналом, чем менее предсказанный сигнал совпадает с оригиналом, тем больше бит уходит на кодирование. Очень важно отметить, что используемые методы вычисления сложности сигнала принципиально влияют на отличия использующих их механизмов. Так, принципиальная разница между ABR/CBR (использующих описываемый метод) и VBR (который использует метод 1, описанный выше) заключаются еще и в том, что выбор битрейта в ABR/CBR лежит не на кодере, а на пользователе, при этом Lame лишь добавляет/отнимает небольшое количество бит во время кодирования сложных/простых мест соответственно (для чего и рассчитывается PE). Другими словами, в зависимости от рассчитанного PE, к выбранному пользователем битрейту добавляется (или отнимается от него) нужное число бит, что реализуется с помощью механизма работы с резервуаром (виртуальным или настоящим). Таким образом, при использовании второго метода именно пользователь выбирает битрейт (когда в VBR кодер самрешает величину битрейта), PE же лишь корректирует его с помощью резервуара в зависимости от сложности музыки. Происходит это примерно следующим образом.

CBR. для каждого фрейма выделяется "основное", постоянное количество бит, 90% от указанного битрейта и "дополнительное", переменное. Простые пассажи кодируются с помощью этих 90-а процентов, а оставшиеся 10% процентов накапливаются в резервуаре битов (как было описано вначале), вплоть до его заполнения, после чего на кодирование простых пассажей уходит весь битрейт (так как экономить биты некуда). Сложные пассажи кодируются используя полный битрейт плюс из резервуара изымаются дополнительные биты, если только в нём ещё есть биты. Плюсы: совместимость, минусы: из-за малого размера резервуара очень часто нахватает дополнительных бит для кодирования сложных мест.

ABR. При кодировании ABR использование резервуара минимизировано, он просто на-просто не нужен, ведь в ABR мы можем использовать фреймы с разным битрейтом и, соответственно, не накапливать биты в резервуаре (механизм работы ABR пояснен на примере выше). После вычисления PE и необходимого "дополнительного количества" бит, Lame просто выбирает минимальный битрейт в который укладывается полное необходимое количество бит (битрейт выбирается из таблицы). Остаток бит не выбрасывается, а накапливается в резервуаре.

Замечание: неправильно было бы думать, что в CBR и ABR совсем не используется психоакустика - конечно же это не так. Такая вещь как перераспределение битов отведённых на кодирование фрейма между всеми частотными полосами лежит именно на психоакустике.

Заключение

Итак, кратко. CBR/ABR и VBR в Lame отличаются разными методами подсчёта необходимого для кодирования количества бит и, как следствие, разной "философией" использования резервуара. В CBR и ABR основное количество бит выделяемых на кодирование фрейма определяется пользователем при запуске программы: ключами -b или --abr для CBR или ABR соответственно. Количество дополнительных бит необходимых для кодирования сложных мест рассчитывается по одинаковой формуле на основе расчета PE. Разница между CBR и ABR лишь в том, что в режиме CBR итрейт постоянен и возможности кодера по использованию дополнительных битов из резервуара сильно ограничены размером резервуара, в режиме же ABR у кодера есть возможность изменять битрейт, как бы используя "виртуальный резервуар" неограниченных размеров, а настоящий резервуар используется лишь для хранения невостребованных бит.

В VBR используется абсолютно другой метод. Пользователь задаёт качество, а LAME самостоятельно, на основании психоакустической модели (порою не совершенной), рассчитывает количество бит, необходимых для кодирования с заданным качеством каждого отдельного фрейма. Работа с резервуаром в ABR и VBR одинакова.

Таким образом, в режиме VBR кодер сам выбирает битрейт для фреймов, в ABR/CBR кодер выбирает лишь дополнительное количество бит к указанному пользователем битрейту.

Какие методы кодирования стерео информации используются в алгоритмах MPEG (и других)?

Существует несколько методов кодирования стерео аудио информации в стандарте ISO11172-3 (MPEG-1 Layer 1,2,3).

Dual Channel. Этот режим предполагает кодирование стерео каналов, как абсолютно независимых. Иными словами, в этом режиме кодирование аудио информации происходит отдельно в каждом канале без использования корреляций между ними. Как и следует из названия, этот режим главным образом предназначен для кодирования двух параллельных но различных каналов (например, речь на английском и немецком языках), а не стерео (т.е. не два канала, несущих информацию о стерео картине). Этот режим не рекомендуется использовать для кодирования стерео сигнала, так как существуют проигрыватели (например, madplay), проигрывающие по умолчанию только один канал если поток помечен как Dual Channel.

