Arial Georgia Tahoma Times New Roman Verdana

Аудио компрессия для меломанов

правда о высоком битрейте при сжатии с потерями

Предисловие

В понимании большинства людей слово меломан чаще всего ассоциируется с человеком, не просто любящим и коллекционирующим музыку, а еще и ценящим качественную музыку, причем не только в художественно-эстетическом плане, но еще и качество записи самой фонограммы. Подумать только, еще несколько лет назад эталоном качества музыки считался аудио компакт диск, компьютер же даже в мечтах не мог конкурировать с качеством CD. Однако, время — большой шутник, и часто любит переворачивать все с ног на голову. Прошло, казалось бы, совсем немного времени, какой-то год или два и… всё, компакт диск на PC отступил на второй план. Не спрашивайте "почему?", Вы ведь сами знаете ответ на этот вопрос. Всему виною революция в мире звука на компьютере — аудио компрессия (здесь и далее под аудио компрессией подразумевается сжатие с потерями, для уменьшения размера аудио файла), которая позволила хранить музыку на жестком диске, много музыки! Более того, появилась возможность обмениваться ею через Интернет. Вышли новые звуковые карты, способные "выжать" чуть ли не студийное качество из, казалось бы, бесполезной в плане музыки "железки". Сегодня, имея даже не очень шустрый по производительности компьютер, купив звуковую карту Creative SoundBlaster Live! и вспомнив, что еще с советских времен имеется хороший усилитель и добротная акустика, Вы получите ни что иное, как музыкальный центр высокого качества, звучание которого уступает разве что очень дорогой аудио аппаратуре (средней или даже высшей Hi-Fi категории). Прибавьте к этому общедоступность музыкальных файлов, и Вы поймете, что у Вас в руках — сила. И тогда происходит переворот, и Вы понимаете, что компакт диск — это уже и не так удобно, завораживает Вас совсем другое — магические знаки "MP3". Вы не можете ни есть, ни спать — перед Вами неразрешимый на первый взгляд вопрос "курицы и яйца": чем "сжимать" и, самое главное, — как "сжимать"…

Вот в этом то я Вам и помогу. Данная статья — начало моей новой серии информационных материалов о музыке на компьютере. За год разработки OrlSoft MPeg eXtension и ведения обширной базы MP3 файлов у меня накопилось огромное количество исследований касательно аудио компрессии. Именно этими исследованиями я и постараюсь с вами поделиться. Про сжатие аудио написано немало статей разными уважаемыми авторами, поэтому я постараюсь не писать то, что Вы легко можете найти в других источниках информации. Мне хотелось бы просто и ясно изложить мою позицию по рассматриваемому вопросу. Не будем рассматривать аудио компрессию как средство максимально компактно разместить аудио информацию на своём винчестере (с целью записать столько-то там часов музыки). Да, компрессия позволяет записать музыку более компактно, но я ставлю целью минимальную потерю качества при переводе "чистого" аудио в компрессированное. Именно поэтому рассматриваются только высокие битрейты и кодеры, сжимающие качественно именно в этих режимах. Потом, с компрессированным аудио значительно удобнее работать — мгновенный доступ к любому треку любого альбома, удобный софт для воспроизведения. Ну и, разумеется, финансовый вопрос также не забыт.

Из существующих на сегодня форматов компрессии аудио заслуживающими внимания, на мой взгляд, являются три: MP3 (или MPEG-1 Audio Layer III), LQT (как представитель семейства MPEG-2 AAC / MPEG-4) и совершенно новый формат OGG (Ogg Vorbis), разрабатываемый группой энтузиастов:

• На сегодняшний день MP3 — самый распространенный из них (в первую очередь потому, что он бесплатный). Напомню, что именно благодаря формату МР3 и произошло победоносное шествие сжатого аудио. Однако, как часто бывает с пионерами, он постепенно сдает позиции и уступает место более новым и качественным форматам.
• Второй формат, LQT, является представителем нового направления алгоритмов аудио кодирования, представителем семейства AAC. Это достаточно качественный, но коммерческий и строго засекреченный формат.
• OGG стал широко известен общественности этим летом и на данный момент бурно развивается, в скором времени (с релизом кодера и декодера) должен побить MP3 лучшим качеством звучания при меньшем объеме файлов.

