Что такое cbr vbr abr
Что такое cbr vbr abr
На сегодняшний день формат MP3 является самым популярным форматом кодирования аудио файлов из всех существующих. Общепринято считать, что качество звуковой дорожки зависит от её битрейта, поэтому самый оптимальный битрейт для звуковой дорожки — 192 кбит/сек. Это утверждение, однако, является однобоким, ведь помимо битрейта качество звука зависит от кодека, в котором аудиозапись была записана.
Выделяют три основных типа кодирования MP3 файлов — это CBR, VBR и ABR.
CBR (Constant bitrate) расшифровывается как постоянный битрейт, который был задан пользователем при записи или кодировании и который не меняется в дальнейшем. То есть, независимо от типа данных (пусть даже вы записываете тишину) за 1 секунду кодируется постоянно количество бит, указанное пользователем. Такой тип кодирования идеально подходит для данных, которые пропускаются через ограниченные мультимедийные каналы, позволяя использовать все возможности данного канала. Минусом такого типа кодирования является громоздкие объемы полученных данных, которые нерационально используют дисковое пространство.
VBR (Variable bitrate) с английского переводится как изменяющийся (переменный) битрейт. При кодировке в VBR мы получаем файл, битрейт которого изменяется в зависимости от густоты потока данных (то есть, к примеру, битрейт тишины будет ниже, чем битрейт какого-либо звука). Такой тип кодирования продолжает совершенствоваться, достигая новых показателей амплитуды изменения битрейта потока данных. Основным минусом является то, что невозможно предугадать будущий размер кодируемого файла. Несмотря на это, данный минус никак не омрачит общую картину: размер файла получается меньше, чем при кодировании по типу CBR. Это получается за счёт того, что битрейт тишины или тихих звуков меньше. Последние версии Lame имеют функцию кодирования в VBR, качество которого на порядок выше ABR, а размер меньше, чем CBR.
Третьим типом кодирования является ABR (Average bitrate), который представляет собой нечто среднее между предыдущими двумя типами кодирования. Расшифровывается как средний битрейт. Пользователь имеет возможность указать битрейт, а программа Lame подгоняет канал данных под эту частоту. Единственным минусом такого вида кодирования является то, что выходной файл будет иметь ухудшенное качество (однако лучше, чем CBR и хуже чем VBR). Используя такой тип кодирования, пользователь может выбирать как битрейт файла, так и его будущий размер — это основной плюс.
Что такое cbr vbr abr
На данный момент MP3 является самым известным и популярным из распространённых форматов цифрового кодирования звуковой информации. Он широко используется в файлообменных сетях для передачи музыкальных произведений. Формат может проигрываться в любой современной операционной системе (например, в последних версиях Windows даже имеется уже встроенный кодек), на практически любом портативном аудио-плеере, а также поддерживается некоторыми моделями музыкальных центров и DVD-плееров. Необходимо отметить, что эта популярность представляет собой «порочный круг»: пользователи кодируют аудио в MP3 в основном из-за широкой поддержки формата производителями программного и аппаратного обеспечения, а производители, в свою очередь, вкладывают средства в наиболее популярный среди пользователей формат MP3.
История
MP3 разработан рабочей группой института Фраунгофера (англ. Fraunhofer Society ) MPEG (англ. Motion Pictures Expert Group — группа экспертов в области кинематографа) состоящей из Джонсона, Штолла, Деери и Карлхайнца Бранденбурга. Основой разработки MP3 послужил экспериментальный кодек ASPEC (Adaptive Spectral Perceptual Entropy Coding). Первым кодировщиком в формат MP3 стала программа L3Enc, выпущенная летом 1994 года. Спустя один год появился первый программный MP3-плеер — Winplay3.
При разработке алгоритма тесты проводились на вполне конкретных популярных композициях. Основной стала песня Сюзанны Веги «Tom’s Diner». Отсюда возникла шутка, что «MP3 был создан исключительно ради комфортного прослушивания любимой песни Бранденбурга», а Вегу стали называть «мамой MP3».
