Što je MP3 datoteka?
Ne možete razgovarati o zvuku i računalima u posljednjih 15 godina, a da niste čuli za MP3 datoteku. MP3 audio datoteke i web stranice, poput izvornog Napstera, pokrenule su promjenu u tome gdje, kako i kada su ljudi nabavljali glazbu. Ako ste na starijem kraju spektra, poput mnogih od nas u industriji mobilne elektronike, tada ste kupili svoje CD-ove, kazete i možda čak i svoj vinil u trgovini ploča. Računala i internet su to promijenili. Možete otići na internet nakon večere i preuzeti ilegalnu kopiju pjesme u nekoliko minuta. Bilo je pogrešno, ali ljudi su na ovaj način stekli desetke milijuna pjesama.
U 1990-ima i ranim 2000-ima pristup internetu bio je spor. Počeli smo se spajati na internet putem telefonskih linija i modema. Svaki bajt informacija trebao je vremena da se prenese na vaše računalo, tako da je sve što bi ubrzalo proces bilo poslastica. Preuzimanje (krađa) glazbe putem interneta mjesto je gdje se popularnost MP3 audio datoteka susrela sa svojim pozivom.
Priča o digitalnom zvuku
Mogli bismo napisati 10 članaka o digitalnom zvuku – i mogli bismo. Za sada ćemo se osvrnuti na osnove i koristiti kompaktni disk (CD) kao referencu. CD-ovi pohranjuju digitalni audio uzorkovan na 44,1 kHz s rezolucijom od 16 bita. Ovi brojevi znače da svaki uzorak može imati amplitudu koja je jedna vrijednost unutar raspona od 65 536 različitih razina (2 na potenciju 16). Informacije se uzorkuju 44.100 puta u sekundi. Uzorkovanje na takozvanom 44.1/16 omogućuje hvatanje čujnog raspona zvuka (smatra se od 20 Hz do 20 kHz) s dobrim detaljima i preciznošću.
Da bismo pohranili 1 sekundu zvuka u ovoj rezoluciji, moramo pohraniti 1.411.200 bita informacija. Svatko tko se igrao sa softverom za transkodiranje zvuka može prepoznati 1411 kbps kao standardnu brzinu prijenosa podataka. Taj se broj izračunava množenjem broja bitova po uzorku (16) puta broja uzoraka u sekundi (44 100) puta 2. Faktor puta 2 je zato što snimamo u stereo tehnici – što su dva kanala. Dakle, pjesma duga 3 minute ima 254 016 000 bitova ili 31 752 000 bajtova.
Zaokružimo to na 31 megabajt informacija. Možete li zamisliti koliko je vremena potrebno da se to preuzme s dial-up modemom koji radi na 14 400 bauda? Odgovor je najmanje 3,5 minute – bez provjere pogrešaka, smetnji na liniji i drugih čimbenika koji usporavaju stvarno vrijeme preuzimanja na oko 5,5 minuta.
Kompresija podataka
Što ako je netko pronašao način da smanji veličinu audio datoteke kako bi ubrzao vrijeme preuzimanja i smanjio korištenje propusnosti? Upozorenje je da zvuk i dalje zvuči uglavnom isto na većini osnovnih audio sustava, kao što su TV, računalni zvučnici ili tvornički auto radio iz 1990-ih. Godine 1991. grupa tvrtki, uključujući Fraunhofer institut, France Telecom, Philips, TDF i IRT, počela je raditi na smanjenju veličine datoteke uz zadržavanje relevantnih informacija. To je ključ za smanjenje veličine datoteke pomoću MP3 kompresije.
MP3 format datoteke je algoritam "kompresije s gubitkom". Kompresija s gubitkom znači da se podaci odbacuju kako bi se smanjila veličina datoteke. Razvojni tim radio je na metodi kompresije zvanoj perceptualno kodiranje kako bi odlučio koje informacije ukloniti. Perceptivno kodiranje temelji se na tome kako čujemo zvukove u odnosu na druge informacije i granicama našeg sluha.
Što izbacuju MP3 datoteke
Analizirat ćemo podatke koje MP3 datoteke uklanjaju kako bismo smanjili veličinu datoteke. Jedan od najlakših načina za smanjenje pohranjivanja informacija je smanjenje najveće frekvencije koja će se reproducirati. Ako analiziramo MP3 datoteku od 128 kbps, vidimo da je najveća reproducirana frekvencija nešto ispod 16 kHz. Da je to jedina informacija koja je uklonjena, naša nova brzina prijenosa sa 16-bitnim uzorcima u stereo bi bila oko 1.004.800 kbps umjesto 1.411.200 kbps za 20,05 kHz.
Sljedeći dio procesa kompresije analizira sadržaj koji je zajednički za oba kanala. Uobičajeno je da su neki dijelovi snimke praktički mono. Proces kodiranja uklanja duplicirane informacije iz datoteke i dodaje kod za kopiranje suprotnog kanala. Da je audio zapis čisto mono, veličina datoteke bila bi podijeljena na dva dijela. Malo je zapisa potpuno mono, ali vidimo da ovaj proces štedi više prostora.
