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psac 2004-08-21 01:59 AM

MP3編碼器:誰是最強者?
 
當電腦引入多媒體概念以來,電腦的音瀕子繫統發展迅速。

隨之發展的數位音瀕技術也日新月異,縱觀10餘年來出現的數十種音瀕編碼技術,其中以微軟的PCM的WAV編碼和由德國夫朗和費研究院(Fraunhofer Institute)和湯姆生公司合作發展成功的mp3編碼技術最為廣泛套用。


由於受制於體積龐大的缺點,PCM編碼的WAV表現出很多不足,這直接導致了mp3編碼技術的出臺。



由於mp3編碼的開放性,不少編程愛好者都投入到mp3編碼的改良當中,如今我們可以從網路上找到形形色色的mp3編碼器多達近百種,但究竟誰纔是其中的佼佼者呢?

A、匯入新鮮血液的mp3編碼方案


MP3編碼技術的發怖之初其實是非常不完善的,由於缺乏對聲音和人耳聽覺的研究,早期的mp3編碼器幾乎全是以粗暴方式來編碼,音質完全得不到保證。隨著新技術的不斷匯入,mp3編碼技術一次一次的被改良,其中有2次重大技術上的改進。


MP3格式的檔案有一個有意思的特徵,就是可以邊讀邊放,這也符合串流媒體的最基本特徵。也就是說播放器可以不用預讀檔案的全部內容就可以播放,讀到哪裡播放到哪裡,即使是檔案有部分損壞。


你可以通過16進制編輯器任意複製MP3檔案的程式碼另儲存為一個MP3檔案的方法來驗證這個特徵,也可以使用COPY指令合併N個MP3檔案的方法來驗證。


雖然mp3可以有檔案頭,但對於mp3格式的檔案卻不是很重要,正因為這種特性,決定了MP3檔案的每一段每一畫格都可以單獨的平均資料速率,而無需特別的解碼方案。


於是出現了一種叫VBR(Variable bitrate,動態資料速率)的技術,可以讓MP3檔案的每一段甚至每一畫格都可以有單獨的bitrate,這樣做的好處就是在保證音質的前提下最大程度的限制了檔案的大小。


這種技術的優越性是顯而易見的,但要運用確實是一件難事,因為這要求編碼器知道如何為每一段分配bitrate,這對沒有波形分析的編碼器而言,這種技術如同虛設。正是如此,VBR技術並沒有一出現就顯得光彩奪目。


專家們通過長期的聲學研究,發現人耳存在遮蔽效應。


聲音訊號實際是一種能量波,在空氣或其他媒介中傳播,人耳對聲音能量的多少即響度或聲壓最直接的反應就是聽到這個聲音的大小,我們稱它為響度,表示響度這種能量的單位為為分貝(dB)。


即使是同樣響度的聲音,人們也會因為它們頻率不同而感覺到聲音大小不同。

人耳最容易聽到的就是4000Hz的頻率,不管頻率是否增高或降低,即使是響度在相同的情況下,大家都會覺得聲音在變小。


但響度降到一定程度時,人耳就聽不到了,每一個頻率都有著不同的值。



http://www.x-sound.com/xdoc/mp3test/zhebi.gif


可以看到這條曲線基本成一個V字型,當頻率超過15000Hz時,人耳的會感覺到聲音很小,很多聽覺不是很好的人,根本就聽不到20000Hz的頻率,不管響度有多大。


當人耳同時聽到兩個不同頻率、不同響度的聲音時,響度較小的那個也會被忽略,例如:在白天我們很難聽到電腦中散熱風扇的聲音,晚上卻成了噪聲源。這種遮蔽被稱為同時遮蔽效應。


但聲音A被聲音B遮蔽,如果A處於B為中心的遮蔽範圍內,遮蔽會更明顯,這個範圍叫臨界頻寬。每一種頻率的臨界頻寬都不一樣,頻率越高的臨界頻寬越寬。

頻率(Hz) 臨界頻寬(Hz) 頻率(Hz) 臨界頻寬(Hz)


