MP3

MPEG-1 Àudio Layer III o MPEG-2 Àudio Layer III, més comunament conegut com MP3, és un format de compressió d'àudio digital que usa un algoritme en pèrdua per a conseguir un menor tamany d'archiu. És un format d'àudio comú utilisat per a música tant en computadoras com en reproductors d'àudio portàtil.

MP3 va ser desenrollat pel Moving Picture Experts Group (MPEG) per a formar part de l'estàndart MPEG-1 i del posterior i més estés MPEG-2. Un archiu MP3 creat usant una compressió de 128 kbit/s tindrà un tamany d'aproximadament unes 11 voltes menor que el seu homònim en CD. També es pot reduir el tamany de l'archiu resultant utilisant una menor taxa de bits per segon, a costa d'empijorar la calitat d'àudio final.

Història

Archiu:Karlheinz Brandenburg cropped.jpg

Karlheinz Brandenburg, principal desarrollador del formato MP3.

Este format va ser desenrollat principalment per Karlheinz Brandenburg, director de tecnologies de mijos electrònics de l'Institut Fraunhofer IIS, pertanyent al Fraunhofer-Gesellschaft —ret de centres d'investigació alemans— que junt en Thomson Multimèdia (actualment Vantiva) controlava el gros de les paleses relacionades en el format MP3.

El científic alemà Karlheinz Brandenburg és considerat com «el pare del Mp3» i va formar part de l'equip que li va donar nom al format MPEG: «Grup d'Experts d'Imàgens en Moviment» («Moving Pictures Experts Group»). El grup va cedir el nom al método digital per a comprimir senyals d'àudio i video per a facilitar la seua emissió i almagasenament. El procés cridat MPEG Àudio Capa III (MPEG Àudio Layer 3) és prou comú hui en dia pero el seu desenroll no era fàcil. Ademés atres soports d'àudio ya usaven tècniques de compressió com el MPEG-1 Àudio Layer I del casset compacte digital de Philips o l'ATRAC usat per Sony per als seus Minidisc.

L'història inicia en 1982, quan Brandenburg participa en la creació del format. El seu tutor de tesis doctoral havia desijat patentar un método per a transferir senyes sense èxit. Lo que es pretenia patentar era una forma de transferir música usant llínees telefòniques, alguna cosa que l'oficina de paleses germana considerava impossible. No apareixeria cert progrés fins a 1986, quan en l'universitat d'Ilmenau varen obtindre millors computadoras per a millorar la capacitat de treball. Es varen tindre que realisar molts esforços per a conseguir el resultat desijat. Inicialment es va pensar en usar un sistema per divisió de capes de sò, pero va ser rebujat per ser considerat massa rígit, i llavors es va canviar per un nou que aprofita les llimitacions de l'oït humà.

La primera d'elles va ser registrada en 1987. En eixe any, els alemans intentaven resoldre el dilema de cóm difondre el sò digital en el laboratori de tecnologies de mijos electrònics. Els archius en CD eren pesats i engorrosos, les llectores de CD eren novetat, també l'instalar-les en una PC.

En 1988 l'Organisació Internacional de Normalisació convoca a l'equip de MPEG per a crear un estàndart de codificació d'àudio. En este moment es realisaven les proves del nou sistema. Semblava que finalment varen conseguir el seu objectiu, pero al moment de provar-ho en «Tom's Dinner» de Suzanne Vega va mostrar fallos greus, ya que el format de cançó a capela i l'escàs sò ambiental representaven un enorme desafiu per al sistema. Llavors es va solicitar la colaboració de vàries institucions. Brandenburg va treballar en Jim Johnston d'AT&T en el desenroll de nous métodos de compressió per a conservar la calitat de la veu. Per fi varen conseguir evitar que el sistema distorsionara la veu de la cantant, i varen tindre que treballar més per a obtindre finalment una calitat similar a la d'un CD.

