Тестирование mpeg layer 3 (MP3) кодеров Предисловие

Тестирование MPEG Layer 3 (MP3) кодеров Предисловие Прежде всего я хочу очертить круг вопросов, которые я хотел выяснить для себя, проведя это тестирование. Я решил собрать себе фонотеку и сохранить записи в формате MP3. В связи с этим у меня возникло 2 вопроса: Какой степени сжатия файлов достаточно для сохранения приемлемого уровня качества звука? Возможно ли сжать хоть чуть-чуть аудио-информацию при полном сохранении качества или с незначительным ухудшением качества? То есть изначально я планировал сохранять аудио-информацию в двух копиях: одна со сжатием побольше (п. 1) - для ежедневного использования, другая с претензией на максимальное сохранение качества (п. 2) - для использования в будещем, скажем, для записи избранных песен на CD или для переведения фонотеки на новый, более прогрессивный и качественный формат. Таким образом сразу можно выделить мои предпочтения к кодерам: скорость работы меня не интересовала вообще, степень сжатия (а, значит, и размер результирующего файла) меня интересовали по столько по скольку. Главным критерием было качество. Описание метода тестирования При помощи программы Digital Audio Copy for Win32 (WinDAC) 1.49 были созданы копии 2-х записей с CD в WAV-файлах. Записи были выбраны по следующим критериям: различимое на слух наличие высокочастотной составляющей, наличие нетривиальных стереоэффектов, наличие песен в моей небогатой фонотеке на CD. В итоге я выбрал Dog New Tricks от Garbage (из альбома Garbage) и Gone Away от Offpring (из альбома Americana). Потом я создавал файлы формата MP3 при помощи нескольких кодеров. С помощью каждого кодера было создано несколько файлов - со всеми степенями сжатия меньше, чем 11:1 (128 kbps) включительно, которые поддерживает данный кодер. После этого файлы формата MP3 были декодированы в файлы формата WAV и дальнейшая работа велась уже с этими WAV-файлами. Это сделано для того, чтоб ликвидировать искажения, вносимые проигрывателями MP3-файлов. Для декодирования MP3 использовался декодер l3dec V2.71 ISO/MPEG Audio Layer III Software Only Decoder от Fraunhofer-IIS - организации, которая первая разработала и начала распространять коммерческий программный кодер и декодер MP3. Популярность, которую приобрел данный кодер, а также то, что Fraunhofer-IIS продает свои продукты для самых серьезных приложений, оставляет надежду, что декодирование файлов происходит в строгом соответствии со стандартом ISO MPEG (многие проигрыватели MP3 пытаются как-то улучшить качество звучания и единственное что у них получается наверняка - это внести дополнительные искажения). В случае, если файл невозможно декодировать при помощи l3dec (некоторые файлы со сжатием 4:1, 320 kbps), использовался WinAmp 2.95, декодер которого построен также на основе кода от Fraunhofer-IIS. Далее при помощи программы CoolEdit Pro 1.1 (в последнее время - версии 1.2) анализировались первые 30.000 секунд каждого файла и строилсиь амплитудно-частотные характеристики (АЧХ) отдельно для левого, правого каналов и условного центра (смесь левого и правого каналов в пропорции 1:1). Так уж этот CoolEdit устроен, но нормально эти АЧХ выглядят только в диапазоне от 350 Гц до 21.7 кГц. Именно эти графики наиболее наглядно представляют информацию о качестве кодирования, именно они и представлены на этой странице. Впрочем, при помощи ссылок вы сможете получить доступ ко всем графикам и АЧХ. Программа использует несложные формулы, которые описаны в соответствующем разделе. Описание терминов Термин Описание Кодер (англ. coder, encoder) Программа и/или устройство, используемые для преобразования информации из одного вида в другой (кодирование). Мы рассматриваем программы, которые преобразуют аудио-данные из формата PCM WAV в ISO MPEG Audio Layer III (MP3). Декодер (англ. decoder) По сути то же, что и кодер, но осуществляет преобразование в обратном направлении. Кодек (англ. codec) Кодер и декодер в одном