Pratische opdracht ANW MP3 - Psychoaoustie Pratische-opdracht door een scholier 1813 woorden 5 juni 2002 6,8 29 eer beoordeeld Va ANW Inleiding Met digitale compressietechnieen is het mogelij geluid aanzienlij minder ruimte in te laten nemen dan met conventionele formaten. Op een gewone compact disc past 74 minuten. Als er gebrui wordt gemaat van bijvoorbeeld het MP3 formaat past er zo n 10 uur op één CD-Rom. In deze pratische opdracht zal i proberen te onderzoeen hoe deze efficiente opslag methode toch tot een acceptabele waliteit an leiden. Het MP3 formaat Met MP3 word bedoeld MPEG-1 audio Layer 3. MPEG is een aforting voor Motion Picture Experts Group, dit is een groep die standaarden voortstelt over compressiemethodes voor audio en video. MPEG-1 is een standaard om video te coderen op ongeveer 1,5 Mbit/s en worden gebruit bij VCD s. MPEG-2 is ontwield voor DVD en wordt oo gebrui bij digitale televisie. MPEG-3 is overgegaan in MPEG-2. Ten slotte is er nog MPEG-4, dit formaat wordt gebruit om video op zeer lage bitrates te coderen. Zodoende is het mogelij een complete film te downloaden van het internet in bijvoorbeeld het DivX formaat. MP3 is de methode waarop geluid wordt gecomprimeerd in het MPEG videoformaat. MP1 en MP2 zijn de voorlopers van MP3 en weren volgens hetzelfde principe. Deze formaten zijn minder ingewield en hadden minder goede waliteit met lagere compressie. De geschiedenis MP3 is ontwield door het Duitse Fraunhofer Instituut. Het project begon al in 1977 maar was zijn tijd ver vooruit. Het instituut heeft een hoge reputatie en is te vergelijen met het MIT Media Lab in Boston. MP3 was een overheids gefinancieerd project van Karlheinz Brandenburgh. Zijn uitvinding genoot weinig beendheid in Duitsland maar toen hij het in 1997 in Silicon Valley introduceerde waren er verscheidene bedrijven geïnteresseerd. De uitvinding is nooit verocht maar budget om de rechten te beschermen heeft het instituut oo amper. Zelf is Brandenburgh niet geïnteresseerd in geld en heeft nis aan zijn uitvinding verdiend. De wering in grote lijnen Ongecomprimeerd geluid, zoals op gewone compact discs, bevat veel meer gegevens dan je hersenen unnen verweren. Als twee noten bijvoorbeeld erg op elaar lijen en dicht bij elaar zitten, an het vooromen dat je er maar één waarneemt. Als twee geluiden heel verschillend zijn maar de ene luider als Pagina 1 van 5
de andere, an het vooromen dat je alleen het luide geluid zult waarnemen. En je oren zijn gevoelliger voor bepaalde frequenties (zie grafie). De studie naar deze aoustische fenomenen heet psychoaoustie, en er is vrij veel over beend. Zo veel dat het vrij precies an worden beschreven in tabellen en in mathematische modellen die het menselije gehoor weergeven. Bij het maen van een MP3-bestand wordt het binnenomende signaal geanalyseerd en in twee patronen verdeeld. Deze twee worden vergeleen met psychoaoustische modellen die in het programma ingebouwd zijn. Het programma, oo wel encoder genoemd, gooit dan al de meeste gegevens weg die niet overeenomen met de opgeslagen modellen. De gebruier an instellen hoeveel gegevens er per seconde mogen worden opgeslagen, uiteraard wordt de waliteit steeds slechter als er meer wordt weggegooid. Hierna worden de gegevens nog extra gecomprimeerd met Huffmann codering. Vaa vooromende bitcombinaties worden afgeort, hierbij gaat geen data verloren. MP3 bestanden zijn opgebouwd uit zeer orte frames, vergelijbaar met een filmrol. El frame begint met een header die informatie bevat over de inhoud van het frame. Bij sommige technieen unnen deze frames samenweren. Bijvoorbeeld als het ene frame ruimte over heeft en het volgende juist te weinig ruimte heeft. Lossless en lossy compressie Compressietechnieen zijn over het algemeen onder te verdelen in twee soorten. De eerste laat alle data intact en de tweede gooit een in te stellen hoeveelheid weg. Dit wordt aangeduid