Hoe werkt mp3 ?

Het mag eigenlijk niet, maar we downloaden ze wel van het Internet. Iedere computergebruiker heeft er tientallen of honderden of zijn harde schijf staan. Het gaat natuurlijk over mp3's. In dit artikel leggen we uit wat mp3 is en hoe het werkt.

Mp3 staat voor MPEG Audio Layer 3, een compressietechniek voor geluidssignalen. Deze compressietechniek is een onderdeel van MPEG (Moving Pictures Experts Group). In de eerste plaats ontwikkelde MPEG compressietechnieken voor videobeelden. De compressietechniek voor geluid (mp3) werd in 1987 ontwikkeld door het Duitse Fraunhofer Institut. Men was op zoek naar een manier om digitale muziek via het Internet te verspreiden. Het probleem dat zich stelde was dat een gewoon geluidsbestand van een CD enorm veel ruimte inneemt. Vóór mp3 was het uitwisselen van muziekbestanden via het Internet ondenkbaar. Hoe kan het nu dat een mp3 hetzelfde klinkt als een CD, terwijl het toch ongeveer tien keer minder schijfruimte in beslag neemt ?

Perceptuele codering

Onze hersenen kunnen een hoop geluiden dat ons oor opvangt niet verwerken. Veel geluiden kunnen weggefilterd worden zonder dat wij ons daar bewust van zijn. Dit wordt perceptuele codering genoemd, codering gebaseerd op de menselijke waarneming van geluidssignalen. Dat is de kern van mp3. Geluid die wij niet horen worden weggefilterd en hierdoor wordt het muziekbestand een pak kleiner in omvang. En dat is compressie. Enkele technieken die worden toegepast:

Ons gehoor kan geen frequenties waarnemen onder de 20 Hz en boven de 20 kHz. Deze signalen worden dus weggefilterd.
Ons gehoor is minder gevoelig voor heel hoge en heel lage tonen. Deze tonen comprimeerd men sterk zonder nadelige gevolgen.
Wanneer een luide toon onmiddellijk gevolgd wordt door een stille toon, kan die stille toon weggelaten worden zonder dat de mens daar iets van merkt.
Als het om stereogeluid gaat en de klank op de twee kanalen is precies hetzelfde, dan wordt één kanaal weggelaten uiteraard. Bij het afspelen wordt hetzelfde kanaal over beide kanalen weergegeven.
Als er verschillende klanken tegelijkertijd spelen, maskeren sommige klanken elkaar. Niet alle afzonderlijke geluiden kunnen we waarnemen. De minst dominante geluiden worden weggefilterd.
En nu iets voor de wiskundigen: het DCT-algoritme, wat staat voor Discrete Cosine Transform. Dit is een "lossy compression" techniek of verlieslatende compressietechniek. Overbodige informatie wordt verwijderd via speciale algoritmes. Wie meer wil weten hierover, kan deze website bezoeken. Let op! WIskundebol nodig!

Plaatsbesparing

Het resultaat van dit bovenstaande: een wav-bestand van een CD dat ongeveer 40 megabyte groot is zal in mp3-formaat ongeveer een viertal megabytes groot zijn en tegelijkertijd is er maar heel weinig kwaliteitsverlies. Het menselijk brein is zich niet bewust van de gegevens die weggelaten zijn uit het oorspronkelijke wav-bestand. De bedoeling van mp3 is immers dat het mp3-signaal niet te onderscheiden is van het originele signaal. Dat verklaart ook meteen waarom het omzetten van wav naar mp3 een pak langer duurt dan het omgekeerde. Er moet immers rekening gehouden worden met het menselijk gehoor en daar komt behoorlijk veel wiskunde bij kijken.

De voordelen van mp3 zijn duidelijk. Op één CD kunnen nu 150 liedjes in plaats van 15. Als je een liedje van het Internet download, duurt dat enkele minuten. In ongecomprimeerde vorm zou dat tien keer langer duren en dat zou bovendien de bandbreedte behoorlijk opslorpen. Mp3 heeft er ook voor gezorgd dat er kleine handige mp3-spelers op de markt zijn gekomen. Bekijk hier de mp3-spelers van Panasonic of de heel bekende iPods van Apple.

iPod Apple mp3-speler

Nadelen zijn er natuurlijk ook. Niet zozeer voor de consument, wel voor de muziekindustrie die eronder te lijden heeft...

Bitrate

De hoeveelheid bytes dat één minuut mp3-muziek inneemt, noemt men de bitrate. Hierin heb je dan ook nog 2 soorten: CBR (Constant Bit Rate) en VBR (Variable Bit Rate). Meestal wordt gebruik gemaakt van CBR en dat betekent dat het hele mp3-bestand in dezelfde bitrate is gecodeerd. Bij VBR wordt de bitrate bepaald door de complexiteit van het muziekbestand. Stel dat het liedje enkele seconden stilte bevat. Die stilte kan bewaard worden met een heel lage bitrate, bijvoorbeeld 16 Kb/s zonder dat er kwaliteitsverlies optreedt. De volgende tiens seconden zijn dan weer heel complex en worden gecodeerd aan 192 Kb/s. Als je een mp3 codeert met VBR wordt de grootte en de kwaliteit geoptimaliseerd van het mp3-bestand. Let wel: niet alle mp3-speler kunnen mp3's afspelen met VBR. De iPods kunnen dit bijvoorbeeld wel.

Bij een mp3-bestand gecodeerd met CBR wordt een bitrate van 128 Kb/s algemeen aanvaard als evenredig met CD-kwaliteit. Deze bitrate heeft ook de beste kwaliteit/grootteverhouding. De meeste mp3's die je vindt op het Internet zijn gecodeerd aan 128 Kb/s. De echte audiofielen zullen die 128 Kb/s te laag vinden en terecht. Bij complexere muziekstukken kun je zeker horen dat dit te laag. Wij zouden dus opteren voor een bitrate van 160 Kb/s of zelfs 192 Kb/s. Op deze website kan je terecht voor een vergelijking tussen de verschillende bitrates. Op deze website werd een luistertest gedaan.

Mp3-tag

Dit is nog een voordeel aan een mp3-bestand. In de mp3-tag kan extra informatie over het bestand opgeslagen worden. Je vindt er zeker de naam van de artiest en de titel van het nummer. Maar ook de CD waarvan het afkomstig is, de tekst van het liedje, het tracknummer en zelfs een afbeelding van de CD-hoes kan erin opgeslagen worden.

Discussieer mee over de keuze mp3 of CD's in onze soapbox...