блоке. Степень сжатия Отношение размера входного (некодированного) файла к размеру выходного (кодированного) файла. Например, степень сжатия 11:1 означает, что закодированный файл в 12 раз меньше оригинала. Битрейт (англ. bitrate) Количество бит, отведенное для записи еденицы времени аудио-информации. Измеряют обычно в кб/с, то есть килобит в секунду (англ. kb/s или kbps). Децибелл (англ. decibell, обознач. дБ, dB) Еденица измерения каких-либо величин. Очень часто используется в звукотехнике из-за особенностей восприятия звуков человеком. По опрелению значение величины в децибеллах равно десяти логарифмам отношения величины в обычных единицах к некоей опорной величине в обычных единицах. В звукотехнике часто в качестве опроной величины берется максимальный уровень звука, таким образом если обозначить нашу величину как Ux, формула для определения этой же величины в децибеллах запишется как . Значение величины в децибеллах получается отрицательным. Особенность человеческого слуха в том, что звук в -40 дБ кажется в 2 раза тише, чем звук в -20 дБ, хотя очевидно (см. формулу), что величина U40, описывающая этот звук (напр. мощность звукового потока), в 100 раз меньше величины U20. Получается что "ухо слышит в децибеллах". АЧХ (амплитудно-частотная характеристика, англ. AFG, amptitude to frequency graph) Зависимость уровня сигнала от частоты сигнала. Из-за того, что уровень может измеряться и в единицах мощности звукового потока, и в еденицах электрического напряжения (по отношению к электрическому представлению этого же сигнала в схемах, скажем, усилителя), и много чего еще; а также учитывая особенности человеческого слуха (см. Децибелл), уровень сигнала часто измеряют в дБ и не конкретизируют, об уровне чего (громкости, напряжения) идет речь. АЧХ можно построить в виде графика. Использовавшиеся формулы Как уже упоминалось, наиболее наглядно информация о качестве кодирования показана на графиках, где сравниваются АЧХ оригинального и закодированного файлов. Учитывая то, что CoolEdit строит АЧХ в дБ, нетривиально как сравнивать величины с АЧХ. Тем более, что результирующие графики я хотел тоже построить в дБ: отношение уровня сигнала закодированного файла к уровню сигнала оригинала.      Обозначим уровень сигнала как Ux. Нас интерисует величина (1)      Эта же величина в дБ равна (2)      Выполним простые математические преобразования в (2): (3)      Считая что (4) получим (5) Строго говоря, у нас нет никаких оснований считать, что (4) верно. Но, учитывая то, что в обе части равенства относятся к одной и той же записи (оригинальный вариант и закодированный), будем считать что при кодировании максимальный уровень сигнала не изменяется или почти не изменяется. Таким образом мы получили удобную формулу (5) для анализа АЧХ и построения интересующих нас зависимостей. Формула (5) используется в программе для анализа АЧХ, которая упомянута выше. Использовавшиеся кодеры AudioCatalyst by Xing Technology Corporation - version 2.1 Коммерческий кодер от Xing Technology Corp. Весьма оригинальная программа: представляет собой оригинальный код от Xing Tech в режиме "без высоких частот" и код от Fraunhofer'а оптимизированный по скорости (качество, соответственно упало, но все же лучше чистого Xing'а) в режиме "сохранения высоких частот". Все это - в одном блоке с программой для копирования музыки с CD - AudioGrabber. Работает очень быстро, но качество оставляет желать лучшего, хотя опять же: при "сохранении высоких частот" качество лучше оригинального Xing'а, хотя и до Fraunhofer'а не дотягивает. Домашняя страница - http://www.xingtech.com. Интерфейс программы полностью позаимствован у AudioGrabber'а. BladeEnc : Blade's MP3 Encoder - version 0.82 Свободно распространяемый кодер, написанный Тордом Янсоном (Tord Jansson). Представляет собой оптимизированный код от ISO. Работает быстрее, чем "чистый" ISO-код, но в интернете есть сообщения о некорректной работе на степени сжатия 11:1 (128 кб/с). Домашняя