На данный момент считается, что неотличимое от оригинала звучание (при правильно выбранном и настренном кодеке) обычно достижимо при битрейте от 160 кбит/c и выше — в зависимости от исходного аудиофайла, слушателя и его аудиосистемы. Некоторые аудиофилы предпочитают сжимать музыку с «максимальным качеством» — 320 кбит/c. На самом деле известны семплы (фрагменты аудиозаписи), не поддающиеся качественному сжатию с потерями: на всех возможных битрейтах не составляет особого труда отличить сжатое аудио от оригинала.
Некоторые мелодии (из тех, что используют шум и акустические помехи в качестве фона) кодируются только как «стерео», но не как «объединённое стерео», иначе отличия слышны на любом битрейте.
Режимы кодирования и опции
Существует три версии MP3 формата для различных нужд: MPEG-1, MPEG-2 и MPEG-2.5. Отличаются они возможными диапазонами битрейта и частоты дискретизации:
32 — 320 кбит/c при частотах дискретизации 32000 Гц, 44100 Гц и 48000 Гц для MPEG-1 Layer 3;
16 — 160 кбит/c при частотах дискретизации 16000 Гц, 22050 Гц и 24000 Гц для MPEG-2 Layer 3;
8 — 160 кбит/c при частотах дискретизации 8000 Гц и 11025 Гц для MPEG-2.5 Layer 3.
Режимы управления кодированием звуковых каналов
Так как формат MP3 поддерживает двухканальное кодирование (стерео), существует 3 режима:
Стерео — двухканальное кодирование, при котором каналы кодируются независимо друг от друга. Таким образом, заданный битрейт делится на два канала. Например, если заданный битрейт 192 кбит/c, то для каждого канала он будет равен только 96 кбит/c.
Моно — одноканальное кодирование. Если закодировать двухканальный материал этим способом, различия между каналами будут полностью стёрты, так как два канала смешиваются в один, он кодируется и он же воспроизводится в обоих каналах стереосистемы. Единственным плюсом данного режима может являться только выходное качество по сравнению с режимом Стерео при одинаковом битрейте, так как на один канал приходится вдвое большее количество бит, чем в режиме Стерео. Но различий между каналами вы не услышите, так как канал здесь только один.
Объединённое стерео (Joint Stereo) — оптимальный способ двухканального кодирования, при котором левый и правый каналы преобразуются в их сумму и разность. Для большинства звуковых файлов канал с разницей получается намного тише канала с суммой, поэтому на сумму отводится бо́льшая часть битрейта. Таким образом, качество выходного файла разительно отличается в лучшую сторону от режима Стерео при одинаковом битрейте, особенно при низком.
CBR, VBR, ABR
CBR расшифровывается как Constant Bit Rate, то есть Постоянный Битрейт, который задается пользователем и не изменяется при кодирования произведения, таким образом каждой секунде произведения соответствует одинаковое количество закодированных бит данных (даже при кодировании тишины). На самом деле данный режим кодирования не является оптимальным, так как он не годится для большинства динамичных музыкальных произведений при битрейте ниже 256 кбит/c.
VBR расшифровывается как Variable Bit Rate, то есть Варьирующийся Битрейт или Переменный Битрейт, который динамически изменяется программой-кодером при кодировании, в зависимости от насыщенности кодируемого аудиоматериала и установленного пользователем качества кодирования (например, тишина закодируется с минимальным битрейтом). Этот метод MP3-кодирования является самым прогрессивным и до сих пор развивается и улучшается, так как аудиоматериал разной насыщенности может быть закодирован с определенным качеством, которое обычно выше, чем при установке среднего значения в методе CBR. Плюс к тому, размер файла уменьшается за счет фрагментов, не требующих высокого битрейта. Единственным минусом данного метода кодирования является полная невозможность предсказать размер выходного файла. Но этот недостаток VBR-кодирования меркнет перед его достоинствами.
ABR расшифровывается как Average Bit Rate, то есть Усредненый Битрейт, который является гибридом VBR и CBR: битрейт в кбит/c задается пользователем, а программа варьирует его, постоянно подгоняя под заданный битрейт. Таким образом, кодер будет с осторожностью использовать максимально и минимально возможные значения битрейта, так как рискует не вписаться в заданный пользователем битрейт. Это является явным минусом данного метода, так как сказывается на качестве выходного файла, которое будет немного лучше, чем при использовании CBR, но намного хуже, чем при использовании VBR. С другой стороны, этот метод позволяет наиболее гибко задавать битрейт (может быть любым числом между 8 и 320, против исключительно кратных 16 чисел метода CBR) и вычислять размер выходного файла.
