MPEG - семейство стандартов сжатия

MPEG - семейство стандартов сжатия звуковой и видео информации, разработанное при участии экспертной группой кинематографии (Moving Picture Experts Group - MPEG). Самый первый стандарт MPEG, MPEG-1 был разработан в 1992 г. и использовался, главным образом, для сжатия фильмов на Video CD. Со временем, были разработаны стандарты предназначенные для сжатия именно звука. Кодирование звука в MPEG может осуществляться тремя способами: Layer I, Layer II, Layer III. Layer III достигает наибольшей степени сжатия, требуя при этом больше вычислительных ресурсов на кодирование.

MP3 (MPEG Layer 3)

Самый известный цифровой формат на сегодняшний день. Он создавался с целью упростить и удешевить пересылку музыкальных файлов большого формата по Интернету. Как же удалось уменьшить размер конечной композиции? Дело в том, что человеческое ухо, как правило, «воспринимает» полезный сигнал в диапазоне 20 Гц – 20КГц, а всё, что находится вне этого коридора – идёт как фоновый шум.

. При «кодировании» (переводе) в другие аудиоформаты, «лишние» данные вырезаются, что даёт экономию в размере файла, а оставшееся «сжимают» с помощью специальных алгоритмов. Благодаря этому объем записи значительно сокращается по сравнению с традиционными аналоговыми методами записи музыки, например Audio CD. Соотношение объём/качество композиции определяется степенью сжатия (также называемую битрейтом).

Битрейт – это количество информации, которым кодируется или описывается одна секунда звучания (kbps – количество килобит в секунду). Чем выше битрейт, тем ближе качество к эталону – звучанию компакт-диска, но и сама мелодия будет занимать больше места. Диапазон битрейтов формата MP3 – от 8 до 320 килобит/сек. Нижняя граница качества, начинается со 128 кб/сек. Оптимальные для использования значения битрейта – от 192 килобит и выше – звучание будет плавным и более естественным. На многих MP3 – сборниках часто пишется, с каким битрейтом сохранены композиции. Бывают MP3 – файлы с битрейтом больше 320 килобит в секунду, но из-за особенности самого формата в этом нет смысла – т.к. качество останется на уровне 320 кб/сек., а места такие композиции будут занимать ещё больше. MP3 – файлы с низким битрейтом – например, 64 кб/сек. часто используются в сотовых телефонах с поддержкой MP3 – рингтонов и малым количеством встроенной памяти (они занимают мало места, а при воспроизведении через динамик сотового разница в битрейтах не столь заметна.)

Более подробная информация в приложении.

Существует три режима сжатия потоковых данных:

1. с постоянным битрейтом (англ. Constant BitRate - CBR)

2. с переменным битрейтом (англ. Variable BitRate - VBR)

3. с усредённым битрейтом (англ. Average BitRate - ABR)

Постоянный битрейт (СBR – constant bitrate).

Количество информации, выделяемое на одну секунду, постоянно на протяжении всей композиции.

Переменный битрейт(VBR – variable bitrate).

При использовании переменного битрейта (VBR). Кодек выбирает нужный битрейт, исходя из параметров (уровня желаемого качества ), причем в течение кодируемого фрагмента битрейт может изменяться. При сжатии звука нужный битрейт определяется на основе психоакустической модели (то есть делает музыку более «живой»), что позволяет уменьшить объем конечного файла при небольших потерях в качестве звучания.

Усреднённый битрейт

ABR - разновидность VBR, в которой кодек при сжатии придерживается заданного среднего значения.

ID3TAG или «тэги».

Звуковой формат MPEG уровень I, уровень II и уровень III (MPEG layer I, layer II and layer III) - MP3 не имеет собственного способа сохранения информации о своём содержимом. Решение данной проблемы было предложено программой Studio3 Эрика Кемпа (Eric Kemp) в 1996 году. Добавление небольшого куска внешних данных в конец файла позволило MP3 файлу нести дополнительную информацию о своём содержании (название песни и исполнителя, жанр композиции и т.п.), а не только сам звук и отображать эту информацию на дисплее во время проигрывания композиции (на рисунке 1).

!!! Важно!!!! – поддержка русских «тэгов» ещё не означает, что плеер поддерживает меню на русском.

