MP3音乐播放格式

特点

MP3是利用人耳对高频声音信号不敏感的特性，将时域波形信号转换成频域信号，并划分成多个频段，对不同的频段使用不同的压缩率，对高频加大压缩比（甚至忽略信号）对低频信号使用小压缩比，保证信号不失真。这样一来就相当于抛弃人耳基本听不到的高频声音，只保留能听到的低频部分，从而将声音用1∶10甚至1∶12的压缩率压缩。由于这种压缩方式的全称叫MPEG Audio Player3，所以人们把它简称为MP3。

根据MPEG规范的说法，MPEG-4中的AAC（Advanced audio coding）将是MP3格式的下一代。

最高参数的MP3(320Kbps)的音质较之CD的,FLAC和APE无损压缩格式的差别不多，其优点是压缩后占用空间小，适用于移动设备的存储和使用。

MP3播放器正在走向消亡

刚刚问世时，MP3播放器是数字革命的先锋。然而随着消费者转向智能手机等其他数码产品，2012年英国市场iPod和其他MP3播放器的销量大幅下降。

根据市场研究公司Mintel的数据，2012年，英国市场MP3播放器的销售额为1.1亿英镑（约合1.78亿美元），仅为2011年3.81亿英镑的29%。Mintel预计，到2017年，英国市场MP3播放器的总销售额还将下降一半。而在最坏的情况下，5年后英国市场MP3播放器总销售额将仅为2500万美元。

1、MP3是一个数据压缩格式；

2、它丢弃掉脉冲编码调制（PCM）音频数据中对人类听觉不重要的数据（类似于JPEG是一个有损图像压缩），从而达到了小得多的文件大小；

3、MP3音频可以按照不同的位速进行压缩，提供了在数据大小和声音质量之间进行权衡的一个范围，MP3格式使用了混合的转换机制将时域信号转换成频域信号；

4、32波段多相积分滤波器（PQF）；

5、36或者12 tap 改良离散余弦滤波器（MDCT）；每个子波段大小可以在0...1和2...31之间独立选择；

6、MP3不仅有广泛的用户端软件支持，还有很多的硬件支持比如便携式媒体播放器（指MP3播放器）DVD和CD播放器，去电

历史

起源

1、MPEG-1 Audio Layer 2编码开始时是德国Deutsche Forschungs- und Versuchsanstalt für Luft- und Raumfahrt（后来称为Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt， 德国太空中心）Egon Meier-Engelen管理的数字音频广播（DAB）项目。这个项目是欧盟作为EUREKA研究项目资助的，它的名字通常称为EU-147。EU-147 的研究期间是1987年到1994年。

2、到了1991年，就已经出现了两个提案：Musicam（称为Layer 2）和ASPEC（自适应频谱感知熵编码）。荷兰飞利浦公司、法国CCETT和德国Institut für Rundfunktechnik提出的Musicam方法由于它的简单、出错时的健壮性以及在高质量压缩时较少的计算量而被选中。基于子带编码的Musicam 格式是确定MPEG音频压缩格式（采样率、帧结构、数据头、每帧采样点）的一个关键因素。这项技术和它的设计思路完全融合到了ISO MPEG Audio Layer I、II 以及后来的Layer III（MP3）格式的定义中。在Mussmann教授（University of Hannover）的主持下，标准的制定由Leon van de Kerkhof（Layer I）和Gerhard Stoll（Layer II）完成。

3、一个由荷兰Leon Van de Kerkhof、德国Gerhard Stoll、法国Yves-François Dehery和德国Karlheinz Brandenburg 组成的工作小组吸收了Musicam和ASPEC的设计思想，并添加了他们自己的设计思想从而开发出了MP3，MP3能够在128kbit/s达到MP2 192kbit/s 音质。

4、所有这些算法最终都在1992年成为了MPEG的第一个标准组MPEG-1的一部分，并且生成了1993年公布的国际标准ISO/IEC 11172-3。MPEG音频上的更进一步的工作最终成为了1994年制定的第二个MPEG标准组MPEG-2标准的一部分，这个标准正式的称呼是1995年首次公布的ISO/IEC 13818-3。