Кодеки
Наиболее распространённые кодеки мр3:
mp3PRO-codec
mp3LAME-codec
Теги
Особые метки в границах mp3-файла. Позволяют записать информацию об авторстве и пр. с последующим выводом этой информации. Существуют различные версии тегов.
Достоинства и недостатки
MP3 является лидером по распространенности, но при этом не является лучшим по техническим параметрам. Например, существуют форматы, позволяющие получить сравнимое качество (субъективно) при большей плотности. Также в формате MP3 отсутствует режим кодирования без потерь англ. lossless, подходящий для профессионалов. Для домашней музыкальной коллекции (когда нет необходимости проигрывать композиции на музыкальном центре или распространять их через интернет) можно воспользоваться конкурирующими форматами.
MP3 непригоден для профессионального использования музыкантами уже из-за того, что данные сжимаются с потерями, и при каждом редактировании файла качество ухудшается. При этом формат вполне подходит (с профессиональной точки зрения) для распространения демонстрационных композиций или иных способов «раздачи» своей музыки из-за повсеместной распространённости проигрывателей
Что такое битрейт? Какая разница между CBR и VBR?
Битрейт — основополагающий параметр сжатия видео. Он выражает общую степень сжатия потока и тем самым определяет размер требуемого канала передачи данных. Чем выше битрейт, тем больше деталей видеоизображения удается сохранить, и тем реалистичнее выглядит видео. При выборе битрейта всегда приходится находить баланс между качеством кодирования и размером канала.
Существует два основных подхода к распределению битов в потоке: постоянный (constant bitrate — CBR) и переменный (variable bitrate — VBR) битрейты. Под постоянным и переменным битрейтом инженеры могут подразумевать две разные вещи. При вещании имеется в виду постоянное или переменное количество бит, которое передается за 1 секунду. При кодировании — постоянное и переменное наполнение и опустошение буфера с одной или разной скоростью.
CBR показывает стабильный уровень битрейта независимо от сцены, не создает резких перепадов нагрузок. CBR не оптимален со стороны качества, потому что поток не изменяется в зависимости от динамики и сложности видео.
Позволяет в сложных местах повышать битрейт и снижать степень сжатия, чтобы получать более качественное изображение. Переменный битрейт регулируется в зависимости от скорости изменения картинки. Например, битрейт статичного видеофрагмента (заката) будет значительно ниже, чем битрейт движения (автомобильной погони).
Больше полезной информации о видео технологиях вы можете найти здесь.
Выбор битрейта для записи мультимедиа
Битрейт (bitrate, англ.) — означает величину (численность) бит, которая используется для записывания или передачи мультимедийного материала, длящегося на протяжении одной секунды. При фиксации мультимедийного (аудио и видео) контента в формате МР3 происходит его поблочное сжатие с помощью определённых процедур (алгоритмов). А эти алгоритмы подразделяются на виды в зависимости от битрейта (его величины). На каждый из таких блоков (фреймов) отводится от тридцати двух до трёхсот двадцати бит.
Кодирование
Алгоритмы VBR, CBR и ABR, используемые для кодирования в МР3-формате, не обеспечивают полную сохранность качества — оно теряется. Впрочем, это можно ощутить только при просмотре (проигрывании) лишь на качественной аппаратуре.
Для непрофессионального взгляда материал, записанный с использованием механизмов VBR, CBR и ABR, будет выглядеть вполне качественно.
Проведём анализ различий в алгоритмах VBR, CBR и ABR, для того чтобы знать, каким из них правильно воспользоваться для записи и последующего хранения или передачи файлов. Какой из них лучше для качества или для решения других задач.
Constant bitrate
Как видно из названия (constant — постоянный, англ.), в этой разновидности алгоритма на одну секунду материала выделяется постоянное количество бит. Все блоки равны друг другу.
Благодаря использованию CBR есть возможность заранее знать размер исходного файла или ширину потока. Это важно для передачи информации по каналам, обладающим ограниченной шириной.
