Der Komprimierungsalgorithmus einer MP3.


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Der Komprimierungsalgorithmus einer MP3.

Mp3 compression algorithm

Neben den physiologischen Baueigenschaften des menschlichen Ohrs spielt auch die Funktion des Gehirns eine sehr wichtige Rolle.

Mp3 compression algorithm

Die Tonhöhe im Klang wird durch den Grundton bestimmt, während die Klangfarbe durch die Obertöne bestimmt wird, und das menschliche Gehirn wird automatisch den Grundton vervollständigen, selbst wenn der Grundton nicht existiert. Beispielsweise beträgt die Bandbreite eines Telefons nur 300 bis 3200 Hz, aber wenn wir einem Mann mit einem Grundton von 120 Hz beim Telefonieren zuhören, können wir immer noch seinen korrekten Ton hören und werden einen Jungen nicht mit einem Mädchen verwechseln . . .

Wir wissen immer noch nicht, wie das Gehirn mithilfe komplexer Berechnungen diesen nicht vorhandenen Ton rekonstruiert.

PS Fügen Sie ein kleines visuelles Osterei hinzu, können Sie sehen, was an diesem Bild seltsam ist?

(Bitte lesen Sie die Antwort bis zum Ende)

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_ Ihre Vision ~ erstaunlich! Der menschliche Körper hat immer noch zu viele unbekannte magische Eier, die darauf warten ausgegraben zu werden~~


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Der Komprimierungsalgorithmus einer MP3.

Der Komprimierungsalgorithmus einer MP3.

Mp3 compression algorithm

Die Geburt des MP3-Kompressionsalgorithmus ist Unsinn der menschlichen Organe im digitalen Zeitalter. Der gesamte Algorithmus ist nicht um die Mathematik herum verbessert, sondern eher dahingehend optimiert, wie man das menschliche Hörorgan täuscht.

Mp3 compression algorithm

Dieser Algorithmus ist also sehr merkwürdig, Baidu hat nach langer Zeit endlich Informationen gefunden und hat ein wenig Verständnis für sein Prinzip, also notieren Sie es bitte.

Grundprinzip
Es gibt einen speziellen Schattierungseffekt auf das menschliche Gehörmodell.
Die Rolle der Cochlea ist die eines Spektrumanalysators, der Schallwellen in Signale unterschiedlicher Frequenzen umwandelt. Die Zottenzellen an jedem bestimmten Ort werden durch eine bestimmte Frequenz stimuliert, aber wenn die Basilarmembran zu Schwankungen führt, werden auch die Zottenzellen um sie herum stimuliert. Das heißt, wenn es eine Frequenz mit hoher Lautstärke und gleichzeitig eine relativ schwache Frequenz in der Nähe gibt, wird der Ton der relativ schwachen Frequenz von dem relativ lauten Ton überdeckt, und unsere menschlichen Ohren haben keine Möglichkeit um den Ton zu unterscheiden Es gibt einen anderen Ton mit einer schwächeren Frequenz.

Für das menschliche Ohr ändern sich die Wahrnehmungseigenschaften von Schall nicht auf einer linearen Frequenzskala (das menschliche Gehör ist nicht so gut), sondern können in einer Reihe von begrenzten Frequenzbändern ausgedrückt werden, die als kritische Frequenzbänder bezeichnet werden. Einfach ausgedrückt ist das gesamte Frequenzband in mehrere Segmente unterteilt, und in jedem Frequenzband ist die Hörwahrnehmung des menschlichen Ohrs gleich, dh die psychoakustischen Eigenschaften sind gleich.
Dann kann nach diesem Prinzip die mp3-Kompressionsarbeit einfach in zwei Teile geteilt werden:

Der erste Schritt: Aufteilung der Original-Audiodaten in mehrere unterkritische Frequenzbänder nach bestimmten Prinzipien;

Schritt 2: Analysieren Sie das Frequenzspektrum gemäß dem psychoakustischen Modell, um die Maskierungseffektkurve zu finden. Dann wird gemäß dieser Kurve jedes Subfrequenzband separat quantisiert, und schließlich liegt die Komprimierung des Audios unterhalb der Maskierungseffektkurve.

Auf diese Weise wird eine MP3-Komprimierung durchgeführt. Und es ist überraschend, dass mp3 in der digitalen Welt wirklich komprimiert wird, aber für die menschliche Wahrnehmung zur Kompression ohne Verzerrung gehört.

