Qu'est-ce qu'un fichier MP3 ?
Vous ne pouvez pas avoir parlé d'audio et d'ordinateurs à aucun moment dans les 15 dernières années sans avoir entendu parler d'un fichier MP3. Les fichiers audio MP3 et les sites web, comme le Napster original, ont commencé un changement dans où, comment et quand les gens acquéraient de la musique. Si vous êtes du côté plus âgé du spectre, comme beaucoup d'entre nous dans l'industrie de l'électronique mobile, alors vous avez acheté vos CD, cassettes et peut-être même vos vinyles dans un magasin de disques. Les ordinateurs et Internet ont changé cela. Vous pouviez aller en ligne après le dîner et télécharger une copie illégale d'une chanson en quelques minutes. C'était mal, mais les gens ont acquis des dizaines de millions de chansons de cette façon.
Dans les années 1990 et au début des années 2000, accéder à Internet était lent. Nous avons commencé à nous connecter à Internet en utilisant des lignes téléphoniques et des modems. Chaque octet d'information prenait du temps à être transféré vers votre ordinateur, donc tout ce qui accélérerait le processus était un régal. Télécharger (voler) de la musique en utilisant Internet est là où la popularité du fichier audio MP3 a trouvé sa vocation.
Premiers pas sur l'audio numérique
Nous pourrions écrire 10 articles sur l'audio numérique – et nous le ferons peut-être. Pour l'instant, nous allons regarder les bases et utiliser le disque compact (CD) comme référence. Les CD stockent l'audio numérique échantillonné à 44,1 kHz avec une résolution de 16 bits. Ces chiffres signifient que chaque échantillon peut avoir une amplitude qui est une valeur unique dans une plage de 65 536 niveaux différents (2 puissance 16). L'information est échantillonnée 44 100 fois par seconde. L'échantillonnage à ce qu'on appelle 44,1/16 permet de capturer la plage audible de l'audio (considérée 20 Hz à 20 kHz) avec un bon détail et précision.
Pour stocker 1 seconde d'audio à cette résolution, nous devons stocker 1 411 200 bits d'information. Quiconque a joué avec des logiciels de transcodage audio peut reconnaître 1 411 kbps comme un débit de données standard. Ce nombre est calculé en multipliant le nombre de bits par échantillon (16) fois le nombre d'échantillons par seconde (44 100) fois 2. Le facteur fois-2 est parce que nous enregistrons en stéréo – ce qui est deux canaux. Donc, une chanson de 3 minutes fait 254 016 000 bits ou 31 752 000 octets.
Arrondissons à 31 mégaoctets d'information. Pouvez-vous imaginer combien de temps ça prend de télécharger ça avec un modem commuté à 14 400 bauds ? La réponse est au moins 3,5 minutes – sans vérification d'erreurs, bruit de ligne et autres facteurs qui ralentissent le temps de téléchargement réel à environ 5,5 minutes.
Compression de données
Et si quelqu'un trouvait un moyen de réduire la taille du fichier audio pour accélérer le temps de téléchargement et réduire l'utilisation de bande passante ? La mise en garde est que l'audio sonne encore essentiellement pareil sur la plupart des systèmes audio de base, comme une TV, des haut-parleurs d'ordinateur ou une radio d'auto d'usine des années 1990. En 1991, un groupe d'entreprises, incluant l'Institut Fraunhofer, France Telecom, Philips, TDF et IRT, a commencé à travailler sur un moyen de réduire la taille du fichier tout en maintenant l'information pertinente. C'est la clé de la façon dont la taille du fichier est réduite en utilisant la compression MP3.
Le format de fichier MP3 est un algorithme de « compression avec pertes ». La compression avec pertes signifie que de l'information est jetée pour réduire la taille du fichier. L'équipe de développement a travaillé sur une méthode de compression appelée encodage perceptuel pour décider quelle information supprimer. L'encodage perceptuel est basé sur comment nous entendons les sons par rapport à d'autres informations, et les limites de notre ouïe.
Ce que les fichiers MP3 jettent
Nous allons analyser l'information que les fichiers MP3 suppriment pour réduire la taille du fichier. Une des façons les plus faciles de réduire le stockage d'information est de réduire la fréquence la plus haute qui sera reproduite. Si nous analysons un fichier MP3 à 128 kbps, nous voyons que la fréquence la plus haute reproduite est juste en dessous de 16 kHz. Si c'était la seule information supprimée, notre nouveau débit binaire avec des échantillons 16 bits en stéréo serait d'environ 1 004 800 kbps au lieu de 1 411 200 kbps pour 20,05 kHz.
La prochaine partie du processus de compression analyse le contenu commun aux deux canaux. Il est courant que certaines parties d'un enregistrement soient virtuellement en mono. Le processus d'encodage supprime l'information dupliquée du fichier et ajoute du code pour copier le canal opposé. Si la piste audio était purement mono, la taille du fichier serait divisée en deux. Peu de pistes sont complètement mono, mais nous pouvons voir plus d'économie d'espace de ce processus.