Алгоритм Constant bitrate
Применение такого кодирования не идеально:
Недостатки качества при записи «сложных» участков решаются повышением битрейта, например, до максимальных 320 кбит/с, но при этом увеличивается ширина потока передачи или размер файла.
Variable bitrate
Легко догадаться, что такая разновидность метода (VBR) является переменной (variable — переменный, англ.).
Для такой кодировки характерно то, что битрейт в этом случае изменяется в процессе самого кодирования программой-кодеком. И зависит битрейт в указанном случае от насыщенности звукового или видеоматериала.
То есть при выборе VBR-кодирования программой для записи пустой картинки будет выбран меньший битрейт, а для записи насыщенных картинок или быстро сменяющихся изображений — больший.
Алгоритм Variable bitrate
Отрицательным моментом этого алгоритма является трудность предвидения предстоящих изменений. Увеличение битрейта при записи будет реально происходить с опозданием.
Кроме того, фрагменты, звучащие тихо, воспринимаются при VBR-кодировании как фрагменты, не несущие важности, и под них на этом основании выделяется минимальный битрейт.
Поэтому CBR с максимальным значением в 320 кбит/с обеспечит большее качество.
Правда, в настоящее время появилась кодировка VBR 2 Pass.
Суть её в том, что программа сначала анализирует мультимедийный поток (в первый раз), а затем производит запись, сжимая её на основе данных, полученных при первичном сканировании. Это даёт лучший результат по качеству, и в этом смысле такая кодировка лучше.
Average bitrate
Average переводится с английского как усреднённый. Таковой является разновидность ABR, являющаяся в некотором роде помесью VBR и CBR.
Выбирая режим ABR, пользователь задаёт какое-то его значение в килобитах в секунду. Кодек же может изменять его в ту или иную сторону, придерживаясь установленного среднего значения.
Алгоритм Average bitrate
Метод ABR выгодно отличается от других назначаемым количеством бит в секунду. Вы можете выбирать абсолютно любой числовой параметр от 8 до 320. В то время как кодировка CBR может использовать только шестнадцатикратное значение.
Из вышеизложенного следует, что если для результата важен размер полученного файла, то для высшего качества лучше присмотреться к кодировке ABR или CBR.
В противном же случае обратить внимание на метод VBR 2 Pass.
В этой статье вы ознакомились с кодировками VBR, CBR и ABR. Теперь вы знаете, чем отличается каждая из них, какая лучше для вашей конкретной задачи и какую из них нужно выбрать.
Цифровое представление аналогового аудиосигнала. Краткий ликбез
Дорогие читатели, меня зовут Феликс Арутюнян. Я студент, профессиональный скрипач. В этой статье хочу поделиться с Вами отрывком из моей презентации, которую я представил в университете музыки и театра Граца по предмету прикладная акустика.
Рассмотрим теоретические аспекты преобразования аналогового (аудио) сигнала в цифровой.
Статья не будет всеохватывающей, но в тексте будут гиперссылки для дальнейшего изучения темы.
Чем отличается цифровой аудиосигнал от аналогового?
Аналоговый (или континуальный) сигнал описывается непрерывной функцией времени, т.е. имеет непрерывную линию с непрерывным множеством возможных значений (рис. 1).
Цифровой сигнал — это сигнал, который можно представить как последовательность определенных цифровых значений. В любой момент времени он может принимать только одно определенное конечное значение (рис. 2).
Аналоговый сигнал в динамическом диапазоне может принимать любые значения. Аналоговый сигнал преобразуется в цифровой с помощью двух процессов — дискретизация и квантование. Очередь процессов не важна.
Дискретизацией называется процесс регистрации (измерения) значения сигнала через определенные промежутки (обычно равные) времени (рис. 3).
Квантование — это процесс разбиения диапазона амплитуды сигнала на определенное количество уровней и округление значений, измеренных во время дискретизации, до ближайшего уровня (рис. 4).
Дискретизация разбивает сигнал по временной составляющей (по вертикали, рис. 5, слева).
Квантование приводит сигнал к заданным значениям, то есть округляет сигнал до ближайших к нему уровней (по горизонтали, рис. 5, справа).