Was ist das MP3-Kompressionsprinzip?

Was ist das MP3-Kompressionsprinzip?

MP3 compression

Tatsächlich gibt es viele Audiokomprimierungstechnologien, und die MP3-Komprimierungstechnologie ist nicht die beste.

MP3 compression

Aber jetzt scheint es, dass es immer noch Mainstream ist.
Musiksignale haben viele redundante Komponenten, einschließlich Abstände und Informationen, die das menschliche Ohr nicht unterscheiden kann (z. B. schwache Signale gemischt mit einem starken Hintergrund). Der CD-Sound ist nicht komprimiert und verwendet eine feste Abtastfrequenz von 44,1 kHz, was eine gute Wiedergabe von maximal dynamischer Musik gewährleisten kann. Natürlich ist auch die Datenmenge dort gleich, wo die Informationsmenge geringer ist, also besteht die Möglichkeit der Komprimierung. Die Audiobandbreite von 20 ~ 20 kHz (oberer CD-Player kann bis auf 2 Hz erweitert werden) ist zum aktuellen Musikstandard geworden. Um Klangverzerrungen zu reduzieren, verwendet MP3 einen Codierungsalgorithmus namens „sensorische Codierungstechnologie“: Führen Sie beim Codieren zuerst eine Spektrumanalyse der Audiodatei durch, verwenden Sie dann einen Filter, um den Rauschpegel zu reduzieren, und quantisieren Sie dann das Rauschen. Die verbleibenden Bits werden gestreut und angeordnet, und schließlich wird eine MP3-Datei mit einem höheren Komprimierungsverhältnis gebildet, und die komprimierte Datei kann während der Wiedergabe einen Klangeffekt erzielen, der näher an der ursprünglichen Klangquelle liegt. Obwohl es sich um eine verlustbehaftete Komprimierung handelt, ist ihr größter Vorteil eine sehr geringe Klangverzerrung im Austausch für eine höhere Komprimierungsrate. Und jetzt verwendet MP3 eine VBR-Komprimierungstechnologie (Variable Compression Ratio), ähnlich wie Dolby AC-3. Die Sampling-Komprimierungsrate hängt von der Informationsmenge in der Musik ab, und der Maskierungseffekt des menschlichen Ohrs wird verwendet, um redundante Daten zu reduzieren.

Wie funktioniert eine MP3?

Wie funktioniert eine MP3?

Mp3 Compression

Warum ist eine mp3 kompakter?

Mp3 Compression

Das als mp3 bekannte Format wurde mit der Absicht erstellt, das Audio, das beispielsweise ein WAV enthielt, aufzunehmen, aber viel weniger Platz zu beanspruchen.

Das heißt, es handelt sich nicht um eine Audio-Container-Variante, die für andere Zwecke erstellt wurde. Es wurde speziell entwickelt, erstellt und gedacht, um ein Audio zu komprimieren, das für menschliche Ohren genauso klingen würde wie das ursprüngliche WAV, aber das auf verschiedene Weise viel weniger Platz beanspruchen würde.

Offensichtlich ist das erste Tool die Zip-Komprimierung und die Redundanzkomprimierung.

Wenn zum Beispiel ein zu komprimierendes Stück das Folgende wäre:

00000111110000011111

Der mathematische Weg, es zu komprimieren (vereinfacht gesehen), wäre:

0(5)1(5)0(5)1(5)

Das heißt, fünf Nullen, gefolgt von 6 Nullen, gefolgt von 4 Nullen und endend mit 6 Nullen.

Es ist viel einfacher, es auf diese Weise zu entziffern, und es nimmt viel weniger Platz ein, da es die Nullen und Einsen verwendet.

Das ist die grundlegende Art, Platz zu sparen: nach einer Möglichkeit suchen, dasselbe auszudrücken, aber viel weniger Zeichen oder Elemente zu verwenden.

Stellen Sie sich vor, die ersten drei Sekunden sind stumm:

00000000000000000000000 und so weiter für 200 Nullen. Es ist einfacher, auf irgendeine Weise zu schreiben, dass es am Anfang 324 Nullzahlen geben wird.

Später, und das werden wir später sehen, nutzt das mp3 die bekannte Art und Weise, wie das menschliche Ohr Schall aufnimmt, um zu entscheiden, welche Elemente eliminiert werden können (zum Beispiel Frequenzen, die das menschliche Ohr nicht unterscheiden kann) und so mehr Platz sparen.