50 80 1850 280
150 100 2150 320
350 100 2500 380
450 110 3400 550
570 120 4000 700
700 140 4800 900
840 150 5800 1100
1000 160 7000 1300
1170 190 8500 1800
1370 210 10500 2500
1600 240 13500 3500

根據這種效應,專家們設計出人耳聽覺心理模型,這個模型被匯入到mp3編碼中後,導致了一場翻天覆地的音質革命,mp3編碼技術一直背負著音質差的惡名,但這個惡名現在已經逐漸被洗脫。


到了此時,一直被埋沒的VBR技術光彩四射,配合心理模型的運用便現實出強大的誘惑力與殺傷力。

B、沙場點兵
我們搜集了國內目前使用的最為廣泛的6套mp3編碼器,它們分別是:
1、超級解霸2001之MP3格式轉換器
由於超級解霸的市場佔有率非常高,其所附帶的MP3格式轉換器就成了很多人的選項。


http://www.x-sound.com/xdoc/mp3test/jieba.gif


這個軟體界面簡單,操作也很簡單,最高支援到320kbps,不支援VBR技術,屬於商業軟體包的一部分,不能作為免費軟體使用。
2、當年的速度霸王––MPlifier



MPlifier是一個免費軟體,它其實是TOMPG.exe這個編碼器的外殼控制程式,最高支援到320kbps,不支援VBR。

TOMPG是由Xing Technology Corp.開發。這個控制程式操作簡單,剛發怖時便以驚人的編碼速度獲得廣大用戶的喜愛,這是當年最為風光的編碼器之一。

但今天我們要測試的是重點是音質,而不是編碼速度,不知MPlifier可否勝出?
3、身出名門的Xing Mp3 Encoder 1.5t

http://www.x-sound.com/xdoc/mp3test/xingmp3encoder.gif

Xing Mp3 Encoder 的最大賣點就是VBR,Xing Mp3 Encoder 也許是最早支援VBR的編碼器,最高支援到320kbps,這個軟體操作也很簡單,而且每個待編碼的檔案都可以由單獨的設定,這點非常方便。

Xing Technology Corp.是一家在mpeg編碼解碼方面有著非常引人注目的成績的公司,早年的XingPlayer的解碼效果至今也少有對手,這不禁讓人對Xing Mp3 Encoder多了一份額外的期待。
4、血統正宗的Audioactive Production Studio 2.0.4



Audioactive Production Studio 2.0.4(以下簡稱APS)使用的編碼核心來自Fraunhofer,Fraunhofer是MP3最初的開發者,APS理所當然的成為了一個血統很正宗的編碼器,APS的功能很多,甚至支援FTP管理,由於Fraunhofer開始對徵收MP3使用權費,所以APS無法做到免費,用戶需要繳納費用後方纔可以使用。這個軟體的編碼速度很慢,最高支援到256K,不支援VBR,但音質究竟如何呢?

5、渾然一體的Creative PlayCenter 2.52.07


http://www.x-sound.com/xdoc/mp3test/AudioactiveProductionStudio.gif


Creative PlayCenter是多媒體硬體巨頭創新公司的傑作,集MP3/WMA解碼播放管理於一身,還支援絕大部分多媒體格式的播放,界面具有非常強烈的數位感,由於功能繁多,所以操作相對比較複雜一點,其中MP3編碼最高支援到320K,亦支援VBR。有創新公司作為後盾,這個軟體的實力不可小覷。


6、後起之秀––LAME3.88
從用戶的反映而言,LAME的表現是堪稱劃時代的MP3編碼器,LAME採用了幾乎所有可用於MP3編碼的技術,其中包括VBR和聽覺心理模型的運用,但這個程式是一個Command line程式,像DOS程式一樣工作,但僅工作於MSDOS-BOX方式下,LAME還有一個以DLL動態連接庫方式封裝的版本,提供給其他程式使用。