5、编码器的压缩效率通常由位速定义，因为压缩率依赖于位数（：en:bit depth）和输入信号的采样率。然而，经常有产品使用CD参数（44.1kHz、两个通道、每通道16位或者称为2x16位）作为压缩率参考，使用这个参考的压缩率通常较高，这也说明了压缩率对于有损压缩存在的问题。

6、Karlheinz Brandenburg使用CD介质的Suzanne Vega的歌曲Tom’s Diner来评价MP3压缩算法。使用这首歌是因为这首歌的柔和、简单旋律使得在回放时更容易听到压缩格式中的缺陷。一些人开玩笑地将Suzanne Vega称为“MP3之母”。来自于EBU V3/SQAM参考CD的更多一些严肃和critical 音频选段(glockenspiel，triangle，accordion...)被专业音频工程师用来评价MPEG音频格式的主观感受质量。

走向大众

为了生成位兼容的MPEGAudio文件（Layer 1.Layer 2.Layer 3），ISO MPEG Audio委员会成员用C语言开发的一个称为ISO 11172-5的参考模拟软件。在一些非实时操作系统上它能够演示第一款压缩音频基于DSP的实时硬件解码。一些其它的MPEG Audio实时开发出来用于面向消费接收机和机顶盒的数字广播（无线电DAB和电视DVB）。

后来，1994年7月7日Fraunhofer-Gesellschaft发布了第一个称为l3enc的MP3编码器。

Fraunhofer开发组在1995年7月14日选定扩展名.mp3（以前扩展名是.bit）。使用第一款实时软件MP3播放器Winplay3（1995年9月9日发布）许多人能够在自己的个人电脑上编码和回放MP3文件。由于当时的硬盘相对较小（如500MB），这项技术对于在计算机上存储娱乐音乐来说是至关重要的。

MP2、MP3与因特网

1993年10月，MP2(MPEG-1 Audio Layer 2)文件在因特网上出现，它们经常使用Xing MPEG Audio Player播放，后来又出现了Tobias Bading为Unix开发的MAPlay。MAPlay于1994年2月22日首次发布，已经移植到微软视窗平台上。

刚开始仅有的MP2编码器产品是Xing Encoder和CDDA2WAV，CDDA2WAV是一个将CD音轨转换成WAV格式的CD抓取器。

Internet Underground Music Archive（IUMA）通常被认为是在线音乐革命的鼻祖，IUMA是因特网上第一个高保真音乐网站，在MP3和网络流行之前它有数千首授权的MP2录音。

从1995年上半年开始直到整个九十年代后期，MP3开始在因特网上蓬勃发展。MP3的流行主要得益于如Nullsoft于1997年发布的Winamp和Napster于1999年发布的Napster这样的公司和软件包的成功，并且它们相互促进发展。这些程序使得普通用户很容易地播放、制作、共享和收集MP3文件。

关于MP3文件的点对点技术文件共享的争论在最近几年迅速蔓延—这主要是由于压缩使得文件共享成为可能，未经压缩的文件过于庞大难于共享。由于MP3文件通过因特网大量传播一些主要唱片厂商通过法律起诉Napster来保护它们的版权（参见知识产权）。

如iTunes Music Store这样的商业在线音乐发行服务通常选择其它或者专有的支持数字版权管理（DRM）的音乐文件格式以控制和限制数字音乐的使用。支持DRM的格式的使用是为了防止受版权保护的素材免被侵犯版权，但是大多数的保护机制都能被一些方法破解。这些方法能够被计算机高手用来生成能够自由复制的解锁文件。一个显著的例外是微软公司的Windows Media Audio 10格式，它还没有被破解。如果希望得到一个压缩的音频文件，这个录制的音频流必须进行压缩并且带来音质的降低。

音频质量

因为MP3是一种有损压缩格式，它提供了多种不同“比特率”（bit rate）的选项—也就是用来表示每秒音频所需的编码数据位数。典型的速度介于128kbps和320kbps（kbit/s）之间。与此对照的是，CD上未经压缩的音频比特率是1411.2 kbps（16 位/采样点 × 44100 采样点/秒 × 2 通道）。