страница - http://bladeenc.cjb.net. Интерфейс программы только из командной строки, но в интернете есть полно программ-оболочек к Blade. Я использовал Bladebatch 2.97 SE Евгения Логинова, тоже свободно-распространяемая программа, домашняя страница на http://eal.da.ru. LAME : LAME Ain't an Mp3 Encoder, version 3.24 Свободно распространяемый патч для исходного кода ISO, разрабатываемый группой энтузиастов. Представляет собой оптимизированный код от ISO. Распространяется в виде набора исходных файлов, которые являются дополнениями и исправлениями исходного кода ISO (Это сделано для обхода законов про лицензирование программ кодирования MP3 фирмой Fraunhofer. Ведь LAME это не программа, это набор исходников, значит ее нельзя запретить к свободному распространению :) Тем не менее в интернете легко найти уже скомпилированые варианты LAME под любую ОС.). Работает быстрее и качественее, чем "чистый" ISO-код. Домашняя страница - http://www.sulaco.org/mp3. Интерфейс программы только из командной строки. Примечание: этот кодер тестировался в двух режимах: со включенной и с выключенной психоаккустической моделью (LAME -f). Это не 2 разных кодера, а всего лишь 2 режима работы одного кодера, хотя они и отличаются по результату. Результаты тестирования Скорость кодирования Для тестирования скорости кодирования я отрезал по 30.000 секунд от WAV-файлов с записью песен с CD. В таблице приведено время кодирования 30 секунд песни Garbage, ниже - Offspring'а. Все тесты проведены на моем домашнем компьютере (Athlon 2500 МГц, ОЗУ 512 МБ, ОС Windows XP). Во время тестирования запущены только 2 программы - "Свойства: Дата и время" из "Панели управления" (там часы с секундомером) и кодер (на переднем плане). Если программа поддержавает выбор приоритета выполнения операции кодирования, то выбирался приоритет Normal. Степень сжатия и битрейт 11:1 8:1 7:1 6:1 5:1 4:1 128 кб/с 160 кб/с 192 кб/с 224 кб/с 256 кб/с 320 кб/с AudioCatalyst 0:36 0:36 0:37 0:37 0:37 0:37 0:37 0:37 0:39 0:38 0:40 0:38 Blade Enc. 4:35 4:35 4:04 4:12 3:59 4:01 3:53 3:56 3:49 3:51 3:49 3:54 LAME 3:21 3:21 2:58 3:01 2:41 2:48 2:32 2:32 2:29 2:27 2:28 2:26      Ниже эти же данные приведены в более наглядной форме - на гистрограмме отложены средние по двум отрывкам песен времена кодирования.      Скорость работы AudioCatalyst 2.1 и XingMP3 Encoder 1.5 полностью совпадает. Анализ АЧХ Это, собственно, основной раздел, ради которого я и начал проводить тестирование. Он получился большим, поэтому я не стал помещать его здесь. Выводы Как показала практика, даже такой грубый метода как сравнение АЧХ дает неплохие результаты - все что явно слышно на слух (напр. мало высоких, звон ISO-кодеров) отлично отражено на графиках. Так что можно считать, что при помощи графиков можно сравнивать качество кодирования даже там, где на слух разницы не слышно. В ходе измерений делалось усреднение по достаточно большому отрывку (30 сек), который содержал и тишину (начало песни) и громкую музыку с заполнением всего частотного диапазона. По-моему такое усреднение по времени и определило очень хорошо согласующиеся с оценкой "на слух" результаты. AudioCatalyst Скорость превыше всего. Страдает, естественно, качество. На высоких битрейтах высокие частоты не так однозначно вырезаются - и понятно почему. Качество при всех битрейтах на слух ощутимо хуже всех других кодеров. Кодер явно рассчитан на тех, кто хочет быстро получить результат, пусть даже не самый лучший. Blade Encoder Быстрый кодер. Основан на коде от ISO, отсюда его свойства: высокое качество на высоких битрейтах и характерный звон на низких (128 кб/с). Кроме того Blade содержит ошибку, которая дает себя знать хорошо слышимыми искажениями на 128 кб/с. Устранен основной недостаток кода ISO - медлительность. Blade работает в 3 - 6 раз быстрее, чем mpeg Encoder, который построен на оригинальном неоптимизированном ISO-коде. Качество кодирования уступает mpeg Encoder'у, однако разница мизерна (на