Тестирование mpeg layer 3 (MP3) кодеров Предисловие icon

Тестирование mpeg layer 3 (MP3) кодеров Предисловие


Смотрите также:
I-o data Network Player ''AVel linkPlayer2'' avlp2/dvdla...
Объявляет
Коллекция сказок в формате mp3 около 2000 файлов (список прилагается) в формате mp3 на 5 dvd...
MP3) Лёгким движением руки брюки превращаются брюки превращаются превращаются брюки в элегантные...
«Тестирование прошёл(ла)»...
«Методы сжатия движущихся изображений mpeg 2»...
Контрольное тестирование. I. Тестирование на входящий рейтинг....
Фгу «Федеральный центр тестирования» в 2008 году проводит централизованное тестирование в полном...
Пояснительная записка. Статус документа...
Возможно ли тестирование программы на всех возможных путях угп...
Образовательные ресурсы Интернета. К уроку по обществознанию....
Централизованное тестирование Централизованное тестирование (ЦТ)...



Загрузка...
скачать
Тестирование MPEG Layer 3 (MP3) кодеров

Предисловие

Прежде всего я хочу очертить круг вопросов, которые я хотел выяснить для себя, проведя это тестирование. Я решил собрать себе фонотеку и сохранить записи в формате MP3. В связи с этим у меня возникло 2 вопроса:

  1. Какой степени сжатия файлов достаточно для сохранения приемлемого уровня качества звука?

  2. Возможно ли сжать хоть чуть-чуть аудио-информацию при полном сохранении качества или с незначительным ухудшением качества?

То есть изначально я планировал сохранять аудио-информацию в двух копиях: одна со сжатием побольше (п. 1) - для ежедневного использования, другая с претензией на максимальное сохранение качества (п. 2) - для использования в будещем, скажем, для записи избранных песен на CD или для переведения фонотеки на новый, более прогрессивный и качественный формат.

Таким образом сразу можно выделить мои предпочтения к кодерам: скорость работы меня не интересовала вообще, степень сжатия (а, значит, и размер результирующего файла) меня интересовали по столько по скольку. Главным критерием было качество.

^ Описание метода тестирования

При помощи программы Digital Audio Copy for Win32 (WinDAC) 1.49 были созданы копии 2-х записей с CD в WAV-файлах. Записи были выбраны по следующим критериям: различимое на слух наличие высокочастотной составляющей, наличие нетривиальных стереоэффектов, наличие песен в моей небогатой фонотеке на CD. В итоге я выбрал Dog New Tricks от Garbage (из альбома Garbage) и Gone Away от Offpring (из альбома Americana).

Потом я создавал файлы формата MP3 при помощи нескольких кодеров. С помощью каждого кодера было создано несколько файлов - со всеми степенями сжатия меньше, чем 11:1 (128 kbps) включительно, которые поддерживает данный кодер.

После этого файлы формата MP3 были декодированы в файлы формата WAV и дальнейшая работа велась уже с этими WAV-файлами. Это сделано для того, чтоб ликвидировать искажения, вносимые проигрывателями MP3-файлов. Для декодирования MP3 использовался декодер l3dec V2.71 ISO/MPEG Audio Layer III Software Only Decoder от Fraunhofer-IIS - организации, которая первая разработала и начала распространять коммерческий программный кодер и декодер MP3. Популярность, которую приобрел данный кодер, а также то, что Fraunhofer-IIS продает свои продукты для самых серьезных приложений, оставляет надежду, что декодирование файлов происходит в строгом соответствии со стандартом ISO MPEG (многие проигрыватели MP3 пытаются как-то улучшить качество звучания и единственное что у них получается наверняка - это внести дополнительные искажения). В случае, если файл невозможно декодировать при помощи l3dec (некоторые файлы со сжатием 4:1, 320 kbps), использовался WinAmp 2.95, декодер которого построен также на основе кода от Fraunhofer-IIS. Далее при помощи программы CoolEdit Pro 1.1 (в последнее время - версии 1.2) анализировались первые 30.000 секунд каждого файла и строилсиь амплитудно-частотные характеристики (АЧХ) отдельно для левого, правого каналов и условного центра (смесь левого и правого каналов в пропорции 1:1). Так уж этот CoolEdit устроен, но нормально эти АЧХ выглядят только в диапазоне от 350 Гц до 21.7 кГц. Именно эти графики наиболее наглядно представляют информацию о качестве кодирования, именно они и представлены на этой странице. Впрочем, при помощи ссылок вы сможете получить доступ ко всем графикам и АЧХ.

