Kaj je datoteka MP3?
Ne morete nikoli govoriti o zvoku in računalnikih v zadnjih 15 letih in še niste slišali za datoteko MP3. Zvočne datoteke MP3 in spletna mesta, kot je izvirni Napster, so sprožili premik v tem, kje, kako in kdaj so ljudje pridobili glasbo. Če ste na starejšem koncu spektra, tako kot mnogi od nas v industriji mobilne elektronike, potem ste svoje CD-je, kasete in morda celo vinil kupili v trgovini s ploščami. Računalniki in internet so to spremenili. Po večerji lahko greš na splet in v nekaj minutah preneseš nezakonito kopijo pesmi. Bilo je narobe, vendar so ljudje na ta način pridobili na desetine milijonov pesmi.
V devetdesetih in zgodnjih dvajsetih letih je bil dostop do interneta počasen. Na internet smo se začeli povezovati s telefonskimi linijami in modemi. Vsak bajt informacij je potreboval čas za prenos v vaš računalnik, zato je bilo vse, kar bi pospešilo proces, poslastica. Prenos (kraja) glasbe prek interneta je tisto, kjer se je priljubljenost zvočne datoteke MP3 srečala s svojim klicem.
Učitelj digitalnega zvoka
Lahko bi napisali 10 člankov o digitalnem zvoku – in res bi lahko. Zaenkrat si bomo ogledali osnove in kot referenco uporabili kompaktni disk (CD). CD-ji hranijo digitalni zvok, vzorčen pri 44,1 kHz z ločljivostjo 16 bitov. Te številke pomenijo, da ima lahko vsak vzorec amplitudo, ki je ena sama vrednost v obsegu 65.536 različnih ravni (2 na potenco 16). Informacije se vzorčijo 44.100-krat na sekundo. Vzorčenje pri tako imenovanem 44,1/16 omogoča zajem slišnega obsega zvoka (od 20 Hz do 20 kHz) z dobrimi podrobnostmi in natančnostjo.
Za shranjevanje 1 sekunde zvoka pri tej ločljivosti moramo shraniti 1.411.200 bitov informacij. Vsakdo, ki se je igral s programsko opremo za prekodiranje zvoka, lahko prepozna 1411 kbps kot standardno hitrost prenosa podatkov. To število se izračuna tako, da se število bitov na vzorec (16) pomnoži s številom vzorcev na sekundo (44.100) pomnoženo z 2. Faktor krat 2 je zato, ker snemamo v stereo načinu – kar je dva kanala. Torej je 3-minutna skladba 254.016.000 bitov ali 31.752.000 bajtov.
Zaokrožimo na 31 megabajtov informacij. Si lahko predstavljate, koliko časa traja prenos tega z klicnim modemom, ki deluje pri 14.400 baudih? Odgovor je vsaj 3,5 minute – brez preverjanja napak, motenj na liniji in drugih dejavnikov, ki upočasnijo dejanski čas prenosa na približno 5,5 minut.
Stiskanje podatkov
Kaj pa, če bi nekdo našel način za zmanjšanje velikosti zvočne datoteke, da bi pospešil čas prenosa in zmanjšal uporabo pasovne širine? Opozorilo je, da zvok še vedno zveni v bistvu enako na večini osnovnih avdio sistemov, kot so TV, računalniški zvočniki ali tovarniški avtomobilski radio iz 1990-ih. Leta 1991 je skupina podjetij, vključno z inštitutom Fraunhofer, France Telecom, Philips, TDF in IRT, začela delati na načinu zmanjšanja velikosti datoteke ob ohranjanju ustreznih informacij. To je ključ do zmanjšanja velikosti datoteke s stiskanjem MP3.
Format datoteke MP3 je algoritem stiskanja z izgubo. Stiskanje z izgubo pomeni, da se informacije zavržejo, da se zmanjša velikost datoteke. Razvojna skupina je delala na metodi stiskanja, imenovani zaznavno kodiranje, da bi se odločila, katere informacije odstraniti. Zaznavno kodiranje temelji na tem, kako slišimo zvoke glede na druge informacije, in na mejah našega sluha.
Kaj zavržejo datoteke MP3
Analizirali bomo informacije, ki jih datoteke MP3 odstranijo, da zmanjšajo velikost datoteke. Eden najpreprostejših načinov za zmanjšanje shranjevanja informacij je zmanjšanje najvišje frekvence, ki bo reproducirana. Če analiziramo datoteko MP3 s hitrostjo 128 kbps, vidimo, da je najvišja frekvenca reprodukcije tik pod 16 kHz. Če bi bila to edina informacija, ki je bila odstranjena, bi bila naša nova bitna hitrost s 16-bitnimi vzorci v stereo načinu približno 1.004.800 kbps namesto 1.411.200 kbps za 20,05 kHz.
Naslednji del postopka stiskanja analizira vsebino, ki je skupna obema kanaloma. Običajno je, da so nekateri deli posnetka tako rekoč mono. Postopek kodiranja odstrani podvojene informacije iz datoteke in doda kodo za kopiranje nasprotnega kanala. Če bi bil zvočni posnetek čisto mono, bi bila velikost datoteke razdeljena na dva dela. Nekaj skladb je popolnoma mono, vendar lahko opazimo več prihranka prostora s tem postopkom.
