Кодирование аудио с потерями: вариации на тему выбора кодера и параметров
Примечание: оригинальная версия этой статьи была опубликована на сайте habrahabr.ru под названием «Кодирование аудио с потерями. Что к чему?».
Эволюция кодирования аудио
На дворе 2011-й год, с момента появления первого MP3 кодировщика прошло уже 17 лет. Но то, что большинство из нас до сих пор спокойно слушает музыку в формате MP3 — вовсе не значит, что прогресс всё это время топтался на месте. И это касается не только развития алгоритма кодирования MP3, но и эволюции кодирования аудио с потерями вообще — в виде новых, более совершенных кодеков, действительно позволяющих получить лучшее качество при меньшем размере. Такие форматы как OGG Vorbis, AAC, WMA, Musepack давно оставили позади устаревший MP3 с его многочисленными ограничениями и недостатками.
Параллельно, всё большие обороты набирает кодирование без потерь (lossless). Но из-за больших объемов данных на сегодняшний день оно всё еще непригодно для полномасштабного использования — особенно для портативных устройств с ограниченным объемом памяти, для потокового вещания в сети, и просто для быстрого обмена музыкой в интернете (надо признать, что не у всех и не всегда под рукой есть 100-мегабитный доступ в интернет).
Итак, MP3 устарел, и ему определенно созрела замена. Только как быть пользователю непосвященному, но желающему добиться максимально качественного звучания с минимальными затратами объемов памяти? Ведь альтернативных кодеков довольно много (как минимум 3 из них действительно достойны внимания): Apple продвигает с помощью своего iTunes Store формат AAC (Advanced Audio Coding — позиционируется как преемник MP3), Microsoft — свой собственный лицензируемый WMA (Windows Media Audio), кроме того, всё большую известность приобретает OGG Vorbis, а особо просветленные используют даже такой формат как Musepack. Который из этих кодеков выбрать? Как определиться? Однозначного ответа на этот вопрос нет — и именно поэтому предлагается следующая информация...
Как определиться?
Cкрытый текст -
Выбор того или иного кодека зависит от конкретной задачи. А именно:
1. От оборудования и ПО, с помощью которого будет воспроизводиться звук. Т.е. от наличия поддержки того или иного формата аудио, а также качества воспроизведения (им желательно руководствоваться при выборе битрейта).
2. От объема памяти, который будет выделен под конечный материал. Соответственно подбирается больший или меньший целевой битрейт/качество.
Ну и, конечно же, необходимо кроме формата и битрейта подобрать оптимальный кодировщик и параметры кодирования. При этом надо понимать, что различные форматы/кодеры по-разному проявляют себя на разных диапазонах битрейта.
Таким образом, алгоритм примерно следующий:
1) Выяснить, какие форматы поддерживает целевое устройство.
2) Определиться, сколько места вы сможете выделить под аудио материал, а также определить суммарную продолжительность аудио предназначенного для кодирования.
3) Вычислить нужный битрейт по формуле: битрейт = дисковое_пространство(в килобитах) / суммарная_продолжительность(в секундах).
4) В соответствии с битрейтом выбрать из поддерживаемых форматов оптимальный (об этом далее).
5) Подобрать наилучший кодер и параметры к нему.
Кодирование аудио с потерями: подбор формата, кодера и параметров
Подробнее о наших героях:
AAC
Cкрытый текст -
Развитие методов сжатия данных и психоакустики постепенно приводило к тому, что стандарт МР3 стал «тесным» для реализации новых идей в кодировании аудио. В результате, к 1997 году институтом Фраунгофера (Fraunhofer IIS), который в начале 90-х создал МР3, а также компаниями Dolby, AT&T, Sony и Nokia — был разработан новый метод компрессии аудио — Advanced Audio Coding (AAC), вошедший в стандарты MPEG-2 и MPEG-4. Основными отличиями от стандарта МР3 стали:
* поддержка более широкого набора форматов (вплоть до 48 каналов) и частот дискретизации звука (от 8 кГц до 96 кГц);
* более эффективный и простой банк фильтров: гибридный банк фильтров МР3 был заменен обычным MDCT (модифицированным дискретным косинусным преобразованием);
* более широкие пределы варьирования частотно-временного разрешения в банке фильтров — в восемь раз (в МР3 — в три раза) — привели к улучшению кодирования транзиентов (переходных процессов) и стационарных участков аудиосигнала;
* более качественное кодирование частот выше 16 кГц;
* более гибкий режим кодирования стереосигналов, позволяющий переключаться в режим M/S («joint stereo») независимо в различных частотных полосах;
* дополнительные возможности стандарта, повышающие эффективность компрессии: технология формирования шума во временной области (TNS), предсказание MDCT-коэффициентов по времени (long term prediction), режим параметрического кодирования стереосигнала (parametric stereo), синтез шумов (perceptual noise substitution), технология восстановления высоких частот (SBR).
