Перекур №36 "WAV v.s. MP3 кто кого?" )))

Всем привет!
Вопрос в названии темы звучит, конечно смешно. Все прекрасно знают, что формат звуковых файлов wav, как и любой лослесс формат превосходит качеством любой компрессионный формат, в том числе и мп3, который, кстати, хотя и самый распространенный, но далеко не лучший представитель своего класса. Разница в этих форматах определенно есть, я предлагаю разобраться насколько она велика. Давайте сперва чуть копнем теории. Копнем верхами и с кучей допущений, но достаточно в разрезе поставленного вопроса.

Что такое lossless форматы? Lossless переводится как «без потерь» и это определение очень точно описывает данные форматы. Грубо говоря, они, при оцифровке аналогового сигнала ничего не сжимают в прямом смысле этого слова. Они просто описывают волну как есть с помощью своих алгоритмов. Если мы будем использовать низкое разрешение лослесс форматов они упростят сигнал, но не сожмет его. (разница на самом деле есть). Но в повседневной жизни мы используем избыточные для любого звукового материала параметры лослесс файлов.

Из лослесс файла с избыточными для сигнала параметрами можно восстановить звуковой сигнал ЛЮБОЙ сложности с ЛЮБОЙ точностью.

То есть, на выходе мы получим ровно ту звуковую волну, которая и была оцифрована этим файлом. По этому, мы можем к примеру взять любой wav файл перегнать его сто раз в любые лослсесс форматы достаточного разрешения, после перегнать назад в такой же wav и этот файл будет бит в бит совпадать со своим исходником. По этому же если мы оцифруем в wav минуту тишины и минуту крайне плотного звукового материала, эти два файла по размерам будут полностью идентичны.

Для справки:
Если говорить точнее, то классификация форматов чуть сложнее.
Существуют:
несжатые форматы: среди которых wav
Сжатые форматы, без потери данных. Среди них, к примеру flac
Сжатые форматы с потерями информации. Среди них mp3

Но lossless форматами справедливо считают первых две категории.

Lossy compressed audio format или compressed audio, это в некотором роде архиваторы аудиофайлов с алгоритмами подразумевающими контролируемые потери. Алгоритмы сжатия таких форматов весьма сложны и комплексны. Из lossless аудиофайла вырезается вся избыточность и все то, чье отсутствие можно замаскировать опираясь на нюансы восприятия звука человеческим ухом и мозгом. А после все упаковывается в компактный файл.

Если сопоставить размеры аудиофайлов, то в среднем трек в формате wav 44.1 кГц 16бит, после сжатия в mp3 44.1 кГц 320 кб/с станет в 4-5 раз меньше.

Не хило да? Тут уже можно начать морщить нос и рассуждать о том какое МП3 барахло. оно и верно, как может хорошо петь музыка из которой отхреначили 70-75% информации?
Верно, но не совсем. Не стоит забывать, что лослсесс файл всегда избыточен и его разрешение постоянно и для тишины и для бубнежа себе под нос и для композиций с максимальными амплитудами и плотностью. Его задача все это дело передавать стабильно без потерь. Перед сжатыми форматами такой задачи не стоит и результат сжатия будет для каждого случая персонален.

В случае с сжатыми форматами минута тишины и минута плотной композиции будут различного размера.

Именно по этому, для всех вполне осязаема и очевидна разница компрессионных и несжатых аудиоформатов, НО неочевидна величина этой разницы, равно как и неочевидно как это знание проецировать конкретно на свой звуковой материал и аудиосистему. Ведь согласитесь, будет глупо таскать несжатую музыкальную библиотеку и слушать ее на портативной колонке. Или держать, к примеру несжатую библиотеку аудиокниг или музыки в которой особого качества изначально отродясь не было. Тут все понятно. Не понятно, когда речь идет о пограничных вариантах и здесь ломают копья годами приверженцы сжатых и не сжатых форматов.

Предлагаю сегодня хоть немного разобраться в этом вопросе с практической точки зрения. Пощупать и послушать это дело наглядно. Собсна говоря, этим вопросом озадачивались многие и идея данной записи возникла после прочтения вот этой темы ТЫЦ в блоге очень уважаемого мною и известного в звуковых кругах человека.