Программа использует несложные формулы, которые описаны в соответствующем разделе.

^ Описание терминов

Термин

Описание

Кодер (англ. coder, encoder)

Программа и/или устройство, используемые для преобразования информации из одного вида в другой (кодирование). Мы рассматриваем программы, которые преобразуют аудио-данные из формата PCM WAV в ISO MPEG Audio Layer III (MP3).

Декодер (англ. decoder)

По сути то же, что и кодер, но осуществляет преобразование в обратном направлении.

Кодек (англ. codec)

Кодер и декодер в одном блоке.

Степень сжатия

Отношение размера входного (некодированного) файла к размеру выходного (кодированного) файла. Например, степень сжатия 11:1 означает, что закодированный файл в 12 раз меньше оригинала.

Битрейт (англ. bitrate)

Количество бит, отведенное для записи еденицы времени аудио-информации. Измеряют обычно в кб/с, то есть килобит в секунду (англ. kb/s или kbps).

Децибелл (англ. decibell, обознач. дБ, dB)

Еденица измерения каких-либо величин. Очень часто используется в звукотехнике из-за особенностей восприятия звуков человеком. По опрелению значение величины в децибеллах равно десяти логарифмам отношения величины в обычных единицах к некоей опорной величине в обычных единицах. В звукотехнике часто в качестве опроной величины берется максимальный уровень звука, таким образом если обозначить нашу величину как Ux, формула для определения этой же величины в децибеллах запишется как . Значение величины в децибеллах получается отрицательным. Особенность человеческого слуха в том, что звук в -40 дБ кажется в 2 раза тише, чем звук в -20 дБ, хотя очевидно (см. формулу), что величина U40, описывающая этот звук (напр. мощность звукового потока), в 100 раз меньше величины U20. Получается что "ухо слышит в децибеллах".

АЧХ (амплитудно-частотная характеристика, англ. AFG, amptitude to frequency graph)

Зависимость уровня сигнала от частоты сигнала. Из-за того, что уровень может измеряться и в единицах мощности звукового потока, и в еденицах электрического напряжения (по отношению к электрическому представлению этого же сигнала в схемах, скажем, усилителя), и много чего еще; а также учитывая особенности человеческого слуха (см. Децибелл), уровень сигнала часто измеряют в дБ и не конкретизируют, об уровне чего (громкости, напряжения) идет речь. АЧХ можно построить в виде графика.

^ Использовавшиеся формулы

Как уже упоминалось, наиболее наглядно информация о качестве кодирования показана на графиках, где сравниваются АЧХ оригинального и закодированного файлов. Учитывая то, что CoolEdit строит АЧХ в дБ, нетривиально как сравнивать величины с АЧХ. Тем более, что результирующие графики я хотел тоже построить в дБ: отношение уровня сигнала закодированного файла к уровню сигнала оригинала.

     Обозначим уровень сигнала как Ux. Нас интерисует величина



(1)

     Эта же величина в дБ равна



(2)

     Выполним простые математические преобразования в (2):



(3)

     Считая что



(4)

получим



(5)

Строго говоря, у нас нет никаких оснований считать, что (4) верно. Но, учитывая то, что в обе части равенства относятся к одной и той же записи (оригинальный вариант и закодированный), будем считать что при кодировании максимальный уровень сигнала не изменяется или почти не изменяется.

