Музыкальное сжатие по полной: история формата MP3

MP3 — три заветных буквы, которые известны каждому меломану. Тот самый популярный формат аудио, в котором до сих пор в сети и на разных носителях хранятся миллиарды песен и композиций.

Полное наименование аудиоформата — MPEG-1 Audio Layer III — содержит в себе название технической команды специалистов, которая его и разработала — MPEG. Специалисты этой экспертной группы занимались проблемой сжатия и передачи в цифровом виде различной видео- и аудиоинформации с середины 80-х годов прошлого века, хотя неофициальная история MP3 началась чуть раньше.

О том, как рождалась и развивалась популярная технология компрессии музыкальных файлов, читайте в нашем материале.

Сжимай его крепче: первые шаги по созданию нового музыкального формата

Одним из отцов-основателей MP3 по праву называют немецкого инженера и математика Карлхейнца Бранденбурга. Его, подающего большие надежды студента университета Эрлангена, в 1982 году пригласили участвовать в разработке технологии, позволившей бы передавать музыку по проводам телефонных линий. Приблизиться к реальному воплощению задумки Бранденбург с коллегами смог только в 1986 году, когда появились более или менее мощные компьютеры, позволявшие раскладывать сигналы на слои звука для дальнейшей передачи по проводам.

Впрочем, вскоре от дальнейших исследований передачи звука таким образом группа Карлхейнца отказалась в связи со сложностью реализации. И перешла к изучению экспериментов с психоакустикой — наукой, которая занимается психологическими и физиологическими аспектами восприятия звуков. Эти исследования во многом способствовали дальнейшему ходу работ по цифровому сжатию музыки.

Группа разработчиков MPEG под начальством Карлхейнца Бранденбурга в 1987 году

В 1987 году к научной группе Бранденбурга присоединяется ряд энтузиастов из разных стран: американское научное подразделения исследователей AT&T Bell Labs и представители канадской компании Thomson. Чуть позже разработчики образуют компанию MPEG, которая официально заявляет о подготовке международного прототипа стандарта сжатия и передачи цифрового видео- и аудиоконтента. Сама аббревиатура MPEG расшифровывается довольно креативным образом: Moving Picture Experts Group — то есть «экспертная группа по движущимся картинкам».

Исследовательская работа MPEG по изучению технологий цифрового сжатия звуков двигалась постепенно вперед. И вот, наконец, в 1989 году талантливые умельцы команды Бранденбурга патентуют рабочие прототипы будущего формата MP3. Однако самих файлов этого формата еще нет и в помине, они появятся позже.

Как закодировать звук для CD?

Одна из причин отказа Карлхейнца Бранденбурга от разработок технологии передачи звука по телефонным проводам заключалась в том, что к концу 80-х годов эта тема была уже неактуальной. Музыку в то время записывали на CD, массовое распространение которых стартовало в 1982 году. Спустя несколько лет после появления первых компакт-дисков встал вопрос о компрессии (сжатии) цифрового звука на носителях. Поэтому MPEG работала над новым аудиоформатом как раз с оглядкой на CD.

Первые в мире CD были выпущены на студии звукозаписывающей компании Polar — это были пластинки группы ABBA с альбомом «The Visitors» (1981). На фото музыкальный продюсер демонстрирует работу одного из первых музыкальных CD-проигрывателей

Проблему сжатия дискового пространства актуализировала прежде всего экономика молодого компьютерного рынка. Дело в том, что память большинства ПК того времени не превышала 1000 MB, — для записи и воспроизведения полноценных музыкальных CD-альбомов требовалось больше пространства на самом диске. Кроме того, относительно низкой была и скорость передачи данных. Таким образом, создание нового формата аудиозаписи, позволяющего быстро записывать большие объемы данных, дало бы толчок в развитии компьютерных технологий в целом.

Технические особенности кодирования в MP3

Специалисты компании MPEG при работе над прорывным стандартом сжатия данных разделились на три группы, каждая из которых отвечала за разные уровни слоев кодирования — Layer I, Layer II, Layer III. Сам принцип кодирования учитывал тот факт, что в несжатом состоянии аудиозвук CD передает большое количество лишней для уха информации. Разрабатываемый же MPEG принцип сжатия использовал метод маскировки отдельных звуков: психоакустическая модель разбивала весь частотный спектр на части с одинаковым уровнем звука и удаляла те, которые не воспринимаются человеческим ухом.

Самым сложным в деле кодирования оказался слой Layer III, поскольку он разбивал спектр на самые маленькие части, обеспечивая наиболее эффективное сжатие звука. MPEG-1 Audio Layer 3 (сокращенно MP3) позволял сжимать музыкальные треки в 11 раз. Если попробовать сжать звук еще сильнее, то его качество ухудшится настолько, что слушать аудио станет невозможно. Для обозначения качества сжатых файлов стали использовать слово битрейт — термин указывает на то, сколько единиц информации тот или иной файл передает в секунду. Наивысшим качеством в MP3 обладают звуки с битрейтом в 320 кбит/с, минимально приемлемый для кодирования музыкальный звук обладает битрейтом 128 кбит/с. При записи человеческой речи файлы без потери качества можно сжимать до 96 кбит/с.