Я решил немного углубиться и расширить данный вопрос у себя на страничке сугубо с практической точки зрения. Для нас вполне очевидно, что сжатый формат не только вырезает часть полезного сигнала, но и вносит свои искажения «артефакты» неизбежно возникающие в ходе сжатия.

Предлагаю просто взять и послушать что собсна вырезает нужного и вносит лишнего мп3! )

Вот архив с треками ТЫЦ скачайте его.

НО НЕ СПЕШИТЕ СЛУШАТЬ, иначе запутаетесь. Прослушивайте треки поочередно по мере прочтения текста.

Трек №1 Оригинал
Недавно я скачал архив с музыкой от одного из наших «сопалатников». Музыка там была в виде образов снятых с оригинальных дисков. Для наших целей то, что нужно. Я взял диск симфонического рока и дернул оттуда трек с параметрами CD audio то есть 44.1кГц 16бит. Выбрал инструментальную композицию достаточно амплитудную, сложную и плотную.
Слушаем.))

Трек №1.1 Пересохранен Оригинал
Я открыл наш исходник в аудиоредакторе Sound Forge Pro 10.0. И пересохранил снова в wav с теми же параметрами, что и исходник для чистоты эксперимента. Далее будем работать в этом редакторе.
Можно прослушать.

Трек №2 Вычел левый и правый.
В данном треке я вычел левый канал из правого, а потом продублировал получившееся на обе дорожки для удобства прослушивания. Данный трек уже не содержит той информации, что была представлена в исходнике идентичной для обоих каналов. трек содержит лишь разницу в сигналах каналов, которая собсна и формирует стереоэффект композиции. Тут хорошо слышно практически полное отсутствие нч диапазона. Звукорежиссеры предпочитают не давать разницу сигналам в низу ввиду особенности восприятия звука ушами. (по этому и саб зачастую у нас один).
Слушаем.

Трек №3 Вычел из левого левый.
Для проверки и контроля вычел из левого канала пересохраненного трека левый канал исходного трека и продублировал получившуюся разницу на обе дорожки. Собсна каналы идентичны по этому в файле тишина.
Можно послушать.

Трек №4 Фрагмент для сопоставления.
Я выбрал участок трека, который мы будем сопоставлять и сохранил его в wav.
Можно прослушать.

Треки №5,6,7
Это три файла сжатых из предыдущего в mp3 с различным битрейтом для наглядности. 320кб/с, 128кб/с и 96кб/с. Каждый сжимался не из предыдущего, а именно с исходного трека №4
Можете прослушать и сравнить с оригинальным треком №4 в вашей аудиосистеме.

Теперь, самое интересное. )) Я взял треки 5,6,7, оцифровал их обратно в файлы wav с параметрами трека исходника №4. Программа позволяет вычитать треки целиком один из другого с целью оценки разницы, но блин, все конвертеры что у меня есть, включая сам аудиоредактор, при сжатии в mp3 добавляют в начало трека несколько миллисекунд тишины. Эта врезочка сохраняется при оцифровке обратно в wav. В итоге сравнить быстро «в лоб» файлы невозможно. События в треках оказываются смещены друг от друга по времени. По этому я создавал новый проект аудиофайла, вставлял туда в первую дорожку левый канал файла исходника, во вторую дорожку левый канал файла разжатого из mp3, далее зумил дорожки максимально, вплоть до сэмплов (коих 44100 в каждой секунде), смещал разжатый канал сопоставляя по времени начало сигнала с исходником с максимальной точностью до сэмпла. И уже после этого вычитал разжатую дорожку из дорожки исходника.
Таким образом я вычитал из файла исходника все то, что сохранилось в сигнале после сжатия в файлах mp3.
Оставшееся после вычитания как раз и составляет все то, что было вырезано сжатием, плюс в остаток этот добавилась вся грязь и цифровые артефакты, которые появились в сигнале при сжатии.
Теперь, мы можем оценить все, что теряем полезного при сжатии в mp3 различных битрейтов и что получаем лишнего в сигнал по совокупности. Дорожки дублировал в оба канала, для удобства оценки. Но в обоих каналах разница именно левого. Этого вполне достаточно, с правым каналом ситуация естессна полностью аналогична.