met de engelse termen lossless en lossy. Bij een computerprogramma mag er geen enele bit verloren gaan en an dus alleen met lossless worden gecomprimeeerd. Het ZIP formaat is een beend lossless formaat, het maat gebrui van het LZW algoritme. Maar bij plaatjes, geluid of filmpjes an een hoop informatie worden weggegooit omdat deze pratisch niet waarneembaar is of om zo min mogelij data in te nemen. MP3 is een voorbeeld van een lossy formaat. Bitrates, samplerates en het aantal analen De waliteit van een MP3 bestand wordt bepaald door de bitrate, de samplerate en het aantal analen. Digitaal opgeslagen geluid is nooit een constante golf. Er wordt om de zoveel tijd een meting verricht. Dit heet samplerate of bemondsteringsfrequentie. Op een gewone compact disc en bij de meeste MP3 bestanden is dit een frequentie van 44100 Hz. Dit getal is geozen naar de theorie van Nyquist, deze beweerd dat er twee eer zo veel samples moeten worden genomen als de hoogste frequentie die weergegeven moet unnen worden. In het geval van de CD is deze dus ruim geozen, aangezien 20 Hz ongeveer de allerhoogst hoorbare toon is. Maar er zijn oo frequenties mogelij van 16, 22 of zelfs 96 Hz. De samplerate is te vergelijen met het aantal pixels (beeldpunten) op een foto. De bitrate is de mate van compressie, de hoeveelheid gegevens die worden weggegooid. Het bepaald hoeveel data per seconde mag worden opgeslagen. Veel MP3 bestanden hebben een bitrate van 128 bps. Dit beteent dat er 16 ilobyte per seconde aan data wordt opgeslagen. Zie het plaatje voor verduidelijing. Verder an een MP3 bestand één of twee analen hebben (mono/stereo). Als een MP3 bestand twee analen bevat wordt er simpelweg dubbel zo veel informatie opgeslagen. Maar er is oo een tussenvorm mogelij, Joint Stereo. Bij deze methode wordt in het eerste anaal de som van lins en rechts opgeslagen en in het tweede anaal het verschil. Dit leidt echter tot een iets lagere waliteit. Pagina 2 van 5
CBR en VBR MP3 unnen op een constante (CBR) en op een variabele bitrate (VBR) worden gecodeerd. Meestal wordt er van een constante bitrate gebrui gemaat, in deze pratische opdracht wordt er vanuit gegaan dat het om CBR gaat. Variabele bitrates worden minder vaa gebruit want ze hebben bepaalde nadelen, het duurt bijvoorbeeld langer om naar een willeeurige ple in een liedje te zoeen omdat hiervoor niet gebrui an worden gemaat van een simpele bereening. Verder vertonen programma s vaa problemen met de tijdsweergave van dit soort bestanden. Een voordeel is wel dat het liedje op een constante waliteit wordt gecodeerd. Voor minder ingewielde stujes an een lagere bitrate immers volstaan en de stuen die een hoge waliteit vereisen unnen meer ruimte innemen. Alternatieven voor MP3 MP3 is verreweg het populairste geluidsformaat om muzie uit te wisselen op internet maar er zijn een aantal alternatieven / opvolgers. Hier enele voorbeelden: - WMA WMA is Microsoft s poging een graantje mee te pien van het succes van MP3. Bij de lancering van dit formaat werd beweerd dat het op een bitrate van 64 bps de waliteit van een 128 bps MP3 on evenaren. Maar al gauw blee dat het WMA bestand mono was, het blee dus een goedope truc te zijn. Over het algemeen is dit formaat niet beter als MP3, de rede dat het nog gebruit word is dat het ingebouwd zit in Microsoft producten. - MP3Pro MP3Pro is ontwield door het bedrijf Thomson. Het is een combinatie van een gewone MP3 en een aparte gegevensstroom voor de hoge tonen. Deze aparte gegevensstroom maat gebrui van een technie Spectral Band Replication (SBR) die de geluidswaliteit van bestanden met hoge compressie moet verbeteren. Tonen boven de 8 KHz worden opgeslagen met SBR en worden bij het afspelen gereconstrueerd. De SBR neemt aanzienlij minder plaats in als de gewone gegevensstroom. Er wordt wel meer proccerstijd gebruit bij het afspelen. Een MP3Pro bestand van 64 bps benadert de waliteit van