Сохранить и прочитать потом —
Организуя свою коллекцию цифровой музыки, можно утонуть в разнообразии форматов аудиофайлов. Почти каждый слышал об MP3, но что такое OGG, AIFF или MQA?
Если по прочтении списка у вас возникло подозрение, что все эти форматы для получения таких шикарных аббревиатур учились в разных университетах, мы поможем развеять его. В этом материале будет прояснена суть некоторых популярных музыкальных форматов, разница между ними и то, почему это важно знать.
Что бы вы ни слушали – MP3-файлы с низким битрейтом, чуть более качественные треки в AAC или Hi-Res-аудио во FLAC или WAV – настало время разобраться в том, что именно вы получаете в каждом случае и как выбрать оптимальный формат.
Давайте оценим плюсы и минусы каждого из них.
Краткий обзор форматов файлов и кодеков
Чтобы не ходить вокруг да около, вначале мы приведем краткую памятку по всем форматам файлов и различиям между ними. Если захотите узнать больше, ниже вы найдете более подробное описание различий в размерах, качестве звука и совместимости.
AAC (не является форматом Hi-Res-аудио).
Ставшая популярной благодаря Apple альтернатива формату MP3. Со сжатием и потерями, но с более высоким качеством звука. Используется для скачивания с iTunes и трансляции с Apple Music.
AIFF (Hi-Res).
Альтернатива WAV от Apple с более полными метаданными. Не особенно популярный формат без сжатия и потерь с файлами большого размера.
DSD (Hi-Res).
Однобитный формат, применяемый в Super Audio CD. Существует в вариантах с частотой дискретизации 2,8 МГц, 5,6 МГц и 11,2 МГц. Из-за использования кодека высокого качества в настоящее время не применяется для стриминга. Формат без сжатия.
FLAC (Hi-Res).
Формат со сжатием без потерь с поддержкой частот дискретизации, совместимых с Hi-Res, и хранением метаданных; размер файлов вдвое меньше, чем у WAV. Благодаря отсутствию лицензионных отчислений считается лучшим форматом для скачивания и хранения альбомов в Hi-Res-аудио. Его главный недостаток – отсутствие поддержки устройствами Apple (и, следовательно, несовместимость с iTunes).
MP3 (не является форматом Hi-Res-аудио).
Популярный формат со сжатием и потерями с малым размером файла и далеко не самым высоким качеством звучания. Удобен для хранения музыки на смартфонах и плеерах iPod.
MQA (Hi-Res).
Формат со сжатием для хранения Hi-Res-файлов в более удобной для стриминга форме. Используется сервисом Tidal Masters для трансляций Hi-Res-аудио.
OGG (не является форматом Hi-Res-аудио).
Иногда называется полным именем – Ogg Vorbis. Альтернатива MP3 и AAC с открытым кодом, не подпадающая под действие патентов. Этот формат с битрейтом 320 кбит/с используется в трансляциях Spotify.
WAV (Hi-Res).
Стандартный формат, в котором записаны все CD. Отличное качество звука, но огромный размер файлов из-за отсутствия сжатия. Слабая поддержка метаданных (обложек, названий песен и исполнителей).
WMA Lossless (Hi-Res).
Версия Windows Media Audio без сжатия, поддержку которой уже не часто можно встретить в смартфонах и планшетах.
качество звука
Высокочастотный шум менее заметен в звуках со сложными высокочастотными составляющими, но похоже, что шум добавляется к звукам с несколько монотонными высокочастотными составляющими (это характеристика SBR и битрейта. Даже если его поднять , так сильно не улучшится). Поэтому он подходит для J-POP , песен , включая энка , хард-рок , транс (музыку) и т. д., где диапазон высоких частот сложен, а слышимая воспроизводимая полоса не очень широка , но, с другой стороны, диапазон высоких частот монотонный, а слышимая полоса широкая классической музыкииджаза, не подходит для .
Поскольку частота дискретизации части AAC изначально составляет 22050 Гц, ей не хватает легкости, плавности и тонкости.
Аудиофайлы со сжатием и без него
Вначале рассмотрим три категории, в которые можно сгруппировать все форматы аудиофайлов. Они определяются степенью сжатия данных и связанным с ним уровнем потерь качества звучания.
Если для сжатия аудио в вашем файле не применялся специальный алгоритм (или кодек), это приведет к двойному результату: во-первых, потерь качества звучания не будет, во-вторых, место на вашем жестком диске скоро закончится.
По своей сути запись в формате без сжатия полностью соответствует оригинальному аудиофайлу, в котором зафиксированы в цифровом представлении реальные звуковые сигналы.
WAV, AIFF или FLAC: форматы без сжатия
WAV и AIFF можно назвать самыми популярными форматами аудиофайлов без сжатия. Оба они основаны на PCM (Pulse Code Modulation, импульсно-кодовой модуляции), широко известном механизме непосредственного преобразования аудиосигнала в цифровую форму. В WAV и в AIFF применяются схожие технологии, но методы хранения данных несколько различаются. В этих форматах можно записывать как файлы CD-качества, так и более высокого разрешения.
