Формат МРЗ

МРЗ — сокращение от MPEG Lауег3. Это один из основных цифровых форматов хранения аудио, разработанный Fraunhofer IIS и THOMSON, позднее утвержденный как часть стандартов сжатого видео и аудио MPEG1 и MPEG2. Данная схема является наиболее сложной схемой семейства MPEG Layer 1/2/3. Она требует наибольших затрат машинного времени для кодирова­ния по сравнению с двумя другими и обеспечивает более высо­кое качество кодирования. Используется главным образом для передачи аудио в реальном времени по сетевым каналам и для кодирования Audio CD.

Высокая степень компактности МРЗ при сохранении качества звучания достигается с помощью дополнительного квантования по установленной схеме, позволяющей минимизировать по­тери качества.

Степень сжатия и, соответственно, объем дополнительного квантования, определяются не форматом, а самим пользовате­лем при задании параметров кодирования. Ширина потока, или битрейт (bitrate) может изменяться от наибольшего для МРЗ (320 кбит/с) до 96 кбит/с и даже ниже. Термин битрейт обозначает общую ширину потока, независимо от того, монофо­нический или стереофонический сигнал он содержит.

При испытаниях опытные эксперты, специализирующиеся на субъективной оценке качественности звучания, не смогли различить звучание оригинального трека на CD и закодирован­ного в МРЗ с коэффициентом сжатия 6: 1, т. е. с битрейтом в 256 кбит/с.

Более низкие битрейты, несмотря на их популярность, не дают возможности обеспечить надлежащее качество кодирова­ния. Объективно и 256 кбит/с не дает возможности осуществить полностью обратимое кодирование, то же самое можно сказать и про наивысший битрейт — 320 кбит/с, но отличия от CD Audio, по которому кодируется тестовый МРЗ, сравнимы с отличиями самого CD Audio от исходного высококачественного сигнала, из которого он был получен путем оцифровки.

Поэтому самое большое на сегодня преимущество МРЗ перед другими подобными форматами состоит в том, что ни про один другой формат нельзя пока уверенно сказать, что он полностью гарантирует устойчивое сохранение качества звучания на доста­точно высоких битрейтах, или что для него написано такое же множество удобного программного обеспечения, как для МРЗ.

Файл формата МРЗ (обычно используется расширение *. mp3) может также содержать информацию о файле непосредственно в заголовке: имя исполнителя, графику (альбом диска), KL для дальнейшей информации, текст песни и т. д.

Процесс кодирования. Перед кодированием исходный сигнал разбивается на участки, называемые фреймами, каждый из которых кодируется отдельно и помещается в конечный файл независимо от других. Последовательность воспроизведения определяется порядком Расположения фреймов. Каждый фрейм может кодироваться с разными параметрами. Информация о них со­держится в заголовке фрейма.

Кодирование начинается с того, что исходный сигнал с по­мощью фильтров разделяется на несколько, представляющих от­дельные частотные диапазоны, сумма которых эквивалентна ис­ходному сигналу.

Для каждого диапазона определяется величина маски­рующего эффекта, создаваемого сигналами соседних диа­пазонов и сигналом предыдущего фрейма. Если она превышает мощность сигнала интересующего диапазона или мощность сиг­нала в нем оказывается ниже определенного опытным путем по­рога слышимости, то для данного фрейма данный диапазон сиг­нала не кодируется.

Для оставшихся данных каждого диапазона определяется, сколькими битами на сэмпл можно пожертвовать, чтобы поте­ри от дополнительного квантования были ниже величины маскирующего эффекта. При этом учитывается, что потеря одного бита ведет к внесению шума квантования величиной порядка 6дБ.

После завершения работы психоакустической модели фор­мируется итоговый поток, который дополнительно кодируется по Хаффману, на этом кодирование завершается.