En 1992 l'ISO va incloure al Mp3 com un estàndart de compressió d'àudio, pero no va ser fins a l'any següent quan va ser finalment formalisat en l'arribada del MPEG-1 Capa d'Àudio III (MPEG-1 Àudio Layer III), en velocitats de mostreig de 33, 44,1 i 48 kHz. Llavors varen decidir comercialisar-ho a empreses per a transferir la música als estudis de radi per mig de RDSI.

Varen registrar vàries paleses més en 1991, pero va anar en juliol de 1995 quan Brandenburg va usar per primera volta l'extensió . mp3 per als archius relacionats en el MP3 que guardava en la seua computadora. En el procés de desenroll del format va participar també l'ingenier Leonardo Chiariglione, qui va tindre l'idea dels estàndarts que podrien ser útils per a este fi. Un any despuix el seu institut ingressava en concepte de palesos 1,2 millons d'euros. Dèu anys més tarde esta cantitat ha alcançat els 26,1 millons.

Entre 1994 i 1995 varen identificar a l'Internet com una àrea atractiva. Llavors varen decidir donar als archius el nom definitiu de . mp3. El model de negoci es planejava com a ferramentes de codificació costoses per a empreses i decodificadores econòmics per als consumidors. Un dels productes decodificadores que varen conseguir el major èxit i reconeiximent va ser Winamp.

No obstant, no va passar molt temps ans que el format fora despullat del control de l'ISO i Fraunhofer, ya que un ciutadà australià havia comprat el codificador usant una targeta de crèdit furtada de Taiwan para posteriorment empaquetar-ho i carregar-ho a un servidor FTP d'una universitat nortamericana. S'ignora fins al moment l'identitat i el parador de l'infractor. Açò va iniciar el conflicte entre l'indústria discogràfica i el MP3, convertint-ho en el seu principal enemic, encara que en Àsia l'èxit persistent dels discs compactes estiga ajudant a conservar les vendes en format físic.

Archiu:MpMan mp-f60.jpg

MpMan mp-f60. Uno de los primeros reproductores MP3.

Despuix del desenroll de reproductors portàtils i la seua integració en estéreos per a automòvils, teléfons mòvils, reproductors de DVD, auriculars, consoles de videojocs, altaveus i minisistemas de sò hogareños, el format MP3 en l'actualitat aplega més allà del món de l'informàtica.

El format MP3 es va convertir en l'estàndart utilisat para streaming d'àudio i compressió d'àudio en pèrdua de mijana fidelitat gràcies a la possibilitat d'ajustar la calitat de la compressió, proporcional a la taxa de bits (bitrate) i en conseqüència el tamany final de l'archiu, permetent reduir fins a 12 i inclús 15 voltes el de l'archiu original abans de la seua compressió.

Va ser el primer format de compressió d'àudio popularisat gràcies a Internet, ya que va fer possible l'intercanvi de fichers musicals. Els processos judicials contra empreses com Napster, AudioGalaxy i Megaupload són resultat de la facilitat en que es compartixen llegal i illegalment este tipo de fichers, suponent el principal auge de la batalla per la propietat intelectual en Internet.

A principis de la década dels 2000 Thomson Multimèdia renova el format en el nom MP3Pro per a suplir llimitacions importants en la calitat (especialment en altes freqüències), paralelament a l'aparició de formats de compressió d'àudio competidors, com Windows Mija Àudio (de Microsoft), Ogg Vorbis i Opus, ATRAC de Sony i AAC promogut per Apple. Aixina com formats sense pèrdua que busquen capturar al mercat audiófilo oferint una compressió no destructiva que conserva tota l'informació d'àudio original com FLAC, Apple Lossless, Monkey's Àudio, Windows Mija Losless i DSD de Sony. Tots ells escomencen a ser massivament inclosos en programes d'àudio per a computació, dispositius, sistemes operatius, teléfons celulars i reproductors portàtils, iniciant una competència de formats.