Формат WAV был разработан Microsoft и IBM, в силу чего применяется на платформах на базе Windows; он является стандартным форматом записи компакт-дисков.
Формат AIFF создан компанией Apple как альтернатива WAV; и хотя AIFF-файлы менее распространены, они обеспечивают более полную поддержку метаданных, позволяя хранить обложки альбомов, названия песен и тому подобную информацию.
Недостаток этих форматов – требование гигантских объемов памяти. Файлы CD-качества (16 бит, 44,1 кГц) занимают около 10 МБ дискового пространства на минуту звучания.
Принцип работы
При кодировании в данный формат выполняются следующие процессы: невоспринимаемые составляющие из сигнала удаляются, кодированный аудиосигнал очищается от избыточности. После этого данные обрабатываются в соответствии с методом МДКП согласно их сложности. На следующем этапе добавляются коды для коррекции различных внутренних ошибок. И наконец, сигнал передаётся или сохраняется.
ALAC, FLAC, WMA Lossless: аудиоформаты без потерь
Все мы любим FLAC. Формат без потерь, файлы во FLAC (Free Lossless Audio Codec, бесплатный аудиокодек без потерь) по размеру почти вдвое меньше, чем в WAV или AIFF без сжатия с эквивалентной частотой дискретизации, однако в плане звучания никаких потерь качества не заметно. FLAC также поддерживает более высокое разрешение по сравнению с CD-качеством – до 32 бит и 192 кГц.
Помимо FLAC, есть и другие форматы без потерь – ALAC (Apple Lossless) и WMA Lossless (Windows Media Audio). Первый представляет собой отличную альтернативу для iOS и iTunes, хотя размер файлов чуть выше, чем у FLAC. Не все смартфоны и планшеты поддерживают его.
История
Разработка формата начата в 1994 году совместными усилиями Fraunhofer IIS, AT&T, Dolby и Sony. Только три года спустя формат стал частью MPEG стандарта как MPEG-2 AAC. При последующей разработке аудио стандарта MPEG-4, AAC был улучшен и усовершенствован.
В общих чертах хронология развития формата выглядит следующим образом:
- 1997 — стандартизация MPEG-2 AAC-LC.
- 1999 — стандартизация MPEG-4 AAC-LC. Добавлена технология PNS (Perceptual Noise Substitution).
- 2003 — стандартизация MPEG-4 HE-AAC. Добавлена технология SBR (Spectral Band Replication).
- 2004 — стандартизация MPEG-4 HE-AAC v2. Добавлена технология PS (Parametric Stereo).
HE-AAC является форматом, ориентированным на низкие битрейты. Комбинация из AAC LC и SBR, используемая в нем, дает неплохое качество на битрейтах от 32 до 48 kbit/s. Естественно, HE-AAC поддерживает многоканальность и допускает богатый выбор частот дискретизации. HE-AAC также известен как aacPlus.
Будучи скомбинированным с параметрическим стерео HE-AAC v2 обеспечивает хорошее качество аудио на битрейтах около 16 kbit/s для стерео. HE-AAC v2 также известен как aacPlus v2.
AAC и MP3: аудиоформаты с потерями
Кто не слышал про MP3? Все про него слышали. Этот самый распространенный аудиоформат удобен для хранения музыки на плеерах iPod или планшетах и поддерживается практически любыми устройствами. Однако для этого приходится жертвовать значительным объемом информации. Для того чтобы уменьшить размеры файлов на порядок по сравнению с записями в CD-качестве, необходимо отбросить значительный процент исходных данных, что приводит к потере качества звучания.
Битрейт, с которым записан MP3-файл, тоже влияет на качество звука. MP3 с битрейтом 128 кбит/с теряют больше информации, чем файлы с 320 кбит/с (это расшифровывается как «килобит в секунду», где каждый «бит», в сущности, представляет собой крохотный кусочек песни). Учитывая резкое снижение стоимости памяти, в наше время нет никаких причин слушать файлы с битрейтом 128 кбит/с; MP3 с 320 кбит/с имеют смысл при ограниченном объеме памяти, они также остаются стандартным форматом для скачивания файлов Интернет-магазинов.
Еще один формат с потерями, AAC (Advanced Audio Coding, усовершенствованное кодирование звука), также предполагает сжатие, как и MP3, но благодаря несколько более эффективным алгоритмам обеспечивает более качественный звук. AAC используется для скачивания с iTunes и трансляций с Apple Music (с битрейтом 256 кбит/с), а также в передачах с YouTube.
Формат Vorbis, нередко называемый Ogg Vorbis, чтобы подчеркнуть использование контейнера Ogg, представляет собой альтернативу MP3 и AAC с открытым кодом, не подпадающую под действие патентов. Этот формат с битрейтом 320 кбит/с используется в трансляциях Spotify.