Благодаря этим особенностям, стандарт AAC способен достигать более гибкого и эффективного, а значит — и более качественного кодирования звука. В результате широкого распространения формата МР3, стандарт AAC до сих пор не приобрел сравнимой с МР3 популярности. Тем не менее, AAC является основным форматом в популярном интернет-магазине iTunes Store, плеерах iPod, iTunes, телефоне iPhone, игровых приставках PlayStation 3, Nintendo Wii и в цифровом радиовещании DAB+/DRM.
OGG Vorbis
Cкрытый текст -
Ogg Vorbis — это относительно новый универсальный формат аудио компрессии, официально вышедший летом 2002 года. Он принадлежит к тому же типу форматов, что и МР3, AAC, VQF и WMA, то есть к форматам компрессии с потерями. Психоакустическая модель, используемая в Ogg Vorbis, по принципам действия близка к МР3 и иже с ними, но и только — математическая обработка и практическая реализация этой модели в корне отличаются, что позволяет авторам объявить свой формат совершенно независимым от всех предшественников.
Главное неоспоримое преимущество формата Ogg Vorbis — это его полная открытость и свободность. Более того, в нем использована новейшая и наиболее качественная психоакустическая модель, из-за чего соотношение битрейт/качество значительно ниже, чем у других форматов. Как результат — качество звука лучше, но размер файла меньше.
В формате имеется большое количество достоинств. Например, формат Ogg Vorbis не ограничивает пользователя только двумя аудио каналами (стерео — левый и правый). Он поддерживает до 225 отдельных каналов с частотой дискретизации до 192kHz и разрядностью до 32bit (чего не позволяет ни один формат сжатия с потерями), поэтому Ogg Vorbis великолепно подходит для кодирования 6-ти канального звука DVD-Audio. К тому же, формат OGG Vorbis — sample accurate. Это гарантирует, что звуковые данные перед кодированием и после декодирования не будут иметь смещений или дополнительных/потерянных сэмплов относительно друг друга. Это легко оценить, когда вы кодируете non-stop музыку (когда один трек постепенно входит в другой) — в итоге сохранится целостность звука.
Возможностью потокового вещания сейчас никого не удивишь, но у этого формата она заложена с самых основ. Это дает формату достаточно полезный побочный эффект — в одном файле можно хранить несколько композиций с собственными тегами. При загрузке такого файла в плеер должны отобразиться все композиции, будто их загрузили из нескольких различных файлов.
Отдельно стоит упомянуть достаточно гибкую систему тегов. Заголовок тегов легко расширяется и позволяет включать тексты любой длины и сложности (например, текст песни), перемежающиеся изображениями (например, фотография обложки альбома). Текстовые теги хранятся в UTF-8, что позволяет писать хоть на всех языках одновременно и исключает возможные проблемы с кодировками. Это значительно удобнее различных ухищрений типа id3 тегов.
Ogg Vorbis по умолчанию использует переменный битрейт, при этом значения последнего не ограничены какими-то жесткими значениями, и он может варьироваться даже на 1kbps. При этом стоит заметить, что форматом жестко не ограничен максимальный битрейт, и при максимальных настройках кодирования он может варьироваться от 400kbps до 700kbps. Такой же гибкостью обладает частота дискретизации — пользователям предоставляется любой выбор в пределах от 2000Hz до 192000Hz.
Ogg Vorbis был разработан сообществом Xiphophorus для того, чтобы заменить все платные запатентованные аудио форматы. Несмотря на то, что это самый молодой формат из всех конкурентов МР3, Ogg Vorbis имеет полную поддержку на всех известных платформах (Windows, PocketPC, Symbian, DOS, Linux, MacOS, FreeBSD, BeOS и др.), а также большое количество аппаратных реализаций. Популярность на сегодняшний день значительно превосходит все альтернативные решения.
Стоит заметить, что Ogg Vorbis является всего лишь небольшой частью мультимедиа проекта Ogg Squish, в который также входят свободные кодировщики: Speex — для сжатия голоса; FLAC — для сжатия звука без потерь; Theora — для сжатия видео.
Musepack
Cкрытый текст -
MusePack (mpp, mp+, mpc, MPEG+) — нелицензируемый формат файла для хранения аудиоинформации, распространяемый по GNU General Public License.
