mp3 -一種音頻編碼方式

mp3

MP3是一種音頻壓縮技術,其全稱是動態影像專家壓縮標準音頻層面3(Moving Picture Experts Group Audio Layer III),簡稱為MP3。它被設計用來大幅度地降低音頻資料量。利用 MPEG Audio Layer 3 的技術,將音樂以1:10 甚至 1:12 的壓縮率,壓縮成容量較小的檔案,而對于大多數使用者來說重放的音質與最初的不壓縮音頻相比沒有明顯的下降。它是在1991年由位于德國埃爾朗根的研究組織Fraunhofer-Gesellschaft的一組工程師發明和標準化的。用MP3形式存儲的音樂就叫作MP3音樂,能播放MP3音樂的機器就叫作MP3播放器。

  • 中文名稱
    動態影像專家壓縮標準音頻層面3
  • 外文名稱
    Moving Picture Experts Group Audio Layer III
  • 類    型
  • 研究組織
  • 缺    點
    對音質有損耗
  • 優    點
    大幅度地降低音頻資料量

​基本簡介

MP3是利用人耳對高頻聲音信號不敏感的特徵,將時域波形信號轉換成頻域信號,並劃分成多個頻段,對不同的頻段使用不同的壓縮率,對高頻加大壓縮比(甚至忽略信號)對低頻信號使用小壓縮比,保證信號不失真。這樣一來就相當于拋棄人耳基本聽不到的高頻聲音,隻保留能聽到的低頻部分,從而將聲音用1∶10甚至1∶12的壓縮率壓縮。由于這種壓縮方式的全稱叫MPEG Audio Player3,所以人們把它簡稱為MP3。

根據MPEG規範的說法,AAC(Advanced audio coding)將是MP3格式的下一代。

主要特點

1、MP3是一個資料壓縮格式;

2、它丟棄掉脈沖編碼調製(PCM)音頻資料中對人類聽覺不重要的資料(類似于JPEG是一個有損圖像壓縮),從而達到了小得多的檔案大小;

3、MP3音頻可以按照不同的位速進行壓縮,提供了在資料大小和聲音質量之間進行權衡的一個範圍。MP3格式使用了混合的轉換機製將時域信號轉換成頻域信號。

4、32波段多相積分濾波器(PQF);

5、36或者12 tap 改良離散餘弦濾波器(MDCT);每個子波段大小可以在0...1和2...31之間獨立選擇;

6、MP3不僅有廣泛的使用者端軟體支持,也有很多的硬體支持比如攜帶型媒體播放器(指MP3播放器)DVD和CD播放器。

歷史發展

起源

MPEG-1 Audio Layer 2編碼開始時是德國Deutsche Forschungs- und Versuchsanstalt für Luft- und Raumfahrt(後來稱為Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt, 德國太空中心)Egon Meier-Engelen管理的數位音頻廣播(DAB)項目。這個項目是歐盟作為EUREKA研究項目資助的,它的名字通常稱為EU-147。EU-147 的研究期間是1987年到1994年。

到了1991年,就已經出現了兩個提案:Musicam(稱為Layer 2)和ASPEC(自適應頻譜感知熵編碼)。荷蘭飛利浦公司、法國CCETT和德國Institut für Rundfunktechnik提出的Musicam方法由于它的簡單、出錯時的健壯性以及在高質量壓縮時較少的計算量而被選中。基于子帶編碼的Musicam 格式是確定MPEG音頻壓縮格式(採樣率、幀結構、資料頭、每幀採樣點)的一個關鍵因素。這項技術和它的設計思路完全融合到了ISO MPEG Audio Layer I、II 以及後來的Layer III(MP3)格式的定義中。在Mussmann教授(University of Hannover)的主持下,標準的製定由Leon van de Kerkhof(Layer I)和Gerhard Stoll(Layer II)完成。

一個由荷蘭Leon Van de Kerkhof、德國Gerhard Stoll、法國Yves-François Dehery和德國Karlheinz Brandenburg 組成的工作小組吸收了Musicam和ASPEC的設計思想,並增加了他們自己的設計思想從而開發出了MP3,MP3能夠在128kbit/s達到MP2 192kbit/s 音質。

mp3

所有這些演算法最終都在1992年成為了MPEG的第一個標準組MPEG-1的一部分,並且生成了1993年公布的國際標準ISO/IEC 11172-3。MPEG音頻上的更進一步的工作最終成為了1994年製定的第二個MPEG標準組MPEG-2標準的一部分,這個標準正式的稱呼是1995年首次公布的ISO/IEC 13818-3。

