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MP3

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Couche audio MPEG III
Mp3.svg
Fraunhofer-Gesellschaft , Karlheinz Brandenburg , Heinz Gerhäuser, Bernhard Grill et Harald Popp
Informations générales
extension de fichier .mp3
type mime audio/mpeg[1]​
audio/MPA[2]​
audio/mpa-robust[3]​
Identificateur de type uniforme public.mp3
nombre magique 49 44 33
Première version 1995 [ 4 ]
type de format Format de fichier audio
Normes) ISO/CEI 11172-3
ISO/CEI 13818-4
format ouvert Oui 

MPEG-1 Audio Layer III ou MPEG-2 Audio Layer III , plus communément appelé MP3 , est un format de compression audio numérique qui utilise un algorithme avec perte pour obtenir des fichiers de plus petite taille. Il s'agit d'un format audio courant utilisé pour la musique sur les ordinateurs et les lecteurs audio portables .

Le MP3 a été développé par le Moving Picture Experts Group ( MPEG ) pour faire partie de la norme MPEG-1 et de la plus récente et plus répandue MPEG-2 . Un MP3 créé à l'aide d'une compression de 128 kbit/s sera environ 11 fois plus petit que son homologue CD. Un MP3 peut également être compressé à l'aide d'un débit binaire supérieur ou inférieur par seconde, ce qui entraîne directement une qualité audio finale inférieure ainsi que la taille du fichier résultant.

Historique

Ce format a été développé principalement par Karlheinz Brandenburg , directeur des technologies des médias électroniques à l'Institut Fraunhofer IIS, appartenant à la Fraunhofer-Gesellschaft —un réseau de centres de recherche allemands— qui, avec Thomson Multimedia (rebaptisé Technicolor ) contrôlait l'essentiel des brevets connexes. .avec le format MP3.

Le scientifique allemand Karlheinz Brandenburg est considéré comme le « père du MP3 » et faisait partie de l'équipe qui a donné son nom au format MPEG : « Moving Pictures Experts Group ». Le groupe a donné le nom à la méthode numérique de compression des signaux audio et vidéo pour une diffusion et un stockage faciles. Le processus appelé MPEG Audio Layer III (MPEG Audio Layer 3) est assez courant aujourd'hui mais son développement n'a pas été facile. De plus, d'autres supports audio utilisaient déjà des techniques de compression comme le MPEG-1 Audio Layer I de la cassette compacte numérique Philips ou l' ATRAC utilisé par Sony pour ses Minidiscs .

L'histoire commence en 1982, lorsque Brandebourg participe à la création du format. Son directeur de thèse de doctorat avait voulu breveter une méthode de transfert de données sans succès. Ce qui devait être breveté était un moyen de transférer de la musique à l'aide de lignes téléphoniques , ce que l'office allemand des brevets considérait comme impossible. Certains progrès n'apparaîtront qu'en 1986, lorsque l' Université d'Ilmenau obtiendra de meilleurs ordinateurs pour améliorer la capacité de travail. De nombreux efforts ont dû être déployés pour parvenir au résultat souhaité. Au départ, on pensait utiliser un système par division de couches sonores, mais il a été abandonné car jugé trop rigide, puis il a été changé pour un nouveau qui tire parti des limites de l'oreille humaine.

Le premier a été immatriculé en 1987 . Cette année-là, les Allemands essayaient de résoudre le dilemme de la diffusion du son numérique dans le laboratoire des technologies des médias électroniques. Les fichiers CD étaient lourds et encombrants, les lecteurs de CD étaient nouveaux, tout comme leur installation sur un PC.

En 1988 , l' Organisation internationale de normalisation réunit l'équipe MPEG pour créer une norme de codage audio. A cette époque, les tests du nouveau système ont été effectués. Il semblait qu'ils aient finalement atteint leur objectif, mais lorsqu'il a été testé avec "Tom's Dinner" de Suzanne Vega , il a montré de sérieux défauts, car le format de chanson a cappella et le petit son ambiant représentaient un énorme défi pour le système. Ensuite, la collaboration de plusieurs institutions a été sollicitée. Brandenburg a travaillé avec Jim Johnston d' AT&T pour développer de nouvelles méthodes de compression afin de préserver la qualité de la voix. Ils ont finalement réussi à empêcher le système d'endommager la voix du chanteur et ont dû travailler plus dur pour enfin obtenir une qualité de type CD.

En 1992 , l'ISO a inclus le MP3 comme norme de compression audio, mais ce n'est que l'année suivante qu'il a finalement été officialisé avec l'arrivée de MPEG-1 Audio Layer III (MPEG-1 Audio Layer III), avec des taux d'échantillonnage de 33, 44,1 et 48 kHz. Ils ont alors décidé de le commercialiser auprès d'entreprises pour transférer la musique aux studios de radio via le RNIS .