Для наглядности перед прослушкой покажу вам скрины из программы.

Тут нижняя мазюлька это форма сигнала (не АЧХ а именно сигнала) левого канала файла исходника, а верхняя мазюлька это то, что мы потеряли нужного и получили лишнего при сжатии файла в mp3 Разрешение обоих сигналов идентично и мы можем сопоставить примерную разницу.

И вот еще один скрин:

Тут наглядно показано увеличение потерь со снижением битрейта при сжатии сигнала. Верхняя кривулька это потерянное при сжатии в 320кб/с, средняя 128кб/с, нижняя 96кб/с. Разрешение графиков здесь также идентичны.

Теперь слушаем:
Трек №8 Вычитание мп3 320 и вав
Трек №9 Вычитание мп3 128 и вав
Трек №10 Вычитание мп3 96 и вав
Очень удобно слушать эти три трека поочередно с треком исходником №4 Удобно сравнить что мы теряем.

Ну и на закуску:

Трек №11 Левый разница, правый мп3 320
Здесь чтоб уж совсем наглядно было, в первой дорожке я оставил полный сжатый сигнал в mp3 320кб/с а во второй дорожке поместил разницу, которую потерял мп3 файл в этом же канале относительно исходного файла. Очень удобно оценить масштаб трагедии (или не трагедии) в режиме онлайн своими ушами и на своей системе.

Как вы можете сами убедиться, разница есть и она осязаема, ощутима и достаточно велика. ее просто не могло не быть при сжатии файла в 4 раза! И я вам так скажу, с учетом данного факта, потери не кажутся такими уж трагическими. В 4 раза хуже звук mp3 320кб/с точно не становится и это очевидно при прослушивании как самих файлов так и файлов, демонстрирующих потери.

Кроме того, важно понимать, что я шел по максимально деструктивному пути. Я взял файл которому точно место только в lossless. Я сжимал его самым простым и распространенным кодеком mp3, а их существует не мало и они существенно отличаются алгоритмами обработки сигнала. Есть кодеки гораздо тоньше обрабатывающие сигнал. Есть еще незаслуженно забытый всеми алгоритм сжатия mp3 с применением переменного битрейта, в котором алгоритм повышает и снижает битрейт в завсимости от сложности каждого фрагмента музыкального файла. Таким образом, если бы я взял простенький, долбежный материал не насыщенный нюансами, подобрал бы кодек, сжал и сделал сравнение, то разница была бы кратно ниже и незаметнее от той, что я продемонстрировал данным экспериментом.

Какой можно сделать вывод из этой писанины?
Losless файлы важны и нужны даже в системах качественного звука начального уровня. Спорить об этом глупо и отрицать бесполезно. Треки выше это наглядно демонстрируют. НО lossless нужен дааалеко не для всякого звукового материала. По моему глубокому убеждению, 90% существующего звукового материала неотличимо упакуется в тот же мп3. По этому, не стоит подходить излишне фанатично к своей lossless библиотеке и таскать десятки гигабайт того, что безболезненно можно сжать вчетверо.
Тем более, очень много lossless материала гуляющего в сети есть ничто иное как бесполезная разжимка из компрессионных файлов. Если вы нашли треки достойные несжатого формата, то обязательно озаботьтесь надежным источником их получения, чтобы неожиданно для себя не начать заниматься аудиофилией и выслушивать того, чего нет.)

Такие дела.
Решать много или мало потерь в МП3 только вам. Вам же делать выводы о применении различных фоматов в своей библиотеке. Надеюсь, я хоть немного помог вам в этом.)
Щупайте все всегда сами. Своими ушами и на своих системах. делайте собственные выводы. Не верьте никому на слово. даже опытным экспертам… а мне так тем более! :D

Да, кстати! Если вам данная тема интересна, то можем развить идею, сделать сравнение файлов различных компрессионных аудиоформатов, сравнить разные кодеки mp3, а также сравнить Hi res с lossless. Черканите в комментах, интересно ли вам это?

На этом пока все.
Всем удачи, с наступающим новым годом. Отличного, новогоднего настроения, удачи, счастья вам в новом году. Ну и обязательно здоровья вам и всем вашим близким! )))