c#-MP3-Encoder – Mp4Gain

mp3-Audioformat, das beliebteste

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Mit der rasanten Entwicklung der Dateikomprimierungstechnologie ist MP3 heute zum beliebtesten Musikformat geworden.

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MP3-Dateiformatanalyse MP3-Dateidaten bestehen aus mehreren Frames, und der Frame ist die kleinste Einheit der MP3-Datei. Jeder Frame besteht aus einem Frame-Header, zusätzlichen Informationen und Tondaten. Die Wiedergabezeit jedes Frames beträgt 0,026 Sekunden, und seine Dauer variiert mit der Bitrate. Einige MP3-Dateien haben zusätzliche Bytes am Ende, um Beschreibungsinformationen für Nicht-Audiodaten zu speichern. Die Struktur der MP3-Datei ist in Abbildung 2 dargestellt. 3.1 Frame-Header-Format Der Frame-Header ist 4 Byte lang. Bei MP3-Dateien mit fester Bitrate ist das Frame-Header-Format aller Frames gleich. Die Datenstruktur ist wie folgt: typedef FrameHeader{ unsigned int sync:11;//Sync information unsigned int version:2 ;//version unsigned int layer:2;//layer unsigned int protection:1;//CRC check unsigned int bitrate:4;//unsigned bitrate int frequency:2;//unsigned frequency int padding:1;//unsigned frame length setting int private:1;//unsigned reserviertes Wort int mode:2; //unsigned channel mode int mode Erweiterung:2;//Erweiterter Modus ohne Vorzeichen int copyright:1;//Urheberrecht ohne Vorzeichen int original:1 ;//Originallogo ohne Vorzeichen int Hervorhebung:2;//Hervorhebungsmodus }HEADER, *LPHEADER; Siehe Tabelle 1 für eine Beschreibung des 4-Byte-Frame-Headers. Tabelle 1 Erläuterung der Verwendung von MP3-Frame-Header-Bytes Name Länge (Bits) Beschreibung Synchronisationsinformationen 11 Alle Bits im 1. und 2. Byte sind 1, und das 1. Byte ist immer FF. Version 200-MPEG 2. 5 01-undefiniert 10-MPEG 2 11-MPEG 1 Schicht 2 00-undefiniert 01-Schicht 3 10-Schicht 2 11-Schicht 1 CRC-Prüfung 1 0-Prüfung 1-keine Prüfung Bitrate 4 Die dritte bit Tupel-Abtastrate, die Einheit ist kbps, z. B. MPEG-1 Layer 3, 64 kbps, der Wert ist 0101. Frequenz 2 Abtastfrequenz, für MPEG-1: 00-44,1 kHz 01-48 kHz 10 -32 kHz 11- Einstellung Rahmenlänge undefiniert 1 wird verwendet, um die Länge des Dateikopfs einzustellen, 0-keine Einstellung, 1-Einstellung, die spezifische Einstellung Berechnungsmethode siehe unten. Das reservierte Wort 1 wird nicht verwendet. Kanalmodus 2 Das vierte Byte gibt den Kanal an, 00-Stereo 01-Joint Stereo 10-Dual Channel 11-Mono Expansion Mode 2 Wird nur verwendet, wenn der Kanalmodus 01 ist. Copyright 1 Ob die Datei legal ist oder nicht, 0-Illegal 1 – Originallogo legal 1 Wenn Original, 0 – Nicht Original 1 – Ursprüngliche Hervorhebungsmethode 2 Wird zur Klassifizierung der Tonkompensation nach der Rauschunterdrückung und -komprimierung verwendet, die selten verwendet wird und möglicherweise in Zukunft nicht mehr funktioniert. 00-Undefiniert 01-50/15ms 10-Reserviert 11-CCITT J.17 MP3-Framelänge hängt von Bitrate und Frequenz ab, die Berechnungsformel lautet: Framelänge = 144×Bitrate∕Frequenz+Padding Zum Beispiel: Die Bitrate beträgt 64kbps , die Frequenz beträgt 44,1 kHz, wenn die Auffüllung 1 ist, beträgt die Framelänge 210 Bytes. Nach dem Tabellenkopf folgen Zusatzinformationen variabler Länge. Bei Standard-MP3-Dateien beträgt ihre Länge 32 Bytes, gefolgt von komprimierten Audiodaten, die decodiert werden, wenn der Decoder hier liest. Bei MP3-Dateien mit konstanter Bitrate (CBR) sind nicht alle Frames gleich lang, und einige Frames können ein oder mehrere Bytes länger sein. Es gibt auch MP3 mit variabler Bitrate (VBR), um die Länge der MP3-Datei zu minimieren und die Klangqualität im Vergleich zur CBR-Datei zu gewährleisten, mit Ausnahme des ersten Frames, der Rest ist gleich. Der erste Frame von VBR enthält keine Audiodaten und hat eine Länge von 156 Byte, die verwendet werden, um Informationen wie Standard-Audio-Frame-Header (4 Byte), VBR-Dateikennung, Frame-Nummer, Anzahl Dateibyte usw. zu speichern. Siehe Tabelle 2 für die Beschreibung der Struktur. Tabelle 2 Beschreibung des ersten Bytes der Frame-Struktur der VBR 1-4-Datei Derselbe Standard-Sound-Frame-Header wie CBR 5-40 Speichern Sie das Logo der VBR-Datei “Xing” (58 69 6E 67), die spezifische Position von Dieses Logo hängt vom angenommenen MPEG-Standard ab und der Ton hängt vom Kanalmodus ab.

