MP3

Allikas: Vikipeedia
Faililaiend .mp3
Esmane standard 1993
Standardid ISO/IEC 11172-3, ISO/IEC 13818-3

MP3 ehk MPEG Audio Layer III on Fraunhofer Instituudi poolt väljatöötatud helifailide vorming, mis põhineb helisignaali kadudega tihendamise tarkvaral. Selle tehnoloogia abil saab tihendamata muusika- ning muude helifailide suurust oluliselt vähendada ilma kvaliteedi olulise languseta ning seejärel neid vastava tarkvara abil arvutis, kaasaskantavates MP3 mängijates või nutitelefonides kuulata. Seetõttu on MP3 failiformaat populaarne helifailide säilitamiseks ning jagamiseks Internetis.

Ajalugu[muuda | redigeeri lähteteksti]

  • 1987 – Saksamaal asuv Fraunhofer Instituut alustas EUREKA projekti EU147 raames uurimustööd digitaalse audio levitamise alal.[1]
  • 1988 – Loodi Moving Picture Experts Group ehk MPEG.[1]
  • 1989 – Fraunhofer võttis Saksamaal MP3 tehnoloogiale patendi.[1]
  • 1992 – Fraunhoferi ja Dieter Seitzeri audokodeerimise algoritm integreeriti MPEG-1 tehnoloogiasse. [1]
  • 1993 – Avaldati MPEG-1 standard. [1]
  • 1994 – Arendati välja ja avaldati MPEG-2 standard. [1]
  • 1996 – USAs patenteeritakse MP3 tehnoloogia. [1]
  • 1998 – Ilmuvad esimesed kaasaskantavad MP3-mängijad.[2]
  • 1998 – Fraunhofer hakkab enda patendiõigusi jõustama. Kõik tarkvaraarendajad, kelle loodud tarkvara tegeleb MP3 kodeerimise või dekodeerimisega, peavad hakkama Fraunhoferile litsentsitasu maksma. Samuti peavad autoriõiguse kaitse all oleva tehnoloogia kasutamise eest maksma kaasaskantavate MP3-mängijate tootjad. [1]
  • 1999 – SubPop on esimene firma, kes levitab muusikateoseid MP3 formaadis. [1]

Standardi väljatöötamine ja levik[muuda | redigeeri lähteteksti]

MP3 tehnoloogia arendati välja Fraunhofer Instituudis Saksamaal Dieter Seitzeri ja tema meeskonna poolt. 1987. aastal alustas Fraunhofer Instituudi teadusekeskus kõrge kvaliteediga ja madala andmemahuga helifailide tihendamise tarkvara väljatöötamist. 1989. aastal vastav tehnoloogia patenteeriti. Juriidilise patendi peal on väljatöötajatena kirjas Bernhard Grill, Karl-Heinz Brandenburg, Thomas Sporer, Bernd Kurten ja Ernst Eberlein.[1]

Samal aastal lisati MP3 standard MPEG-1 spetsifikatsiooni. MPEG on töögrupp, mille eesmärgiks on luua digitaalse video ning audio tihendamise standardeid ja mis tegutseb International Organisation for Standardisation/International Electrotechnical Commission (ISO/IEC) allüksusena. MPEG standardid defineerivad madala andmeedastuskiirustega audio- ja videofailiformaatide süntaksid ning vastavate dekooderite poolt teostatavad protseduurid. Kooderite poolt kasutatavaid algoritme MPEG standardid ei defineeri. Samuti koostab MPEG standarditele vastavuse testimise metodoloogiaid ning avaldab tehnilist dokumentatsiooni.[3]

MP3 Internetis[muuda | redigeeri lähteteksti]

MP3 failide massiline levimine Internetis algas 1990. aastate keskel. Väikese andmemahu ja hea helikvaliteedi tõttu said MP3 failid väga populaarseks Interneti kaudu muusika- ning helifailide levitamiseks. MP3 failide levikule aitas suures osas kaasa firma Nullsoft tarkvara Winamp, mis avaldati 1997. aastal ja tegi MP3 failide mängimise ja haldamise tavakasutajale lihtsamaks ja mugavamaks.