Кроме того, кодирование стереосигнала осуществляется че­тырьмя различными методами:

• Dual Channel — каждый канал получает ровно половину потока и кодируется отдельно, как моносигнал. Рекомен­дуется главным образом в случаях, когда разные каналы содержат принципиально разный сигнал — скажем, текст на различных языках;

• Stereo — каждый канал кодируется отдельно, но кодер мо­жет принять решение отдать одному каналу больше места, чем другому;

• Joint Stereo (MS Stereo) — стереосигнал раскладывается на средний между каналами и разностный. При этом второй кодируется с меньшим битрейтом. Это позволяет несколь­ко увеличить качество кодирования в обычной ситуации, когда каналы по фазе совпадают. Но приводит и к резкому его ухудшению, если кодируются сигналы, по фазе не сов­падающие;

• Joint Stereo (MS/IS Stereo) — вводит еще один метод упро­щения стереосигнала, повышающий качество кодирования на особо низких битрейтах. Состоит в том, что для некото­рых частотных диапазонов оставляется уже даже не разностный сигнал, а только отношение мощностей сигнала в разных каналах. Очевидно, для кодирования этой инфор­мации употребляется еще меньший битрейт. MS Stereo — частный случай MS/IS Stereo, когда переменная, отвечаю­щая за кодируемый таким образом диапазон, принимает нулевое значение.

Скорости передачи. На низких битрейтах всегда срезаются мелкие, сравнительно тихие детали, наличие или отсутствие ко­торых нередко серьезно меняет эмоциональную окраску компо­зиции, придает или лишает ее таких эффектов, как ощущение «кристальной чистоты» звука (в той мере, в которой она присут­ствует в CD Audio). Кроме того, в соответствии с психоакустиче­ской моделью, высшие (более 16 кГц) частоты на низких битрейтах кодируются с очень низким приоритетом. Кроме того, имеют место разные особенности кодеров. Так, у кодеров от FhG IIS на 128 кбит/с могут оказаться «смазанными» верхние частоты, наблюдается эффект «шепелявости». Узкое место всех схем компрессии класса MPEG — участки с резкими измене­ниями сигнала. В случае МРЗ задержка может достигать величин порядка 160 мс, теоретический минимум — 59 мс.

На высших битрейтах при последовательном применении психоакустической модели, разработанной FhG IIS, проблемы могут доставлять только ошибки, внесенные при написании ко­дера.

Битрейты порядка 112—128 кбит/с по качеству неплохи для прямых трансляций и ознакомительного прослушивания, но от­нюдь не для создания архивов музыки качества CD Audio.

Любители МРЗ по-разному оценивают степень приемлемо­сти одних и тех же битрейтов и имеют свой взгляд на то, какой именно битрейт следует считать оптимальным. Одни выбирают 128 кбит/с, другие — 160 кбит/с, третьи золотую середину: 192—256 кбит/с, некоторые — 320 кбит/с.

Из этого можно сделать три вывода. Во-первых, битрейт 256 кбит/с следует считать пограничным. Во-вторых, для абсо­лютного большинства пользователей он действительно достато­чен. В-третьих, для высокого качества следует несколько увели­чить запас скорости.

С Другой стороны, те же тесты определили диапазон «—192 кбит/с как в большинстве случаев вполне приемлемый я хранения аудио на компьютере, например, в компьютерных Tax, когда внимание отвлечено.

Следующий после 256 кбит/с битрейт — 320 кбит/с, он же — максимальный для кодирования аудио с характеристиками CD Audio, т. е. 44, 1 кГц 16 бит Stereo. В данном случае мы имеем запас в ¹/₄ от битрейта 256 кбит/с, и его вполне можно считать достаточ­ным в силу имеющихся данных о степени улучшения качества ко­дирования при кодировании на 160 кбит/с вместо 128 кбит/с.

Однако различие между качеством звука на битрейтах 128 кбит/с и 256 кбит/с / 320 кбит/с принципиально. Первый к качеству уровня CD никакого отношения не имеет, в отличие от двух последних.

В Internet, как правило, можно найти только МРЗ, закодиро­ванные с битрейтом 128 кбит/с. Этот битрейт был признан также, оптимальным для использования в Internet.

В XingTech был разработан кодер, использующий технику переменного битрейта (VBR), при которой разные участки трека кодируются с разным битрейтом, исходя из степени их сложности для кодирования.