Качество кодирования MPC на высоких битрейтах (160 Кбит/с и выше) заметно (если не сказать значительно) выше качества, обеспечиваемого MP3.
Главные преимущества:
* Формат не производит второе dct-преобразование, он фактически не страдает артефактами pre-echo, в отличие от таких форматов как MP3, Vorbis, AAC и WMA.
* Более эффективные алгоритмы переменного битрейта. Если проследить, как изменяется битрейт во время проигрывания треков MPC, можно заметить, что для более простых участков кодер выделяет меньший битрейт, а для сложных — значительно больший, иногда выше 400 (!) кбит/с. Так же тут стоит упомянуть один интересный факт: кодер МР3 в режиме VBR для тишины выделяет битрейт 32 кбит/с (при частоте дискретизации 44100 Гц), AAC и OGG Vorbis — 2кбит/с, Musepack же кодирует тишину с минимальными затратами, <1 кбит/с (например, минута тишины займет каких-то 514 байт). Всё это говорит о чрезвычайной «экономности» этого кодера.
* Мощная и гибкая психоакустическая модель. Тут можно упомянуть, например, динамический НЧ фильтр на базе фреймов (в других кодерах устанавливается фиксированная полоса пропускания для каждой предустановки качества).
* Более продвинутое сжатие, основанное на оптимизированных таблицах Хаффмана (тот же LAME MP3 впустую тратит около 20% битрейта — только лишь из-за несовершенного математического сжатия)
WMA (Windows Media Audio)
Cкрытый текст -
Windows Media Audio — лицензируемый формат файла, разработанный компанией Microsoft для хранения и трансляции аудиоинформации.
Изначально формат WMA рекламировался как альтернатива MP3, но на сегодняшний день Microsoft противопоставляет ему формат AAC. Номинально формат WMA характеризуется хорошей способностью сжатия, что позволяет ему «обходить» формат MP3 и конкурировать по параметрам с форматами Ogg Vorbis и AAC. Но как было показано независимыми тестами, а также при субъективной оценке, качество форматов всё-таки не является однозначно эквивалентным, а преимущество даже перед MP3 однозначным, как это утверждается компанией Microsoft.
Подбор формата, кодера и параметров
Теперь непосредственно к сути дела.
Чтобы облегчить вам выбор, c вами поделятся опытом, полученным в ходе многочисленных сравнений, прослушиваний, а также на основе анализа результатов открытых слуховых тестов.
И так, ниже вы узнаете о наиболее подходящих для каждого отдельного случая кодерах, а также о правильном выборе параметров. Для конвертирования рекомендуется использовать foobar2000 (подробно настройка конвертера описана здесь), собственно параметры указаны как раз для него. Кроме того, для foobar2000 есть большое количество полезных DSP, которые могут нам пригодиться для предварительной обработки аудио.
Для тех же, кто собирается конвертировать через консоль или другую программу: переменную %s надо заменить на имя файла-источника (или аналогичную переменную), а %d — на имя выходного файла.
Обратите внимание, что для каждого диапазона битрейта указаны возможные варианты форматов: первый — самый приоритетный. Если же ваш плеер не поддерживает первый вариант — обратите внимание на следующий, и т.д. Внимания на самом деле сегодня достойны только три кодека — это AAC, OGG Vorbis и Musepack. WMA же, по причине своей закрытости, особым качеством не отличается, но всё же в большинстве случаев лучше, чем MP3. Учитывая, что некоторые устройства из альтернатив поддерживают только WMA, предлагаются рекомендации для каждого из четырех форматов.
Насчет битрейтов: надо понимать, что оптимальным режимом кодирования является так называемый True VBR, т.е. режим с целевым качеством, а не битрейтом. В идеале результатом является трек с переменным битрейтом, но постоянным качеством (не приравнивайте эти два понятия — более сложным фрагментам трека для поддержания качества нужно больше бит). Таким образом битрейт на выходе — трудно предсказуем. Потому значения битрейтов ниже указаны только как примерные, по возможности — средние для большого количества композиций различной сложности.
Упоминаемые в данной теме, а также некоторые другие кодеры, с русскими описаниями основных параметров и рекомендациями можно найти здесь.
Сверхнизкие битрейты (~25-40 кбит/с)
Cкрытый текст -
Этот диапазон прекрасно подходит для кодирования аудиокниг. И тут вариант может быть только один — AAC, а точнее, Nero AAC. Параметры следующие:
При этом материал должен быть предварительно преобразован в моно и ресемплирован до частоты 22050 Гц (желательно ресемплером SoX). На выходе получим обычное Low Complexity AAC с битрейтом около 25 кбит/с.