Novembris 1997 alustas veebileht mp3.com tuhandete tasuta MP3 formaadis sõltumatute artistide poolt loodud helifailide levitamist.[4] Samuti on ka mõned tuntud artistid lubanud enda albumeid Internetist MP3 formaadis tasuta alla laadida. Nii näiteks tegi Radiohead albumiga “In Rainbows” aastal 2007.[5]

Muusikapiraatlus[muuda | redigeeri lähteteksti]

MP3 failide väike andmemaht tegi need 1990. aastate lõpus ning 2000. aastate alguses populaarseks P2P võrkudes muusikafailide jagamiseks, mis varem oleks olnud peaaegu võimatu, arvestades tolleaegseid andmeedastuskiirusi ning Interneti kasutamise hinda. Esimene laialtkasutatav P2P failijagamise programm Napster läks avalikuks 1999. aastal.[6] Järgnesid Kazaa, SoulSeek, samuti torrentprogrammid.

MP3 failide loomise ning jagamise lihtsus tõi endaga aga laialdaselt kaasa ka autoriõiguste rikkumisi, sest P2P võrkude kaudu jagati ka autorikaitse all olevaid teoseid. Suured muusikafirmad väitsid, et muusika vaba jagamine toob kaasa müüginumbrite langemise. Järgnesid kohtuvaidlused Napsteriga, mis lõppes Napsteri ajutise sulgemisega.[7] Samuti on kohtulikult karistatud eraisikutest failivahetusprogrammide kasutajaid. Eestis seni ühtegi inimest P2P programmide kaudu MP3 failide jagamise eest kohtulikult karistatud pole.

Tehnilised andmed[muuda | redigeeri lähteteksti]

Andmemaht[muuda | redigeeri lähteteksti]

Interneti levikuga muutus oluliseks selle kaudu edastatavate failide suurus. Seetõttu muutus ka helifailide puhul oluliseks, et eksisteeriks efektiivne ning standardiseeritud tihendatud helifailide formaat, mis võimaldaks salvestatavate ja levitatavate failide suurust oluliselt vähendada.

Traditsiooniline meetod heli digitaalseks salvestamiseks on sämplida helisignaali teatud arv kordi sekundis ning vastavad amplituudid salvestada. Niiviisi salvestatakse heli näiteks CD plaatide ja digitaalse TV puhul.[8] Seega sõltub helisignaali talletamiseks või edastamiseks vajaminev andmemaht kolmest asjaolust: sämplite arv sekundis ehk sagedus, amplituudi salvestamiseks kasutatav bittide arv ehk bitisügavus ning signaali pikkus ehk aeg.[8] Nende kolme asjaolu teadmisel saab vajaminevat andmemahtu arvutada järgmise valemi kaudu:

Andmemaht = Sagedus x Bitisügavus x Aeg.

Lisaks peab võtma arvesse seda, et stereosignaali puhul peab vajaminevat andmemahtu korrutama kahega, sest salvestada on vaja kaks üksteisest sõltumatut signaali.[8]

Näiteks CD peal olev helisignaal kasutab 16-bitist stereosignaali, mis on sämplitud 44100 Hz juures.[9] Järelikult on ühe minuti CD-l oleva helisignaali salvestamiseks vaja 44100 x 16 x 60 x 2 = 84672000 bitti ehk natuke üle 10 megabaidi. 4-minutilise muusikateose jaoks oleks seega vaja umbes 40 megabaiti.

Seetõttu eelistatakse kõrge kvaliteediga helisignaali salvestamiseks või Interneti kaudu levitamiseks tihti kasutada tihendatud failiformaati.

MP3 kodeerimine[muuda | redigeeri lähteteksti]

Algse helifaili MP3 formaati tihedamise tulemusena saadakse oluliselt väiksem fail. Kuna tihendamise käigus esineb kadusid, kutsutaksegi seda algoritmi kadudega tihendamise algoritmiks.[10] See tähendab, et iga kord, kui mõnda tihendamata helifaili MP3 tarkvara abil tihendatakse, läheb osa informatsiooni kaduma. Neid andmeid ei saa hiljem taastada.

