Основы сжатия цифрового аудио

Недавно мы говорили о том, как работает преобразование из аналогового в цифровой формат, и объясняли некоторые основные термины, связанные с цифровыми аудиофайлами. В этой статье мы рассмотрим, как работают различные алгоритмы сжатия цифрового звука, чтобы уменьшить размер файла, чтобы упростить обмен файлами.

Основы цифрового аудио

Как мы объясняли ранее, для выборки аналогового аудиосигнала с разрешением CD-качества требуется 44 100 выборок в секунду с разрешением 16 бит для пары стереоканалов. Это приводит к потоку данных со скоростью 1411 кбит/с. Для одной минуты песни вам нужно хранить 84 672 000 бит информации. Это около 50 мегабайт для пятиминутной песни.

Когда мы храним аудио в несжатом формате, информация в файле не влияет на размер файла. У нас может быть трек, содержащий запись симфонического оркестра, тестовый аудиотрек или последнее, последнее, последнее выступление Rolling Stones. Размер файла будет таким же, если длина дорожки одинакова.

Сжатие аудио без потерь

Уменьшение размера файла всегда было проблемой при передаче файла. Когда у нас был доступ в Интернет по телефонной линии, скачивание целой песни в несжатом формате занимало несколько часов. Акустические модемы имели оптимальную скорость передачи около 300 бит в секунду. Высокоскоростные аналоговые модемы достигли пиковой скорости 48 килобит в секунду с использованием алгоритмов сжатия данных. Для передачи качественного звука на каждую секунду музыки потребуется около 30 секунд. Видите проблему?

Одним из самых популярных и известных методов сжатия файлов является архивирование файла. Сжатие файла анализирует содержимое файла и заменяет повторяющиеся строки данных ярлыком на идентичную информацию. Когда вы распаковываете файл, вы получаете исходный файл без каких-либо изменений.

Что касается форматов сжатия аудио, наиболее популярными форматами без потерь являются Free Lossless Audio Codec (FLAC), Apple Lossless Audio Codec (ALAC) и формат Monkey’s Audio (APE) на далеком третьем месте.

Что касается сжатия, преобразование нашего аудиофайла размером 70,69 мегабайта в формат FLAC дает размер файла 37,5 мегабайт. Это сокращение примерно на 50 процентов без потери качества звука, точности или детализации.

Сжатие аудио с потерями

Независимо от того, пытаетесь ли вы уменьшить размер аудиофайла или фотографии, одним из самых простых способов уменьшить размер файла является отбросить некоторые детали в исходном файле. Для аудиофайлов это часто означает ограничение высокочастотной информации и снижение детализации или устранение низкоуровневых сигналов.

Если мы преобразуем наш исходный аудиофайл в файл MP3 со скоростью 320 кбит/с, размер файла уменьшится до невероятных 16,0 мегабайт. Мы делаем это, выбрасывая звуковую информацию, которую трудно услышать. Например, если в одном канале звучит громкий гитарный рифф, алгоритм сжатия может резко снизить детализацию относительно низкоуровневой аудиоинформации в другом канале без существенного изменения воспринимаемого качества воспроизведения. Это называется перцептивным кодированием звука, потому что алгоритм специально воздействует на информацию, которую труднее услышать (или воспринять).

При скорости сжатия 320 кбит/с большинство слушателей не могут отличить исходный файл от сжатой версии. По мере увеличения сжатия различия становятся более очевидными. Мы начинаем терять высокочастотную информацию и детали.

Если мы хотим еще больше уменьшить файл, мы можем преобразовать его в файл MP3 со скоростью 128 кбит/с. Преимущество экстремального сжатия данных заключается в том, что наш аудиофайл теперь имеет размер 6,59 мегабайт. При таком размере песню можно прикрепить к электронному письму, не беспокоясь о пропускной способности или времени загрузки при современном широкополосном подключении к Интернету.

Наиболее популярными форматами сжатия файлов с потерями являются MP3 (ранее MPEG-1 Audio Layer III или MPEG-2 Audio Layer III), Adaptive Transform Acoustic Coding (ATRAC), Advanced Audio Coding (AAC) и Windows Media Audio (WMA).

Имеет ли значение размер файла?

Как уже упоминалось, алгоритмы сжатия звука были созданы для того, чтобы мы могли передавать звук по соединениям с ограниченной пропускной способностью. Сегодня хранение данных невероятно недорого. Вы можете купить карту памяти USB на 128 ГБ менее чем за 25 долларов. Вы можете хранить около 400 часов высококачественного аудио в формате FLAC на карте памяти объемом 128 ГБ. В то же время скорость интернет-трафика находится на рекордно высоком уровне. Большинство смартфонов с LTE могут скачивать данные со скоростью 150 Мбит/с. Это быстрее, чем у большинства людей в домашнем высокоскоростном Интернете. Загрузка 37-мегабайтного файла по такому соединению занимает около пяти секунд.

Если вы не ограничены в пропускной способности, вы также можете загружать свою музыку, по крайней мере, в формате FLAC CD-качества или в несжатом формате WAV. Таким образом, вы получите максимально возможное качество звука от вашей аудиосистемы. Если у вас есть вопросы о том, сколько треков вы можете хранить на карте памяти или какие форматы цифровых мультимедийных файлов совместимы с вашим автомобильным радиоприемником, обратитесь к местному продавцу аксессуаров для мобильных устройств. Они должны быть в состоянии ответить на любые ваши вопросы.