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Der Encoder transformiert den Originalton durch eine hybride Filterbank in den Frequenzbereich. Unter Verwendung eines psychoakustischen Modells wird geschätzt, dass es ausreichen kann, um zu sein. Der wahrgenommene Geräuschpegel wird dann quantisiert und in Huffman-Codierung umgewandelt, um einen MP3-Bitstrom zu bilden. Der Decoder ist viel einfacher und seine Aufgabe besteht darin, das Tonsignal aus den codierten Spektrallinienkomponenten durch inverse Quantisierung und inverse Transformation zu extrahieren.
2.4 Modifizierte diskrete Kosinustransformation Die modifizierte diskrete Kosinustransformation (MDCT) bezieht sich auf das Umwandeln eines Satzes von Zeitbereichsdaten in Frequenzbereichsdaten für eine Zeitbereichsvariation. MDCT ist eine Erweiterung des DCT-Algorithmus. Der erste schnelle Algorithmus ist die schnelle Fourier-Transformation (FFT), aber FFT hat Operationen mit komplexen Zahlen und MDCT sind alle Operationen mit reellen Zahlen, was für die Programmierung praktisch ist. Teilen Sie beim Komprimieren von Audiodaten zuerst die ursprünglichen Audiodaten in feste Blöcke auf und führen Sie dann eine Vorwärts-MDCT (Forward MDCT) durch, um den Wert jedes Blocks in Koeffizienten der MDCT 512 umzuwandeln auf die ursprünglichen Tondaten wiederhergestellt, und die ursprünglichen Tondaten davor und danach sind inkonsistent, da redundante und irrelevante Daten während des Komprimierungsprozesses entfernt werden. Die FMDCT-Transformationsformel lautet: k=0, 1,…, N/2-1 wobei N die Länge des Transformationsfensters ist, d. h. die Anzahl der Abtastpunkte pro Block, N=8, 16,…. …, 1024, 2048. n0 = (N/2 + 1)/2, X(n) ist der Wert im Zeitbereich, X(k) ist der Wert im Frequenzbereich. Wenn N 1024 Punkte annimmt, werden es 512 Frequenzbereichswerte. Die IMDCT-Transformationsformel lautet: 4 Modifizierte diskrete Cosinus-Transformation Modifizierte diskrete Cosinus-Transformation (MDCT) bezieht sich auf die Umwandlung eines Satzes von Zeitbereichsdaten in Frequenzbereichsdaten, um die Änderungen im Bereich Wetter zu erfahren. MDCT ist eine Erweiterung des DCT-Algorithmus. Der erste schnelle Algorithmus ist die schnelle Fourier-Transformation (FFT), aber FFT hat Operationen mit komplexen Zahlen und MDCT sind alle Operationen mit reellen Zahlen, was für die Programmierung praktisch ist. Teilen Sie beim Komprimieren von Audiodaten zuerst die ursprünglichen Audiodaten in feste Blöcke auf und führen Sie dann eine Vorwärts-MDCT (Forward MDCT) durch, um den Wert jedes Blocks in Koeffizienten der MDCT 512 umzuwandeln auf die ursprünglichen Tondaten wiederhergestellt, und die ursprünglichen Tondaten davor und danach sind inkonsistent, da redundante und irrelevante Daten während des Komprimierungsprozesses entfernt werden. Die FMDCT-Transformationsformel lautet: k=0, 1,…, N/2-1 wobei N die Länge des Transformationsfensters ist, d. h. die Anzahl der Abtastpunkte pro Block, N=8, 16,…. …, 1024, 2048. n0 = (N/2 + 1)/2, X(n) ist der Wert im Zeitbereich, X(k) ist der Wert im Frequenzbereich. Wenn N 1024 Punkte annimmt, werden es 512 Frequenzbereichswerte. Die IMDCT-Transformationsformel lautet: 4 Modifizierte diskrete Cosinus-Transformation Modifizierte diskrete Cosinus-Transformation (MDCT) bezieht sich auf die Umwandlung eines Satzes von Zeitbereichsdaten in Frequenzbereichsdaten, um die Änderungen im Bereich Wetter zu erfahren. MDCT ist eine Erweiterung des DCT-Algorithmus. Der erste schnelle Algorithmus ist die schnelle Fourier-Transformation (FFT), aber FFT hat Operationen mit komplexen Zahlen und MDCT sind alle Operationen mit reellen Zahlen, was für die Programmierung praktisch ist. Teilen Sie beim Komprimieren von Audiodaten zuerst die ursprünglichen Audiodaten in feste Blöcke auf und führen Sie dann eine Vorwärts-MDCT (Forward MDCT) durch, um den Wert jedes Blocks in Koeffizienten der MDCT 512 umzuwandeln auf die ursprünglichen Tondaten wiederhergestellt, und die ursprünglichen Tondaten davor und danach sind inkonsistent, da redundante und irrelevante Daten während des Komprimierungsprozesses entfernt werden. Die FMDCT-Transformationsformel lautet: k=0, 1, …, N/2-1, wobei N die Länge des Transformationsfensters ist, d. h. die Anzahl der Abtastpunkte pro Block, N = 8, 16 , …. …, 1024, 2048. n0 = (N/2 + 1)/2, X(n) ist der Wert im Zeitbereich, X(k) ist der Wert im Frequenzbereich.