Naknadna obrada gleda na informacije niske razine tijekom prolaza visoke amplitude. Upotrijebimo primjer pjesme s puno basa i nekim vrlo tihim harmonijskim srednjotonskim informacijama. Procesi perceptivnog kodiranja kao što je MP3 će ukloniti ove informacije niske razine iz audio zapisa. Taj se proces naziva maskiranje zvuka. Ima dovoljno audio informacija na drugim frekvencijama da vam odvrate pozornost od onoga što je uklonjeno.
Čuješ li razliku?
Deseci – štoviše, stotine – testova uspoređivali su MP3 datoteke s audio zapisima pune CD kvalitete. Postoje li razlike? Sigurno ih ima. Jedna stvar postala je očita tijekom našeg istraživanja:način na koji je MP3 datoteka stvorena ključan je za njezinu subjektivnu kvalitetu zvuka. Različiti koderi rade na različite načine s različitim rezultatima.
Možda je najbolji način da se opiše razlika između snimke CD kvalitete i MP3 datoteke da se pogleda razlika između to dvoje. Volio bih da ovdje možemo podijeliti neke uzorke da ih poslušate, ali to bi prekršilo zakone o autorskim pravima. Ono što mi možemo učiniti jest vizualno vam pokazati razliku.
Uzeli smo uzorak od 3 sekunde iz pjesme "Give Life Back to Music" grupe Daft Punk. Odabrali smo ovu pjesmu zbog jasnog i svjesnog nastojanja Daft Punka da verziju albuma u visokoj razlučivosti učini komercijalno dostupnom. Želimo im zahvaliti na tome! Uzorak je od 31,5 sekunde do 34,5 sekunde u pjesmi.
Ovaj spektrogram pokazuje frekvencijski sadržaj uzorka. Horizontalna ljestvica je vrijeme. Vertikalna skala je frekvencija. Na kraju, intenzitet boje pokazuje amplitudu.
Možete vidjeti da postoji frekvencijski sadržaj do 30 kHz, što jasno pokazuje prirodu visoke razlučivosti ovog zapisa. Svaka okomita traka u boji predstavlja ritam stroja za bubanj – više ili manje.
Analiza MP3 datoteke od 128 kbs
Jasno je da su audio informacije iznad 16 kHz uklonjene. Sadržaj infrazvučne frekvencije je također jasno drugačiji. U MP3 datoteci ispod 30 Hz ima više informacija u usporedbi s originalom. Ovo povećanje informacija će se, međutim, prikazati kao manje dinamički raspon.
MP3 u odnosu na izvornu datoteku
Obrnuli smo MP3 datoteku i dodali je izvornom uzorku kako bismo napravili sliku koju vidite ovdje. Konačni rezultat je razlika između dvije staze. Možete vidjeti visokofrekventni sadržaj koji je uklonjen iznad 16 kHz. Zapravo, informacije su uklonjene na svim frekvencijama, a te informacije slijede uzorak intenziteta audio datoteke.
Izvorna datoteka ima vršnu amplitudu od -0,1 dB za oba kanala i prosječnu amplitudu od oko -14,2 dB. Uklonjena informacija ima vršnu razinu od -10,9 dB i prosječnu amplitudu od -37,01. Uklonjene informacije zakopane su duboko ispod informacija o vršnoj amplitudi.
Kako zvuči uklonjeni zvuk? Isječak bismo opisali kao zvuk udaljenog marširajućeg orkestra. Zvuk je uglavnom visokofrekventna informacija. Pjesma također ima jasno zvučanu teksturu:ritmovi bubnjarske mašine jasni su i prisutni, ali zvuče kao iskrivljeni udarci činela.
Čak i s vrhunskim pretpojačalom za slušalice i studijskim slušalicama, razlika je teško uočiti kada se prebacujete između izvorne pjesme i MP3 datoteke. U okruženju za slušanje s većom zvučnom pozornicom, to može biti očiglednije.
Zaključci o MP3 datotekama
Čistunci će vam reći da trebate imati dostupne snimke najviše kvalitete. Nema greške u ovoj logici. Zašto škrtariti kada možete imati sve? MP3 datoteke visoke brzine prijenosa, poput onih od 320 kbps, na primjer, izvrsne su kvalitete. Ponovljena testiranja pokazala su da je, kada se stvara s kvalitetnim algoritmima kompresije, razliku u zvuku između snimke CD-kvalitete i MP3 datoteke od 320 kbps gotovo nemoguće otkriti. MP3 datoteke niže brzine prijenosa počinju raspolagati s više informacija, a razlike postaju veće.
Najnovije izvorne jedinice na tržištu sposobne su reproducirati WAV i FLAC audio datoteke velike razlučivosti i bitne dubine. Uskoro ćemo vidjeti jedinice koje će reproducirati MQA datoteke preko digitalnih veza. Gotovo svaki izvor podržava MP3 i WMA datoteke.
Navratite već danas do svog lokalnog specijaliziranog prodavača mobilne elektronike i ponesite sa sobom malo glazbe za uživanje. Mislimo da ćete biti impresionirani – bez obzira koji format odaberete.