Если вы планируете использовать форматы с потерей информации, учитывайте следующий факт: повышение числа «бит» обычно ведет к росту качества звучания, однако оно во многом зависит от эффективности кодека, с помощью которого выполняется преобразование файла. Если большая часть музыки в вашей коллекции закодирована с битрейтом 128 Кбит/с, то вы могли заметить, что, несмотря на принципиальное сходство звучания, из-за низкой эффективности кодека MP3-файлы, скорее всего, будут слушаться несколько хуже AAC или Ogg Vorbis.
AAC: поднять шум, но сохранить чистоту
Более аккуратным образом действует алгоритм ААС, которым активно оперирует Apple, да и не только он. С данным аудиокодеком работают цифровые ТВ-бродкастеры, а кроме того, ААС входит в пакет контейнера MPEG-4.
Квадратная волна после конвертации в ААС сохраняет свою форму, хотя искажения основания и гармоники вокруг пика 1 кГц тоже имели место, хотя и менее заметно, чем в МР3. При этом ААС демонстрирует больший на 1 дБ измеренный уровень шума. Что бы это значило — промежуточная запись на кассету, что ли? Нет, наверняка в алгоритме ААС используется что-то вроде нойзшейпинга — великое изобретение, позволяющее снижать ошибки квантования за счет подмешивания псевдослучайного шумового сигнала. Повторюсь, это не просто утопление искажений ниже шумового порога — здесь применяется более изощренная математика.
Для иллюстрации посмотрим артефакты вокруг так называемого джиттер-теста на частоте 11,025 кГц. Почему именно эта частота? Потому что кратная гармоника к этому пику приходится ровно на верхнюю границу спектра из цифрового потока с дискретизацией 44 кГц, а все остальные будут находиться за его пределами. Паразитные маленькие пики, особенно те, которые располагаются симметрично относительно основного тона (продукты модуляции, «боковые полосы») — вот это и есть зерна джиттера.
Устойчивость в джиттер-тесте ААС (вверху) и МР3 (внизу)
Как видим, дурак-МР3 сберег низкий уровень шума, но сгенерировал больше высокочастотного джиттера (наиболее заметного на слух), а AAC немного поднял шум, зато избежал паразитов на остальных участках спектра. Но еще большие фокусы с нойзшепингом вытворяет кодер WavPack.
Как насчет музыки в высоком разрешении?
В отличие от HD-видео, для аудио высокого разрешения пока не разработано универсального стандарта.
Если не вдаваться в подробности, под этим термином обычно понимаются записи с более высокой частотой дискретизации и/или разрядностью, чем у CD (т.е. 16 бит/44,1 кГц). Примерами Hi-Res-аудио могут служить файлы с параметрами 16 бит/96 кГц или 24 бит/192 кГц.
Благодаря наличию дополнительной аудиоинформации Hi-Res-файлы звучат намного лучше в сравнении с компрессированными файлами, теряющими эту информацию в процессе сжатия. Эти форматы требуют больше места на диске, но их качество определенно стоит таких затрат.
К Hi-Res-аудио относятся форматы без сжатия, такие как AIFF и WAV, а также без потерь – FLAC и ALAC. DSD (отчасти нишевый формат, применявшийся в Super Audio CD) также входит в категорию Hi-Res-аудио, но его поддерживает гораздо меньшее число устройств. Если говорить о стриминге, то такие сервисы, как Tidal Masters, используют упаковщик MQA, позволяющий передавать по сетям файлы в высоком разрешении с использованием минимально возможной полосы пропускания сигнала.
Что касается воспроизведения форматов Hi-Res-аудио, то сегодня его поддерживает уже немало устройств. 24-разрядные файлы способны проигрывать беспроводные колонки Denon HEOS, а также портативные музыкальные плееры премиум-класса – такие как Cowon Plenue D2 и Astell & Kern A&norma SR15.
Кроме того, с Hi-Res-аудио совместимы большинство флагманских моделей смартфонов под Android – например, удостоенный высших оценок Samsung Galaxy S10+ – однако прослушать их на новеньком iPhone вам сходу не удастся. Мы нашли способы обойти это ограничение, но нельзя забывать о том, что файлы Hi-Res-аудио пока еще не настолько компактны, как их аналоги в форматах с потерями.
Профили
- LC / Low Complexity
- Main
- SSR / Scalable Sampling Rate
- LTP / Long Term Prediction, только в MPEG-4
Некоторые профили обладают низкой сложностью, поэтому они более предпочтительны для портативных устройств, но они также дают немного более слабое качество. Тем не менее, наиболее распространенный профиль в настоящее время — , так как другие более требовательные профили (Main, LTP) не дают настолько большего качества насколько являются более требовательными к вычислительным ресурсам.