MPEG audiotihendamine baseerub psühhoakustilisel kodeerimisskeemil. Kooder ei ürita salvestada signaali, mis oleks täiesti identne originaalile, vaid eesmärgiks on, et dekodeerimisel saadav helisignaal tunduks inimkõrvale olevat identne originaaliga. Seega saab informatsiooni kodeerimisel ära kasutada asjaolu, et inimkõrv ei suuda teatud helisid kuulda, eriti kui need on varjatud teiste samaaegselt kõlavate helide poolt. Seega vähendatakse helisalvestamise tihendamisel nende heliosade täpsust, mida algoritm arvab olevat väljaspool inimeste kuulmispiirkonda.[10]

Nende helisignaalide summutamiseks sisaldab kooder psühhoakustilist mudelit, mis üritab imiteerida inimkõrva. See mudel analüüsib sisendsignaali mitmetes järjestikustes etappides ning iga etapi puhul määrab signaali spektrumi ja akustilised omadused. Seejärel modelleeritakse helisignaalide vastastikkuseid maskeerimisomadusi inimkõrvas ning selle põhjal hinnatakse helisignaali minimaalne kuuldavustase.[10] Selle analüüsi põhjal saab teatud helid tihendatud informatsioonist välja jätta, sest need poleks nagunii kuuldavad. See teeb võimalikuks tekitada originaalsest helifailist mitu korda väiksem helifail ilma helikvaliteedi märgatava languseta.

MPEG standardid defineerivad madalate andmeedastuskiirustega audio- ja videoformaatide süntaksid ning vastavate dekooderite poolt teostatavad protseduurid. Kooderite poolt kasutatavaid algoritme MPEG standardid aga ei defineeri. See võimaldab kooderite pidevat täiustamist ning erinevate versioonide loomist spetsiifiliste rakenduste tarbeks, ilma et peaks iga kord ümber defineerima andmete struktuuri ja paigutust.

MPEG-1 standardis saab sämplimissageduseks määrata kas 32, 44,1 või 48 kHz. MPEG-2 lisas 16, 22.05 ja 24 kHz sämplimissagedused. Tegelikkuses aga kasutatakse sämplimiseks peaaegu alati sagedust 44,1 kHz, sest seda sagedust kasutatakse ka CD plaatidel heli salvestamiseks ning suur osa MP3 faile on tehtud CD plaatidel oleva heli põhjal.[11]

Bitikiirus[muuda | redigeeri lähteteksti]

Kuna MP3 kodeerimisel toimub heli tihendamine kadudega, siis faili andmemaht ning heli kvaliteet on omavahel seotud. Tavaliselt lubab kodeerimistarkvara valida bitikiiruse (inglise keeles "bit rate"), mis määrab, mitu kilobitti võib fail kasutada ühe sekundi helisignaali salvestamiseks. Mida suurem bitikiirus, seda suurem on tihendatud faili andmemaht, kuid samas kõlab see lähedasemalt originaalile. [10]

Liiga madala bitikiirusega tihendatud heli puhul võib aga heli kvaliteet märgatavalt langeda. Samuti võib sel juhul pärast kodeerimist esineda helisid, mida originaalse helisignaali puhul ei olnud. [12]

MPEG-1 Audio Layer III standardis on spetsifitseeritud järgnevad võimalikud bitikiirused: 32, 40, 48, 56, 64, 80, 96, 112, 128, 160, 192, 224, 256 ning 320 kbit/s. MPEG-2 standardiga lisandusid ka võimalused määrata bitikiiruseks 8, 16, 24, 32, 40, 48, 56, 64, 80, 96, 112, 128, 144 või 160 kbit/s. Tavaliselt jääb muusikafailide puhul MP3 failides kasutatav bitikiirus 128 ning 320 kbit/s vahele.[11] Võrdluseks on CD plaatidel heli salvestamise bitikiirus 1411,2 kbit/s.[13]

Varieeruv bitikiirus[muuda | redigeeri lähteteksti]

Kõige lihtsamat tüüpi MP3 failide puhul on bitikiirus konstantne terve faili ulatuses. See on tuntud kui CBR (Constant Bit Rate) kodeerimine. CBR meetodi kasutamine teeb kodeerimise lihtsamaks ja kiiremaks.