Stereo. Этот режим отличается от предыдущего только тем, что в режиме Dual Stereo во время кодирования для каждого канала используется свой резервуар (об этом в обсуждении вопроса об отличиях ABR/VBR/CBR), а в этом режиме оба канала кодируются с использованием общего резервуара. Иных различий между режимами нет.

Joint Stereo - это общее определение методов кодирования стерео информации, основанных на использовании избыточности последней. Другими словами, все методы кодирования, основанные на использовании корреляций между двумя стерео каналами, подпадают под определение Joint Stereo.

При кодировании в MPEG-1 имеются две разновидности этого метода.

MS Stereo. В данном режиме кодируются не левый и правый канал, а их суммарная составляющая и разностная. При этом перед кодированием сигнал в каждом отдельном фрейме разбивается на частотные полосы (что, собственно, происходит всегда, то есть не только в Joint Stereo). Затем производится вычисление суммарной и разностной составляющей каналов, что математически выглядит так: Mi=(Li+Ri)/sqrt(2), Si=(Li-Ri)/sqrt(2), где i - номер частотной полосы на которые разбивается сигнал перед кодированием, M и S - Mid (сумма) и Side (разность) каналы соответственно, L и R - левый и правый каналы. При таком кодировании о какой-то деградации качества говорить не приходится, поскольку ничего кроме простейших арифметических операций здесь нет. Тяжело говорить про все MP3-кодеры, но именно так делается в Lame Encoder в режиме VBR. В кодерах от Fraunhofer и в Lame CBR (возможно и в других кодерах, так как этот метод описан в стандарте) в Joint Stereo применяется дополнительный механизм, называемый "Sparsing of side channel". Суть этого метода заключается в более жёстком кодировании side-канала, на который, в этом случае, как правило, выделяется меньшее количество бит, что приводит к деградации звучания в side канале, но улучшению качества кодирования в mid.

Intensity Stereo. В этом режиме в верхнем частотном диапазоне так же происходит кодирование общей составляющей обоих каналов, как и в случае MS Stereo, но вместо кодирования разностной составляющей в верхнем диапазоне частот происходит просто регистрация и запись мощностей сигналов в левом и правом каналах в каждой частотной полосе начиная с некоторой определенной. Иными словами весь сигнал разбивается на полосы, фактическому кодированию подвергается только нижний диапазон частот side-канала, а в верхнем частотном диапазоне начиная с определенной полосы происходит не кодирование сигнала в каждой полосе, а лишь регистрация мощностей сигнала в каждой полосе. Кодирование стерео сигнала в нижнем частотном диапазоне осуществляется в режиме MS Stereo или просто Stereo.

Таким образом, в режиме Joint Stereo фактически происходит кодирование лишь общей составляющей каналов, а стерео на высоких частотах "воссоздается" (если такой термин здесь уместен, а лучше "синтезируется") в соответствующем канале путем умножения общего сигнала на известные (сохраненные при кодировании) значения мощностей частотных участков в соответствующем канале.

Можно предположить, что приблизительно аналогичные методы кодирования стерео аудио информации применяются и в других алгоритмах компрессии аудио.

Какие параметры предпочтительны при кодировании MP3?

Этот вопрос не имеет однозначного ответа. Каждый человек подбирает себе параметры кодирования в зависимости от конкретной задачи. Если речь идет о кодировании голоса или другой звуковой информации при малых требованиях к качеству, то кодирование можно производить на минимальных битрейтах, вплоть до 8 Кбит/с (при данном битрейте полоса частот ограничивается 2,5 КГц, что сравнимо с телефонной линией).

Если же стоит вопрос о кодировании аудио данных с CD (44.1 KГц / 16 бит / стерео), то на этот счет существует масса мнений. Большинство пользователей почему-то убеждено, что битрейта 128 Кбит/c достаточно для кодирования аудио CD-качеcтва без потерь. На самом деле это не так. В этом легко убедиться, если прослушать (даже на аппаратуре среднего качества) сначала оригинал, а затем полученный MP3. MP3 будет отличаться как минимум "сухостью" звучания, не говоря уже о появлении некоторых посторонних "позвякиваний", скрежета и других помех.. Это обусловлено тем, что используемая при кодировании психоакустическая модель оставляет только "жизненно необходимые" частоты, отфильтровывая замаскированные и слабослышимые. Причем это проявляется тем больше, чем с меньшим битрейтом производится кодирование. Основываясь на опыте можно предположить, что битрейт, достаточный для "точной" передачи CD-звучания, лежит в пределах от 192 до 320 Кбит/с (в зависимости от кодируемого аудио сигнала и, конечно, самого слушателя). Безусловно, при таком кодировании объем, занимаемый полученным MP3-потоком, увеличивается пропорционально поднятию битрейта.