een gewoon MP3 bestand op 128 bps. - VQF VQF is een formaat ontwielt door Yamaha. Het wert met bitrates tot 96 bps. Het wert met een totaal ander soort compressie. De bits worden niet direct gecodeert maar worden omgezet in patronen die worden vergeleen met standaard tabellen. Het patroon wat het best bij het origineel past wordt gebruit en een referentie naar de tabel wordt opgeslagen. Het resultaat is te vergelijen met een 128 bps MP3 bestand. - OGG/Vorbis Een zogenaamd open source project, helemaal gratis en vrij van patenten. De maers zelf beweren dat het formaat betere waliteit biedt als MP3 maar het is vooralsnog niet af. - AAC Pagina 3 van 5
MPEG Advanced Audio Coding is de officiele opvolger van MP3. Het ondersteunt 48 analen (MP3 ondersteunt er 5), en wert met samplerates tot 96 Hz (48 bij MP3). Verder zijn er nog een hoop (ingewielde) technische verbeteringen. Op 96 bps lint AAC iets beter als een MP3 op 128 bps. Platenmaatschappijen vs. de consumenten Illegaal muzie downloaden via Napster is dan wel pratisch onmogelij geworden door de plaatsing van filters, de strijd tegen de verspreiding van illegale muzie is nog lang niet gewonnen. Zoals te verwachten was zijn er andere programma s geomen waarmee naar harte lust muzie gedownload an worden. Het rechtsysteem is waarschijnlij veel te langzaam in vergelijing met de supersnelle ontwielingen op de digitale snelweg en de platenmaatschappijen zullen dus wat anders moeten verzinnen om de massale schending van de auteursrechten te stoppen. De platenmaatschappijen proberen allerlei opieerbeveiligingen te ontwielen maar de een na de andere wordt geraat en uiteindelij moet de muzie toch te horen zijn en wat je an horen zul je uiteindelij altijd unnen opnemen. Het ziet er naar uit dat platenmaatschappijen nu echt met iets nieuws moeten omen. Ze proberen muzie tegen betaling aan te bieden via internet maar weinig mensen zijn te porren om uren te wachten op een album tenzij het gratis is. De consument wil goedopere muzie, want de platenmaatschappijen verdienen in feite oo schandalig veel aan de artiesten. Ze claimen dat de artiesten een heleboel geld mislopen, maar zijn de artiesten niet degene met een heleboel geld en een luxe leven? Naar mijn idee zijn de platenmaatschappijen oo niet de armste. Nee, het is eerder de consument die veel geld misloopt doordat in Nederland de Cd s verschrielij duur zijn. Verder beweren ze dat als muzie steeds meer geopieerd wordt nieuwe artiesten geen ans meer rijgen, maar artiesten die het om de muzie gaat en niet om het geld zijn toch sowieso interessanter? De platenmaatschappijen bedoelen eigenlij: help wij verliezen de macht over de muzieindustrie, nieuwe artiesten hebben een geweldig medium gevonden om zonder onze hulp muzie te verspreiden. Deze strijd gaat meer om geld dan om muzie, totdat i artiesten berooid in prullenbaen naar eten zie zoeen ga i onverstoord door met af en toe hun muzie te downloaden. I ben benieuwd of en hoe er een einde zal omen aan deze strijd, ondertussen luister i rustig naar het volgende MP3 tje. I an niet meer verliezen, de artiest heeft misschien een miljoentje of meer misgelopen maar zit nu ongetwijfeld rustig in zijn bubbelbad. Slotwoord Bij het maen van een pratische opdracht over MP3 wam wat meer ijen als simpelweg engelse documentatie vertalen. Het waren in het algemeen veel te ingewielde en technische bronnen om direct over te unnen nemen. Door het maen van dit werstu begrijp i beter hoe compressie in het algemeen in zijn wer gaat. Bronvermelding - MP3: The definite guide - Scot Hacer, chapter 2 (http://www.oreilly.com/catalog/mp3/chapter/ch02.html) - MP3 tech (http://www.mp3-tech.org/) - MPEG video/audio compression FAQ (http://www.go.dlr.de:8081/info/faqs/graphics/mpegfaq41.html) Pagina 4 van 5
- Karlheinz Brandenburg and The Secret History of MP3 (http://www.bbc.co.u/dna/h2g2/alabaster/a406973) Pagina 5 van 5