На выходе — High Efficiency AAC v2 (с параметрическим стерео и синтезом ВЧ), ~35 кбит/с. Прекрасный вариант для какого-нибудь интернет-радио. Только тут надо не забывать, что декодер в плеере должен поддерживать HE-AACv2, иначе получите полное отсутствие ВЧ и монофонию.
2) OGG Vorbis AoTuV — данная модификация libvorbis включает усовершенствование алгоритма кодирования с низкими битрейтами и, даже без технологии SBR, не сильно уступает HE-AACv2. Командная строка:
Полученные таким образом файлы должны быть полностью совместимы со стандартными декодерами OGG Vorbis. Битрейт — аналогичный — около 35 кбит/с.
3) WMA 10 Pro. Для таких случаев у Microsoft тоже есть что-то наподобие SBR (синтез ВЧ), звучит не так плохо, как могло бы. Правда битрейт чуть выходит за рамки — 48 кбит/с.
Учтите, что старые (особенно «железные») декодеры не поддерживают WMA 10. Для такого случая можно использовать WMA 9.2 (кодер тот же), правда, его качество на низких битрейтах значительно хуже.
Низкий битрейт, ~64 кбит/с
Cкрытый текст -
Изначально предполагалось сразу перейти к более высоким скоростям. Но так как совсем недавно на hydrogenaudio.org прошло сравнение кодеров именно на этом битрейте, грех его пропустить.
1) QuickTime AAC — победитель (если не считать новоиспеченный Opus/CELT) того самого теста. Ниже указаны настройки для кодера QAAC:
На выходе имеем HE-AAC (с SBR, но без Parametric Stereo), что должно поддерживаться различными iPod'ами и тому подобным.
2) OGG Vorbis AoTuV — хоть и оказался довольно далеко от QAAC, но всё же:
Интересный факт: многие утверждают, что для MP3 128 кбит/с — «пограничный битрейт», с которого начинается неотличимое от оригинала качество. Пожалуй, это так… для пластмассовых китайских колонок с блатняком. Реально же этот порог находится где-то около 200 кбит/с, при чем новые форматы дают на этом битрейте более стабильное качество.
Современным кодерам эту планку в 128 кбит/с удалось занизить чуть ли не в два раза (опять же, по заявлениям разработчиков). Но, тем не менее, если у вас более-менее приличная акустика (или наушники), на сложных фрагментах разницу можно уловить и при 128 кбит/с.
В этом диапазоне разница межу кодерами Nero, QuickTime AAC и Vorbis практически сходит на нет. Но здесь уже на сцену выходит тот самый Musepack. Как раз на этих битрейтах начинает проявляться его преимущество (за счет необычайно гибкого VBR режима, а также принципиально другого алгоритма сжатия):
При этом битрейте практически все кодеры дают прозрачный для большинства слушателей звук. И именно этот диапазон является оптимальным в плане размер/качество.
Кстати, у LAME MP3 в этом районе тоже находится подобный порог (VBR V2), но у этого кодека очень большие проблемы с пре-эхом (искажения предшествующие резким всплескам сигнала), а на слух часто ощущается Noise Shaping (шумы от ошибок квантования таким образом переносятся в высокочастотную область).
У таких же кодеков, как Vorbis, AAC и MPC на этом пороге начинается четкая прорисовка в композициях даже фоновых шумов.
Cледует обратить внимание: после ~225 кбит/с повышение битрейта чаще всего уже не дает слышимого прироста качества, а размер файлов, естественно увеличивается. Но всё же, для особенно сложных композиций (и хорошей аппаратуры/ушей) существуют более высокие настройки качества. Итак:
Важно: для некоторых из этих кодеров существуют и более высокие настройки качества, но дальнейшее их повышение уже не имеет никакого смысла. Разве что вам действительно не важен объем занимаемый музыкой памяти, а поддержкой LosslesS ваше устройство не располагает.
Спасибо. Замечательно. AAC кодировщики у многих имеются в составе программных сюит для мобильных телефонов. По крайней мере, я с помощью Nokia PC-suite легко кодировал в M4A (AAC). Правда, без задания качества кажется.
У кого ЦАП ерундовый тот несомненно найдёт разницу и будет орать что безпотерьные форматы это класс. А вот я жал для эксперимента CD в мптришечку аж 128 и разницы у себя не услышал.
11.09.2011, 06:27
Великий Гуру
500 
Кодирование аудио с потерями: вариации на тему выбора кодера и параметров