Найти компромисс можно, конечно, всегда. Лично я при создании своей аудиотеки использую для компрессии переменный битрейт (VBR - variable bit rate) в пределах от 112 до 192 Кбит/c и ABR (об отличиях этих режимов читайте в обсуждении выше). Кодирование с VBR возможно как следствие фреймовой структуры MP3-потока. Аудио поток при компрессии в MP3 разбивается на мелкие отрезки (фреймы) после чего происходит кодирование каждого фрейма в отдельности. В случае обычного CBR (Constant Bit Rate - постоянный битрейт) кодирование всех фреймов производится с одинаковыми параметрами. В случае же VBR и ABR, каждый фрейм кодируется со своим битрейтом. То есть при использовании VBR и ABR кодер сам выбирает какой битрейт в наибольшей степени подходит для кодирования данного фрейма. Кодирование на ABR и VBR осуществляется, например, кодером Lame. Все известные мне современные проигрыватели аудио нормально "понимают" MP3, кодированные на VBR и ABR

Какие альтернативные MPEG-1 Layer III (MP3) алгоритмы компрессии существуют?

Действительно, на MP3 свет клином не сошелся. Параллельно MP3 появляются и развиваются не менее, а иногда, и более прогрессивные алгоритмы компрессии звука. Перечислять все алгоритмы нет надобности. Следует отметить только, что существуют алгоритмы по своим возможностям и качеству во многом превосходящие MP3. Один из таких алгоритмов это MPEG-2 AAC.

MPEG-2 AAC. MPEG-2 Advanced Audio Coding – продвинутое аудио кодирование) стал результатом кооперации усилий института Fraunhofer, компаний Sony, NEC и Dolby. MPEG-2 AAC является технологическим приемником MPEG-1. Существует несколько разновидностей этого алгоритма: Homeboy AAC, AT&T a2b AAC, Liquifier AAC, Astrid/Quartex AAC и Mayah AAC. Наиболее высокое качество звучания по сравнению c MPEG-1 Layer III обеспечивают две предпоследние реализации. Все приведенные разновидности алгоритма AAC не являются совместимыми между собой.

Так же, как и в комплекте аудио стандартов кодирования MPEG-1, в основе алгоритма AAC лежит психоакустический анализ сигнала. Вместе с тем, алгоритм AAC имеет в своем механизме множество дополнений, направленных на улучшение качества выходного аудио сигнала. В частности, используется другой тип преобразований, улучшена обработка шумов, изменен банк фильтров, а также улучшен способ записи выходного бит-потока. Кроме того, AAC позволяет хранить в закодированном аудио сигнале т.н. «водяные знаки» (watermarks) – информацию об авторских правах. Эта информация встраивается в бит-поток при кодировании таким образом, что уничтожить ее становится невозможно не разрушив целостность аудио данных. Эта технология (в рамках Multimedia Protection Protocol) позволяет контролировать распространение аудиоданных (что, кстати, является препятствием на пути распространения самого алгоритма и файлов, созданных с помощью него). Следует отметить, что алгоритм AAC не является обратно совместимым (NBC – non backwards compatible) с уровнями MPEG-1 не смотря на то, что он представляет собой продолжение (доработку) MPEG-1 Layer I, II, III.

Говоря о качестве звука, можно сказать, что поток AAC 96 Кбит/с обеспечивает качество звучания, аналогичное потоку MPEG-1 Layer III 128 Кбит/с. При компрессии AAC 128 Кбит/с, качество звучания ощутимо превосходит MPEG-1 Layer III 128 Кбит/с.

Из всех разновидностей MPEG-2 AAC особо выделяется, пожалуй, Liquifier AAC (файлы, созданные с помощью этого алгоритма обычно имеют расширение .LQT). Этот алгоритм обеспечивает как наивысшее качество звучания среди всех подобных алгоритмов, так и некоторые дополнительные возможности, например, хранение внутри .LQT-файлов графических изображений обложек CD и эмблем, а также текстовую информацию. Следует сказать, что Liquifier AAC является коммерческим продуктом в отличие от своего, пожалуй, не намного уступающего по качеству собрата Astrid/Quartex AAC.