Nadaljnja obdelava obravnava informacije na nizki ravni med prehodi z visoko amplitudo. Uporabimo primer pesmi z veliko nizkimi toni in nekaj zelo tihimi informacijami o harmoničnih srednjih tonih. Postopki zaznavnega kodiranja, kot je MP3, bodo te informacije na nizki ravni odstranili iz zvočnega posnetka. Ta postopek se imenuje maskiranje zvoka. Na drugih frekvencah je dovolj zvočnih informacij, da vas odvrnejo od tega, kar je odstranjeno.
Slišiš razliko?
Na desetine – ne, na stotine – testov je primerjalo datoteke MP3 s polnimi zvočnimi posnetki kakovosti CD. Ali obstajajo razlike? Gotovo so. Med našo raziskavo je postalo jasno nekaj:način ustvarjanja datoteke MP3 je ključnega pomena za njeno subjektivno kakovost zvoka. Različni kodirniki delujejo na različne načine z različnimi rezultati.
Morda je najboljši način za opis razlike med posnetkom CD-kakovosti in datoteko MP3 ta, da pogledamo razliko med obema. Želim si, da bi tukaj delili nekaj vzorcev, ki bi jih lahko poslušali, vendar bi to kršilo zakone o avtorskih pravicah. Kar lahko storimo, je, da vam vizualno pokažemo razliko.
Vzeli smo 3-sekundni vzorec iz »Give Life Back to Music« skupine Daft Punk. To skladbo smo izbrali zaradi jasnega in zavestnega prizadevanja skupine Daft Punk, da bi bila različica albuma v visoki ločljivosti komercialno dostopna. Za to se jim želimo zahvaliti! Vzorec je od 31,5 sekunde do 34,5 sekunde skladbe.
Ta spektrogram prikazuje frekvenčno vsebino vzorca. Horizontalna lestvica je čas. Navpična lestvica je frekvenca. Končno intenzivnost barve prikazuje amplitudo.
Vidite lahko, da obstaja frekvenčna vsebina do 30 kHz, kar jasno kaže naravo visoke ločljivosti te skladbe. Vsak navpični barvni trak predstavlja ritem bobnarske naprave – bolj ali manj.
128 kbs analiza datoteke MP3
Jasno je, da so bile zvočne informacije nad 16 kHz odstranjene. Vsebina infrazvočne frekvence je prav tako očitno drugačna. V datoteki MP3 pod 30 Hz je več informacij v primerjavi z izvirnikom. To povečanje informacij pa se bo predstavilo kot manj dinamičen razpon.
MP3 v primerjavi z izvirno datoteko
Datoteko MP3 smo obrnili in jo dodali izvirnemu vzorcu, da bi dobili sliko, ki jo vidite tukaj. Končni rezultat je razlika med obema skladbama. Vidite lahko visokofrekvenčno vsebino, ki je bila odstranjena nad 16 kHz. Pravzaprav so bile informacije odstranjene na vseh frekvencah in te informacije sledijo vzorcu intenzivnosti zvočne datoteke.
Prvotna datoteka ima najvišjo amplitudo -0,1 dB za oba kanala in povprečno amplitudo približno -14,2 dB. Odstranjena informacija ima najvišjo raven -10,9 dB in povprečno amplitudo -37,01. Odstranjene informacije so zakopane globoko pod informacijami o najvišji amplitudi.
Kako zveni odstranjeni zvok? Posnetek bi opisali kot zvok oddaljene koračnice. Zvok je večinoma visokofrekvenčna informacija. Skladba ima tudi izrazito bleščečo teksturo:udarci bobnarske naprave so jasni in prisotni, vendar zvenijo kot popačeni udarci činel.
Tudi pri vrhunskem predojačevalcu za slušalke in studijskih slušalkah je razliko težko zaznati pri preklapljanju med izvirno skladbo in datoteko MP3. V okolju za poslušanje z večjo zvočno kuliso je morda bolj očitno.
Zaključki o datotekah MP3
Puristi vam bodo rekli, da bi morali imeti na voljo posnetke najvišje kakovosti. Tej logiki ni nič narobe. Zakaj bi varčevali, če imate vse? Datoteke MP3 z visoko bitno hitrostjo, na primer tiste pri 320 kbps, so odlične kakovosti. Večkratno preizkušanje je pokazalo, da je razlike v zvoku med posnetkom kakovosti CD-ja in datoteko MP3 s hitrostjo 320 kbps skoraj nemogoče zaznati, ko je ustvarjen s kakovostnimi algoritmi za stiskanje. Datoteke MP3 z nižjo bitno hitrostjo začnejo razpolagati z več informacijami in razlike postanejo večje.
Najnovejše izvorne enote na trgu so sposobne predvajati zvočne datoteke WAV in FLAC velike ločljivosti in bitne globine. V kratkem bomo videli enote, ki bodo predvajale datoteke MQA prek digitalnih povezav. Skoraj vsak vir bo obdelal datoteke MP3 in WMA.
Še danes obiščite svojega lokalnega prodajalca mobilne elektronike in prinesite s seboj nekaj glasbe, v kateri boste uživali. Menimo, da boste navdušeni – ne glede na to, katero obliko izberete.