編碼器的壓縮效率通常由位速定義,因為壓縮率依賴于位數(:en:bit depth)和輸入信號的採樣率。然而,經常有產品使用CD參數(44.1kHz、兩個通道、每通道16位或者稱為2x16位)作為壓縮率參考,使用這個參考的壓縮率通常較高,這也說明了壓縮率對于有損壓縮存在的問題。

Karlheinz Brandenburg使用CD介質的Suzanne Vega的歌曲Tom’s Diner來評價MP3壓縮演算法。使用這首歌是因為這首歌的柔和、簡單旋律使得在回放時更容易聽到壓縮格式中的缺陷。一些人開玩笑地將Suzanne Vega稱為“MP3之母”。來自于EBU V3/SQAM參考CD的更多一些嚴肅和critical 音頻選段(glockenspiel,triangle,accordion...)被專業音頻工程師用來評價MPEG音頻格式的主觀感受質量。

走向大眾

為了生成位兼容的MPEG Audio檔案(Layer 1.Layer 2.Layer 3),ISO MPEG Audio委員會成員用C語言開發的一個稱為ISO 11172-5的參考模擬軟體。在一些非即時作業系統上它能夠演示第一款壓縮音頻基于DSP的即時硬體解碼。一些其它的MPEG Audio即時開發出來用于面向消費接收機和機頂盒的數位廣播(無線電DAB和電視DVB)。

後來,1994年7月7日Fraunhofer-Gesellschaft發布了第一個稱為l3enc的MP3編碼器。

Fraunhofer開發組在1995年7月14日選定擴展名.mp3(以前擴展名是.bit)。使用第一款即時軟體MP3播放器Winplay3(1995年9月9日發布)許多人能夠在自己的個人電腦上編碼和回放MP3檔案。由于當時的硬碟相對較小(如500MB),這項技術對于在電腦上存儲娛樂音樂來說是至關重要的。

MP2、MP3與因特網

1993年10月,MP2(MPEG-1 Audio Layer 2)檔案在因特網上出現,它們經常使用Xing MPEG Audio Player播放,後來又出現了Tobias Bading為Unix開發的MAPlay。MAPlay于1994年2月22日首次發布,現在已經移植到微軟視窗平台上。

剛開始僅有的MP2編碼器產品是Xing Encoder和CDDA2WAV,CDDA2WAV是一個將CD音軌轉換成WAV格式的CD抓取器。

Internet Underground Music Archive(IUMA)通常被認為是線上音樂革命的鼻祖,IUMA是因特網上第一個高保真音樂網站,在MP3和網路流行之前它有數千首授權的MP2錄音。

從1995年上半年開始直到整個九十年代後期,MP3開始在因特網上蓬勃發展。MP3的流行主要得益于如Nullsoft于1997年發布的Winamp和Napster于1999年發布的Napster這樣的公司和軟體包的成功,並且它們相互促進發展。這些程式使得普通使用者很容易地播放、製作、共享和收集MP3檔案。

關于MP3檔案的點對點技術檔案共享的爭論在最近幾年迅速蔓延—這主要是由于壓縮使得檔案共享成為可能,未經壓縮的檔案過于龐大難于共享。由于MP3檔案通過因特網大量傳播一些主要唱片廠商通過法律起訴Napster來保護它們的著作權(參見智慧產權)。

如iTunes Music Store這樣的商業線上音樂發行服務通常選擇其它或者專有的支持數位著作權管理(DRM)的音樂檔案格式以控製和限製數位音樂的使用。支持DRM的格式的使用是為了防止受著作權保護的素材免被侵犯著作權,但是大多數的保護機製都能被一些方法破解。這些方法能夠被電腦達人用來生成能夠自由復製的解鎖檔案。一個顯著的例外是微軟公司的Windows Media Audio 10格式,歐點目前它還沒有被破解。如果希望得到一個壓縮的音頻檔案,這個錄製的音頻流必須進行壓縮並且帶來音質的降低。

轉換軟體

超級轉換秀

超級轉換秀是國內首個集成影片轉換、音頻轉換、CD抓軌、音影片混合轉換、音影片切割/駁接轉換、疊加影片水印、疊加捲動字幕/個性文字/圖片、疊加影片相框等于一體的優秀影音轉換工具。其內置國際一流的解壓技術,轉換質量一流,同時支持各種CPU的MMX,3D Now!,SSE1/2/3/4以及最新多核技術等指令系統的全面最佳化,讓您擁有更快速的轉換速度。其支持的功能之多,幾乎可以滿足您所有的轉換要求並成為您的轉換工具首選。其功能要點如下:  