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Mit der rasanten Entwicklung der Dateikomprimierungstechnologie ist MP3 heute zum beliebtesten Musikformat geworden.

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Hochwertige Musik verbreitet sich mit dem Arrangement von 0 und 1 schnell in alle Teile der Welt und erschüttert die Herzen der Menschen. Was ist MP3? Der vollständige Name von MP3 lautet MPEG Audio Layer 3. Es ist ein effizientes Computer-Audiocodierungsschema, das Audiodateien in kleinere Dateien mit der Erweiterung .MP3 mit einer höheren Komprimierungsrate konvertiert und im Wesentlichen die Klangqualität der Originaldatei beibehält. MP3 ist Teil des ISO/MPEG-Standards. Der ISO/MPEG-Standard beschreibt die Audiokomprimierung unter Verwendung eines hochleistungsfähigen Wahrnehmungscodierungsschemas. Dieser Standard wurde kontinuierlich aktualisiert, um dem Streben nach “hoher Qualität und kleiner Quantität” gerecht zu werden, und hat nun MPEG Layer 1, Layer 2, Layer 3 drei Audiocodierungs- und -decodierungsschemata gebildet. Die Kompressionsrate von MPEG Layer 3 kann von 1:10 bis 1:12 reichen. Eine 1 MB große MP3-Datei kann 1 Minute lang abgespielt werden, während eine 1 Minute lange WAV-Datei in CD-Qualität (44100 Hz, 16 Bit, 2 Kanäle, 60 Sek.) 10 MB Speicherplatz belegt, also sollte die Zeit berechnet werden. Die Wiedergabezeit einer 650 MB MP3-Disc sollte länger sein als 10 Stunden, während die Wiedergabezeit einer CD mit der gleichen Kapazität etwa 70 Minuten beträgt. Die Vorteile von MP3 werden von CD nicht erreicht. 2 Analyse des Prinzips von MP3 2.1 MPEG-Audiostandard MPEG (Moving Picture Experts Group) ist eine Expertengruppe für bewegte Bilder unter ISO, und der von ihr formulierte MPEG-Standard ist in verschiedenen Multimediabereichen weit verbreitet. MPEG-Standards umfassen Video- und Audiostandards, unter denen MPEG-1-, MPEG-2-, MPEG-2-AAC- und MPEG-4-Audiostandards entwickelt wurden. Die MPEG-1- und MPEG-2-Standards verwenden die gleiche Familie von Audio-Codecs: Layer 1, 2 und 3. Eine neue Funktion von MPEG-2 ist die Verwendung von Erweiterungskits mit niedriger Abtastrate, um den Datenverkehr zu reduzieren, und eine weitere Funktion ist die Mehrkanal-Erweiterungskit, das die Anzahl der Hauptkanäle auf fünf erhöht. Fraunhofer IIS und AT&T veröffentlichten 1997 den Standard MPEG-2 AAC (MPEG-2 Advanced Audio Coding), um den Datenverkehr deutlich zu reduzieren. Der von MPEG-2 AAC übernommene MDCT-Algorithmus (Modified Discrete Cosine Transform). Die Abtastfrequenz kann zwischen 8 KHz und 96 KHz liegen, und die Anzahl der Kanäle kann zwischen 1 und 48 liegen. MPEG Audio Layer 1, 2 und 3 verwenden die gleiche Filterbank, Bitstream-Struktur