Стандарты кодирования

 

Составляющие спецификации MPEG

Для упаковки аудиоданных используется стандарт упаковки, разработанный ра-

бочей экспертной группой цифрового видео — MPEG (Moving Picture Experts

Group).

Варианты кодирования звука делятся на три уровня: Layer 1, Layer 2 и Layer 3.

Прообразом для Layer 1 и Layer 2 является стандарт MUSICAM. На уровне Layer 3

достигается самое большое сжатие, но, соответственно, требуется больше ресурсов

на кодирование.

 

 

65

 

 

Стандарт MPEG построен на алгоритме сжатия с потерями, что, однако, не при-

водит к существенному ухудшению качества звука при его воспроизведении. В ис-

пользуемой в MPEG психоакустической модели весь частотный спектр сначала раз-

бивается на части, в которых уровень звука считается одинаковым, а затем удаляют-

ся звуки, не воспринимаемые ухом человека.

В Layer 3 спектр разбивается на самые маленькие части, что обеспечивает самое

лучшее сжатие. Протокол MPEG Audio поддерживает совместимость способов коди-

рования Layer снизу вверх, т.е. кодек для Layer 2 будет также распознавать Layer 1.

Стандарт MPEG предназначен для обработки файлов аудио и видео. Синхрони-

зация и объединение звука и видео осуществляется с помощью протокола System

Stream.

Ниже представлено несколько версий стандарта MPEG.

 

Протокол MPEG-1

Протокол MPEG-1 (разработан в 1992 году) включает видео- и аудиокомпонен-

ты. Пересылка видеоинформации осуществляется в формате MPEG Video на скоро-

сти до 1,5 Мбит/с без аудиосопровождения. Для передачи аудио используется фор-

мат MPEG Audio.

Протокол MPEG-1 предусматривает возможность кодирования сигналов, оциф-

рованных с частотой дискретизации 32, 44,1 и 48 кГц при наличии одного или двух

моноканалов или одного стереоканала.

Три упомянутых выше уровня протокола MPEG-1 различаются механизмами ко-

дирования и, следовательно, коэффициентом сжатия и качеством звучания полу-

чаемых потоков.

Уровень Layer 1 позволяет хранить сигналы в формате 44,1 кГц с разрядностью

дискретизации 16 бит без ощутимых потерь качества при скорости потока 384

Кбит/с, что составляет 4-кратный выигрыш в занимаемом объеме.

Уровень Layer 2 обеспечивает субъективно такое же качество при скорости пото-

ка 192-224 Кбит/с.

Уровень Layer 3, или МРЗ, имеет скорость потока 128-160 Кбит/с.

Нельзя говорить и о преимуществе одного уровня перед другим, поскольку каж-

дый уровень разработан для своих целей. Например, преимущество Layer 3 заключа-

ется в том, что фактически он позволяет сжимать информацию в 8-12 раз (в зависи-

мости от битрейта) без ощутимых потерь оригинального качества звучания. При

этом, однако, обеспечиваемая им скорость компрессии, т.е. скорости обработки ис-

ходных данных, самая низкая.

Layer 2 потенциально способен обеспечить более высокое качество кодирования

ввиду особенностей внутренней обработки сигнала в процессе преобразования. Вме-

сте с тем он не позволяет достичь столь высокого коэффициента сжатия, какой воз-

можен в Layer 3.

Сжатие и скорость передачи звука для одного канала при частоте дискретизации

32 кГц представлены в табл. 2.1.

Файл этого формата можно отнести к одному из нескольких типов, что зависит от

его структурного элемента — заголовка. В заголовке содержится информация о па-

раметрах файла. Файл WAV может содержать как несжатую информацию, так и сжа-

тую кодеками различных типов, которые поддерживают технологию RIFF. Файл с

несжатыми данными называется пленарным WAV Планарный WAV приравнивается

по качеству к Audio CD.

 

RIFF (Resource Interchange File Format) — это стандарт для файлов об-

мена данными, совместно разработанный компаниями Microsoft и IBM

и предназначенный для упрощения обмена данными между устройст-

вами от различных производителей. Файлы R1FF, к числу которых от-

носятся и WAV, могут содержать любые данные (звук, графику, текст

и пр.).