Ils ont déposé plusieurs autres brevets en 1991 , mais c'est en juillet 1995 que Brandebourg a utilisé pour la première fois l'extension .mp3pour les fichiers MP3 qu'il conservait sur son ordinateur. L'ingénieur Leonardo Chiariglione a également participé au processus de développement du format , qui a eu l'idée des normes qui pourraient être utiles à cette fin. [ 5 ] Un an plus tard , son institut a reçu 1,2 millions d' euros en brevets . Dix ans plus tard, ce nombre a atteint 26,1 millions.

Entre 1994 et 1995, ils ont identifié Internet comme un domaine attractif. Ils ont donc décidé de donner aux fichiers le nom définitif de .mp3. Le modèle commercial a été conçu comme des outils d'encodage coûteux pour les entreprises et des décodeurs bon marché pour les consommateurs. L'un des produits de décodeur qui a obtenu le plus de succès et de reconnaissance était Winamp .

Cependant, il ne fallut pas longtemps avant que le format ne soit dépouillé du contrôle ISO et Fraunhofer, car un citoyen australien avait acheté l'encodeur à l'aide d'une carte de crédit taïwanaise volée , puis l'avait emballé et téléchargé sur un serveur FTP d'une université américaine. L'identité et l'endroit où se trouve l'agresseur sont inconnus pour le moment. Cela a déclenché le conflit entre l'industrie du disque et le MP3, en en faisant son principal ennemi, même si en Asie le succès persistant des disques compacts [ 6 ] contribue à maintenir les ventes au format physique.

Suite au développement des lecteurs portables et à son intégration dans les autoradios, les téléphones portables , les lecteurs DVD , les casques, les consoles de jeux vidéo, les haut- parleurs et les mini-systèmes audio domestiques, le format MP3 dépasse aujourd'hui le monde de l'informatique.

Le format MP3 est devenu le standard utilisé pour le streaming audio et la compression audio moyenne-fidélité avec perte grâce à la possibilité de régler la qualité de la compression, proportionnelle au débit et par conséquent à la taille finale du fichier, permettant de réduire jusqu'à 12 et même 15 fois le fichier d'origine avant compression.

C'était le premier format de compression audio popularisé grâce à Internet , puisqu'il rendait possible l'échange de fichiers musicaux. Les poursuites judiciaires contre des sociétés telles que Napster , AudioGalaxy et Megaupload sont le résultat de la facilité avec laquelle ces types de fichiers sont partagés légalement et illégalement, en supposant le principal boom de la bataille pour la propriété intellectuelle sur Internet.

Au début des années 2000, Thomson Multimedia a renouvelé le format sous le nom de MP3Pro pour s'affranchir d'importantes limitations de qualité (notamment dans les hautes fréquences), parallèlement à l'apparition de formats de compression audio concurrents, tels que Windows Media Audio (de Microsoft ), Ogg Vorbis , ATRAC et AAC , qui commencent à être massivement inclus dans les programmes audio pour ordinateurs, appareils, systèmes d'exploitation, téléphones portables et lecteurs portables, ce qui laissait entrevoir que le MP3 partagerait la popularité avec les nouveaux formats, de meilleure qualité.

Un facteur qui a peut-être influencé l'apparition d'une telle concurrence est que le format MP3 avait des brevets , ce qui n'impliquait pas que sa qualité soit mauvaise, mais le procès médiatique contre Microsoft en 2007 a montré sa norme fermée. [ 7 ] Cela a empêché la communauté de l'améliorer et peut vous obliger à payer pour l'utilisation du codec , ce qui se produit dans le cas d'appareils qui l'utilisent, tels que les téléphones portables et les tablettes. Malgré cela, aujourd'hui, le format MP3 continue d'être le plus utilisé et le plus réussi avec une présence croissante. Certaines boutiques en ligne comme Amazon et Google Play Music [ 8 ] vendent leur musique dans ce format pour des raisons de compatibilité. En 2017, tous les brevets liés au format MP3 ont expiré. [ 9 ] ​[ 10 ]

Détails techniques

Image
Traditionnellement, la lecture de fichiers MP3 nécessitait l'utilisation d'appareils portables dédiés. Mais de nos jours, cette fonction a été intégrée dans des appareils tels que les téléphones portables, les tablettes et les montres intelligentes.

Dans cette couche, il existe plusieurs différences par rapport aux normes MPEG-1 et MPEG-2, parmi lesquelles se trouve ce que l'on appelle le banc de filtres, de sorte que la conception est plus complexe. Cette amélioration de la résolution fréquentielle détériore la résolution temporelle introduisant des problèmes de pré-écho qui sont prédits et corrigés. De plus, il permet une qualité audio à des débits aussi bas que 64 kbps.

