Audio Coding – ATRAC

ATRAC — это система сжатия с потерями, основанная на психоакустических принципах. Она сжимает аудио компакт-диск до приблизительно 1/5 от оригинала с неощутимыми потерями качества звука. Эта схема кодирования изпользуется в MiniDisc (MD) устройствах записи от фирмы Sony. ATRAC1 был впервые разработан фирмой Sony в 1992 году, версии с более лучшим сжатием, известные как ATRAC3 и ATRAC3Plus последовали в 1999 и 2002 соответственно. Кроме того, другие производители MiniDisc, такие как Sharp и Panasonic также имели свои собственные версии кодека ATRAC. В 2006 год, в семейство ATRAC было добавлено гибридное сжатие без потерь.

Общее качество битрейта

Существует общее соглашение, что ATRAC1 обычно дает прозрачное качество при 292 kbit/s. Этот битрейт используется на оригинальных мини-дисках (MD), и качество, обычно, принимается как достаточно хорошее. На поздних версиях ATRAC'а качество может быть немного лучше, чем на старых.

Для сравнения, аудио диск с битрейтом примерно 1400 kbit/s кодеры без потерь могут сжать приблизительно до 1000 kbit/s. При этом, битрейт мог бы быть и 250 kbit/s, или даже еще меньше в тех случаях, когда аудио контент не является очень сложным. К примеру, сложным контентом является агрессивная музыка рок-направления, а под не сложный контент попадает, соответственно, легкая музыка.

Существуют некоторые разногласия о качестве ATRAC (и его различных реализациях) на низких битрейтах. Но мнение о качестве звука, конечно же, всегда субъективно. Фирма Sony утверждает, что ATRAC3plus дает в итоге приблизительно CD качество при битрейте 64 kbit/s. К сожалению, это общее утверждение не затрагивает вопрос о том, какого содержимого должны быть кодируемые файлы, как например, многоголосая симфония вряд ли может быть настолько хорошо закодирована с битрейтом 64 kbit/s.

Качество битрейта по сравнению с другими форматами

Официальное утверждение Sony о том, что ATRAC3plus при битрейте 64 kbit/s достигает качества, сравнимого с MP3 на 128 kbit/s, ставит этот кодек наравне с Windows Media Audio (с приблизительно такими же заявлениями фирмы Microsoft) и MPEG-4 AAC (технически являющимся приемником MP3).

Производительность

Если верить разработчикам ATRAC, семейcтво этих форматов является очень щадящим к ресурсам декодирующих чипов, по сравнению с другими форматами и потребляет меньше процессорной мощности для декодирования потока.

ATRAC1

ATRAC1 был первым, который фирма Sony использовала в своем формате SDDS для домашних кинотеатров в 1990-х годах, и в этом смысле ATRAC1 является прямым конкурентом формата Dolby Digital (AC3) и DTS. SDDS использует кодирование ATRAC1 с восьмью каналами и сумарным битрейтом для всех каналов 1168 kbit/s.

Двухстэковый квардратурный зеркальный фильтр делит сигнал на 3 части:

От 0 до 5512.5 Гц;
От 5512.5 до 11025 Гц;
От 11025 до 22050 Гц.

Полное стерео (то есть с независимыми каналами) кодируется с битрейтом 292 kbit/s.

Большинство людей не слышат разницы между закодированным и оригинальным файлом. Зарезание верхних частот зависит от сложности материала. В некоторых случаях высокие частоты не зарезаются вплоть до 22050 Гц.

ATRAC1 также может работать в моно режиме.

ATRAC3 (режимы LP2 и LP4)

Точно как и ATRAC1 и MP3, ATRAC3 также является гибридным полосным MDCT кодером, но с некоторыми отличиями. В ATRAC3 трехстэковый зеркальный квадратурный фильтр разбивает сигнал на 4 части:

от 0 до 2.75625 кГц
от 2.75625 до 5.5125 кГц
от 5.5125 до 11.025 кГц
от 11.025 до 22.05 кГц

После полосного кодирования производится модифицированное дискретное косинусное преобразование (MDCT) с фиксированной длиной. Отличаясь от всех родственных современных форматов, преобразованная длина не может быть изменена для оптимизации кодирования. В отличие от техники простейшего переходного кодирования, называемой регулировкой усиления, в которой усиление различных полос варьируется во время перехода к MDCT и затем восстанавливается в момент декодирования после инверсного MDCT для проверки и сглаживания переходов. При квантизации тональные компоненты, извлеченные из сигнала, квантуются независимо. Во время декодирования они отдельно реконструируются и добавляются в конец, чтобы переформировать оригинальные коэффициенты MDCT.

Компания Sony указывает на продвинутость формата ATRAC3 из-за его высокой эффективности, которая нацелена на компактные цифровые сигнальные процессоры (DSP), обеспечивающие меньше вычислительной мощности и времени жизни от аккумуляторов. Однако, ATRAC – гибридный полосной MDCT кодек, чьи алгоритмы очень похожи на MP3, и его любое превосходство может быть преувеличенным. Кроме того, сравнивая его с более новыми форматами, такими как Windows Media Audio, которые используют простое MDCT чаще, чем гибридное, ATRAC3 должен помимо этого выполнять дополнительные вычисления во время инверсной квадратурной зеркальной фильтрации. Но в то же время гибридные системы используют значительно меньше оперативной памяти, это было в свое время ограничивающим фактором, когда ATRAC только начинал разрабатываться.

