La nascita del formato mp3, cosa è e a che serve

11/12/2000 di




Un brano musicale contenuto su di un cd contiene frequenze non superiori ai 22 kHz.

Per quanto detto sara' sufficiente campionare al doppio della frequenza massima ( 22 kHz * 2 = circa 44 kHz; la frequenza reale a cui si campiona e' 44.1 kHz) usando 16 bit per la quantizzazione delle ampiezze ( si e' visto sperimentalmente che 16 bit bastano per non variare la qualita' del segnale).

Campionare a frequenza 44.1 kHz vuol dire prendere 1 campione ogni 22.6 micro secondi (cioe' ogni 0.000022675 secondi!).

Ad ogni campione associamo quindi la sua ampiezza come un numero a 16 bit.

Se scegliamo di campionare 1 minuto di musica:
in 1 secondo prendo 44100 campioni.

in 1 minuto prendo circa 2646000 campioni; moltiplico per 16 bit/campione.

Ottengo che per memorizzare su di un supporto digitale 1 minuto di musica in qualita' cd ho bisogno di 42336000 bit, cioe' circa 5 Mbytes di memoria!

Essendo poi i brani stereo, cioe' formati da 2 canali indipendenti, devo moltiplicare quel numero per 2 ottenendo 10 Mbytes!

Andiamo avanti... e se volessi far ascoltare questo minuto di musica ad un mio amico? Niente di piu' facile, potrei spedirglielo in E-mail; senza contare che con un normale modem a 28.8 ci metterei:
10Mbyte * 8bit/byte / 28800bit/sec = 2777 secondi; circa 46 minuti
Solo per trasmettere 1 minuto di musica stereo!

Ecco che quindi i costi in termini di memoria, bolletta telefonica e tempo speso cominciano a diventare un po' proibitivi.

E se riuscissi a trovare una speciale codifica che mi permetta di comprimere questi 10 Mbytes in poco meno di 1 Mbyte? Il tutto incomincia a diventare piu' ragionevole...

Ma e' possibile?

SI!

E' proprio il compito dello standard MP3, cioe' MPEG 1 layer III.

Lo standard MP3 e' in poche parole un algoritmo che implementa moderne tecniche di percezione sonora dell'apparato uditivo umano per raggiungere una elevata compressione dei dati senza una percettibile perdita di qualita'.

Lo standard e' stato studiato dall'MPEG, il Gruppo di Esperti per le immagini (Pictures) in Movimento; infatti stabilisce la sintassi e i metodi di compressione per audio e video a basso bitrate ( cioe' bit/secondo), per riuscire cioe' a comprimere cosi' tanto da permettere l'invio dei dati su canali di trasmissione molto lenti. In realta' il "layer III", che e' la denominazione di uno degli algoritmi di codifica (layer I, layer II, layer III) utilizzati nello standard MPEG 1, e' stato sviluppato nel 1991 dal Fraunhofer IIS (Institut Integrierte Schaltungen) di Erlangen in Germania ed e' stato inserito subito tra i possibili schemi di codifica dello standard.

L'algoritmo layer III e' attualmente il piu' potente dei 3 ( layer I, layer II, layer III) e riesce a raggiungere rapporti di compressione elevatissimi, da 1:10 fino a 1:12 ( da 10 Mbytes a 1 Mbyte) senza variare la qualita' del suono.

Per un segnale stereo, una tale compressione corrisponde ad una velocita' di trasmissione da 128 fino a 112 kbit per secondo ( 1 minuto occuperebbe dai 128kbit/sec * 60sec/min = 7680kbit / 8bit/byte = 960 kbyte agli 840 kbyte). E' quindi possibile per esempio ascoltare un brano musicale in qualita' cd in tempo reale utilizzando due linee isdn da 64 kbit/sec. ( Solo per confronto, la velocita' di lettura dei dati audio da CD, che vengono memorizzati senza alcuna compressione, e' di circa 2Mbit/sec; dall'R-DAT di 2.46 Mbit/sec ).

Ecco alcuni dati che mostrano quanto e' possibile risparmiare in termini di occupazione di memoria a discapito della qualita' del suono utilizzando sempre l'algoritmo "layer III":

Qualita' Banda Modo Bitrate Fattore di riduzione
telefono 2.5 kHz mono 8kbps 96:1
meglio delle SW 4.5 kHz mono 16 kbps 48:1
meglio dell'AM 7.5 kHz mono 32 kbps 24:1
simile all'FM 11 kHz stereo 56..64 kbps 26..24:1
quasi CD 15 kHz stereo 96 kbps 16:1
CD > 15 kHz stereo 112..128 kbps 14..12:1

Per quanto riguarda i 2 altri algoritmi ( I e II) verrebbe spontaneo chiedersi a che cosa possano servire se gia' il III e' cosi' efficiente.

Chiaramente come in tutte le cose, la maggiore efficienza del layer III, in termini di maggiore compressione per la stessa qualita', viene pagata in una maggiore complessita' nell'algoritmo di codifica e quindi maggiore tempo di codifica. l'I e' molto piu' veloce, ma meno performante; e' stato progettato principalmente per il DCC (Digital Compact Cassette) della Philips dove veniva usato a 384 kbps (2x192 kbps) e originariamente si chiamava PASC (Precision Adaptive Subband Coding). Oggi lo troviamo anche nei cosiddetti "Solid State Audio" cioe' le frasi nei parcheggi o ai caselli, nei CD-i Full Motion Video...

Il layer II rappresenta invece un buon compromesso tra velocita' e qualita'; infatti ha molte piu' applicazioni: CD-i, Video CD, DAB (Digital Audio Broadcasting), DVD, radio via cavo e via satellite, tv via cavo e via satellite, links ISDN, colonne sonore dei film...

Il formato MP3 e' correntemente usato in alcune applicazioni che dispongono di poche risorse ( in termini di banda e memoria ); oltre ai gia' accennati collegamenti audio tramite isdn, viene utilizzato nei servizi di Audio-on-Demand (musica a richiesta), radio digitale via satellite, audio su intenet etc...

Proprio per il mercato dell'audio-on-demand e' stato gia' prodotto anche uno schema di protezione chiamato MMP ( formato di Protezione MultiMediale) che servira' anche per tutelare i diritti dell'industria musicale su internet.



Abbiamo visto nel paragrafo precedente come la qualita' del segnale audio presente su di un supporto digitale sia proporzionale alla memoria occupata.

Quello che segue e' un esempio numerico per mostrarne gli ordini di grandezza.

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