Эти два процесса создают как бы координатную систему, которая позволяет описывать аудиосигнал определенным значением в любой момент времени.
Цифровым называется сигнал, к которому применены дискретизация и квантование. Оцифровка происходит в аналого-цифровом преобразователе (АЦП). Чем больше число уровней квантования и чем выше частота дискретизации, тем точнее цифровой сигнал соответствует аналоговому (рис. 6).
Уровни квантования нумеруются и каждому уровню присваивается двоичный код. (рис. 7)
Количество битов, которые присваиваются каждому уровню квантования называют разрядностью или глубиной квантования (eng. bit depth). Чем выше разрядность, тем больше уровней можно представить двоичным кодом (рис. 8).
Данная формула позволяет вычислить количество уровней квантования:
Если N — количество уровней квантования,
n — разрядность, то
Обычно используют разрядности в 8, 12, 16 и 24 бит. Несложно вычислить, что при n=24 количество уровней N = 16,777,216.
При n = 1 аудиосигнал превратится в азбуку Морзе: либо есть «стук», либо нету. Существует также разрядность 32 бит с плавающей запятой. Обычный компактный Аудио-CD имеет разрядность 16 бит. Чем ниже разрядность, тем больше округляются значения и тем больше ошибка квантования.
Ошибкой квантований называют отклонение квантованного сигнала от аналогового, т.е. разница между входным значением 
и квантованным значением 
(
)
Большие ошибки квантования приводят к сильным искажениям аудиосигнала (шум квантования).
Чем выше разрядность, тем незначительнее ошибки квантования и тем лучше отношение сигнал/шум (Signal-to-noise ratio, SNR), и наоборот: при низкой разрядности вырастает шум (рис. 9).
Разрядность также определяет динамический диапазон сигнала, то есть соотношение максимального и минимального значений. С каждым битом динамический диапазон вырастает примерно на 6dB (Децибел) (6dB это в 2 раза; то есть координатная сетка становиться плотнее, возрастает градация).
Ошибки квантования (округления) из-за недостаточного количество уровней не могут быть исправлены.
50dB SNR
примечание: если аудиофайлы не воспроизводятся онлайн, пожалуйста, скачивайте их.
Теперь о дискретизации.
Как уже говорили ранее, это разбиение сигнала по вертикали и измерение величины значения через определенный промежуток времени. Этот промежуток называется периодом дискретизации или интервалом выборок. Частотой выборок, или частотой дискретизации (всеми известный sample rate) называется величина, обратная периоду дискретизации и измеряется в герцах. Если
T — период дискретизации,
F — частота дискретизации, то 
Чтобы аналоговый сигнал можно было преобразовать обратно из цифрового сигнала (точно реконструировать непрерывную и плавную функцию из дискретных, «точечных» значении), нужно следовать теореме Котельникова (теорема Найквиста — Шеннона).
Теорема Котельникова гласит:
Если аналоговый сигнал имеет финитный (ограниченной по ширине) спектр, то он может быть восстановлен однозначно и без потерь по своим дискретным отсчетам, взятым с частотой, строго большей удвоенной верхней частоты.
Вам знакомо число 44.1kHz? Это один из стандартов частоты дискретизации, и это число выбрали именно потому, что человеческое ухо слышит только сигналы до 20kHz. Число 44.1 более чем в два раза больше чем 20, поэтому все частоты в цифровом сигнале, доступные человеческому уху, могут быть преобразованы в аналоговом виде без искажении.
Но ведь 20*2=40, почему 44.1? Все дело в совместимости с стандартами PAL и NTSC. Но сегодня не будем рассматривать этот момент. Что будет, если не следовать теореме Котельникова?
Когда в аудиосигнале встречается частота, которая выше чем 1/2 частоты дискретизации, тогда возникает алиасинг — эффект, приводящий к наложению, неразличимости различных непрерывных сигналов при их дискретизации.
Как видно из предыдущей картинки, точки дискретизации расположены так далеко друг от друга, что при интерполировании (т.е. преобразовании дискретных точек обратно в аналоговый сигнал) по ошибке восстанавливается совершенно другая частота.
Аудиопример 4: Линейно возрастающая частота от
100 до 8000Hz. Частота дискретизации — 16000Hz. Нет алиасинга.