Le traitement subséquent examine l'information de bas niveau pendant les passages à haute amplitude. Utilisons l'exemple d'une chanson avec beaucoup de basses et une information harmonique médium très calme. Les processus d'encodage perceptuel comme MP3 supprimeront cette information de bas niveau de la piste audio. Ce processus s'appelle le masquage audio. Il y a assez d'information audio à d'autres fréquences pour vous distraire de ce qui est supprimé.
Pouvez-vous entendre la différence ?
Des dizaines – non, des centaines – de tests ont comparé les fichiers MP3 aux pistes audio de qualité CD complète. Y a-t-il des différences ? Il y en a certainement. Une chose est devenue apparente pendant notre recherche : Comment un fichier MP3 est créé est crucial pour sa qualité sonore subjective. Différents encodeurs fonctionnent de différentes manières avec des résultats différents.
Peut-être la meilleure façon de décrire la différence entre un enregistrement qualité CD et un fichier MP3 est de regarder la différence entre les deux. J'aimerais qu'on puisse partager quelques échantillons ici pour que vous puissiez écouter, mais cela enfreindrait les lois sur le droit d'auteur. Ce qu'on peut faire, c'est vous montrer visuellement la différence.
Nous avons pris un échantillon de 3 secondes de « Give Life Back to Music » de Daft Punk. Nous avons choisi cette piste à cause de l'effort clair et conscient de Daft Punk pour rendre une version haute résolution de l'album commercialement disponible. Nous voulons les remercier pour cela ! L'échantillon est de 31,5 secondes à 34,5 secondes dans la chanson.
Ce spectrogramme montre le contenu fréquentiel de l'échantillon. L'échelle horizontale est le temps. L'échelle verticale est la fréquence. Finalement, l'intensité de la couleur montre l'amplitude.
Vous pouvez voir qu'il y a du contenu fréquentiel jusqu'à 30 kHz, démontrant clairement la nature haute résolution de cette piste. Chaque bande de couleur verticale représente un battement de boîte à rythmes – plus ou moins.
Analyse d'un fichier MP3 à 128 kbps
Il est clair que l'information audio au-dessus de 16 kHz a été supprimée. Le contenu infrasonique est clairement différent aussi. Il y a plus d'information dans le fichier MP3 en dessous de 30 Hz comparé à l'original. Cette augmentation d'information se présentera cependant comme une plage dynamique moindre.
MP3 vs Fichier original
Nous avons inversé le fichier MP3 et l'avons ajouté à l'échantillon original pour faire l'image que vous voyez ici. Le résultat net est la différence entre les deux pistes. Vous pouvez voir le contenu haute fréquence qui a été supprimé au-dessus de 16 kHz. En fait, de l'information a été supprimée à toutes les fréquences, et cette information suit le motif d'intensité du fichier audio.
Le fichier original a une amplitude de crête de -0,1 dB pour les deux canaux et une amplitude moyenne d'environ -14,2 dB. L'information supprimée a un niveau de crête de -10,9 dB et une amplitude moyenne de -37,01. L'information supprimée est enterrée profondément sous l'information d'amplitude de crête.
À quoi ressemble l'audio supprimé ? Nous décririons l'extrait comme le son d'une fanfare lointaine. L'audio est principalement de l'information haute fréquence. La piste a une texture décidément warbled aussi : les battements de boîte à rythmes sont clairs et présents, mais ils sonnent comme des coups de cymbales distordus.
Même avec un préampli casque haut de gamme et des écouteurs de qualité studio, la différence est difficile à percevoir en switchant entre la piste originale et le fichier MP3. Dans un environnement d'écoute avec une scène sonore plus large, cela peut être plus apparent.
Conclusions sur les fichiers MP3
Les puristes vous diront que vous devriez avoir les enregistrements de la plus haute qualité disponibles. Il n'y a pas de faille à cette logique. Pourquoi faire des économies quand vous pouvez tout avoir ? Les fichiers MP3 à haut débit binaire, comme ceux à 320 kbps par exemple, sont excellents en qualité. Des tests répétés ont montré que quand créés avec des algorithmes de compression de qualité, la différence sonore entre un enregistrement qualité CD et un fichier MP3 à 320 kbps est presque impossible à détecter. Les fichiers MP3 à débit binaire plus bas commencent à jeter plus d'information, et les différences deviennent plus grandes.
Les dernières sources sur le marché sont capables de lire des fichiers audio WAV et FLAC de grande résolution et profondeur de bits. Bientôt, nous verrons des unités qui liront des fichiers MQA sur des connexions numériques. Presque toutes les sources gèrent les fichiers MP3 et WMA.
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