On aga ka võimalik kasutada kodeerimisprotsessi, mille puhul bitikiirus on muutuv terve faili ulatuses. Selliselt kodeeritud MP3 faile nimetatakse VBR (Variable Bit Rate) failideks.

See algoritm põhineb eeldusel, et iga helifaili puhul on lõike, mida on oluliselt lihtsam tihendada, näiteks vaikust või ainult paari muusikariista samaaegset kõlamist. Seega saab sama andmemahu juures helifaili kvaliteeti suurendada, kui keerulistemate helilõikude puhul bitikiirust dünaamiliselt suurendada ning lihtsamate helilõikude puhul seda vähendada. Standarditele vastavuseks peavad kõik Layer III dekooderid ka VBR tehnoloogiat toetama. [11]

Dekodeerimine[muuda | redigeeri lähteteksti]

MP3 faili dekodeerimine on oluliselt lihtsam kui kodeerimine, sest ei pea kasutama psühhoakustilist moodulit. Dekodeerimisel on ainult vaja rekonstrueerida audiosignaal failis oleva informatsiooni põhjal. Dekoodimisel kasutatavad algoritmid ja protseduurid on MP3 standardis väga täpselt ära määratud. Seega on sama faili erinevate dekooderite poolt töötlemisel saadud heli peaaegu identne. Seetõttu võrreldakse erinevaid dekoodereid tavaliselt nende efektiivsuse kaudu, näiteks kui palju mälu või protsessoriaega nad kasutavad. [14]

ID3 silt[muuda | redigeeri lähteteksti]

Helifailide “silt” on teatud osa failist, mis sisaldab helisignaali metaandmeid, näiteks muusikapala pealkirja, autorit, albumit, teose järjekorranumbrit albumil jne. MP3 standardis siltide formaate defineeritud ei ole. Sellegipoolest on laialt kasutusel mitu siltide formaati, millest levinuimad on ID3v1 ja ID3v2. [15] Sildid lisatakse MP3 failide algusesse või lõppu. Olenevalt dekodeerist silte kas ignoreeritakse või loetakse neist salvestatud metaandmed. MP3 mängimise tarkvara sisaldab tavaliselt siltide muutmise või vaatamise funktsionaalsust.

MP3 faili struktuur[muuda | redigeeri lähteteksti]

MP3 faili struktuur.

MP3 fail koosneb paljudest MP3 kaadritest, millest igaüks koosneb päise- ning andmeblokist. Andmeblokid sisaldavad tihendatud heliandmeid. Päis algab preambuliga, mida dekooderil on vaja korrektses formaadis kaadri alguse identifitseerimiseks. Sellele järgnev bitt määrab ära, et tegu on MPEG standardiga. Järgmised kaks bitti määravad, et tegu on Layer 3 tehnoloogiaga. Järgnevate bittide väärtused sõltuvad konkreetsest MP3 failist. [16]

Samuti võib MP3 fail sisaldada ID3 sildi formaadis metaandmeid, mis asuvad kas faili alguses või lõpus.

Helikvaliteet[muuda | redigeeri lähteteksti]

Kuna MP3 on kadudega tihendatud helifailide formaat, tuleb helifaili kodeerimisel MP3 formaati teha mitmeid valikuid helifaili suuruse ja heli kvaliteedi osas. MP3 failis oleva heli kvaliteet sõltub järgnevatest teguritest:

  1. Tihendamisel kasutatud bitikiirusest. Reeglina bitikiiruse suurenedes paraneb ka helikvaliteet. Kodeerimisel liiga madala bitikiiruse kasutamisel tekkivad kõrvalhelid võivad veelgi helikvaliteeti rikkuda. Heaks näiteks on kontsertidel lindistatud muusikapalad, kus pealtvaatajate aplaus madala bitikiirusega kodeeritud MP3 failis kõlab väga ebaloomulikult või isegi ebameeldivalt. [17]
  2. Kasutatud kooderi kvaliteedist. Kuna standardid ei määra täpselt kodeerimisel kasutatavaid algoritme, siis on võimalik, et isegi sama bitikiiruse juures saab erinevaid koodereid kasutades väga erineva kvaliteediga helifaile. Näiteks ühes uuringus hindasid kuulajad kahe erineva kooderi poolt kodeeritud helifaile skaalal ühest viieni. Mõlemad kooderid kasutasid 128 kbit/s bitikiirust, kuid ühe kooderi puhul oli helikvaliteedile antud keskmine hinne 3,66, teise puhul aga ainult 2,22. [18]
  3. Kodeeritava signaali keerukusest. Kuna algoritm kasutab tihendamisel originaalse heli perioodilist sämplimist, siis näiteks väga nüanseeritud helide puhul on võimalik, et kodeerimisalgoritm ei suuda heli originaalilähedaselt tihendada. [17]
  4. Kodeerimisel kasutatavatest parameetritest. Tihti saab kooderile helifaili tihendamisel määrata tihendamisel kasutatavad parameetrid, millele vastavalt valitakse natuke erinev tihendamisalgoritm. Valesti valitud parameetrid võivad aga teatud juhtudel kuulaja vaatenurgast vaadates helikvaliteeti hoopis vähendada.
  5. Samuti võib helikvaliteeti tugevalt mõjutada otseselt MP3 failist mittesõltuvad asjaolud, näiteks muusika või muu heli kuulamiseks kasutatav riistvara, eriti helikaarti ja kõlarite või kõrvaklappide kvaliteet.


MP3 formaadis muusika kvaliteedi osas on väga erinevaid arvamusi. 2009. aastal Standfordi Ülikooli muusikaprofessori Jonathan Bergeri poolt läbiviidud uurimustöö näitas, et tema tudengite seas kasvab iga aastaga eelistus MP3 kvaliteediga helifailidele. Berger väitis, et tema tudengid on hakanud eelistama MP3 formaadis muusikapalade “krõbisevat” heli.[19]

Levinud on aga ka arvamus, et tihendamisel tekkivad kaod vähendavad muusika kuulamisel saadavat naudingut ning on isegi väidetud, et tihendatud formaadis muusikafailide lai levik mõjub negatiivselt tänapäeva muusikale. Näiteks Alan Wilder on väitnud:

„MP3 tihendamine võimaldab tekitada väiksemamahulisi helifaile, eemaldades selleks muusikalise informatsiooni, mida inimkõrval on raskem märgata. Suur osa eemaldatavast informatsioonist on kas väga kõrge või väga madala helikõrgusega. Seetõttu juba niigi kokku surutud CD plaadi pealt heli MP3 faili kodeerides suurendatakse kokkusurumisefekti veelgi. Tulemus – mitterahuldav, rabe, omapäratu, tühi muusikakogemus, millel puudub igasugune jõud.

Me juba näeme selle väikese kuid olulise nihke mõjusid muusikatööstusele. Asi ei ole ainult helikvaliteedis. Muusika puhul on olulised ka detailid ja produtseerimisel nähtud vaev. Oluline on kunst…“

[20]

MP3 tänapäeval[muuda | redigeeri lähteteksti]

MP3 failiformaadil on endiselt väga oluline roll muusika salvestamisel ning levitamisel üle Interneti, kuna MP3 formaat on laialdaselt toetatud meediaesitusprogrammide poolt ning tuntud tavakasutajate seas.

Suur osa autorikaitse all olevatest muusikateostest, mida Internetis ebaseaduslikult levitatakse, on endiselt MP3 formaadis. On ka mitmeid teenuseid, nagu näiteks Beatport, Bleep, Juno Records, eMusic, Rhapsody, Napster ning Amazon.com, kust on võimalik MP3 formaadis muusikat legaalselt osta.