und Header-Informationen, und die Abtastrate beträgt entweder 32 KHz, 44,1 KHz oder 48 KHz. Schicht 1 ist für digitales Kompressionsband DCC (Digital Compact Cassette) ausgelegt, die Datenrate beträgt 384 kbps, und Schicht 2 ist ein Kompromiss zwischen Komplexität und Leistung eingegangen, und die Datenrate wurde auf 256 kbps bis 192 kbps reduziert. Layer 3 wurde von Anfang an für niedrige Datenraten entwickelt, und die Datenrate beträgt 128 Kbps-112 Kbps. Layer 3 fügt MDCT-Transformation hinzu, wodurch seine Frequenzauflösung 18-mal höher ist als die von Layer 2. Layer 3 verwendet auch Informationsmittelung ähnlich wie MPEG Video-Entropie-Codierung zur Reduzierung redundanter Informationen. Die überwiegende Mehrheit von MP3 verwendet den MPEG-1-Standard. 2.2 Der Zweck der Audiokomprimierung Das MP3-Format begann Mitte der 1980er Jahre, und das Fraunhofer-Institut in Erlangen, Deutschland, engagierte sich für eine hochwertige Audiocodierung mit niedriger Datenrate. Schauen wir uns ein Beispiel an: Sie möchten einen etwa 4 Minuten langen Song Ihrer Wahl sampeln, auf einer Disc speichern und im WAV-Format in CD-Qualität mit einer Abtastrate von 44,1 kHz sampeln, was bedeutet, dass Sie 44100 pro Sekunde empfangen . , Stereo, jede Sample-Datengröße beträgt 16 Bit (2 Byte), der von diesem Song belegte Speicherplatz beträgt also: 44100 x 2 Kanäle x 2 Byte x 60 Sekunden x 4 Minuten = 40,4 MB Wenn Sie diesen Song aus dem Internet herunterladen, gehen Sie davon aus, dass die Übertragungsgeschwindigkeit 56 kbps beträgt , die Downloadzeit beträgt: 40,4 x 106 x 8/56 x 103 x 60 = 96 Minuten. Selbst ein 1M-Breitbandnetz benötigt mehr als 5 Minuten. Es ist ersichtlich, dass die Audiokomprimierung besonders wichtig ist, um den Speicherplatz von Audiodaten zu reduzieren. 2.3 MP3-Codierung und -Decodierung Die MP3-Audiokomprimierung umfasst die Codierung und Decodierung in zwei Teilen. Beim Codieren werden die Daten in einer WAV-Datei in einen stark komprimierten Bitstream umgewandelt, und beim Decodieren wird der Bitstream genommen und in eine WAV-Datei rekonstruiert. MP3 verwendet einen Verzerrungsalgorithmus namens Perceptual Audio Coding. Der Frequenzbereich des vom menschlichen Ohr wahrgenommenen Schalls reicht von 20 Hz bis 20 kHz. MP3 schneidet viele redundante und irrelevante Signale heraus.

MP3-Encoder

Mp3 Encoder

1. Häufig gestellte Fragen zum MP3-Encoder

Mp3 Encoder

: Was ist ein MP3-Encoder?
Ein MP3-Encoder ist eine Software, die den MP3-Codec-Algorithmus (Komprimierung/Dekomprimierung) verwendet, um MP3-Dateien zu erstellen. Die meisten Encoder konvertieren nur
eine WAV-Datei in eine MP3-Datei, obwohl viele andere Formate wie WMA, Real Audio, Ogg usw. konvertieren können.