Аудиопример 5: Тот же файл. Частота дискретизации — 8000Hz. Присутствует алиасинг
Пример:
Имеется аудиоматериал, где пиковая частота — 2500Hz. Значит, частоту дискретизации нужно выбрать как минимум 5000Hz.
Следующая характеристика цифрового аудио это битрейт. Битрейт (bitrate) — это объем данных, передаваемых в единицу времени. Битрейт обычно измеряют в битах в секунду (Bit/s или bps). Битрейт может быть переменным, постоянным или усреднённым.
Следующая формула позволяет вычислить битрейт (действительна только для несжатых потоков данных):
Битрейт = Частота дискретизации * Разрядность * Количество каналов
Например, битрейт Audio-CD можно рассчитать так:
44100 (частота дискретизации) * 16 (разрядность) * 2 (количество каналов, stereo)= 1411200 bps = 1411.2 kbit/s
При постоянном битрейте (constant bitrate, CBR) передача объема потока данных в единицу времени не изменяется на протяжении всей передачи. Главное преимущество — возможность довольно точно предсказать размер конечного файла. Из минусов — не оптимальное соотношение размер/качество, так как «плотность» аудиоматериала в течении музыкального произведения динамично изменяется.
При кодировании переменным битрейтом (VBR), кодек выбирает битрейт исходя из задаваемого желаемого качества. Как видно из названия, битрейт варьируется в течение кодируемого аудиофайла. Данный метод даёт наилучшее соотношение качество/размер выходного файла. Из минусов: точный размер конечного файла очень плохо предсказуем.
Усреднённый битрейт (ABR) является частным случаем VBR и занимает промежуточное место между постоянным и переменным битрейтом. Конкретный битрейт задаётся пользователем. Программа все же варьирует его в определенном диапазоне, но не выходит за заданную среднюю величину.
При заданном битрейте качество VBR обычно выше чем ABR. Качество ABR в свою очередь выше чем CBR: VBR > ABR > CBR.
ABR подходит для пользователей, которым нужны преимущества кодирования VBR, но с относительно предсказуемым размером файла. Для ABR обычно требуется кодирование в 2 прохода, так как на первом проходе кодек не знает какие части аудиоматериала должны кодироваться с максимальным битрейтом.
Существуют 3 метода хранения цифрового аудиоматериала:
Несжатый (RAW) формат данных
Другой формат хранения несжатого аудиопотока это WAV. В отличие от RAW, WAV содержит заголовок файла.
Аудиоформаты с сжатием без потерь
Принцип сжатия схож с архиваторами (Winrar, Winzip и т.д.). Данные могут быть сжаты и снова распакованы любое количество раз без потери информации.
Как доказать, что при сжатии без потерь, информация действительно остаётся не тронутой? Это можно доказать методом деструктивной интерференции. Берем две аудиодорожки. В первой дорожке импортируем оригинальный, несжатый wav файл. Во второй дорожке импортируем тот же аудиофайл, сжатый без потерь. Инвертируем фазу одного из дорожек (зеркальное отображение). При проигрывании одновременно обеих дорожек выходной сигнал будет тишиной.
Это доказывает, что оба файла содержат абсолютно идентичные информации (рис. 11).
Кодеки сжатия без потерь: flac, WavPack, Monkey’s Audio…
При сжатии с потерями
акцент делается не на избежание потерь информации, а на спекуляцию с субъективными восприятиями (Психоакустика). Например, ухо взрослого человек обычно не воспринимает частоты выше 16kHz. Используя этот факт, кодек сжатия с потерями может просто жестко срезать все частоты выше 16kHz, так как «все равно никто не услышит разницу».
Другой пример — эффект маскировки. Слабые амплитуды, которые перекрываются сильными амплитудами, могут быть воспроизведены с меньшим качеством. При громких низких частотах тихие средние частоты не улавливаются ухом. Например, если присутствует звук в 1kHz с уровнем громкости в 80dB, то 2kHz-звук с громкостью 40dB больше не слышим.
Этим и пользуется кодек: 2kHz-звук можно убрать.
Кодеки сжатия с потерям: mp3, aac, ogg, wma, Musepack…