Я не буду приводить здесь подробного описания технологий и форматов, Вы легко можете найти их самостоятельно. Будут только факты, выводы и рекомендации. Свои исследования отдельно по каждому формату я планирую изложить в отдельных статьях.

Условие задачи

Я решил "столкнуть лбами" три указанных формата на предмет получения максимально качественного звука при минимальном размере файла. Для теста были выбраны несколько семплов (здесь семпл — вырезанный из PCM файла небольшой фрагмент) из композиций двух типов. Первый — очень плотного и громкого звучания с нормализацией по амплитуде (уплотнение звука "по вертикали", чтобы он с 24 битного мастера уместился в 16 битах) и компрессией динамического диапазона (чтобы при этом звучание всех инструментов было всегда громким). В качестве первого типа (как и в моих прошлых тестах) была выбрана композиция Crush On You из альбома Have A Nice Day группы Roxette, исследовалось три семпла по 15-20 секунд с разных участков композиции. Второй семпл — чистый и прозрачный (легкая оркестровая или акустическая аранжировка). В качестве второго типа была взята композиция Mano a Mano с альбома Tango известного пианиста Richard Clayderman.

Почему именно эти записи? В семплах Roxette имеет место очень сильная динамическая компрессия (значение амплитуды очень часто равно максимуму (что плохо) и приводит к перегрузке воспроизводящей аппаратуры и сильным искажениям).

На подобных семплах кодерам приходится работать в экстремальном режиме, из-за чего становятся легко слышны любые искажения, т.к. к уже имеющимся собственным искажениям оригинала добавляются еще и искажения кодирования. Вы спросите "а зачем тогда брать в качестве теста такой семпл?". Нужно и еще как. Подавляющее большинство выпускаемых в настоящее время альбомов именно таким образом и записано. Поэтому кодер должен приемлемо относиться к перегруженному звуку.

С семплами Клайдермана ситуация диаметрально противоположная. Исходно аналоговая запись после очень качественного цифрового ремастеринга записана на компакт диске, причем без динамической компрессии.

Великолепное звучание, очень приятные и мягкие "верха". На них мы и обратим особое внимание при проведении анализа, попытаемся их сохранить. А ведь именно эти частоты кодерам будет сложнее всего передать.

Чем "жмем"

Мои исследования эталонного качества для разных битрейтов и кодеров формата MP3 выражены в программе OrlSoft MPeg eXtension. Параметры кодирования подобраны по результатам тестов.

Безусловный лидер качества на высоком битрейте — кодер LAME. Кодеры от Fraunhofer IIS по-прежнему хороши только для низких битрейтов — для 128 и 160 кбит/с. Про другие я даже говорить не буду. Только НИ В КОЕМ СЛУЧАЕ не связывайтесь с кодерами, основанными на коде XING (самый известный представитель — Audio Catalyst) — эти самые плохие, звук — просто ужас.

Для большинства пользователей формата MP3 проблема качественного звука обычно ставится следующим образом: "256 или 320? а может попробовать VBR?". И этот вопрос мучает их изо дня в день. Не все записи хорошо звучат в 256 — имеют место сильно слышимые и видимые (по измерениям) потери в области верхних частот. При использовании режима VBR (так называемый поток с переменным битрейтом) часто бывает, что музыка звучит на слух лучше, чем 256, но это нельзя брать за общее правило. Кодируйте мало ценные записи, либо не очень качественные — не ошибетесь. Параметры VBR у меня подобраны для получения максимального для VBR качества.

Для коммерческого формата LQT существует только фирменный кодер от авторов — Liquifier Pro. Им и жмем. Отмечу, что формат LQT изначально основан на VBR кодировании, поэтому для него существует просто несколько режимов типа "плохо", "хорошо" и "отлично". Естественно, для наших тестов берем режим "отлично" (Audiophile), в результате чего получается поток от 192 до 256, чаще всего 200-220 кбит/с. Напомню, что формат LQT основан на семействе алгоритмов MPEG-2 AAC. Более того, это наиболее качественная на сегодня реализация AAC (проверено на аналогах).