Teistest helifailide tihendamise failiformaatidest on tuntuimad:

  • WMA
  • Ogg
  • FLAC – kadudeta helitihendamise koodek

MP3 mängimise tarkvara[muuda | redigeeri lähteteksti]

MP3 mängimise tarkvara dekodeerib MP3 failid standardseks heliks ning saadab vastavad andmed arvuti helikaardile. [13] Esimene MP3 formaadis helifailide mängimise tarkvara loodi sisemiseks kasutamiseks Fraunhofer Instituudis 1990. aastatel. Esimene Internetis laiemalt levinud MP3 mängimise tarkvara kandis nime AMP MP3 Playback Engine ja see loodi Tomislav Uzelac poolt 1997. aastal. [1] Justin Frankel ja Dmitri Boldõrev modifitseerisid seda tarkvara ning lõid selle põhjal Winampi, mis muutus kiiresti populaarseks.[1] Kuna MP3 mängimise tarkvara kasutamiseks pole vaja litsentsitasusid maksta, on paljud MP3 mängimise programmid tasuta.[1]

Peaaegu kõikidel multimeedia mängimise programmidel on tänapäeval ka MP3 failide mängimise tugi. Tuntumatest võib nimetada:

MP3 mängijad[muuda | redigeeri lähteteksti]

Aastal 1998 anti välja esimene kaasaskantav digitaalne MP3-mängija MPMan.[2] Tänapäeval on MP3 mängijad levinud ning saadaval erinevates hinna- ja kvaliteediklassides. Samuti toetavad MP3-de mängimist nutitelefonid.

Viited[muuda | redigeeri lähteteksti]

  1. 1,00 1,01 1,02 1,03 1,04 1,05 1,06 1,07 1,08 1,09 1,10 1,11 1,12 Bellis, Mary. "History of MP3". Vaadatud 13.11.2011.
  2. 2,0 2,1 Van Buskirk, Eliot (25. jaanuar 2005). "Introducing the world's first MP3 player". Vaadatud 13.11.2011.
  3. "The MPEG Home Page". Vaadatud 13.11.2011.
  4. Burnett, Chris (16. november 2003). "MP3.com – We Made History!". Vaadatud 13.11.2011.
  5. "Hard hats on.." (10. oktoober 2007). Vaadatud 13.11.2011.
  6. "A Brief History of Napster". Vaadatud 13.11.2011.
  7. Riedel, Sarah (2006-2-24). "A Brief History of Filesharing: From Napster to Legal Music Downloads". Vaadatud 2011-13-11.
  8. 8,0 8,1 8,2 "MPEG Audio Layer 3 (MP3) Technical Guide" (17. november 2000). Vaadatud 13.11.2011.
  9. "Is the sound on vinyl records better than on CDs or DVDs?". Vaadatud 13.11.2011.
  10. 10,0 10,1 10,2 10,3 "Digitaal-audiosignaal ja selle infomahu vähendamine". Vaadatud 13.11.2011.
  11. 11,0 11,1 11,2 "Enter Bitrates, Stage Left". Vaadatud 13.11.2011.
  12. "Reduce audio artifacts found in digital music with SX Fidelity Amplifier". Vaadatud 13.11.2011.
  13. 13,0 13,1 Rinde, Andrus. "Audiokompressioon". Vaadatud 13.11.2011.
  14. "Notes On Decoding". Vaadatud 13.11.2011.
  15. "id3lib". Vaadatud 13.11.2011.
  16. "The Anatomy of an MP3 File". Vaadatud 13.11.2011.
  17. 17,0 17,1 Brain, Marshall. "MP3 Bit Rates". Vaadatud 13.11.2011.
  18. Amorim, Roberto (3. august 2003). "Results of 128 kbit/s Extension Public Listening Test". Vaadatud 11.12.2011.
  19. Dougherty, Dale (2009-03-0). "The Sizzling Sound of Music". Vaadatud 11.12.2011.
  20. Wilder, Alan (9. veebruar 2008). "Music For The Masses – I Think Not". Vaadatud 11.12.2011.