Es gibt nur wenige eigenständige Encoder, und viele Software verwendet auch nur 4 Hauptcodierungs-Engines, hauptsächlich aufgrund von
Patente der Fraunhofer Gesellschaft und verschiedene Unternehmen, die mit ISO-Quellen helfen. Obwohl kein Unternehmen die Lizenz besitzt, die
Entwickler müssen teure Lizenzgebühren bezahlen, egal welchen proprietären MP3-Encoder sie verwenden. Zu den wichtigsten MP3-Encoding-Engines gehören: LAME (
Nicht-ISO-Quelle), BladeEnc, Fraunhofer und Xing-Encoder von Real Networks.

– Wie funktioniert der MP3-Encoder?
Die Kerntechnologie unter MPEG-Layer 3 ist im MP3-Encoder enthalten. Der Dekodierungsprozess verwendet eine Reihe von Algorithmen und Regeln, um Audio zu komprimieren.
Der Encoder erkennt auch Geräusche, die gleichzeitig auftreten
und sie versuchen, alle auszuschließen, die durch andere Geräusche “maskiert” oder “unhörbar” sein könnten.

– Was ist ein guter MP3-Encoder?
Xing ist der schnellste Encoder in Bezug auf die Geschwindigkeit, aber der schlechteste in der Qualität. Für kleinere Dateigrößen bietet Fraunhofer FastEnc
bietet die beste Qualität. LAME ist ein sehr guter Encoder, und eine Version ist schneller als die vorherige, BladeEnc
es ist die beste Qualität für große Dateien, aber sehr langsam.

2. Dissektion von MP3-Dateien
Neben der Beherrschung der grundlegenden Funktionen des MP3-Encoders müssen normale Benutzer nicht wissen, wie die interne Struktur der MP3-Datei codiert ist, genau wie die Situation, wenn
face JPEG- oder DOC-Dateien. Aus morbider Neugier hier eine Röntgenansicht einer MP3-Datei:

– Boxkopf
Wie oben erwähnt, bestehen MP3-Dateien aus Tausenden von „Frame Frames“, wobei jeder Frame einen Teil (zweiten Teil) wertvoller Audiodaten enthält.
damit der Decoder die Audiodaten rekonstruieren kann. Der erste Teil oben ist der Box-Header. (Frame Header), der aus 32-Bit-Metadaten besteht, die sich auf die beziehen
spätere Daten, siehe Abbildung unten. Der MP3-Header beginnt mit einem 11-Bit-„Sync-Timing“-Block, der es dem Player ermöglicht, den ersten zu suchen und zu sperren
rechtlicher Rahmen verfügbar, der beim MP3-Streaming nützlich ist und ID3 schnell vom Wiedergabequellblock zu einem normalen verschieben oder springen kann.
Stellung . Das bloße Erkennen von synchronisierten Blöcken reicht jedoch theoretisch nicht aus, sodass eine Überprüfung des Headers erforderlich ist.

– Übertragungssperre
MP3 wurde ursprünglich für den Rundfunk entwickelt, und daher wurde es wichtig, dass der MP3-Empfänger an jedem Teil der Sendung mit dem Signal synchronisiert werden kann.
Der Frame-Header wird also am Anfang jeder Frame-Übertragung platziert. Wenn sich ein MP3-Empfänger auf einen Datenstrom „einstellt“, nimmt er den auf
Signal sofort und Sie können es sofort spielen. Interessanterweise ermöglicht es diese Tatsache, MPEG-Dateien in kleine Segmente zu schneiden, von denen jedes unabhängig abgespielt werden kann. Aber leider
nicht möglich in 3-Layer-Dateien (MP3), bei denen Frames oft von anderen Frames abhängen, also können Sie nicht einfach
Bearbeiten .

– Bilder pro Sekunde
So wie die Filmindustrie einen Standard für die Anzahl der Bilder pro Sekunde im Film hat, um eine korrekte Anzeige auf jedem Projektor zu gewährleisten,
Ein ähnlicher Standard wird im MP3-Standard verwendet, unabhängig von der Bitrate der Datei, MPEG-1 Ein Frame in der Datei hat 26 ms, ungefähr 38 fps Frames pro Sekunde. Wenn die Bitrate
ist, ist die Rahmengröße entsprechend größer und umgekehrt. Außerdem ist die Anzahl der in einem MP3-Frame enthaltenen Samples konstant, 1152 Samples pro Frame.

Die Gesamtgröße eines bestimmten Rahmens kann mit der folgenden Formel berechnet werden:

FrameSize = 144 * BitRate / (SampleRate + Padding).