CC BY
7УДК 004
Кенкишвили В.С.
студент 2 курса кафедры Прикладной математики и информатики
Новороссийский филиал Кубанский государственный университет (г. Новороссийск, Россия)
СЖАТИЕ ЦИФРОВОЙ АУДИОИНФОРМАЦИИ ПО МЕТОДУ MP3
Аннотация: в рамках данной работы было проведено исследование проблематики сохранения качества аудио информации при использовании метода MP3. Так же в работе была полностью описана специфика этого метода, вместе с его основными преимуществами и недостатками.
Ключевые слова: цифровые данные, информация, сжатие аудио, метод сжатия, сжатия информации.
В современном мире цифровой музыки формат MP3 [1] играет важную роль благодаря своей способности сжимать аудиофайлы без значительных потерь качества. MP3, или MPEG Audio Layer III, стал одним из самых популярных форматов, потому что позволяет значительно уменьшить размер файлов, при этом сохраняя приемлемое качество звука. Этот формат произвел революцию в музыкальной индустрии и цифровых медиа, давая людям возможность хранить и передавать большие коллекции аудио с минимальными затратами памяти.
Процесс сжатия объема цифровой информации имеет выраженный алгоритмический характер. Он основан на принципе сокращение избыточности объемов данных. Метод сжатия информации предполагает уменьшение ее объема с незначительной потерей содержимого.
В основе идеи алгоритма лежит метод спектральных отсечений [2]. Звуковой сигнал разделяется на равные по длительности сегменты, каждый из
1549
которых после обработки упаковывается в свой фрейм. В звуковом сигнале есть гармоники с меньшей амплитудой и гармоники, лежащие вблизи более интенсивных — такие гармоники отсекаются. После спектральной обработки применяются математические методы сжатия и упаковки в фреймы. Каждый фрейм может содержать несколько контейнеров, позволяя хранить информацию о различных потоках, например, левый и правый каналы или центральный канал и разница между каналами.
При использовании алгоритма MP3, можно получить некоторое количество сжатых фреймов аудиозаписи, закодированных одинаковыми символами (например, нулями) и «склеенными» между собой математическими алгоритмами.
Метод сжатия MP3 характеризуется простотой и легкостью применения. Несмотря на то что сама методика была придумана в конце 20-го века, она до сих пор сохраняет свою актуальность. В основе работы алгоритма MP3 лежит принцип того, что в человеческий слух плохо различает частоты свыше 16кГц. При этом потребуется найти подобные участки звукового спектра используя психоакустическую модель [3] звуковосприятия человека.
На этом этапе при помощи алгоритма преобразования Фурье [4], звуковая волна раскладывается на спектры разной частоты. Все малоразличимые частоты удаляются. Также следует заметить, что визуально картина звучания, например, МР3-файла в битрейте 320кбит/с мало чем отличается от несжатого файла, при этом в размере может составлять до 1/10 от оригинала.
На следующем этапе, этапе маскировки, происходит самый больший процент сжатия. Сначала удаляются кратные звуковые частоты на громких моментах аудиозаписи, например: если звучит громкий барабан, то все остальные сигналы идущие от подключенных инструментов можно убрать.
В некоторых случаях, в соответствии с психоакустической моделью можно удалять целые доли перед, и после звучания громких звуков.
1550
Далее звуки распределяются на аудиоканалы «L» и «R» представляя их некими числами X,Y согласно алгоритму: X = —^—, Y = L — R .
В конце каждый из сжатых фреймов аудиозаписи, закодированный символами, сокращается до минимальных размеров при помощи метода Хафмана [5]. В процессе его работы дополнительная информация не теряется, к каждому из значений фреймов присваивается код. Далее части аудиозаписи склеиваются и образуют сжатый MP3 файл.
Этот метод сжатия обладает рядом следующих достоинств и недостатков:
Достоинства:
1) Высокая степень сжатия: MP3 использует алгоритмы сжатия, которые значительно уменьшают размер файлов. Это позволяет хранить больше аудиозаписей на устройствах и быстрее их передавать.
2) Регулируемое качество: Пользователь может выбрать уровень сжатия, балансируя между размером файла и качеством звука. Для большинства применений качество MP3 на уровне 128-320 kbps является достаточным.
3) Широкое распространение: MP3 стал стандартом де-факто для музыкальных файлов. Практически все цифровые музыкальные устройства поддерживают MP3.
Недостатки:
1) Потеря качества: MP3 является форматом с потерями, что означает, что часть исходных данных аудиофайла теряется при сжатии. Это может негативно сказаться на качестве звука, и может быть заметно на качественной аудиотехнике.
2) Устаревание технологии: Несмотря на популярность, MP3 является устаревающим форматом. Современные методы сжатия, такие как C и Opus, предлагают лучшее качество звука при меньшем размере файлов, что делает MP3 менее привлекательным в новых приложениях.
1551
3) Ограниченные возможности для редактирования: Повторное сжатие MP3 файлов может привести к дальнейшему ухудшению качества. Это ограничивает возможности для редактирования аудиоматериалов.
Таким образом, в рамках данной статьи была проведена работа по описанию способа сжатия цифровой аудиоинформации, а также был описан самый популярный метод сжатия MP3. При этом стоит отметить, что существуют самые разные методы сжатия аудиоинформации, удовлетворяющие потребностям разных пользователей. И им необходимо самостоятельно выбирать подходящий.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ:
1. Е.В. Пиуновский, А.А. Тропченко. Современные технологии сжатия аудиосигналов (Электронный ресурс) https://cyberleninka.ru/article/n/sovremennye-tehnologii-szhatiya-audiosignalov/viewer;
2. М.С. Иванов. Методы спектрального анализа (Электронный ресурс) https://cyberleninka.rU/article/n/metody-spektralnogo-analiza/viewer;
3. К.А. Назарова. Психоакустический дизайн (Электронный ресурс) https://cyberleninka.rU/article/n/psihoakusticheskiy-dizayn/viewer;
4. Н.А. Богданова, О.В. Подорожний. Метод Фурье как основа цифровой обработки микроэлектронных изображений (Электронный ресурс) https://cyberleninka.ru/article/n/metod-furie-kak-osnova-tsifrovoy-obrabotki-mikroelektronnyh-izobrazheniy/viewer;
5. М.С. Виноградова. Сжатие данных. Алгоритм Хафмана (Электронный ресурс) https://cyberleninka.rU/article/n/szhatie-dannyh-algoritm-haffmana/viewer
1552
Kenkishvili V.S.
Kuban State University (Novorossiysk, Russia)
DIGITAL AUDIO COMPRESSION USING THE MP3 METHOD
Abstract: in this work, a study was conducted on the problem of preserving the quality of audio information using the MP3 method. The work also fully described the specifics of this method, along with its advantages and disadvantages.
Keywords: digital data, audio compression, MP3, compression method, information.
1553