LAME支援的參數多達數十個,功能全面,操作複雜,但程式本身非常小巧。


LAME同時也是一個來源碼公開的程式,全球有無數MP3愛好者在不斷完善和改良,所以LAME的版本更新也很快,LAME的崛起無疑對那些要非免費的MP3的編碼器構成了極大的打擊。

C、測試前奏

在進行測試前我們先看看我們的測試軟硬體平臺。
音瀕子繫統:

音效卡:Soundblaster Live!
功放:短歌行子衿BTL功放,使用4塊子衿功放模組(25W),採用橋接方式工作,可以提供理論100WX2的功率輸出,接駁可靠的音源裝置後聽不到任何可聞噪音。
喇叭:短歌行朝露喇叭,是由著名的HIFI專家李楠設計的入門級HIFI喇叭,性價比極高。

輔助軟體:

Exact Audio Copy 0.9 Prebeta 11:簡稱EAC,最強壯的抓音軌和CDCopy程式,採用Bit To Bit原理無損捕捉CD音軌,本次測試中的CD採樣均由EAC採集。

CoolEdit2000:著名的音瀕編輯軟體,在本次測試中,我們將CoolEdit2000作為一個纔看頻譜的工具。

採樣:

1、用於測試頻譜的採樣(採樣A):
這段採樣來自於Enigma的《MCMXCa.D》專輯,為什麼要採用這段採樣?
因為這段採樣的高中低頻都相當飽滿,從以往的經驗得知,有損音瀕壓縮對高頻的損失尤其嚴重,所以我們需要一段這樣的採樣來測試編碼器丟失了多少高頻訊號。這段採樣的檔案長度為12,479,276 字元。


http://www.x-sound.com/xdoc/mp3test/wavea.gif

2、用於實際聽音測試的採樣(採樣B):我們從《Hidden Beauty - The Evolution of Sound》專輯中捕捉了The Shape of Her Face這首曲子,這是一首鋼琴曲,細節細膩而豐富。


3、用於實際聽音測試的採樣(採樣C):為了減少測試的失誤,我們還準備了一首《彩》專輯中的Sea Wind,這是一首日本24弦古箏撥奏的曲子,錄音極佳,高中低頻都很豐滿。這張CD是PacificMoon公司的錄音示範碟之一。

D、從頻譜看高低

我們將測試分為4個組,分別針對不同用戶的實際需要來測試。我們的測試將不會由任何關於編碼速度的計量,因為我們更需要的是音質,而不是編碼速度。但我們提供了編碼後的檔案大小列表,作為各位的參考。


1、128K bitrate
128K的bitrate是各位最常用的,在早期尤其使用得特別多,很多文章中所說的mp3可以達到11:1的壓縮比,實際上就128K bitrate的mp3纔可以做到,從我們日常實際的聽音結果,很多人認為,128K bitrate的MP3的音質是可接受下限,所以我們的測試中,128K bitrate的測試是最低量級的測試。

軟體名 編碼後檔案大小(單位為:字元)

超級解霸2001之MP3格式轉換器 1,131,829
MPlifier 1,130,997
Xing Mp3 Encoder 1.5t 1,132,251
Audioactive Production Studio 2.0.4 1,130,070
Creative PlayCenter 2.52.07 1,132,669
LAME3.88 1,132,251