Els objectius dels formats alterns eren dos: Evadir els problemes en el pagament de la palesa per usar el format MP3 sent evidenciat pel cas de Microsoft. I el segon, millorar l'eficiència i la calitat de la compressió d'àudio, oferint la mateixa calitat que el MP3 pero en major compressió per a aforrar espai o una calitat millor en la mateixa compressió. Els formats sense pèrdua varen ser més allà oferint preservar tota l'informació de l'àudio original, encara que en la desventaja d'un major consum d'espai i ample de banda. Hui en dia el MP3 seguix sent el format més comú per a l'us domèstic, automotriz i portàtil, mentres que per a la transmissió en llínea s'usen atres formats com Opus, OGG Vorbis o AAC. Algunes tendes en llínea com Amazon i Bandcamp venen la seua música en format MP3 o un atre estàndart per al públic general i formats sense pèrdua com FLAC per al sector audiófilo. En 2017 varen expirar totes les paleses relacionades en el format MP3 facilitant la seua integració en aplicacions i dispositius.

Detalls tècnics

Archiu:Audio-Mp3 format logo.svg

Icono de un archivo MP3.

En esta capa existixen vàries diferències respecte als estàndarts MPEG-1 i MPEG-2, entre les que es troba el cridat banc de filtres per a que el disseny tinga major complexitat. Esta millora de la resolució frecuencial empijora la resolució temporal introduint problemes de preeco que són predits i corregits. Ademés, permet calitat d'àudio en taxes tan baixes com 64 kbps.

Els archius MPEG-1 corresponen a les velocitats de mostreig de 32, 44,1 i 48 kHz.

Els archius MPEG-2 corresponen a les velocitats de mostreig de 16, 22, 0.5 i 24 kHz.

Banc de filtres

Archiu:Clementine.png

Clementine reproduciendo varios archivos MP3.

El banc de filtres utilisat en esta capa és el cridat banc de filtres híbrit polifase/MDCT. S'encarrega de realisar el mapeado del domini del temps al de la freqüència tant per al codificador com per als filtres de reconstrucció del decodificador. Les mostres d'eixida del banc estan quantificades i proporcionen una resolució en freqüència variable, 6x32 o 18x32 subbandas, ajustant-se molt millor a les bandes crítiques de les diferents freqüències. Usant 18 punts, el número màxim de components frecuencials és: 32 × 18 = 576. Donant lloc a una resolució frecuencial de: 24000/576 = 41,67 Hz (si fs = 48 kHz). Si s'usen 6 llínees de freqüència la resolució frecuencial és menor, pero la temporal és major, i s'aplica en aquelles zones en les que s'espera efectes de preeco (transicions brusques de silenci a alts nivells energètics).

La Capa III té tres modos de bloc de funcionament: dos modos a on les 32 eixides del banc de filtres poden passar a través de les finestres i les transformades MDCT i un modo de bloc mixt a on les dos bandes de freqüència més baixa usen blocs llarcs i les 30 bandes superiors usen blocs curts.

Per al cas concret del MPEG-1 Àudio Layer 3 (que concretament significa la tercera capa d'àudio per a l'estàndart MPEG-1) específica quatre tipos de finestres:

1. NORMAL.
2. Transició de finestra llarga a curta (START).
3. Tres finestres curtes (SHORT).

El model psicoacústico

Archiu:MP3 192kbps vs PCM.png

Diferencias entre el espectro del audio PCM sin comprimir (arriba) y el audio comprimido en MP3 a 192Kbps (abajo).

La compressió es basa en la reducció del marge dinàmic irrellevant, és dir, en l'incapacitat del sistema auditiu per a detectar els errors de quantificació en condicions d'emmaixquerament. Este estàndart dividix la senyal en bandes de freqüència que s'aproximen a les bandes crítiques, i després quantifica cada subbanda en funció del llindar de detecció del soroll dins d'eixa banda. El model psicoacústico és una modificació de l'empleat en l'esquema II, i utilisa un método denominat predicció polinòmica. Analisa la senyal d'àudio i calcula la cantitat de soroll que es pot introduir en funció de la freqüència, és dir, calcula la «cantitat d'emmaixquerament» o llindar d'emmaixquerament en funció de la freqüència. El codificador usa esta informació per a decidir la millor manera de gastar els bits disponibles. Este estàndart proveïx dos models psicoacústicos de diferent complexitat: el model I és menys complex que el model psicoacústico II i simplifica molt els càlculs.