Les fichiers MPEG-1 correspondent aux taux d'échantillonnage de 32, 44,1 et 48 kHz.

Les fichiers MPEG-2 correspondent aux fréquences d'échantillonnage de 16, 22, 0,5 et 24 kHz.

Banque de filtres

Le banc de filtres utilisé dans cette couche est ce que l'on appelle un banc de filtres hybride polyphase/MDCT. Il est responsable du mappage du domaine temporel au domaine fréquentiel pour les filtres de reconstruction du codeur et du décodeur . Les échantillons de sortie de la banque sont quantifiés et offrent une résolution en fréquence variable, 6x32 ou 18x32 sous-bandes, s'ajustant bien mieux aux bandes critiques des différentes fréquences. En utilisant 18 points, le nombre maximum de composantes fréquentielles est de : 32 × 18 = 576. Soit une résolution fréquentielle de : 24000/576 = 41,67 Hz (si fs = 48 kHz). Si 6 lignes de fréquence sont utilisées, la résolution en fréquence est plus faible, mais la résolution temporelle est plus élevée, et elle est appliquée dans les zones où des effets de pré-écho sont attendus (transitions brusques du silence à des niveaux d'énergie élevés).

La couche III a trois modes de fonctionnement en mode bloc : deux modes où les 32 sorties de la banque de filtres peuvent passer à travers les fenêtres et les transformations MDCT, et un mode bloc mixte où les deux bandes de fréquence les plus basses utilisent des blocs longs et les 30 bandes supérieures utilisent des blocs courts.

Pour le cas spécifique de MPEG-1 Audio Layer 3 (ce qui signifie spécifiquement la troisième couche audio pour la norme MPEG-1), il spécifie quatre types de fenêtres :

  1. ORDINAIRE.
  2. Transition de fenêtre longue à courte (START).
  3. Trois courtes fenêtres (SHORT).

Le modèle psychoacoustique

La compression est basée sur la réduction de la plage dynamique non pertinente, c'est-à-dire sur l'incapacité du système auditif à détecter les erreurs de quantification dans des conditions de masquage . Cette norme divise le signal en bandes de fréquences qui se rapprochent des bandes critiques, puis quantifie chaque sous-bande en fonction du seuil de détection de bruit dans cette bande. Le modèle psychoacoustique est une modification de celui utilisé dans le schéma II et utilise une méthode appelée prédiction polynomiale. Il analyse le signal audio et calcule la quantité de bruit qui peut être introduite en fonction de la fréquence, c'est-à-dire qu'il calcule la « quantité de masquage » ou seuil de masquage en fonction de la fréquence.

L'encodeur utilise ces informations pour décider de la meilleure façon de dépenser les bits disponibles . Cette norme propose deux modèles psychoacoustiques de complexité différente : le modèle I est moins complexe que le modèle psychoacoustique II et simplifie grandement les calculs. Des études montrent que la distorsion générée est imperceptible à l'oreille expérimentée dans un environnement optimal dès 192 kbps et dans des conditions normales. [ citation nécessaire ] Pour l'oreille inexpérimentée ou commune, avec 128 kbps ou jusqu'à 96 kbps, il suffit d'entendre "bien" (sauf si vous disposez d'un équipement audio de haute qualité où le manque de basses est excessivement perceptible et le son "friture" se distingue dans les aigus). Les personnes expérimentées dans l'écoute de fichiers audio numériques, en particulier de musique, de 192 à 256 kbps suffisent pour bien entendre, mais une compression de 320 kbps est optimale pour tout auditeur. [ citation nécessaire ] . La musique qui circule sur Internet, pour la plupart, est encodée entre 128 et 192 kbps, même si aujourd'hui, en raison de l'augmentation de la bande passante, il est de plus en plus courant de partager des fichiers en qualité de compression maximale.

Encodage numérique et quantification

La solution proposée par cette norme concernant la distribution des bits ou du bruit se fait dans un cycle d'itération qui se compose d'un cycle interne et d'un cycle externe. Il examine à la fois les échantillons de sortie du banc de filtres et le SMR (rapport signal sur masque) fournis par le modèle psychoacoustique , et ajuste l'allocation de bits ou le bruit de quantification , selon le schéma utilisé, pour satisfaire simultanément les exigences de débit de bits et de masquage. Ces cycles consistent en :

Cycle intérieur

La boucle interne effectue une quantification non uniforme selon le système à virgule flottante (chaque valeur spectrale MDCT est élevée à la puissance 3/4). La boucle choisit un certain intervalle de quantification et les données quantifiées sont codées Huffman dans le bloc suivant. La boucle se termine lorsque les valeurs quantifiées qui ont été codées par Huffman utilisent un nombre de bits inférieur ou égal au nombre de bits maximum autorisé.