用各個編碼器分別編碼後,我們得到了如下頻譜視圖。

超級解霸2001之MP3格式轉換器:

http://www.x-sound.com/xdoc/mp3test/jb_128a.gif


MPlifier:
http://www.x-sound.com/xdoc/mp3test/mplifier_128a.gif



Xing Mp3 Encoder 1.5t:
http://www.x-sound.com/xdoc/mp3test/xing_128a.gif

Audioactive Production Studio 2.0.4:

http://www.x-sound.com/xdoc/mp3test/aps_128a.gif

Creative PlayCenter 2.52.07:

http://www.x-sound.com/xdoc/mp3test/pc_128a.gif

LAME3.88:

http://www.x-sound.com/xdoc/mp3test/lame_128a.gif

結果很明顯:Xing Mp3 Encoder 1.5t的頻譜是最接近原始訊號的, Audioactive Production Studio 2.0.4的也相當不錯,高頻訊號雖然比Xing Mp3 Encoder 1.5t要損失得多一點,但中頻卻要飽滿一些,2者不分上下,是本輪測試中的優勝者。

我們同時還可以看到,LAME在這個級別中輸得很慘,任意一個編碼器都比它強,這不禁讓廣大的LAME Fans失望了。

2、192K bitrate
128K bitrate的MP3無法滿足很多人的聽音要求,於是不少人也使用192K bitrate的資料流量來編碼曲子。

軟體名 編碼後檔案大小(單位為:字元)
超級解霸2001之MP3格式轉換器 1,697,744

MPlifier 1,697,123
Xing Mp3 Encoder 1.5t 1,698,377
Audioactive Production Studio 2.0.4 1,696,460
Creative PlayCenter 2.52.07 1,699,004
LAME3.88 1,698,377

超級解霸2001之MP3格式轉換器:
http://www.x-sound.com/xdoc/mp3test/jb_192a.gif


MPlifier:

http://www.x-sound.com/xdoc/mp3test/mplifier_192a.gif

Xing Mp3 Encoder 1.5t:

http://www.x-sound.com/xdoc/mp3test/xing_192a.gif

Audioactive Production Studio 2.0.4:

http://www.x-sound.com/xdoc/mp3test/aps_192a.gif

Creative PlayCenter 2.52.07:

http://www.x-sound.com/xdoc/mp3test/pc_192a.gif

LAME3.88:
http://www.x-sound.com/xdoc/mp3test/lame_192a.gif


從這輪測試中我們看到了一個這樣的結果,Xing Mp3 Encoder 1.5t的192K bitrate的頻譜反而不如128K bitrate的,實在是令人詫異,簡直找不到理由來解釋這種現像。


MPlifier在192K bitrate和128K bitrate下表現幾乎相同,我們同樣也找不到理由可以解釋,但我們反覆檢查我們捕捉的頻譜截圖是否弄錯,但,遺憾的是,我們沒有弄錯。

Xing Mp3 Encoder 1.5t和MPlifier是本輪測試中最差勁的2位。
在192K bitrate的測試中,上一輪測試中慘敗的LAME3.88簡直像有如神助一般,成為了本輪測試中的最優異者,超級解霸2001之MP3格式轉換器也獲得了不俗的成績,僅次於LAME。

3、VBR的較量
VBR並不是所有編碼器都支援的,這次測試中的6個編碼器僅僅隻有3個支援而已。我們在本輪測試中,都使用了各自編碼器的最高VBR品質來編碼曲子。

軟體名 編碼後檔案大小(單位為:字元)
超級解霸2001之MP3格式轉換器 不支援

MPlifier 不支援

Xing Mp3 Encoder 1.5t 1,978,919
Audioactive Production Studio 2.0.4 不支援
Creative PlayCenter 2.52.07 2,127,392
LAME3.88 2,201,679

Xing Mp3 Encoder 1.5t:

http://www.x-sound.com/xdoc/mp3test/xing_vbra.gif

Creative PlayCenter 2.52.07:
http://www.x-sound.com/xdoc/mp3test/pc_vbra.gif


LAME3.88:

http://www.x-sound.com/xdoc/mp3test/lame_vbra.gif

我們很遺憾的看到,Creative PlayCenter 2.52.07的最高品質的VBR編碼品質竟然還不如他自己的192K bitrate的水準,實在是令人非常失望。

在本輪測試中,LAME雄風再現,以非常明顯的優勢擊敗對手,Xing Mp3 Encoder 1.5t也沒有辱沒VBR的威名,它的頻譜雖然要比LAME的差勁不少,但它編碼後的檔案大小也小了不少。

4、最進階別的爭霸戰


在本次測試中的6個軟體中,僅僅隻有Audioactive Production Studio 2.0.4最高支援到256K bitrate的資料流量,其他的都支援320K bitrate編碼,我們來看看這些編碼器的最佳水準將會怎樣?