La calitat dels resultats del procés ha segut objecte d'una gran controvèrsia des de l'introducció del format. Els sectors audiófilos han opinat que el resultat és prou inferior a la calitat de sò proporcionada pels discs compactes, els formats sense pèrdua com el FLAC i els vinils. No obstant existixen atres opinions que afirmen que la diferència de calitat és mínima o pràcticament imperceptible. Part de la confusió es deu a que els codificadores diferents produïxen resultats de calitats distintes encara en la mateixa velocitat de bits. Ademés també influïxen l'entorn i l'equip d'àudio amprat. Un estudi en l'Universitat de Stanford ha revelat que cada volta més persones preferixen l'efecte de fritura que el format MP3 otorga al sò. Les companyies discogràfiques i ingeniers d'àudio actualment ajusten els seus estàndarts a les llimitacions de formats com a Mp3 produint música en una calitat cada volta més similar. Western Digital recomana una velocitat de bits de 128 kbps per a conseguir un balanç entre calitat de sò i espai consumit. Mentres que Apple recomana velocitats entre 128 kbps i 192 kbps, recomanant velocitats inferiors a estes en archius de gravacions de veu en lloc de música. Lenovo, per la seua banda, recomana 256 kbps o 320 kbps per a una calitat propenca al disc compacte, mentres que per a aforrar espai recomana 128 kbps, encara que la calitat siga menor.

Codificació digital i quantificació

La solució que propon este estàndart sobre el repartiment de bits o soroll, es fa en un cicle d'iteración que consistix d'un cicle intern i un d'extern. Examina tant les mostres d'eixida del banc de filtres com el SMR (signal-to-mask ràtio) proporcionat pel model psicoacústico, i ajusta l'assignació de bits o soroll de quantificació, segons l'esquema utilisat, per a satisfer simultàneament els requisits de taxa de bits i d'emmaixquerament. Dits cicles consistixen en:

Cicle intern

El cicle intern realisa la cuantización no-uniforme d'acort en el sistema de punt flotant (cada valor espectral MDCT s'eleva a la potència 3/4). El cicle tria un determinat interval de cuantización i, a les senyes cuantizados, se'ls aplica codificació d'Huffman en el següent bloc. El cicle termina quan els valors cuantizados que han segut codificats en Huffman usen menor o igual número de bits que la màxima cantitat de bits permesa.

Cicle extern

Ara el cicle extern s'encarrega de verificar si el factor d'escala per a cada bandes té més distorsió de la permesa (soroll en la senyal codificada), comparant cada banda del factor d'escala en les senyes prèviament calculades en l'anàlisis acústic. El cicle extern termina quan una de les següents condicions es complix:

• Cap de les bandes del factor d'escala té molt soroll.
• Si la següent alternación amplifica una de les bandes més de lo permés.
• Totes les bandes han segut amplificades a lo manco una volta.

Empaquetat o formateador de bitstream

Este bloc pren les mostres quantificades del banc de filtres, junt a les senyes d'assignació de bits/soroll i almagasena a agapio l'àudio codificat i algunes senyes adicionals en les trames. Cada trama conté informació de 1152 mostres d'àudio i consistix d'un encapçalat, de les senyes d'àudio junt en el chequeo d'errors per mig de CRC i de les senyes particulars (estos dos últims opcionals).

Volum

La normalisació de volum, també conegut com a Normalisació d'àudio, bàsicament consistix en la nivellació del volum de les pistes que conformen un àlbum, lo que permet escoltar les cançons que ho componen sempre en el mateix volum, evitant el bot entre una cançó que «sona baix» en una atra que «sona alt». Per a això s'utilisen programes com QMP3Gain.