使用较低比特率编码的MP3文件通常回放质量较低。使用过低的比特率，“压缩噪声（compression artifact）”（原始录音中没有的声音）将会在回放时出现。说明压缩噪声的一个好例子是：压缩欢呼的声音；由于它的随机性和急剧变化，所以编码器的错误就会更明显，并且听起来就象回声。

除了编码文件的比特率之外；MP3文件的质量，也与编码器的质量以及编码信号的难度有关。使用优质编码器编码的普通信号，一些人认为128kbit/s的MP3以及44.1kHz的CD采样的音质近似于CD音质，同时得到了大约11:1的压缩率。在这个比率下正确编码的MP3只能够获得比调频广播更好的音质，这主要是那些模拟介质的带宽限制、信噪比和其他一些限制。然而，听力测试显示经过简单的练习测试听众能够可靠地区分出128kbit/s MP3与原始CD的区别。在许多情况下他们认为MP3音质太低是不可接受的，然而其他一些听众或者换个环境（如在嘈杂的车中或者聚会上）他们又认为音质是可接受的。很显然，MP3编码的瑕疵在低端声卡或者扬声器上比较不明显而在连接到计算机的高质量立体声系统，尤其是使用高保真音响设备或者高质量的耳机时则比较明显。

Fraunhofer Gesellschaft（FhG）在他们的官方网站上，公布了下面的MPEG-1 Layer 1/2/3的压缩率和数据速率用于比较：

Layer 1: 384 kbit/s，压缩率 4:1

Layer 2: 192 - 256 kbit/s，压缩率 8:1-6:1

Layer 3: 112 - 128 kbit/s，压缩率 12:1-10:1

不同层面之间的差别是因为它们使用了不同的心理声学模型导致的；Layer 1的算法相当简单，所以编码就需要更高的比特率。然而，由于不同的编码器使用不同的模型，很难进行这样的完全比较。

许多人认为所引用的速率，出于对Layer 2和Layer 3记录的偏爱，而出现了严重扭曲。他们争辩说实际的速率如下所列：

Layer 1: 384 kbit/s 优秀

Layer 2: 256 - 384 kbit/s 优秀，224 - 256 kbit/s 很好，192 - 224 kbit/s 好

Layer 3: 224 - 320 kbit/s 优秀，192 - 224 kbit/s 很好，128 - 192 kbit/s 好

当比较压缩机制时，很重要的是要使用同等音质的编码器。将新编码器与基于过时技术甚至是带有缺陷的旧编码器比较可能会产生对于旧格式不利的结果。由于有损编码会丢失信息这样一个现实，MP3算法通过创建人类听觉总体特征的模型尽量保证丢弃的部分不被人耳识别出来（例如，由于noise masking），不同的编码器能够在不同程度上实现这一点。

一些可能的编码器：

Mike Cheng在1998年早些时候首次开发的LAME。 与其他相比，它是一个完全遵循LGPL的MP3编码器，它有良好的速度和音质，甚至对MP3技术的后继版本形成了挑战。

Fraunhofer Gesellschaft：有些编码器不错，有些有缺陷。

许多的早期编码器已经不再广泛使用：

ISO dist10

Xing

BladeEnc

ACM Producer Pro.

好的编码器能够在128到160kbit/s下达到可接受的音质，在160到192kbit/s下达到优良的音质。所以不在特定编码器或者最好的编码器话题内说128kbit/s或者192kbit/s下的音质是容易引起误解的。一个好的编码器在128kbit/s下生成的MP3有可能比一个不好的编码器在192kbit/s下生成的MP3音质更好。另外，即使是同样的编码器同样的文件大小，一个不变比特率的MP3可能比一个变比特率的MP3音质要差很多。

需要注意的一个重要问题是音频信号的质量是一个主观判断。安慰效果 (Placebo effect) 是很严重的。许多用户在A/B测试中都没有通过，他们无法在更低的比特率下区分文件。一个特定的比特率对于有些用户来说是足够的，对于另外一些用户来说是不够的。每个人的声音感知可能有所不同，所以一个能够满足所有人的特定心理声学模型并不明显存在。仅仅改变试听环境，如音频播放系统或者环境可能就会显现出有损压缩所产生的音质降低。上面给出的数字只是大多数人的一个大致有效参考，但是在有损压缩领域真正有效的压缩过程质量测试手段就是试听音频结果。