Режим LP2

Этот режим работает при битрейте 132 kbit/s и его качество схоже с качеством MP3 на таких же битрейтах. Однако независимый двойной слепой тест (май 2004) без указания параметров, с которыми был сжат оригинал, показал следующую цепочку по качеству: Ogg Vorbis, AAC, LAME VBR MP3 и самым последним был ATRAC3. К сожалению, из-за неизвестности версии кодировщика ATRAC3, нельзя говорить о том, насколько он оптимально был настроен, а попытки выяснить эти подробности не дали результатов. Вполне возможно, что новые кодеры ATRAC3 обеспечивают более хорошее качество.

Режим LP4

В этом режиме битрейт понижен до 66 kbit/s (половина режима LP2), частично использованием совместного стерео (joint-stereo) кодирования и фильтра нижних частот на границе 13.5 кГц. Этот режим позволяет записать 324 минуты звука на 80-ти минутный MiniDisc.

Фреймворк FFmpeg имеет реализацию декодера ATRAC3, которая была переделана для использования фиксированной точности и реализована в прошивках серии Rockbox для ARM, Coldfire и MIPS процессоров. RealAudio8 является реализацией ATRAC3.

Игра Race Driver: Grid для Playstation 3 одновременных может воспроизводить до 224 потоков аудио, сжатого в формате ATRAC3 при 2-8 каналах на поток на частотах 24-48 кГц, при этом каждый канал фильтруется 512-ти полосным адаптивным эквалайзером, пропускается через 6 эхосоздающих модулей на одном SPU сопроцессоре (один из 8 в процессоре Cell, используемом в SP3), и все это наряду с 7.1 канальным гибридным микшированием третьего порядка по технологии Ambisonic.

ATRAC3plus

Аудио, сжатое в формате ATRAC3plus воспроизводится только в машинах, оснащенных проигрывателем фирмы Sony.

Этот кодек используется в устройствах Sony Hi-MD Walkman (например, Hi-LP и Hi-SP), NetworkWalkman плеерах, плеерах на картах памяти MemoryStick, VAIO Pocket, PlayStation 3 и PlayStation Portable консолях, а так же в ATRACCD плеерах. Есть предположения, что это гибридный полосной MDCT кодек, однако официальной информации об его типе не разглашалось. Он использует относительно большой зазор для трансформации из 4096 сэмплов, что в 4 раза больше, чем у ATRAC3, он также использует обобщенный гармонический анализ (Generalized Harmonic Analysis или GHA). Сигнал разбивается на 16 полос перед MDCT и битовым распределением.

Недавно был выпущен SonicStage версий 3.2 и 3.3, в которых появились новые битрейты. Таким образом, список доступных битрейтов стал следующим: 48, 64, 96, 128, 160, 192, 256, 320 и 352 kbit/s. Новые битрейты не всегда совместимы со старыми аппаратными декодерами, но, в то же время, было обнаружено, что какая-то часть новых битрейтов ATRAC3plus совместимы со старым оборудованием.

Диски формата MiniDisc, записанные в формате ATRAC3plus не совместимы со старыми плеерами.

Тесты, проведенные независимой фирмой, но профинансированные компанией Sony, позволяют сделать вывод, что ATRAC3plus при битрейте 64 kbit/s имеет примерно одинаковое качество по сравнению с MP3 при 128 kbit/s и AAC при 96 kbit/s.

ATRAC Advanced Lossless

ATRAC Advanced Lossless (AAL) является самым новым кодеком из семейства ATRAC. Он может обеспечить сжатие CD-Audio до 30-80% от оригинального размера без потери качества.

ATRAC Advanced Lossless является одним из нескольких кодеков на рынке, которые могут предложить гибридное сжатие. Он кодирует информацию в формат ATRAC3 и ACTRAC3plus, остальная информация исключается из оригинального сигнала. Данные в форматах ATRAC3 и ACTRAC3plus могут быть распакованы в том виде, в котором они есть, но при этом к ним можно добавить отброшенную информацию и полностью восстановить качество оригинального CD. Другими словами, формат ATRAC Advanced Lossless позволяет использовать старые сжатые записи без необходимости их сжатия в новый формат. Преимуществом такого типа сжатия является превосходная обратная совместимость и более быстрая передача данных между различными аудио устройствами и настольным ПК.

Подобный тип кодирования «основного» и «дополнительного» потока уже встречался в бесплатных программых кодеках: WavPack и DTS-HD Master Audio.

ATRAC Advanced Lossless отлично поддерживается в старых плеерах Walkman а также в SonicStage версии 4 и выше. SonicStage 4 позволяет закачивать музыку в формате ATRAC Advanced Lossless на плееры формата MiniDisc, а также игровые консоли PlayStation Portable и PlayStation 3. В настоящее время последние модели плееров Walkman не поддерживают ATRAC Advanced Lossless / ATRAC. 31-го марта 2008 года фирма Sony прекратила поддержку кодеков семейства ATRAC в США и Европе, а также прекратил свою работу сервис ‘Connect’ Music Service, доступный в SonicStage (эквивалент iTunes). С сентября 2007 года фирма Sony производит только один единственный продукт на территории США и Европы, поддерживающий закачки музыки формата ATRAC Advanced Lossless / ATRAC – это портативный плеер формата MiniDisc.