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.

Wie erfolgt die Dateikomprimierung?

Wie erfolgt die Dateikomprimierung?

Audio and Video Compression

Da es viele Computer gibt, verfügen ihre Besitzer nicht über genügend Speicher auf internen und Wechseldatenträgern, um ihre Daten aufzunehmen. Das schnelle Wachstum des Festplattenvolumens löst dieses Problem nicht. Wenn wir vor 10 Jahren noch keine 20 Megabyte auf der Festplatte hatten, sind heute 20 Gigabyte gleich.

Audio and Video Compression

Die Größe der von uns verwendeten Programme und Daten wächst mit dem Wachstum der Festplatten. Wir können es uns bereits leisten, eine Bibliothek mit Zehntausenden von Büchern auf unserer Festplatte zu speichern. Wir können jedoch Musikkompositionen für mehrere hundert Stunden Ton und Video auf der Festplatte speichern, nur einige zehn Stunden. Daher ist das Problem der Archivierung oder Komprimierung von Daten nach wie vor so dringend wie vor 10 und 20 Jahren.

Wie erfolgt die Informationskomprimierung?

Geben wir Ihnen wie üblich eine grobe, aber verständliche Analogie. Die Datenkomprimierung ähnelt der Herstellung von Milchpulver oder Trockenfrüchten. Das heißt, es ist der Prozess des Entfernens von Wasser, das dann hinzugefügt werden kann, um dem Produkt sein ursprüngliches Aussehen zu verleihen.

Und welche Art von Wasser kann in den Daten enthalten sein? Dieses Wasser ist informativ. Es gibt viele Wiederholungen in den Daten. Dies kann zum Komprimieren von Daten verwendet werden.

Das Komprimieren von Textdateien sieht beispielsweise so aus. Eine Tabelle mit Wörtern und Ausdrücken im Text wird zusammengestellt. Dann erhalten alle Wörter und Ausdrücke in dieser Tabelle Zahlen. Der gesamte Text in der Datei wird durch Zahlen aus der Wort- und Ausdruckstabelle ersetzt. Mit dieser Methode können Sie die Größe einer Textdatei 2-3 Mal reduzieren. Manchmal wird der Text bis zu 10 Mal komprimiert, wenn er viele Wiederholungen enthält.

Ein Programm, das eine Textdatei in ein “komprimiertes” Format konvertiert, wird als Wrapper bezeichnet. Die aus der Komprimierung resultierende Datei wird als gepackte oder komprimierte Datei bezeichnet.

Komprimierte Dateien werden oft als Archive oder Archive bezeichnet, was streng genommen eine falsche Bezeichnung ist. Die Dateien wurden ursprünglich als Dateien bezeichnet, die speziell während Sicherungsprozessen erstellt wurden. Während dieses Vorgangs wurde eine einzelne Datei erstellt, die mehrere Quelldateien und Ordner enthält. Dies war die Datei. Es wurde keine Komprimierung durchgeführt. Eine ähnliche Situation besteht immer noch im Linux-Betriebssystem, wo Archivierung und Datenkomprimierung zwei unabhängige Prozesse sind. Unter dem MS-DOS-Betriebssystem und später unter MS Windows unterstützten die Datenkomprimierungsprogramme ihrer frühen Versionen sowohl die Komprimierung als auch die Datenarchivierung, dh sie erstellten eine komprimierte Datei, die nicht eine, sondern mehrere enthielt Quelldateien und Ordner (archiviert). … Seitdem ist in diesen Betriebssystemen das Konzept von ”

Da die Archivdatei nicht im Textformat geschrieben ist, können Texteditoren nicht damit arbeiten. Vor dem Öffnen der Archivdatei mit einem Texteditor muss dieses Archiv entpackt werden. Die Dekomprimierung erfolgt mit demselben Programm: einem Aktenschrank. Nach dem Entpacken erhält die Textdatei genau das gleiche Aussehen und die gleiche Größe wie zuvor.

Textablageschränke können auch Programmdateien archivieren. Nur Programme sind viel weniger komprimiert als Text.

Die zum Komprimieren von Text und Programmen verwendeten Packer können Audio-, Grafik- oder Videodateien nicht effizient komprimieren. Andere komplexere Algorithmen wurden für ihre Komprimierung entwickelt. Nach dem Entpacken unterscheiden sich die resultierenden Dateien jedoch geringfügig von den Originalen (diese Komprimierung wird als verlustbehaftete Komprimierung bezeichnet). Aber das gemeinsame menschliche Ohr nimmt dies nicht wahr und das gemeinsame Auge bemerkt es nicht auf dem Bildschirm.

Eine kurze Geschichte der Aktenschränke
Soweit ich mich erinnere, war das erste populäre Datendatei das Archiv mit dem Namen “ARJ”. Erstellt Archivdateien mit einer ähnlichen Erweiterung “ARJ”. Es war in den späten 80ern, frühen 90ern des letzten Jahrhunderts. Diese Dateien existieren noch heute. Sie sind in der Regel in DOS-Codierung geschrieben.

Dann erschienen die beiden beliebtesten Archivare auf dem Gebiet der GUS: “RAR” und “ZIP”. Sie werden jetzt durch die Programme “WinRAR” und “WinZIP” dargestellt. Das Programm “WinRAR” kann auch Archive “RAR” und “ZIP” erstellen. Und “WinRAR” kann Dateien aus einem Dutzend Formaten entpacken. In diesem Sinne ist “WinRAR” für uns ein universeller und praktischer (aber nicht kostenloser) Archivierer.