Формат OGG родственник формата MP3, однако содержит в себе иную психоакустическую модель и некоторые отсутствующие у MP3 технические новинки. Начать хотя бы с того, что OGG изначально поддерживает только режим VBR. Пользователь задает ориентировочную скорость потока, а кодер пытается сжать максимально ближе к нему. Диапазон изменения чрезвычайно широк: от 8 до 512 кбит/с, причем он значительно более дискретный, чем у MP3. Верхняя планка составляет целых 512 кбит/с, в то время как MP3 кодеры на сегодня реально "тянут" только до 320. Вы спросите "а разве бывает что и 320 мало?". Да, бывает, но редко.

Семплы Roxette

Ну вот, мы и подошли к самому интересному. Начнём с моих слуховых ощущений.

Для МР3 на потоке 256 кбит/с явно слышны нарушения звучания верхних частот. Мало того, что в звуке отсутствует немалая их часть, так еще и примешивается сильное искажение, хрип, металлический лязг и прочие "прелести". Это знак к тому, что 256 явно не хватает, следовательно, надо попробовать повыше. Берем сжатый в 320 семпл. Звук значительно изменился — это совсем другое дело: верха на месте, на слух никакой разницы не обнаружено. Для чистоты эксперимента посмотрим, что же получится в режиме плавающей скорости потока. Получаем средний битрейт в 290 кбит/с, из чего напрашивается вывод, что 256 для исследуемого семпла маловато будет. Действительно, на слух семпл, закодированный в режиме VBR, звучит чуть-чуть лучше, чем 256, однако явно не дотягивает до звучания 320. В случае применения МР3, для качественного сжатия подходит только кодирование в режиме 320 кбит/с, т.е. на максимуме возможностей.

Берем OGG как "модифицированный MP3". Для кодера существует пять ориентировочных битрейтов: 128, 160, 192, 256 и 350. Что ж, попробуем 192 и 256. Битрейт 350 брать не будем, т.к. нам уже известно, что MP3 при 320 кбит/с передает явно прекрасное качество, лучше вроде бы и не надо. Для режима 192 получаем средний поток в 226, а для режима 256 — целых 315 кбит/с. Вот вам и точность. Столь большое отклонение от ориентира — это сигнал к очень сложно кодируемому звуковому материалу, при более простом по плотности семпле точность будет выше. Честно говоря, я долго пытался оценить 320 MP3 и 315 OGG и пришел к выводу, что оба они звучат практически аналогично исходному звучанию. Но они основаны на разных психоакустических моделях и окраска звучания у них разная. Лично мне чуть больше понравился все-таки MP3. Однако, это действительно спорный вопрос — ведь кодер OGG пока только бета версия. Когда будет релиз, думаю, он должен обогнать MP3 в качестве. Сравнивая их по отдельности с оригиналом, я склонился к тому, что OGG все-таки ближе по звучанию к оригиналу, но вот с верхними частотами у этого кодера что-то не так. Из-за этого MP3 и звучит немного лучше. Думаю, не надо говорить, что в режиме 350 (средний битрейт получился в 365) OGG "идеально" повторяет оригинал.

Теперь про малоизвестный, но широко рекламируемый как "самый качественный" формат — формат LQT. И, что самое главное, он действительно звучит очень круто в целом, однако, прислушавшись, я понял, что мне не понравилось в его звучании. Он не искажает верхние частоты, как MP3 на 256 кбит/с, но размазывает звук, причем сильно размазывает. Резкие звуки размываются во времени. Да, это плохо. Но дело в том, что сравнивать LQT на битрейте всего в 230кбит/с с MP3 на таком же битрейте бесполезно, МР3 проигрывает по общему звучанию. Придраться, конечно, есть к чему. МР3 теряет и искажает верхние частоты, LQT же в свою очередь несколько "проваливает" средние частоты и размазывает верхние. В общем, тут кому что больше понравится. Но это — тема уже для другой статьи. Сегодня у нас разговор только про высшие битрейты. Да, LQT дает хорошее качество, но отнюдь не супер. По всей видимости, здесь сказывается недостаток скорости потока, то есть, если в LQT появится режим большего битрейта, он побьет даже 320 кбит/с MP3 на записях типа исследуемой.

