O Formato MP3

Eng David M Risnik - Jan/2003

Arquivos digitais

Um Compact Disc [ CD ] armazena a informação musical de forma DIGITAL  "natural" , conhecida como FORMATO DE ALTA RESOLUÇÃO - "HIGH-RESOLUTION FORMAT"< ou  seja , sem compressão . Vamos analisar o processo de digitalização , para ficar mais claro este conceito.

A informação analógica (música) é AMOSTRADA 44.100 vezes por segundo (sample =  44,1 kHz) . Em cada amostragem , a amplitude do sinal analógico é convertida em um número  (2 bytes digitais) . Assim faremos uma correspondencia:  "amplitude" =>  "número" (2 bytes) .  Considerando um  sinal stereo , o mesmo processo é realizado para os canais esquerdo e direito do sistema. Um cálculo rápido pode mostrar o   t a m a n h o   d o   a r q u i v o (número de bits)  que este processo vai gerar , para ser gravado em uma faixa de musica no CD:

Utilizando uma notação mais compacta , temos:: 1.4 milhões de bits por segundo é igual a  176.000 bytes por segundo . Considerando agora uma faixa musical com duração média de 3 minutos , podemos afirmar que ela ocupara um espaço de aproximadamente 32 milhões de bytes !! . Agora uma outra continha : se utilizarmos um modem de 56k  teremos que esperar nada menos que algumas  "horas" (ao menos duas)  se quisermos fazer um download deste arquivo da interfnet  (uma unica musica !).

C-O-M-P-R-I-M-I-N-D-O  UM SINAL

Partindo do que foi analisado acima , não foi difícil perceber que existiria uma necessidade quase que obrigatória em se "reduzir" o tamanho dos arquivos digitais , tornando-os "viaveis" de serem manipulados e armazenados por meios mais práticos . O que fazer ? ...=> comprimindo-os <= ! 

Para compreender melhor esta idéia , vou exemplifica-la como sendo um carregamento de algodão . Supondo que fui "eleito" para transportar um certo volume (peso) de algodão de um local ao outro (não posso revelar o destino correto , pois tenho medo de assaltos ...) . Digamos que ao "natural" , terei de lotar 3 ou 4 caminhões bau com o produto , considerando o "volume total" a ser transportado . Agora observe os dois lados da moeda... Se por um lado levarei a vantagem de ter o produto "intocável" , ou seja , a garantia de que ele chegara ao destino exatamente como embarcou  "intacto" , por outro lado isto obviamente terá um "custo" de transporte bem superior . Alguém então teve uma "brilhante" idéia: porque não reduzimos o "volume" , aplicando uma "compresão" no algodão ! Assim , ocupando menor espaço , um único caminhão bau será suficiente para o transporte do "mesmo" produto , que em seu destino final , após a "descompactação" , voltara a ser natural  ( será mesmo ?) Cá entre nós: lógico que o produto (algodão) primeiro "prensado" e depois descompactado , n-u-n-c-a mais terá a "mesma" caracteristica original . Você verá que algo muito semelhante ocorre quando "compactamos" uma informação .

 COMO COMPACTAR UMA INFORMAÇÃO DIGITAL ?

Não é tão complicado assim como possa parecer a primeira vista . Assim como em arquivos de imagens (foto) , os arquivos digitais de informação de áudio (música / voz / instrumentos) , possuem sequencia de bytes que muito se assemelham (que bom !). Vai fica mais fácil visualizar isto em uma imagem . Por exemplo : considere um fundo de imagem plana , seja ela um "céu" azul , ou uma parede uniforme , ou qualquer outra "area" da imagem que se apresente com um certo padrão uniforme . Após a digitalização , os bytes que foram extraidos desta região quase uniforme , possuem um padrão de repetibilidade bastante constante . Por exemplo considere uma sequencia de números assim: 33 , 20 , 55 , 33 , 20 , 55 , 33 , 20 55 .. etc . Um arquivo digital "RICO"  em detalhes (arquivos não comprimidos como nos CDs) pode conter esta sequencia repetida por "varias" e "varias" vezes . Por que não "rezumir" este desenvolvimento gravando por exemplo só uma dessas sequencias:  33 , 20 ,55 e informando que ela deve ser "repetida" por 35 vezes (um mesmo padrão repetido varias vezes! Pronto: aquilo que seria uma sequencia de 3 x 55 = 165 numeros , foi "reduzido" apensa para 4 !!!! Outros tipos de sequencias e formas de desenvolvimento  podem ser de mesma forma "rezumidas" . Naturalmente que isto é um processo MATEMATICO , em que aplicamos um determinado ROTEIRO de analise e funções , que RESULTAM no arquivo COMPACTADO . Este "complicado" roteiro matematico denominados de ALGORITMO . O mesmo algoritmo é aplicado "reversamente" ao arquivo compactado para DESCOMPACTA-LO . Após rigorosos estudos e analises de qualidade , o formato MP3 de compactação musical veio a atender com boa performance a desejada redução de arquivos (fator de 10 a 14) com "pouca" redução de qualidade . Para se ter uma idéia disto , basta dizer que uma faixa musical original de 32 megabyte , pode ser reduzida a apenas 3 megabyte , possibilitando um download de minutos ao inves de horas ! Os arquivos MP3 ocupam pouco espaço no hard disk , permitindo armazenar centenas de musicas onde caberiam apenas algumas dezenas .

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PERCEPTUAL NOISE SHAPING

. O desenvolvimento do algoritmo ideal para comprimir arquivos de "audio" considerou a técnica intitulada perceptual noise shaping . O termo perceptual "percepção" define bem a adaptação as caracteristicas ao ouvido humano. Por exemplo:

• Exixtem alguns tipos de som que o ouvido humano não consegue ouvir.
• Existem certos tipos de sons que o ouvido humano "percebe" muito melhor do que outros.
• Quando existem dois sons tocando simultaneamente, nós ouvimos melhor o "mais forte" , e não identificamos o mais fraco.

(*) Arquivos MP3 (algoritmo) são patenteados e só podem ser utilizados sob licensa.

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