Audiokomprimierungsformate

Audiokomprimierungsformate

Audio Compression Formats

Jetzt gibt es viele Audiokomprimierungsformate, die ursprünglich für einen Computer entwickelt wurden, aber später auf Haushaltsgeräte migriert wurden. Einige von ihnen sind veraltet und praktisch unbenutzt, andere sind kürzlich erschienen und hatten noch keine Zeit, ihre Nische zu besetzen. Hier werde ich mich nur auf die verlustbehafteten Komprimierungsformate konzentrieren, mit denen Sie den höchsten Grad an Komprimierung der Audiodaten erzielen können. Was bedeutet “verlustbehaftete Komprimierung”? Erst nach dem Codieren von einer WAV-Datei in ein komprimiertes Format und dem erneuten Codieren von einem komprimierten Format in eine WAV-Datei unterscheiden sich die Originaldatei und die endgültige Datei. Vielleicht nicht zum Besseren.

audio compression formats

Das komprimierte Audioformat bedeutet, dass sich die Klangqualität trotz mehrfacher Verringerung der Dateigröße praktisch nicht ändert. Wie schaffen Sie es, ein solches Ergebnis zu erzielen? Die Wissenschaft der Psychoakustik antwortet darauf. Das menschliche Gehirn ist so konzipiert, dass wir das Flüstern von Büchern im Hintergrund eines Gesprächs nicht bemerken, obwohl wir diesen Ton auf einem Computer mit genauem Hören verfolgen können. Es stellt sich also heraus, dass es so aussieht, aber es sieht nicht so aus …

Durch die Kombination herkömmlicher Datenkomprimierungsmethoden und das Wissen darüber, welche Informationen von unserem Gehirn wahrgenommen werden und welche nicht, können Sie ein Musikkomprimierungsverhältnis von bis zu 10-fach bei akzeptabler Klangqualität erzielen. Im Folgenden habe ich einen kurzen Überblick über die gängigsten und bekanntesten Komprimierungsformate für Musikdateien gegeben, mit denen eine Home-Musiksammlung erstellt werden kann.

MP3
MPEG 1 Layer III (seltener MPEG 2 Layer III), manchmal auch als inkompetentes MPEG 3 bezeichnet (dieses Format existiert nicht), ist seit vielen Jahren für viele die einzige Assoziation mit dem Begriff “Computermusik” Benutzer. Das Ende der 1980er Jahre entwickelte Format, mit dem Musik ohne katastrophalen Qualitätsverlust bis zu zehnmal komprimiert werden konnte, setzte sich schnell in Heimcomputern durch.

Die optimale Kompressionsbitrate beträgt ca. 192 Kb / s. Obwohl alle Ohren anders sind: Jemand unterscheidet Verzerrungen besser, jemand schlechter. Ein anständiges Minimum ist 128 Kb / s. Es ist möglich, eine variable Bitrate zu verwenden. Das heißt, in dem Moment, in dem der Bereich der Schallfrequenzen klein ist, nimmt die Bitrate ab, und wenn viele Dinge gleichzeitig ertönen, nimmt sie im Gegenteil zu. Eine konstante Bitrate von mehr als 320 Kb / s ist häufig zu hoch und führt zu Platzverlust. Außerdem enthält die MP3-Datei ein bestimmtes ID3-Tag für den Bereichskopf. Enthält grundlegende Informationen zur Datei. Es gibt 2 verschiedene Versionen dieses Tags. Die zweite ist folglich umfangreicher, aber es wurde nichts Revolutionäres hinzugefügt. Die Klangqualität einer MP3-Datei kann je nach ausgewähltem Encoder und Player stark variieren.

MPEGplus / Musepack (MP + / MPC / MPP)
Dieser Encoder ähnelt im Prinzip MPEG Layer II (MP2), verwendet jedoch einen fortgeschritteneren Algorithmus. Im Gegensatz zu den meisten modernen Codecs war es das Ziel der Entwickler von Musepack überhaupt nicht, die höchstmögliche Qualität bei niedrigen Bitraten zu erreichen. Das Format wird am besten bei mittleren und hohen Bitraten angezeigt (die typische Dateibitrate liegt normalerweise im Bereich von 160 bis 180 Kb / s). Ein hervorragendes psychoakustisches Modell, das VBR-Codierung für eine hervorragende Klangqualität verwendet. Infolgedessen bietet der Codec bei ähnlichen Bitraten eine bessere Leistung als die meisten seiner Konkurrenten. Die Qualität der Dateien, die beim Komprimieren in MPC erhalten werden, übertrifft die Qualität ähnlicher MP3-Dateien erheblich. Einer der schwerwiegenden Mängel der aktuellen Version von Musepack ist die Einschränkung des Dateiformats: 44 kHz, 16 Bit, Stereo, wodurch es beispielsweise nicht anwendbar ist, Audiospuren für DVD-Filme zu komprimieren. Wenn Ihnen die MP3-Kompatibilität nicht allzu wichtig ist und Sie die höchste Qualität der endgültigen Datei wünschen, ist die Auswahl von Musepack möglicherweise die ideale Lösung. Die Verwendung dieses Formats ist eine echte Alternative zur verlustfreien Komprimierung zum Codieren von Musik von CDs für diejenigen, die bereits von den Möglichkeiten des MP3-Formats enttäuscht sind. und es ist wünschenswert, dass die Qualität der endgültigen Datei so hoch wie möglich ist. Die Wahl von Musepack kann die ideale Lösung sein. Die Verwendung dieses Formats ist eine echte Alternative zur verlustfreien Komprimierung zum Codieren von Musik von CDs für diejenigen, die bereits von den Möglichkeiten des MP3-Formats enttäuscht sind. und es ist wünschenswert, dass die Qualität der endgültigen Datei so hoch wie möglich ist. Die Wahl von Musepack kann die ideale Lösung sein.