MP3 - Psychoakoustiek

Inleiding Met digitale compressietechnieken is het mogelijk geluid aanzienlijk minder ruimte in te laten nemen dan met conventionele formaten. Op een gewone compact disc past 74 minuten. Als er gebruik wordt gemaakt van bijvoorbeeld het MP3 formaat past er zo’n 10 uur op één CD-Rom. In deze praktische opdracht zal ik proberen te onderzoeken hoe deze efficiente opslag methode toch tot een acceptabele kwaliteit kan leiden. Het MP3 formaat Met MP3 word bedoeld MPEG-1 audio Layer 3. MPEG is een afkorting 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 gebruikt bij VCD’s. MPEG-2 is ontwikkeld voor DVD en wordt ook gebruik bij digitale televisie. MPEG-3 is overgegaan in MPEG-2. Ten slotte is er nog MPEG-4, dit formaat wordt gebruikt om video op zeer lage bitrates te coderen. Zodoende is het mogelijk 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 werken volgens hetzelfde principe. Deze formaten zijn minder ingewikkeld en hadden minder goede kwaliteit met lagere compressie.
De geschiedenis MP3 is ontwikkeld 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 vergelijken met het MIT Media Lab in Boston. MP3 was een overheids gefinancieerd project van Karlheinz Brandenburgh. Zijn uitvinding genoot weinig bekendheid in Duitsland maar toen hij het in 1997 in Silicon Valley introduceerde waren er verscheidene bedrijven geïnteresseerd. De uitvinding is nooit verkocht maar budget om de rechten te beschermen heeft het instituut ook amper. Zelf is Brandenburgh niet geïnteresseerd in geld en heeft niks aan zijn uitvinding verdiend. De werking in grote lijnen Ongecomprimeerd geluid, zoals op gewone compact discs, bevat veel meer gegevens dan je hersenen kunnen verwerken. Als twee noten bijvoorbeeld erg op elkaar lijken en dicht bij elkaar zitten, kan het voorkomen dat je er maar één waarneemt. Als twee geluiden heel verschillend zijn maar de ene luider als de andere, kan het voorkomen dat je alleen het luide geluid zult waarnemen. En je oren zijn gevoelliger voor bepaalde frequenties (zie grafiek). De studie naar deze akoustische fenomenen heet psychoakoustiek, en er is vrij veel over bekend. Zo veel dat het vrij precies kan worden beschreven in tabellen en in mathematische modellen die het menselijke gehoor weergeven. Bij het maken van een MP3-bestand wordt het binnenkomende signaal geanalyseerd en in twee patronen verdeeld. Deze twee worden vergeleken met psychoakoustische modellen die in het programma ingebouwd zijn. Het programma, ook wel ‘encoder’ genoemd, gooit dan al de meeste gegevens weg die niet overeenkomen met de opgeslagen modellen. De gebruiker kan instellen hoeveel gegevens er per seconde mogen worden opgeslagen, uiteraard wordt de kwaliteit steeds slechter als er meer wordt weggegooid. Hierna worden de gegevens nog extra gecomprimeerd met Huffmann codering. Vaak voorkomende bitcombinaties worden afgekort, hierbij gaat geen data verloren. MP3 bestanden zijn opgebouwd uit zeer korte frames, vergelijkbaar met een filmrol. Elk frame begint met een header die informatie bevat over de inhoud van het frame. Bij sommige technieken kunnen deze frames samenwerken. Bijvoorbeeld als het ene frame ruimte over heeft en het volgende juist te weinig ruimte heeft. Lossless en lossy compressie Compressietechnieken 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 enkele bit verloren gaan en kan dus alleen met lossless worden gecomprimeeerd. Het ZIP formaat is een bekend lossless formaat, het maakt gebruik van het LZW algoritme. Maar bij plaatjes, geluid of filmpjes kan een hoop informatie worden weggegooit omdat deze praktisch niet waarneembaar is of om zo min mogelijk data in te nemen. MP3 is een voorbeeld van een lossy formaat. Bitrates, samplerates en het aantal kanalen De kwaliteit van een MP3 bestand wordt bepaald door de bitrate, de samplerate en het aantal kanalen. 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 gekozen naar de theorie van Nyquist, deze beweerd dat er twee keer zo veel samples moeten worden genomen als de hoogste frequentie die weergegeven moet kunnen worden. In het geval van de CD is deze dus ruim gekozen, aangezien 20 kHz ongeveer de allerhoogst hoorbare toon is. Maar er zijn ook frequenties mogelijk van 16, 22 of zelfs 96 kHz. De samplerate is te vergelijken 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 kbps. Dit betekent dat er 16 kilobyte per seconde aan data wordt opgeslagen. Zie het plaatje voor verduidelijking. Verder kan een MP3 bestand één of twee kanalen hebben (mono/stereo). Als een MP3 bestand twee kanalen bevat wordt er simpelweg dubbel zo veel informatie opgeslagen. Maar er is ook een tussenvorm mogelijk, Joint Stereo. Bij deze methode wordt in het eerste kanaal de som van links en rechts opgeslagen en in het tweede kanaal het verschil. Dit leidt echter tot een iets lagere kwaliteit. CBR en VBR MP3 kunnen op een constante (CBR) en op een variabele bitrate (VBR) worden gecodeerd. Meestal wordt er van een constante bitrate gebruik gemaakt, in deze praktische opdracht wordt er vanuit gegaan dat het om CBR gaat. Variabele bitrates worden minder vaak gebruikt want ze hebben bepaalde nadelen, het duurt bijvoorbeeld langer om naar een willekeurige plek in een liedje te zoeken omdat hiervoor niet gebruik kan worden gemaakt van een simpele berekening. Verder vertonen programma’s vaak problemen met de tijdsweergave van dit soort bestanden. Een voordeel is wel dat het liedje op een constante kwaliteit wordt gecodeerd. Voor minder ingewikkelde stukjes kan een lagere bitrate immers volstaan en de stukken die een hoge kwaliteit vereisen kunnen meer ruimte innemen.