Mayah AAC - молодой кодек (на момент создания документа). По поводу него можно сказать, что будущего он не имеет. По некоторым оценкам, качество Mayah AAC в сравнении с другими енкодерами AAC ужасно. Кроме того, стало известно, что сама программа стоит много денег и распространяется лишь среди звукозаписывающих студий. Вероятнее всего, кодек не попадет в руки к обычным пользователям.

Несколько слов необходимо сказать и о другом прогрессивном алгоритме TwinVQ(Transform-domain Weighted Interleave Vector Quanization), разработанном фирмой Nippon Telegraph and Telephone Corp. (NTT) в Human Interface Laboratories и лицензированном фирмой Yamaha (продукты от Yamaha, основанные на TwinVQ, распространяются под торговой маркой SoundVQ). Этот метод позволяет сжимать цифровые потоки с коэффициентом компрессия до 1:20. При этом качество звучания потока TwinVQ при 96 Кбит/с практически идентично качеству звучания потока MPEG-1 Layer III (при 128 Кбит/с) и MPEG-2 AAC (при 96 Кбит/с). Алгоритм TwinVQ позволяет кодировать данные во всем диапазоне слышимых частот (до 22 КГц) и, также как и MPEG, производить декодирование и воспроизведение потока одновременно с его получением (stream playback). Кстати, говоря об алгоритме TwinVQ следует сказать также, что трудоемкость этого алгоритма намного выше трудоемкости, например, алгоритма MPEG-1 Layer III, так что программы-компрессоры, основанные на алгоритме TwinVQ работают в 5-10 раз медленнее, чем Layer III-компрессоры. Следует сказать также, что наработки TwinVQ используются в стандарте MPEG-4. По различным оценкам, TwinVQ в нижнем диапазоне частот превосходит по качеству MPEG-1 Layer III, уступая ему на верхних частотах. TwinVQ поддерживает кодирование с переменным битрейтом (VBR), а также имеет поддержку т.н. несимметричного битрейта, когда разные каналы кодируются с отличными битрейтами.

Алгоритм (кодек) Windows Media Audio (WMA) от Microsoft (есть еще WMV - Windows Media Video - его мы здесь не обсуждаем). Алгоритм WMA, также как и все рассмотренные ранее, позволяет потоковое воспроизведение (stream playback). Качество WMA (если говорить о WMA 7.0 и 8.0) при скорости потока 64 Кбит/c практически не уступает качеству MPEG-1 Layer III 96-128 Кбит/с, а при 96 Кбит/с может превосходить MPEG-2 AAC 128 Кбит/с ("может"- не значит "всегда", то бишь, речь идет о субъективно воспринимаемом качестве звучания). Для хранения потока в формате WMA используется универсальный потоковый файловый формат .ASF (Advanced Audio Streaming), пришедший на замену .WAV. Вообще говоря, .ASF - это универсальный формат для хранения аудио и видео информации, сжатой с помощью самых разнообразных кодеков. .ASF имеет также и свою несколько сокращенную разновидность .WMA. Файлы .WMA предназначены исключительно для хранения аудио данных. Говоря о WMA как о кодеке, следует сказать, что в последнее время он становится все более популярным, так как Microsoft встроила его в Windows'2000 и Windows'2001, превратив его таким образом в стандарт. Следует отметить также, что сохранить поток WMA в .WAV-структуру невозможно (возможно, по чисто политическим причинам). На сегодняшний день существует несколько версий WMA: v1, v2, v7 и v8. V7 отличается от младших собратьев поддержкой битрейтов до 192 Kbps (в отличие от 164 Kbps в V1 и V2), несколько худшим качеством кодирования и иной структурой данных. Версия 8 отличается от всех предыдущих явно переработанной психоакустической моделью кодека, за счет чего качество кодирования сильно возросло. Так, при 64 Kbps WMA v8.0 на не сильно требовательных к качеству композициях (поп-музыка, например) почти не отличим от MP3 при 128 Kbps, хотя, опять же, все зависит от конкретной композиции и аппаратуры, на которой осуществляется прослушивание. Изначально, обсуждаемый кодек разрабатывался фирмой Voxware и имел название Voxware Audio Codec. Впоследствии компания забросила его доработку остановившись на v4.0, но кодек не остался гнить и был полностью куплен фирмой Microsoft. Программисты сильно доработали этот кодек, а фирма Microsoft переименовала кодек в Windows Media Audio, не забыв позаботиться о том, чтобы он был бесплатным.