слух не воспринемается) и если учесть разницу в скорости работы, то Blade становится очень привлекательным выбором для битрейтов выше 192 кб/с. LAME Очень быстрый кодер. Основан на коде от ISO, соответственно его свойства: высокое качество на высоких битрейтах и характерный звон на низких (128 кб/с). Естественно, нет ошибки Blade, которая дает себя знать на 128 кб/с. Устранен основной недостаток кода ISO - медлительность. Работает в 1,5 раза быстрее Blade (а в режиме -f - в 2.5 раза!), а качество выше, чем у mpeg Encoder'а, который построен на оригинальном неоптимизированном ISO-коде. (Режиме -f отключает психоаккустические фильтры, что делает звук чище на высоких битрейтах, но существенно ухудшает на низких.) Первый кодер, который при отличном качестве звука сравним с Xing'ом по скорости. Однозначно лучший выбор для высоких битрейтов - 224 кб/с и выше. Ссылки http://bladeenc.cjb.net Страница автора Blade Encoder'а. http://www.sulaco.org/mp3 Страница проекта LAME. Самарский Государственный Архитектурно-Строительный Университет Тестирование MPEG Layer 3 (MP3) кодеров Студент: Чанаев С.А. Методический руководитель: Пиявский С.А. Научный руководитель: Козлов В.В. Самара 2004г.

Похожие:

	Layer New Adjustment Layer Gradient Map В этой статье вы узнаете некоторые приёмы ретуширования фотографий и секреты быстродействия в Photoshop		Программа по формированию навыков безопасного поведения на дорогах... Звуки музыки: П. И. Чайковский. Шарманщик поёт. Детский альбом, mp3; Д. Д. Шостакович. Шарманка. Танцы кукол, mp3
	Form 9 School Education (Lesson 1) Цели : социокультурный аспект Оборудование: аудиозапись текста mp3, тексты записи, новая лексика, упражнения, презентация, аудиозапись песни mp3 “It’s gonna be...		Предисловие Предисловие переводчика Утверждение тем рефератов по истории отрасли науки для сдачи кандидатского экзамена по дисциплине «История и философия науки»
	Программа по формированию навыков безопасного поведения на дорогах... ...		Правительство Российской Федерации Федеральное государственное автономное... На тему: Программа стеганографического сокрытия информации в видеофайлах формата mpeg
	Правительство Российской Федерации Федеральное государственное автономное... На тему: Программа стеганографического сокрытия информации в видеофайлах формата mpeg		Тестирование тестирование быстрый и эффективный способ контроля и... Методические указания к семинарским занятиям, практикум, контрольные работы и задания
	Учебно-методическое обеспечение самостоятельной работы студентов.... Содержание заданий и критерии их оценивания по курсу «Тестирование в управлении персоналом»		Development of the method of the directed hydraulic fracturing of productive layer Южно-Казахстанский государственный университет им. М. Ауэзова (160012, рк, г. Шымкент, пр. Тауке-хана, 5), e-mail makenzi92@mail...
	Департамент образования города Москвы Государственное бюджетное образовательное... Формы контроля: беседа, фронтальный опрос (устный, письменный), тематическое экспресс-тестирование, контрольная работа, итоговое...		Департамент образования города Москвы Государственное бюджетное образовательное... Формы контроля: беседа, фронтальный опрос (устный, письменный), тематическое экспресс-тестирование, контрольная работа, итоговое...
	Департамент образования города Москвы Государственное бюджетное образовательное... Формы контроля: беседа, фронтальный опрос (устный, письменный), тематическое экспресс-тестирование, контрольная работа, итоговое...		Видеоматериалы YouTube распространяет следующим образом Пользователи могут загружать видео в нескольких распространенных форматах, таких как mpeg и avi. YouTube автоматически конвертирует...
	Карманный медиа-комбайн mp3 Flash-Player Keepmass km-300 ...		Самостоятельная работа 92 час. Всего 4 з е. Москва 2013 Паспорт фонда... Формы контроля: беседа, фронтальный опрос (устный, письменный), тематическое экспресс-тестирование, контрольная работа, итоговое...