Это были мои чисто субъективные впечатления. Давайте теперь перейдем к более объективным тестам. Исследуем АЧХ (то есть амплитудно-частотную характеристику) семплов, признанных лучшими (320 для MP3, 315 для OGG и 230 для LQT). Представленная диаграмма — так называемый "сонарм" — частотно-временное представление звука. По горизонтали располагается шкала времени, по вертикали — линейная шкала частот.

   

   

Внимательно присмотрелись? Вот вам и ясное подтверждение моих слов: новейший формат Ogg Vorbis в режиме 256 явно недотягивает "по верхам" — урезание частот видно невооруженным взглядом. "Супер коммерческий" формат LQT передает диапазон частот по верхам вроде как даже лучше, чем LAME, но общее качество хуже. Дело в том, что в LQT нет режима чистого стерео — там, по сути, всегда Joint-Stereo (кодер сначала сжимает левый канал, а потом кодирует только разницу между левым и правым). Из-за этого и происходит размазка верхов при недостатке битрейта, что прекрасно видно на иллюстрациях, плюс сие заключение легко подтверждается исследованием сигнала в MS-матрице, т.е. при переводе его в режим центральный канал + стерео. Что можно сказать про семпл LAME… все просто замечательно — чуть-чуть урезаются верхние частоты, но это терпимо; видимых провалов также не отмечено.

Подытожим. На финишной прямой для семпла Roxette форматы OGG на 256 кбит/с и LQT сошли с дистанции, семпл OGG на 350 кбит/с не уступает лидеру. Однако не будем хоронить новый формат раньше времени — подождем релиза. Вот тогда уже и проведем тесты еще раз: OGG 256 против LAME 320.

Семплы Richard Clayderman

C семплами Roxette вроде все понятно — плотный звук пока лучше сжимать кодером LAME в режиме 320 кбит/с. А как насчет более прозрачного звука? Попробуем сначала сжать в режиме 256 кбит/с и все, по идее, должны бы быть довольны. Результат: низкие частоты вроде на месте, да и средние тоже, а вот верхние частоты… не стало верхних частот! Они есть, но в них не осталось того красивого звучания, не обратить внимание на которое в данной записи очень сложно. Высокие частоты в целом на месте и сильных потерь нет, однако звук "тарелок" стал какой-то синтетический, резкий и весьма неприятный. Такой звук не имеет права претендовать на звание качественного. Что ж, придется снова использовать 320, а ведь как хотелось сжать в 256… Если сравнивать 320 со звучанием 256, передача верхних частот стала значительно лучше. Однако, при сравнении с оригиналом, слышно, что запись по-прежнему не является удовлетворительной в плане качества. После сравнения еще нескольких семплов, становится очевидно, что это погрешности психоакустической модели. Даже в 320 кбит/с MP3 не передает нормально верхние частоты на исследуемом типе записей. Верхние частоты становятся более резкими, металлическими, от них так и веет синтетикой и, как ни странно, они кажутся более громкими (измерения АЧХ этого не демонстрируют — чисто слуховой эффект).

Исследуем теперь Ogg Vorbis. Как и в предыдущем тесте, берем семплы, сжатые в режиме 256 кбит/с. После неудачи с MP3 сложно поверить в полученный результат — звучание Ogg Vorbis лучше по всем параметрам и не идет ни в какое сравнение с тем, что выдает LAME на 320 кбит/с! Сравнивая с оригиналом, также очень сложно найти разницу. Ogg Vorbis на битрейте 287 побил LAME на битрейте 320. Именно об этом я и говорил в начале статьи: формат OGG вполне может победить MP3.

Хорошо, а что нам может сказать титулованный формат LQT на битрейте всего в 252? Но и здесь получается шокирующий результат — чрезвычайно близкое соответствие оригиналу! По-крайней мере, разница настолько мала, что можно считать ее несущественной. Еще, обратите внимание на интересный факт: при кодировании семплов Roxette средний битрейт получался порядка 230 кбит/с, а на, казалось бы, более простых семплах Clayderman — 250 кбит/с. Это говорит о том, что LQT значительно лучше адаптирован под реальное звучание музыки, в нем более точно учитываются все нюансы. Великолепный формат. Вот ему бы нормальный кодер без выкрутасов и битрейт чуть-чуть повыше, чтобы смог кодировать более сложные семплы.