битрейт	Коэффициент сжатия	Качество	Распространенность и использование
320 kbs	4:1	Максимальное качество, абсолютно неотличимое от CD. Его использование оправдано для сложной классической музыки, для более простой музыки он излишен.	Малораспространен, пользуется популярностью только среди узкого круга наиболее "радикальных" аудиофилов с музыкальным слухом J
256 kbs	5:1	Отличное качество. Неотличимо от CD качества в большинстве случаев, даже на профессиональной аппаратуре	Популярен среди меломанов, используется для сжатия сложной музыки.
198 kbs	7:1	Очень хорошее качество	По мере распространения широких каналов доступа к интернет, данный битрейт становится все более популярным, отбирая "пальму первенства" у битрейта 128 kbs
160 kbs	8:1	Хорошее качество	Данный битрейт достаточно малопопулярен, так как до распространения широких выделенных каналов доступа в интернет он не мог конкурировать с 128 kbs по размеру файлов, а с ростом пропускной способности каналов интернета он стал не в состоянии конкурировать с битрейтом 198 kbs, обеспечивающим практически идеальное звучание.
128kbs	11:1	Приемлемое качество. Не очень хорошо сохраняются высокие частоты и имеют место некоторые искажения звука. Однако, при использовании обычной звуковой аппаратуры, разницы для непрофессионала не будет заметно	Самый популярный формат, большинство файлов во всемирной сети Internet все еще закодировано именно с такой степенью сжатия

Альтернативные форматы

Несколько лет назад формат Mp3 совершил настоящую революцию. Но прогресс не стоит на месте, и многие компании разрабатывают новые форматы, призванные превзойти Mp3 как по качеству звучания, так и по малому размеру файлов. И, хотя формат Mp3 все еще неоспоримо является самым распространенным, давление со стороны форматов-конкурентов становится все сильнее.

Формат WMA

WMA (Windows Media Audio) система сжатия разработанная Microsoft, является серьезной альтернативой МР3. Файлы этого формата имеют расширения .WMA и .ASF, обладают явным преимуществом перед МР3 на низких битрейтах (64 и 96kb/s) и теряют его на высоких (196 и 256kb/s), т.е. если вам необходима сильно сжатая музыка лучше использовать формат .WMA.

Особенности:

· На основе WMA разработан стандарт WMA DRM, реализующий близкую сердцу звукозаписывающих компаний защиту от копирования. Файлы можно записывать на МР3-флэш-плееры, однако скопировать их оттуда нельзя.

· Высокая распространенность - по распространенности он занимает второе место после Mp3 и поддерживается большинством современных плееров, как софтверных, так и аппаратных.

· Использование формата WMA является бесплатным для разработчиков программного и аппаратного обеспечения. (Если создан новый плеер, способный работать с этим форматом, разработчикам не придется платить компании Microsoft J )

Формат Ogg Vorbis

Формат Ogg Vorbis - относительно новый универсальный формат сжатия звука. Он принадлежит к тому же типу форматов аудиосжатия, что и МР3 и WMA, потому что алгоритм сжатия, по принципам действия близок к МР3. Распространение формата сдерживается недостаточной поддержкой со стороны производителей аппаратуры.

Особенности:

· теоретическое число каналов не ограничено двумя, как обычно, а достигает 255.

· Файлы, закодированные в этом формате, меньше таких же файлов в МР3.

· Ogg vorbis является полностью открытым форматом, тем самым его использование является абсолютно бесплатным.

· Поддержка битрейта до 500kb/s.

Формат AAC

Формат AAC Разработан компанией-разработчиком формата Mp3 и представляет собой дальнейшее развитие этого формата.

Особенности:

Объем файла на четверть меньше чем Mp3 при том же качестве.
Технология водяных знаков (watermarks), предоставляющая возможность вносить в состав сжатого потока любую информацию: сведения об исполнителях, информацию, касающуюся авторских правах и т.д. В отличие от тэгов, информацию в виде водяных знаков практически невозможно удалить. Сделано это, главным образом, для защиты авторских прав и поэтому для определенных категорий пользователей может считаться, скорее, недостатком.

· Высокая ресурсоемкость (необходимы компьютеры и плееры с высокими техническими характеристиками)