Все MP3 имеют одинаковую структуру. Треки делятся на участки, которые называются фреймами — у каждого из них свои характеристики и параметры, заложенные в коде. В процессе сжатия для каждого фрейма производится анализ громкости и качества сигнала: на основе полученных данных обрабатываются соседние участки. Например, после звука высокой громкости уши на какое-то время теряют способность к восприятию, а значит, сигналы на высоких частотах можно подавлять.

Певица Сюзанны Вега — крёстная мама формата MP3

Экспериментальный прототип MPEG Audio Layer III появился в 1988 году: Карлхейнц Бранденбург с коллегами считали, что технология абсолютно готова для ее утверждения в Международной организации по стандартизации (ISO). Однако все иллюзии насчет качества звука улетучились после прослушивания Бранденбургом в MP3 акапельной версии песни «Tom's Diner» популярной американской исполнительницы Сюзанны Вега — композиция звучала отвратительно.

В дальнейшем при доработке MPEG Audio Layer III именно эта песня стала образцом для сравнения: Карлхейнц прослушал Tom's Diner более тысячи раз. Это породило шутливую байку о том, что талантливый инженер изобретает новый аудиоформат ради прослушивания любимой композиции, саму Сюзанну Вегу позже вообще прозвали «мамой MP3».

Прошло еще четыре года доработок аудиоформата, прежде чем Карлхейнц Бранденбург одобрил результат звучания: MPEG Audio Layer III наконец-то был утвержден ISO в качестве технологии цифрового кодирования аудио.

Рождение легенды MP3 и появление первых аудиопроигрывателей

Несмотря на явный успех в деле профессиональной кодировки, MPEG Audio Layer III поначалу не пользовался популярностью среди продюсеров и музыкальных исполнителей. Для привлечения внимания к новому стандарту аудиосжатия Карлхейнц Бранденбург решает использовать интернет, который в первой половине 90-х годов на Западе еще только набирает популярность. Письма с новостью о появлении MP3 первыми получили ученые и инженеры из Института интегральных микросхем общества Фраунгофера, где тогда работал Бранденбург — некоторые люди тот емейл до сих пор хранят как реликвию.

Для передачи сжатых файлов в сети был выбран формат .mp3 — буквы, которые сейчас прочно ассоциируются с технологией. Официальная передача данных в новом формате состоялась в июле 1995 года, собственно, 14 июля того года и считается днем рождения MP3.

Для кодирования аудиофайлов в новом формате была разработана программа L3enc, релиз которой состоялся в 1994 году. Осенью следующего года команда Бранденбурга представила общественности и официальный декодировщик файлов MP3 — WinPlay3, музыкальный проигрыватель, вышедший первоначально в платной версии. Теперь все люди могли воспроизводить на компьютерах музыку в формате MP3 безо всяких ограничений.

Суровый и аскетичный в интерфейсе WinPlay3

Сам формат разделился на три вариации: 

• MPEG-1 с битрейтом 32–320 кбит/с и частотой дискретизации 32 кГц, 44,1 кГц или 48 кГц.
• MPEG-2 с битрейтом 6–60 кбит/с и частотой дискретизации 16 кГц, 22,05 кГц и 24 кГц.
  
• MPEG-2.5 с битрейтом 8–160 кбит/c и частотой дискретизации 8 кГц и 11,025 кГц.

Победное шествие МР3: радио, пиратские файлы, первые музыкальные плееры

В 1996 году музыкальные файлы формата МР3 начали победное шествие во всем мире. Так, популярная в то время спутниковая американская радиосеть Worldspace Radio официально заявила, что начинает использовать МР3 для кодирования аудио в своей сетке. 

В 1997 году появляется сайт mp3.com, который сначала собирал на своих страницах всю актуальную и важную информацию о популярном аудиоформате. Чуть позже портал был переформатирован в легальный музыкальный архив МР3. Любопытно, что годом ранее в сети появился первый в мире пиратский MP3-файл: сделанный рип трека «Until it Sleeps» группы Metallica был выложен на FTP-сервере пользователем под ником NetFrack.

В дальнейшем пиратство росло лавинообразно: ежедневно в сети выкладывали тысячи музыкальных MP3-файлов, а в 1999 году возник сайт Napster — крупнейший портал с нелегально распространяемыми треками. И хотя уже в 2000 году Napster по итогу судебного разбирательства был закрыт, само пиратское движение только крепло и ширилось — бороться с ним, как понял Карлхейнц Бранденбург, было бессмысленно.

Интерфейс одного из первых клиентов Napster

С начала нулевых годов в США нарастает бум продаж устройств, позволяющих воспроизводить музыку в формате МР3. Но настоящий фурор в музыкальной индустрии произвел выпущенный в 2001 году Стивом Джобсом iPod, способный сохранять в памяти рекордные по тем временам 1000 композиций.

Выход легендарного формата на пенсию

В 2017 году, через 20 лет после появления ставшего популярным формата МР3, истекли последние патенты на лицензионное использование официальных программных продуктов, разработанных командой Карлхейнца Бранденбурга. Сам аудиоформат никуда не исчез, им продолжают пользоваться миллионы людей во всем мире, хотя сегодня популярны куда более качественные расширения, позволяющие передавать звук без потерь.

В целом же с момента появления стриминговых сервисов форматы и размеры аудиофайлов не имеют определяющего значения: теперь мир музыки живет совсем по другим законам и правилам.