Таким образом мы получили удобную формулу (5) для анализа АЧХ и построения интересующих нас зависимостей. Формула (5) используется в программе для анализа АЧХ, которая упомянута выше.

^ Использовавшиеся кодеры

AudioCatalyst by Xing Technology Corporation - version 2.1


Коммерческий кодер от Xing Technology Corp. Весьма оригинальная программа: представляет собой оригинальный код от Xing Tech в режиме "без высоких частот" и код от Fraunhofer'а оптимизированный по скорости (качество, соответственно упало, но все же лучше чистого Xing'а) в режиме "сохранения высоких частот". Все это - в одном блоке с программой для копирования музыки с CD - AudioGrabber. Работает очень быстро, но качество оставляет желать лучшего, хотя опять же: при "сохранении высоких частот" качество лучше оригинального Xing'а, хотя и до Fraunhofer'а не дотягивает. Домашняя страница - http://www.xingtech.com. Интерфейс программы полностью позаимствован у AudioGrabber'а.

^ BladeEnc : Blade's MP3 Encoder - version 0.82

Свободно распространяемый кодер, написанный Тордом Янсоном (Tord Jansson). Представляет собой оптимизированный код от ISO. Работает быстрее, чем "чистый" ISO-код, но в интернете есть сообщения о некорректной работе на степени сжатия 11:1 (128 кб/с). Домашняя страница - http://bladeenc.cjb.net. Интерфейс программы только из командной строки, но в интернете есть полно программ-оболочек к Blade. Я использовал Bladebatch 2.97 SE Евгения Логинова, тоже свободно-распространяемая программа, домашняя страница на http://eal.da.ru.

^ LAME : LAME Ain't an Mp3 Encoder, version 3.24

Свободно распространяемый патч для исходного кода ISO, разрабатываемый группой энтузиастов. Представляет собой оптимизированный код от ISO. Распространяется в виде набора исходных файлов, которые являются дополнениями и исправлениями исходного кода ISO (Это сделано для обхода законов про лицензирование программ кодирования MP3 фирмой Fraunhofer. Ведь LAME это не программа, это набор исходников, значит ее нельзя запретить к свободному распространению :) Тем не менее в интернете легко найти уже скомпилированые варианты LAME под любую ОС.). Работает быстрее и качественее, чем "чистый" ISO-код. Домашняя страница - http://www.sulaco.org/mp3. Интерфейс программы только из командной строки.
Примечание: этот кодер тестировался в двух режимах: со включенной и с выключенной психоаккустической моделью (LAME -f). Это не 2 разных кодера, а всего лишь 2 режима работы одного кодера, хотя они и отличаются по результату.

^ Результаты тестирования

Скорость кодирования

Для тестирования скорости кодирования я отрезал по 30.000 секунд от WAV-файлов с записью песен с CD. В таблице приведено время кодирования 30 секунд песни Garbage, ниже - Offspring'а. Все тесты проведены на моем домашнем компьютере (Athlon 2500 МГц, ОЗУ 512 МБ, ОС Windows XP). Во время тестирования запущены только 2 программы - "Свойства: Дата и время" из "Панели управления" (там часы с секундомером) и кодер (на переднем плане). Если программа поддержавает выбор приоритета выполнения операции кодирования, то выбирался приоритет Normal.




^ Степень сжатия и битрейт

11:1

8:1

7:1

6:1

5:1

4:1

128 кб/с

160 кб/с

192 кб/с

224 кб/с

256 кб/с

320 кб/с

AudioCatalyst

0:36
0:36

0:37
0:37

0:37
0:37

0:37
0:37

0:39
0:38

0:40
0:38

^ Blade Enc.

4:35
4:35

4:04
4:12

3:59
4:01

3:53
3:56

3:49
3:51

3:49
3:54

LAME

3:21
3:21

2:58
3:01

2:41
2:48

2:32
2:32

2:29
2:27

2:28
2:26

     Ниже эти же данные приведены в более наглядной форме - на гистрограмме отложены средние по двум отрывкам песен времена кодирования.