如果你的目标是实现没有质量损失的音频文件或者用在演播室中的音频文件，就应该使用无损压缩(Lossless)算法，能够将16位PCM音频数据压缩到38%并且声音没有任何损失，这样的无损压缩编码有LA 、Sony ATRAC Advanced Lossless、Dolby TrueHD、DTS Master Lossless Audio、MLP、Sony Reality Audio、WavPack、Apple Lossless、TTA、FLAC、Windows Media Audio 9 Lossless (WMA) 和APE (Monkeys Audio)等等。

对于需要进行编辑、混合处理的音频文件要尽量使用无损格式，否则有损压缩产生的误差可能在处理后无法预测，多次编码产生的损失将会混杂在一起，在处理之后进行编码这些损失将会变得更加明显。无损压缩在降低压缩率的代价下能够达到最好的结果。

一些简单的编辑操作，如切掉音频的部分片段，可以直接在MP3数据上操作而不需要重新编码。对于这些操作来说，只要使用合适的软件（"mp3DirectCut"和"MP3Gain"），上面提到的问题可以不必考虑，

专利问题

Thomson Consumer Electronics在认可软件专利的国家控制着MPEG-/2 Layer 3 专利的授权，这些国家包括美国和日本，欧盟国家不包括在内。Thomson积极地加强这些专利的保护。Thomson已经在欧盟国家被欧洲专利局授予软件专利，但是还不清楚它们是否会被那里的司法所加强。参见欧洲专利协定中的软件专利。

关于Thomson专利文件、授权协议和费用的最新信息请参考它们的网站。

在1998年9月，FraunhoferInstitute向几个MP3软件开发者发去了一封信声明“发布或者销售编码器或者解码器”需要授权。这封信宣称非经授权的产品“触犯了 Fraunhofer和Thomson的专利权。制造、销售或者发布使用[MPEG Layer-3]标准或者我们专利的产品，你们需要从我们这里获得这些专利的授权协议。”

这些专利问题极大地减慢了未经授权的MP3软件开发并且导致人们的注意力转向开发和欢迎其它如WMA和Ogg Vorbis这样的替代品。Windows开发系统的制造商微软公司从MP3专向它们自有的Windows Media格式以避免与专利相关的授权问题。直到那些关键的专利过期之前，未经授权的编码器和播放器在认可软件专利的国家看起来都是非法的。

尽管有这些专利限制，永恒的MP3格式继续向前发展；这种现象的原因看起来是由如下因素带来的网络效应：

* 熟悉这种格式，不知道有其它可选格式存在，

* 这些可选格式没有普遍地明显超过MP3的优势这样一个现实，

* 大量的MP3格式音乐，

* 大量的使用这种格式的不同软件和硬件，

* 没有DRM保护技术，这使得MP3文件可以很容易地修改、复制和通过网络重新发布，

* 大多数家庭用户不知道或者不关心软件专利争端，通常这些争端与他们个人用途而选用MP3格式无关。

另外，专利持有人不愿对于开源解码器加强授权费用的征收，这也带来了许多免费MP3解码器的发展。另外，尽管他们试图阻止发布编码器的二进制代码， Thomson已经宣布使用免费MP3编码器的个人用户将不需要支付费用。尽管专利费是许多公司打算使用MP3格式时需要考虑的问题，对于用户来说并没有什么影响，这就带来了这种格式的广受欢迎的效应。

Sisvel S.p.A. 和它的美国子公司Audio MPEG,Inc. 以前曾经以侵犯MP3技术专利为由起诉Thomson，但是那些争端在2005年11月最终以Sisvel给Thomson MP3授权而结束，Motorola也与Audio MPEG签署了MP3的授权协议。由于Thomson和Sisvel都拥有他们声称编解码器必需的单独的专利，MP3专利的法律状态还不清晰。

Fraunhofer的专利在2010年4月已经到期，MP3算法不受专利保护。