 

Несжатый файл позволяет получить звук наивысшего качества. Такой звук вос-

производится с DVD в обычном стереорежиме.

Для WAV-файлов характерны такие параметры: разрядность дискретизации — 16

бит, режим — стерео, частота дискретизации — 44 кГц.

 

Стандарт WMA

Стандарт WMA (Windows Media Audio) также был разработан компанией

Microsoft.

Изначально стандарт WMA разрабатывался компанией Voxware и назывался

Voxware Audio Codec. Впоследствии Microsoft переименовала кодек в WMA, сде-

лав его бесплатным. Сейчас компания Microsoft встраивает этот кодек в свои опера-

ционные системы Windows. В поставляемый комплект включены два кодека: один

осуществляет сжатие с потерями, а другой — без потерь.

Если стандарт МРЗ был изначально предназначен для конкретного набора раз-

решенных значений битрейтов и других основных параметров, то формат WMA по-

стоянно изменяется. Существует несколько версий кодека WMA — vl, v2, v7, v8 и

v9.

Версия vl отличается от более ранних версий поддержкой битрейтов до 192

Кбит/с (в отличие от 164 Кбит/с для vl и v2), несколько худшим качеством кодиро-

вания и структурой данных.

Версия v8 отличается от всех предыдущих высоким качеством кодирования.

Версия v9 — усовершенствованный вариант предыдущей версии; отличается еще

более высоким качеством кодирования. В этой версии применена новая технология

Fast Streaming, призванная существенно сократить время буферизации потока дан-

ных, передаваемых через Интернет конечному пользователю. Пакет кодеков v9

включает lossy- и lossless-кодировщики, а также специальный речевой кодек.

Среди основных Преимуществ формата следует отметить возможность его ис-

пользования в любой Windows-системе и аппаратную поддержку большинством со-

временных плееров. Главный недостаток кодека в том, что он обладает системой за-

щиты от произвольного копирования и различными несовместимыми версиями, а

также имеет относительно низкую скорость кодирования.

 

68

 

 

 

Стандарт МРЗ

Для сжатия звуковых данных используются несколько версий стандарта МРЗ.

Протокол МРЗ был предложен специалистами Института интегральных схем

Фраунгофера (Fraunhofer Institute for Integrated Circuits — IIS-А) и Университета

Эрлангена (University of Erlangen) и утвержден как элемент одного из направлений

развития протоколов сжатия видео и аудио MPEG-1 и MPEG-2.

Первоначально стандарт назывался MPEG-1 Audio Layer 3. В дальнейшем был

получен новый стандарт МРЗ, ставший самостоятельным протоколом сжатия звука.

МРЗ обеспечивает передачу через Интернет звука очень высокого качества.

Устройство кодека МРЗ является наиболее сложным из схем семейства MPEG.

Его работа требует наибольших затрат машинного времени для кодирования по

сравнению с двумя другими форматами, но обеспечивает при этом наиболее высокое

качество кодирования. Кодек используется главным образом для передачи аудио в

реальном времени по сетевым каналам и для кодирования CD Audio.

Степень сжатия МРЗ оценивается битрейтом. Этот параметр может изменяться от

320 Кбит/с (наилучшее качество последующего воспроизведения, но наименьшее

сжатие) до 96 Кбит/с и ниже. При битрейте 320 Кбит/с размер файла уменьшается

приблизительно в 4,3 раза, а при битрейте 8 Кбит/с — в 172,2 раза.

Поток звука при кодировании разбивается на равные участки (фреймы). Каждый

из фреймов кодируется отдельно со своими параметрами и содержит заголовок, в ко-

тором эти параметры указаны.

Файлы МРЗ обычно закодированы с постоянным битрейтом от 64 до 320 Кбит/с,

а также с переменным битрейтом, когда для каждого фрейма используется свой, оп-

тимальный для данного участка битрейт.

По сравнению с WAV-файлами, которые по качеству воспроизведения прирав-

ниваются к CD Audio, МРЗ -композиции наряду с воспроизведением высокого каче-

ства занимают на диске намного меньше места. В этом формате на обыкновенном

компакт-диске CD-R/RW можно сохранить свыше 11 часов музыки отличного каче-

ства.