軟體名 編碼後檔案大小(單位為:字元)

超級解霸2001之MP3格式轉換器 2,829,585
MPlifier 2,828,538
Xing Mp3 Encoder 1.5t 2,830,628
Audioactive Production Studio 2.0.4 2,262,850(256K bitrate)
Creative PlayCenter 2.52.07 2,831,673
LAME3.88 2,830,628

超級解霸2001之MP3格式轉換器:

http://www.x-sound.com/xdoc/mp3test/jb_320a.gif

MPlifier:

http://www.x-sound.com/xdoc/mp3test/mplifier_320a.gif

Xing Mp3 Encoder 1.5t:

http://www.x-sound.com/xdoc/mp3test/xing_320a.gif

Audioactive Production Studio 2.0.4:

http://www.x-sound.com/xdoc/mp3test/aps_256a.gif

Creative PlayCenter 2.52.07:

http://www.x-sound.com/xdoc/mp3test/pc_320a.gif

LAME3.88:

http://www.x-sound.com/xdoc/mp3test/lame_320a.gif



在本輪測試中,Xing Mp3 Encoder 1.5t和MPlifier再次讓我們大跌眼鏡,320K bitrate的編碼水準竟然如此低劣,尤其是MPlifier,各個級別的測試,我們看不出它究竟有沒有不同,128、192、320K bitrate的頻譜竟然如此相似,實在是搞不懂原因何在。


再看看LAME和超級解霸2001之MP3格式轉換器,它們的頻譜已經很接近原始訊號了,是所有級別測試中最完美的2張頻譜圖。

非常值得一提的是Audioactive Production Studio 2.0.4,在本輪測試中,它的256K編碼水準已經和Creative PlayCenter 2.52.07的320K編碼水準不相上下。

E、聽音測試

聽音測試是一個很主觀的做法,我們的音瀕子繫統雖然還算不錯,但每個人的聽力和分析能力都各不相同,所以我們希望各位把聽音測試結果作為參考結果,而不作為絕對的量化測試結果。


和前面的測試一樣,我們也分別用128、192、320K bitrate和最高品質的VBR編碼了2首做聽音測試用途的曲子。下面就是我們的測試結果:

軟體名稱/bitrate 我們對音質的接受程度 我們對檔案大小的接受程度 評價
超級解霸2001之MP3格式轉換器/128 不能接受 滿意 高頻損失嚴重、細節丟失較多
超級解霸2001之MP3格式轉換器/192 比較滿意 基本滿意 細節丟失較多
超級解霸2001之MP3格式轉換器/320 非常滿意 不能接受 和原始訊號基本沒區別了