     Скорость работы AudioCatalyst 2.1 и XingMP3 Encoder 1.5 полностью совпадает.



Анализ АЧХ

Это, собственно, основной раздел, ради которого я и начал проводить тестирование. Он получился большим, поэтому я не стал помещать его здесь.

Выводы

Как показала практика, даже такой грубый метода как сравнение АЧХ дает неплохие результаты - все что явно слышно на слух (напр. мало высоких, звон ISO-кодеров) отлично отражено на графиках. Так что можно считать, что при помощи графиков можно сравнивать качество кодирования даже там, где на слух разницы не слышно. В ходе измерений делалось усреднение по достаточно большому отрывку (30 сек), который содержал и тишину (начало песни) и громкую музыку с заполнением всего частотного диапазона. По-моему такое усреднение по времени и определило очень хорошо согласующиеся с оценкой "на слух" результаты.

AudioCatalyst

Скорость превыше всего. Страдает, естественно, качество. На высоких битрейтах высокие частоты не так однозначно вырезаются - и понятно почему. Качество при всех битрейтах на слух ощутимо хуже всех других кодеров. Кодер явно рассчитан на тех, кто хочет быстро получить результат, пусть даже не самый лучший.

^ Blade Encoder

Быстрый кодер. Основан на коде от ISO, отсюда его свойства: высокое качество на высоких битрейтах и характерный звон на низких (128 кб/с). Кроме того Blade содержит ошибку, которая дает себя знать хорошо слышимыми искажениями на 128 кб/с. Устранен основной недостаток кода ISO - медлительность. Blade работает в 3 - 6 раз быстрее, чем mpeg Encoder, который построен на оригинальном неоптимизированном ISO-коде. Качество кодирования уступает mpeg Encoder'у, однако разница мизерна (на слух не воспринемается) и если учесть разницу в скорости работы, то Blade становится очень привлекательным выбором для битрейтов выше 192 кб/с.

LAME

Очень быстрый кодер. Основан на коде от ISO, соответственно его свойства: высокое качество на высоких битрейтах и характерный звон на низких (128 кб/с). Естественно, нет ошибки Blade, которая дает себя знать на 128 кб/с. Устранен основной недостаток кода ISO - медлительность. Работает в 1,5 раза быстрее Blade (а в режиме -f - в 2.5 раза!), а качество выше, чем у mpeg Encoder'а, который построен на оригинальном неоптимизированном ISO-коде. (Режиме -f отключает психоаккустические фильтры, что делает звук чище на высоких битрейтах, но существенно ухудшает на низких.) Первый кодер, который при отличном качестве звука сравним с Xing'ом по скорости. Однозначно лучший выбор для высоких битрейтов - 224 кб/с и выше.

Ссылки

http://bladeenc.cjb.net

Страница автора Blade Encoder'а.

http://www.sulaco.org/mp3

Страница проекта LAME.



Самарский Государственный Архитектурно-Строительный Университет


Тестирование MPEG Layer 3 (MP3) кодеров


Студент: Чанаев С.А.

Методический руководитель: Пиявский С.А.

Научный руководитель: Козлов В.В.



Самара 2004г.




оставить комментарий
Дата25.04.2012
Размер95,2 Kb.
ТипДокументы, Образовательные материалы
Добавить документ в свой блог или на сайт

Ваша оценка этого документа будет первой.
Ваша оценка:
Разместите кнопку на своём сайте или блоге:
rudocs.exdat.com

Загрузка...
База данных защищена авторским правом ©exdat 2000-2017
При копировании материала укажите ссылку
обратиться к администрации
Анализ
Справочники
Сценарии
Рефераты
Курсовые работы
Авторефераты
Программы
Методички
Документы
Понятия

опубликовать
Загрузка...
Документы

наверх