Алгоритм PAC (Perspective Audio Coding) от Bell Labs & Lucent Technologies. По различным данным обеспечивает аналогичное (или выше) MPEG-1 Layer III 128 Кбит/с качество звучания при 64 Кбит/с. Поддерживаются также 96 и 128 Кбит/с. Алгоритм позволяет потоковое воспроизведение (stream playback). Имеет встроенный механизм защиты. Обладает высокой скоростью компрессии.

Еще один кодек: Ogg Vorbis, вышел в свет в июне 2000. Этот формат является частью проекта Ogg Squish по созданию полностью открытой системы мультимедиа. Иными словами, и сам проект, и Ogg Vorbis в частности являются открытыми и свободными для распространения, а также разработки на его основе нового программного обеспечения. В FAQ от разработчика (группа Xiphophorus) написано, что Ogg Vorbis является алгоритмом, принципиально схожим с известными MPEG-1 Layer II, MPEG-2 AAC, VQF и проч., однако использует оригинальный математический алгоритм и собственную психоакустическую модель, что освобождает его от необходимости выплачивать какие-то лицензионные сборы и производить иные выплаты сторонним фирмам-изготовителям аудио форматов. Алгоритм Ogg Vorbis рассчитан на сжатие данных на всех возможных битрейтах без ограничений, то есть от 8 Kbps до 512 Kbps, а также на кодирование с переменным битрейтом (VBR). Алгоритм предусматривает хранение внутри файлов подробных комментариев об исполнителе и названии композиции, а также графической информации. В алгоритме предусматривается также возможность кодирования нескольких каналов аудио (более двух, теоретически до 255), возможность редактирования содержимого файлов, а также так называемый "масштабируемый битрейт" - возможность изменения битрейта потока без необходимости декодирования. Поддерживается потоковое воспроизведение (streaming). Для хранения данных используется собственный универсальный формат bitstream Ogg Squish, рассчитанный на хранение любой информации мультимедиа системы Ogg Squish (идея реализация универсального формата bitstream Ogg Squish аналогична идее ASF от Microsoft).

Кодек MP3 Pro анонсирован в июле 2001 года компанией Coding Technologies вместе с Tomson Mulimedia и институтом Fraunhofer. Формат MP3Pro является продолжением, или, точнее, развитием старого MP3. MP3Pro является совместимым с MP3 назад (полностью) и вперед (частично). То есть файлы, закодированные с помощью MP3Pro, можно воспроизводить в обычных проигрывателях, однако качество звучания при этом заметно хуже, чем при воспроизведении в специальном проигрывателе. Это связано с тем, что файлы MP3Pro имеют два потока аудио, в то время как обычные проигрыватели распознают в них только один поток, то есть обычный MPEG-1 Layer 3. В MP3Pro использована новая технология - SBR (Spectral Band Replication).Эта технология предназначена для передачи верхнего частотного диапазона. Идея технологии и предпосылки таковы. Дело в том, что технологии использования психоакустических моделей имеют один общий недостаток: все они работают качественно до битрейта 128 Kbps. На более низких битрейтах начинаются различные проблемы: либо для передачи аудио необходимо обрезать частотный диапазон, либо кодирование приводит к появлению различных артефактов. Этот ключевой момент показывает, что использования психоакустической модели мало при работе с битрейтами ниже 128 Kbps. Новая технология SBR дополняет использование психоакустических моделей. Идея следующая: передается (кодируется) чуть более узкий диапазон частот чем обычно (то есть 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. Загадочный второй "параллельный" поток данных, о котором говорилось выше, как раз и есть та минимальная необходимая информация, которая используется при воспроизведении для восстановления верхних частот. Мне пока достоверно не известно, какую точно информацию несет этот поток, однако проведенные исследования показывают, что эта информация - есть усредненная мощность сигнала в верхнем (обрезанном) диапазоне частот. Точнее не одна усредненная мощность для всего диапазона вырезанных частот, а информация о средней мощности в нескольких полосах частот верхнего диапазона. Качество звучания MP3Pro можно назвать субъективно очень хорошим даже на битрейте 64 Кбит/с, другими словами, субъективно несложные композиции при таком битрейте воспринимаются не хуже чем MP3 128 Кбит/с. Однако необходимо учитывать тот факт, что такое звучание достигается искусственным путем, и что слышимый сигнал представляет собой уже не столько оригинал, сколько синтезированную копию оригинала, что заставляет задуматься меломанов, обладателей высококачественной аудио аппаратуры, а также просто ценителей качественного оригинального звучания.