Это были мои субъективные "слуховые" исследования. Теперь посмотрим на АЧХ.

   

   

И снова анализ АЧХ сигналов только подтверждает мои выводы по результатам прослушивания: LQT выдает просто выдающийся результат, на сей раз лучше LAME. Прекрасная передача частотного диапазона, а потери на уровне 21 кГц это удаленный высокочастотный шум, что даже приветствуется. LAME отстает, но не сильно. Как и ожидалось, с передачей частотного диапазона у MP3 все нормально. А вот АЧХ семпла Ogg Vorbis принесло разочарование: посмотрите, какое урезание частот. Но звучит он лучше, чем можно было бы подумать, взглянув на его АЧХ. По всей видимости, за счет урезания некоторых частот получается возможным более точно передать общую звуковую картину.

И что же мы получаем в итоге? Два лидера: LAME и LQT на максимальном битрейте. OGG очень сильно наступает на пятки MP3 и победит в дальнейшем, если его разработчики доведут свою идею до финального воплощения: меньший размер и лучшее качество.

Исследование дельта-сигналов

Формат MP3 за счет высокого битрейта лучше на большинстве записей. Однако он сдает позиции, когда мы имеем дело с очень качественным звуком. Здесь LQT — абсолютный фаворит. Но разница между 256 и 320 не такая уж и большая, поэтому ею чаще всего можно поступиться ради более удобного и распространенного формата. Многие, да и я в том числе, так и делают в своей фонотеке, а особо качественные записи просто покупают на дисках.

Все это конечно хорошо, но два формата звучат по-разному, и это не дает многим покоя. Есть еще одно интересное исследование. Можно вычислить разностный сигнал (далее он будет упоминаться как дельта-сигнал) двух семплов и тем самым узнать, а в чем же они различаются. Это, конечно же, сугубо цифровое исследование, т.к. разница может быть не настолько значительной, чтобы ее можно было услышать. В нашем случае все оказалось совсем не так.

Громкость разностного сигнала доходит до -25дБ, а его АЧХ внешне сильно напоминает широкополосный шум. Если прослушать дельта-сигнал, он звучит как широкополосный набор искажений, т.е. в нем явно слышна разница психоакустических моделей MP3 и LQT.

Сравнив по той же схеме MP3 с форматом OGG, ничего нового не получили (разница, конечно, меньше, но она все же значительная):

Аналогичные результаты получаются и для пары LQT и OGG.

Результаты исследования дельта сигналов говорят о том, что психоакустические модели трех рассмотренных форматов очень сильно отличаются друг от друга и их бессмысленно сравнивать между собой по разнице АЧХ.

Заключение

Что ж, попытаемся сделать некоторые окончательные выводы, представив их в виде практических рекомендаций:

1. LAME — лучший представитель кодеров формата MP3, выдает практически максимум того, что можно получить из MP3. Для всех очень громких и "плотных" записей я бы рекомендовал использовать LAME на 320.
2. OGG — некоторая структурная модификация формата MP3 с новой психоакустической моделью, математическая обработка и практическая реализация которой в корне отличается от MP3. Для малоценных и низкокачественных записей пойдет OGG в режиме 192 кбит/с (либо LQT в режиме 128 Transparent, в среднем получается 160-180 кбит/с).
3. В отличие от MP3 и OGG, которые являются представителями кодеров формата MPEG-1, формат LQT базируется на спецификации MPEG-2 AAC. Формат AAC передает значительно лучшее качество на более низких битрейтах за счет принципиально другой обработки звука. Для записей средней ценности рекомендую LQT (на максимуме), либо на выбор (разница между ними невелика): OGG в режиме 256 кбит/с, LAME на 256. VBR режим кодера LAME лучше не использовать, он заметно хуже.
4. Для очень качественных записей, на которых даже при кодировании в 320 кбит/с ясно слышно отсутствие чего-либо значительного в звучании семпла, попробовать закодировать семпл кодером Ogg Vorbis на 350 кбит/с.
5. Если сжатый с потерями звук Вас всё-таки не устроит, придется покупать понравившиеся композиции на CD-DA диске.

Возможно, какая-то часть статьи Вас заинтересовала в большей степени. Пишите мне — буду очень рад отзывам.