Высокая степень компактности формата МРЗ по сравнению с РСМ (с парамет-

рами 16 разрядов, стерео, 44,1 кГц, CD Audio) и подобными форматами при сохра-

нении файлов с аналогичным качеством звучания достигается с помощью дополни-

тельного квантования по установленной схеме, позволяющей минимизировать поте-

ри качества.

 

Стандарт Ogg Vorbis

Протокол Ogg Vorbis (группа разработчиков Xiphophorus) был предложен в 2000

году. Он является частью проекта Ogg Squish по созданию полностью открытой сис-

темы мультимедиа. Иными словами, и сам проект, и Ogg Vorbis в частности являют-

ся открытыми и свободными для распространения, а также разработки на его основе

нового программного обеспечения.

В основе Ogg Vorbis лежат те же идеи, что и в основе известного MPEG-1 Layer

% однако Ogg использует оригинальный математический алгоритм и собственную

психоакустическую модель.

 

69

 

 

Алгоритм Ogg Vorbis рассчитан на сжатие данных на всех возможных битрейтах

без ограничений, т.е. в пределах 8-512 Кбит/с, но при этом только в режиме пере-

менного битрейта. Режим CBR в Ogg Vorbis не реализован.

Алгоритм предусматривает хранение внутри файлов-контейнеров подробных

комментариев об исполнителе и названии композиции. В алгоритме предусматрива-

ется также возможность кодирования нескольких каналов аудио (более двух, теоре-

тически — до 255), возможность редактирования содержимого файлов и так назы-

ваемый масштабируемый битрейт— возможность изменения битрейта потока без не-

обходимости его декодирования.

В Интернете на многих сайтах широко поддерживается потоковое воспроизведе-

ние звука и видео (Streaming). В этом случае для хранения данных используется

собственный универсальный формат Bitstream Ogg Squish, рассчитанный на хране-

ние любой информации мультимедиасистемы Ogg Squish.

 

Стандарт МРС

Формат MPEGplus (MPEG+), переименованный позже в МРС (MusePack), на-

поминает МРЗ. Он был разработан двумя немецкими специалистами на основе стан-

дарта MPEG-1 Layer 2. Стандарт предусматривает кодирование преимущественно

на более высоких битрейтах, чем МРЗ, и только в режиме переменного битрейта.

Скорость компрессии и декомпрессии в (из) МРС заметно выше скорости выполне-

ния этих операций применительно к МРЗ.

В среднем качество кодирования МРС на высоких битрейтах (160 Кбит/с и выше)

гораздо выше качества, обеспечиваемого МРЗ. Это связано с различиями в механиз-

мах кодирования. Интересной особенностью МРС является то, что он позволяет ис-

пользовать в качестве исходного материала не только WAV-файлы, но и файлы, за-

кодированные большинством популярных кодеков, которые выполняют сжатие без

потери качества. Недостатком кодека является отсутствие поддержки многоканаль-

ного звука и аппаратной поддержки.

 

Стандарт ААС

В лаборатории Fraunhofer US-А в начале 1998 года был разработан новый стан-

дарт улучшенного звукового кодирования MPEG-2 ААС (Advanced Audio Coding),

который в дальнейшем нашел применение для многоканальной записи звука на дис-

ки DVD -Video. Когда компания Apple лицензировала MPEG-4, формат стал назы-

ваться MPEG-4 ААС. Сегодня это один из главных конкурентов протокола МРЗ.

MPEG-4 ААС обладает рядом достоинств по сравнению с МРЗ. Прежде всего,

это поддержка многоканального звука и большое количество усовершенствований,

направленных на улучшение качества выходного аудиосигнала.

По сравнению со стандартом МРЗ алгоритм кодирования ААС обеспечивает по-

вышенную помехоустойчивость канала, более высокое качество звучания, лучшую

степень сжатия и возможность работы как с многоканальными потоками, так и с

"живым" звуком.

Еще один известный алгоритм кодирования "живого" звука— TwinVQ. Алго-

ритмы ААС и TwinVQ обеспечивают высокую пропускную способность канала.

 

 

 

70