MPlifier/128 不能接受 滿意 高頻損失嚴重、聲音發悶,表現不出細節

MPlifier/192 不能接受 基本滿意 高頻損失嚴重、聲音發悶,表現不出細節

MPlifier/320 不能接受 不能接受 高頻損失嚴重、聲音發悶,表現不出細節

Xing Mp3 Encoder 1.5t/128 勉強接受 滿意 高頻損失嚴重、細節丟失較多

Xing Mp3 Encoder 1.5t/192 不能接受 基本滿意 高頻損失嚴重、聲音發悶,表現不出細節

Xing Mp3 Encoder 1.5t/VBR 接受 基本滿意 細節丟失較多

Xing Mp3 Encoder 1.5t/320 不能接受 不能接受 高頻損失嚴重、聲音發悶,表現不出細節

Audioactive Production Studio 2.0.4/128 勉強接受 滿意 高頻損失嚴重、細節丟失較多

Audioactive Production Studio 2.0.4/192 接受 基本滿意 細節丟失較多

Audioactive Production Studio 2.0.4/256 滿意 基本接受 相當不錯的音質表現,雖然存在細節丟失的現像,但很輕微了

Creative PlayCenter 2.52.07/128 不能接受 基本滿意 高頻損失嚴重、聲音發悶,表現不出細節

Creative PlayCenter 2.52.07/192 接受 基本滿意 細節丟失較多


Creative PlayCenter 2.52.07/VBR 不能接受 基本滿意 高頻損失嚴重、聲音發悶,表現不出細節

Creative PlayCenter 2.52.07/320 比較滿意 不能接受 相當不錯的音質表現,存在輕微的細節丟失的現像

LAME3.88/128 不能接受 滿意 高頻損失嚴重、聲音發悶,表現不出細節

LAME3.88/192 比較滿意 基本滿意 存在輕微的細節丟失的現像

LAME3.88/VBR 滿意 基本滿意 相當不錯的音質表現,存在輕微的細節丟失的現像


LAME3.88/320 非常滿意 不能接受 和原始訊號基本沒區別了


F、小結


MPlifier無疑是本次測試中最失敗的一個,沒有任何可以稱道的地方。

如果你硬碟中還有這個編碼器,請趕快移除!Xing Mp3 Encoder 1.5t是一個讓人琢磨不定的編碼器,我們不能按常理去推斷它在不同級別上的表現,因為它在128K bitrate下表現得非常出色,超過對手不少,但它的192K、320K bitrate的表現卻低劣的讓人喫驚,甚至還不如128K bitrate,如果你硬碟喫緊,隻需要編碼128K bitrate的MP3,就留著吧。



Audioactive Production Studio 2.0.4是一個表現得不錯的編碼器,由於其編碼來自Fraunhofer,其編碼後的檔案對硬體的是相當不錯的,但這是一個收費軟體,如果不是什麼特殊的原因,並不推薦。


Creative PlayCenter 2.52.07的編碼水準在某種程度上有點讓我們失望,它的VBR形同虛設,沒有任何實際意義,從任何級別的較量中,可以看到它的表現非常中庸,不低劣也不出色。

除非你是狂熱的創新Fans,從mp3編碼品質方面而言,這個軟體沒必要保留。


超級解霸2001之MP3格式轉換器在本次測試中表現的很優秀,但它不支援VBR,說實在的,我們開始並沒有對它寄以任何希望,因為以前對超級解霸的印像實在是惡劣,但這次讓我們感到有些驚喜,在傳統的CBR的編碼中,它的表現已經達到和超過了LAME的水準。


從技術含量上來講,LAME無疑是技術含金量最高的,支援幾乎所有可用於MP3的新技術,我們在文章的開始特別強調了VBR和心理模型的份量,無非就是要告訴大家,這些技術在MP3編碼中所起到的革命性的作用。


這些技術的匯入,可以做到檔案大小和音質的最佳平衡,目前可以做到這一點的僅僅隻有LAME。從綜合素質來評論的話,LAME的編碼品質無疑是最高的,在192K bitrate以上的級別中,LAME基本上做到了不敗的境界,這就是我們推薦LAME的唯一理由。

menkin 2004-08-26 10:46 PM

我從頭看到尾呢...
真是不錯的文章
讓我對MP3又多了一層的認識
讚喔!

leowang 2004-08-27 01:38 AM

感謝分享......
但有些地方太深ㄌ~~看不太懂

andrew107 2004-08-31 07:47 PM

真是一篇好文章!
讓我了解了不少呢!

K22514 2004-09-01 04:03 PM

相當不錯的文章 !


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