1.支持將CD音樂直接轉換為WAV/MP3/WMA/OGG等數位音樂,並支持按使用者喜好選擇各種轉換參數,支持批量轉換處理,支持多光碟機。

2.支持WAV,MP3,WMA,AAC,M4A,OGG,APE,AC3,RMA等格式的音頻,同時支持抓取AVI,VCD,SVCD,DVD,MPG,WMV,ASF,RM,RMVB,FLV,F4V,MOV,QT,MP4,MPEG4,3GP,3G2,MKV,TS,TP,MTS,

M2TS,MOD,TOD,SDP,YUV等影片檔案的音頻並轉換,以上所有格式都可轉換為WAV/MP3/WMA/AAC/M4A/OGG/APE等音頻格式,音頻轉換均支持按您的喜好來設定相關轉換參數,並支持批量轉換處理。

3.支持將各主流影片AVI/VCD/SVCD/DVD/MPG/WMV/ASF/RM/RMVB/FLV/F4V/MOV/QT/MP4/MPEG4/3GP/3G2/MKV/TS/TP/MTS/

M2TS/MOD/TOD/SDP/YUV等轉換為AVI/MPEG4/VCD/SVCD/DVD/MPG/WMV/RM/RMVB/FLV/MOV/GIF閃圖等格式。

專利問題

專利限製

歐點Thomson Consumer Electronics在認可軟體專利的國家控製著MPEG-/2 Layer 3 專利的授權,這些國家包括美國和日本,歐盟國家不包括在內。Thomson積極地加強這些專利的保護。Thomson已經在歐盟國家被歐洲專利局授予軟體專利,但是還不清楚它們是否會被那裏的司法所加強。參見歐洲專利協定中的軟體專利。

關于歐點Thomson專利檔案、授權協定和費用的最新信息請參考它們的網站。

在1998年9月,FraunhoferInstitute向幾個MP3軟體開發者發去了一封信聲明“發布或者銷售編碼器或者解碼器”需要授權。這封信宣稱非經授權的產品“觸犯了 Fraunhofer和Thomson的專利權。製造、銷售或者發布使用[MPEG Layer-3]標準或者我們專利的產品,你們需要從我們這裏獲得這些專利的授權協定。”

這些專利問題極大地減慢了未經授權的MP3軟體開發並且導致人們的註意力轉向開發和歡迎其它如WMA和Ogg Vorbis這樣的替代品。Windows開發系統的製造商微軟公司從MP3專向它們自有的Windows Media格式以避免與專利相關的授權問題。直到那些關鍵的專利過期之前,未經授權的編碼器和播放器在認可軟體專利的國家看起來都是非法的。

網路效應

盡管有這些專利限製,永恆的MP3格式繼續向前發展;這種現象的原因看起來是由如下因素帶來的網路效應:

* 熟悉這種格式,不知道有其它可選格式存在,

* 這些可選格式沒有普遍地明顯超過MP3的優勢這樣一個現實,

* 大量的MP3格式音樂,

* 大量的使用這種格式的不同軟體和硬體,

* 沒有DRM保護技術,這使得MP3檔案可以很容易地修改、復製和通過網路重新發布,

* 大多數家庭使用者不知道或者不關心軟體專利爭端,通常這些爭端與他們個人用途而選用MP3格式無關。

另外,專利持有人不願對于開源解碼器加強授權費用的征收,這也帶來了許多免費MP3解碼器的發展。另外,盡管他們嘗試阻止發布編碼器的二進位代碼, Thomson已經宣布使用免費MP3編碼器的個人使用者將不需要支付費用。盡管專利費是許多公司打算使用MP3格式時需要考慮的問題,對于使用者來說並沒有什麽影響,這就帶來了這種格式的廣受歡迎。

Sisvel S.p.A. 和它的美國子公司Audio MPEG,Inc. 以前曾經以侵犯MP3技術專利為由起訴Thomson,但是那些爭端在2005年11月最終以Sisvel給Thomson MP3授權而結束,Motorola也與Audio MPEG簽署了MP3的授權協定。由于Thomson和Sisvel都擁有他們聲稱編解碼器必需的單獨的專利,MP3專利的法律狀態還不清晰。

Fraunhofer的專利在2010年4月已經到期,MP3演算法不受專利保護。

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