Alternatieven voor MP3 MP3 is verreweg het populairste geluidsformaat om muziek uit te wisselen op internet maar er zijn een aantal alternatieven / opvolgers. Hier enkele voorbeelden: - WMA
WMA is Microsoft’s poging een graantje mee te pikken van het succes van MP3. Bij de lancering van dit formaat werd beweerd dat het op een bitrate van 64 kbps de kwaliteit van een 128 kbps MP3 kon evenaren. Maar al gauw bleek dat het WMA bestand mono was, het bleek dus een goedkope truc te zijn. Over het algemeen is dit formaat niet beter als MP3, de rede dat het nog gebruikt word is dat het ingebouwd zit in Microsoft producten. - MP3Pro
MP3Pro is ontwikkeld door het bedrijf Thomson. Het is een combinatie van een gewone MP3 en een aparte gegevensstroom voor de hoge tonen. Deze aparte gegevensstroom maakt gebruik van een techniek Spectral Band Replication (SBR) die de geluidskwaliteit 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 aanzienlijk minder plaats in als de gewone gegevensstroom. Er wordt wel meer proccerstijd gebruikt bij het afspelen. Een MP3Pro bestand van 64 kbps benadert de kwaliteit van een gewoon MP3 bestand op 128 kbps. - VQF
VQF is een formaat ontwikkelt door Yamaha. Het werkt met bitrates tot 96 kbps. Het werkt met een totaal ander soort compressie. De bits worden niet direct gecodeert maar worden omgezet in patronen die worden vergeleken met standaard tabellen. Het patroon wat het best bij het origineel past wordt gebruikt en een referentie naar de tabel wordt opgeslagen. Het resultaat is te vergelijken met een 128 kbps MP3 bestand. - OGG/Vorbis
Een zogenaamd open source project, helemaal gratis en vrij van patenten. De makers zelf beweren dat het formaat betere kwaliteit biedt als MP3 maar het is vooralsnog niet af. - AAC
MPEG Advanced Audio Coding is de officiele opvolger van MP3. Het ondersteunt 48 kanalen (MP3 ondersteunt er 5), en werkt met samplerates tot 96 kHz (48 bij MP3). Verder zijn er nog een hoop (ingewikkelde) technische verbeteringen. Op 96 kbps klinkt AAC iets beter als een MP3 op 128 kbps. Platenmaatschappijen vs. de consumenten Illegaal muziek downloaden via Napster is dan wel praktisch onmogelijk geworden door de plaatsing van filters, de strijd tegen de verspreiding van illegale muziek is nog lang niet gewonnen. Zoals te verwachten was zijn er andere programma’s gekomen waarmee naar harte lust muziek gedownload kan worden. Het rechtsysteem is waarschijnlijk veel te langzaam in vergelijking met de supersnelle ontwikkelingen 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 kopieerbeveiligingen te ontwikkelen maar de een na de andere wordt gekraakt en uiteindelijk moet de muziek toch te horen zijn en wat je kan horen zul je uiteindelijk altijd kunnen opnemen. Het ziet er naar uit dat platenmaatschappijen nu echt met iets nieuws moeten komen. Ze proberen muziek 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 goedkopere muziek, want de platenmaatschappijen verdienen in feite ook 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 ook niet de armste. Nee, het is eerder de consument die veel geld misloopt doordat in Nederland de Cd’s verschrikkelijk duur zijn. Verder beweren ze dat als muziek steeds meer gekopieerd wordt nieuwe artiesten geen kans meer krijgen, maar artiesten die het om de muziek gaat en niet om het geld zijn toch sowieso interessanter? De platenmaatschappijen bedoelen eigenlijk: “help wij verliezen de macht over de muziekindustrie, nieuwe artiesten hebben een geweldig medium gevonden om zonder onze hulp muziek te verspreiden”. Deze strijd gaat meer om geld dan om muziek, totdat ik artiesten berooid in prullenbakken naar eten zie zoeken ga ik onverstoord door met af en toe hun muziek te downloaden. Ik ben benieuwd of en hoe er een einde zal komen aan deze strijd, ondertussen luister ik rustig naar het volgende MP3’tje. Ik kan niet meer verliezen, de artiest heeft misschien een miljoentje of meer misgelopen maar zit nu ongetwijfeld rustig in zijn bubbelbad. Slotwoord Bij het maken van een praktische opdracht over MP3 kwam wat meer kijken als simpelweg engelse documentatie vertalen. Het waren in het algemeen veel te ingewikkelde en technische bronnen om direct over te kunnen nemen. Door het maken van dit werkstuk begrijp ik beter hoe compressie in het algemeen in zijn werk gaat.
Bronvermelding - MP3: The definite guide - Scot Hacker, 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) - Karlheinz Brandenburg and The Secret History of MP3 (http://www.bbc.co.uk/dna/h2g2/alabaster/A406973)