Cycle externe

Maintenant, le cycle externe est chargé de vérifier si le facteur d'échelle pour chaque bande a plus de distorsion que permis (bruit dans le signal codé), en comparant chaque bande du facteur d'échelle avec les données précédemment calculées dans l'analyse acoustique. La boucle externe se termine lorsque l'une des conditions suivantes est remplie :

  • Aucune des bandes de facteur d'échelle n'a beaucoup de bruit.
  • Si la prochaine alternance amplifie l'une des bandes plus que permis.
  • Toutes les bandes ont été amplifiées au moins une fois.

Emballage ou formateur de flux binaire

Ce bloc prend les échantillons quantifiés du banc de filtres, ainsi que les données de mappage bit/bruit, et stocke à la volée l'audio codé et certaines données supplémentaires dans les trames. Chaque trame contient des informations sur 1152 échantillons audio et consiste en un en-tête, les données audio ainsi que le contrôle d'erreur CRC et les données particulières (les deux dernières sont facultatives).

Tome

La normalisation du volume, également appelée normalisation audio, consiste essentiellement à niveler le volume des pistes qui composent un album, ce qui vous permet d'écouter les chansons qui le composent toujours avec le même volume, en évitant le saut entre une chanson qui « sonne bas » avec un qui « sonne haut ». [ 11 ] Pour cela, des programmes tels que QMP3Gain sont utilisés . [ 12 ]

Structure d'un fichier MP3

Un fichier MP3 est composé de différentes images qui à leur tour sont composées d'un en-tête et des données elles-mêmes. Cette séquence de données est appelée « Elemental Stream ». Chacune des images est indépendante, c'est-à-dire que les images d'un fichier MP3 peuvent être coupées puis lues sur n'importe quel lecteur MP3 du marché. L'en-tête consiste en un mot de synchronisation utilisé pour indiquer le début d'une trame valide. Ceci est suivi d'une série de bits indiquant que le fichier analysé est un fichier MPEG Standard et s'il utilise ou non la couche 3. Après tout cela, les valeurs diffèrent selon le type de fichier MP3. Les plages de valeurs sont définies dans la norme ISO/IEC 11172-3.

Transformée de Fourier discrète

En mathématiques, la transformée de Fourier discrète, souvent désignée par l'abréviation DFT , et parfois appelée transformée de Fourier finie, est une transformée de Fourier très utilisée en traitement du signal et dans les champs magnétiques affine pour analyser les fréquences présentes dans un signal échantillonné, résoudre des équations différentielles et effectuer d'autres opérations, telles que des convolutions. Il est utilisé dans le processus de création d'un fichier MP3.

La transformée de Fourier discrète peut être calculée très efficacement en utilisant l' algorithme FFT .

Voir aussi

Références

  1. ^ Nilsson, M. (novembre 2000). "Le type de média audio/mpeg - RFC 3003" . IETF . _ 
  2. ↑ Casner, S. ; Hoschka, P. (juillet 2003). "Enregistrement de type MIME des formats de charge utile RTP - RFC 3555" . IETF . _ 
  3. ^ Finlayson, R. (février 2008). "Un format de charge utile RTP plus tolérant aux pertes pour l'audio MP3 - RFC 5219" . IETF . _ 
  4. ^ "ISO / IEC 11172-3: 1993 - Technologies de l'information - Codage des images animées et audio associé pour les supports de stockage numériques jusqu'à environ 1,5 Mbit / s - Partie 3: Audio" . ISO. 1993 . Consulté le 14 juillet 2010 . 
  5. ^ "La petite histoire d'un grand : le MP3" . (Paul Makovsky, trad.). Sans bâillon . 4 avril 2011. Archivé de l'original le 10 décembre 2017 . Consulté le 27 février 2014 . 
  6. ↑ Sisario, Ben (5 octobre 2014). "Le CD est toujours roi... au Japon" . Le financier . 
  7. ^ "Microsoft condamné à une amende de 1,5 milliard de dollars pour violation de brevet MP3" . Nouvelles du RPP . 22 février 2007. Archivé de l'original le 25 février 2007 . Consulté le 11 juin 2022 . 
  8. ^ "FAQ Google Play Musique" . Stegle (en anglais) . 
  9. ↑ "mp3" . Institut Fraunhofer pour les circuits intégrés IIS . Consulté le 13 août 2019 . 
  10. ↑ Pasteur, Javier (3 mai 2017). « Le format MP3 qui a révolutionné l'industrie de la musique est désormais libre comme le vent : adieu les brevets » . Xataka . 
  11. ^ "Normaliser le volume MP3" . L'informatique aujourd'hui . 
  12. ↑ Branyiczky, Zsolt. « QMP·Gain » . SourceForge . 

Liens externes

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