Аудио-форматы: виды, предназначение, отличия

Аудио-форматы — это разновидности файлов, предназначенные для хранения цифровых аудиоданных в компьютерной системе. Битовая компоновка аудиоданных (за исключением метаданных) называется форматом кодирования аудио и может быть несжатой или сжатой. Сжатие используется для того, чтобы уменьшить размер файла, что часто сочетается с потерей качества звука. Звук также может быть сырым битовым потоком в формате кодирования аудио, но обычно он встраивается в формат аудиоданных с определенным слоем хранения.

Что они собой представляют?

Аудиофайл — это набор информации, который состоит из данных о частоте и амплитуде звука, сохраненный для последующих воспроизведений.

Аудио-форматы могут играть роль контейнера для необработанных данных, а также использовать аудиокодеки. Зачастую эти понятия смешивают и путают.

Кодек выполняет кодирование и декодирование необработанных аудиоданных, в то время как эти закодированные данные обычно хранятся в файле-контейнере. Несмотря на то что большинство форматов звуковых файлов поддерживают только один тип данных кодирования аудио (созданных с помощью аудиокодера), формат мультимедийного контейнера (например, Matroska или AVI) может поддерживать несколько типов аудио- и видеоданных.

Разновидности по объему и качеству

Форматы аудио-файлов могут быть выделены в следующие группы:

1. Несжатые – такие как WAV, AIFF, AU или необработанные PCM без заголовков.

2. Форматы со сжатием без потерь – к примеру, FLAC, AudioMonkey’s (расширение файла .ape), WavPack (расширение файла .wv), TTA, ATRAC AdvancedLossless, ALAC (расширение имени файла .m4a), MPEG-4 SLS, MPEG-4 ALS, MPEG-4 DST, WindowsMediaAudioLossless (WMA без потерь) и Shorten (SHN).

3. Форматы с компрессией с потерями качества – например, Opus, MP3, Vorbis, Musepack, AAC, ATRAC и Windows Media Audio Lossy (сжатые WMA).

Основной тип

Одним из основных несжатых аудиоформатов является LPCM. По своей сути он представляет собой разновидность PCM и подобен Digital Audio (формат аудио CD-дисков). Он является разновидностью, наиболее широко используемой низкоуровневыми API и цифроаналоговыми преобразователями. Несмотря на то что LPCM может храниться на компьютере в виде необработанного звукового формата, он обычно находится в WAV-файле в Windows или в .aiff на macOS.

WAV и AIFF

Цифровой аудиоформат AIFF основан на формате файла обмена (IFF), а WAV — на аналогичной разновидности файла обмена ресурсами (RIFF). WAV и AIFF предназначены для хранения широкого спектра аудиоформатов как без потерь качества, так и с потерями. Они просто добавляют небольшой заголовок, содержащий метаданные, перед звуковой составляющей, чтобы обозначить формат аудио (например, LPCM с конкретной частотой дискретизации, битовой глубиной, порядковыми номерами и количеством каналов). Поскольку WAV и AIFF широко поддерживаются и могут хранить LPCM, они являются подходящими файловыми форматами для хранения и архивирования оригинальной записи.

Новое поколение

BWF (Broadcast Wave Format) — это стандартный аудиоформат, созданный Европейским радиовещательным союзом в качестве преемника WAV. Он имеет массу улучшений, в числе которых возможность хранить более надежные метаданные в файле. Это основной формат записи, используемый во многих профессиональных рабочих станциях в телевизионной и киноиндустрии. Файлы BWF включают в себя стандартизированную метку времени, которая позволяет легко синхронизировать звук с отдельным элементом изображения. Автономные многодорожечные рекордеры AETA, Sound Devices, Zaxcom, HHB Communications Ltd, Fostex, Nagra, Aaton, и TASCAM всегда используют BWF как предпочтительный формат.

Аудиоформаты со сжатием и без

Такая разновидность сохраняет данные в меньшем объеме без потери информации. Исходные данные при этом могут быть воссозданы из такой версии.

Несжатые аудио-форматы кодируют звук и тишину с одинаковым количеством битов в единицу времени. Кодирование минуты абсолютной тишины создает файл такого же размера, как и минуты музыки. Однако в сжатом формате музыка будет занимать меньший файл, чем оригинальная запись, а тишина почти не будет занимать места.

Форматы аудио-файлов такого типа включают в себя FLAC, WavPack, AudioMonkey, ALAC (Apple Lossless). Они обеспечивают коэффициент сжатия около 2:1 (то есть файлы занимают половину пространства PCM). Разработка в форматах сжатия без потерь направлена ​​на сокращение времени обработки при сохранении хорошего качества звука.

Сжатый аудиоформат с потерями

Это позволяет еще больше уменьшить размер файла, удалив часть аудиоинформации и упростив данные. Это, конечно же, приводит к тому, что качество аудио-форматов становится значительно хуже. При этом используются различные методы (чаще путем использования психоакустики), чтобы удалить части звука, которые наименее влияют на воспринимаемое качество, и минимизировать количество слышимого шума, добавленного во время процесса сжатия. Популярный MP3-формат, пожалуй, выступает самым известным примером. Кроме того, AAC, который можно найти в iTunesMusicStore, также широко распространен. Большинство форматов предлагают разный диапазон степеней сжатия, обычно измеряемый в битовой скорости. Чем ниже скорость, тем меньше файл, и тем значительнее потеря качества.

Какие форматы известны в настоящее время?

.3GP — формат мультимедийного контейнера, который может содержать собственные форматы AMR, AMR-WB или AMR-WB+, а также некоторые открытые разновидности.

.AAC (Advanced Audio Coding) — основан на стандартах MPEG-2 и MPEG-4. Файлы AAC обычно представляют собой контейнеры ADTS или ADIF.

.AAX (Audible.com) — формат аудиокниги, который представляет собой файл M4B с изменяемым битрейтом (обеспечивающий высокое качество), зашифрованный с помощью DRM. MPB содержит AAC- или ALAC-кодированный звук в контейнере MPEG-4.

.AIFF — стандартный формат аудиофайла, используемый Apple. Его можно считать эквивалентом WAV.

.AMR (AMR-NB) – тип аудио, используемый в основном для записи речи.

.APE (Ashland Monkey’s) – формат аудио со сжатием без потери качества.

.M4A — аудио в MPEG-4, используемый Apple для незащищенной музыки, загруженной из iTunes Music Store. Аудио в файле M4A обычно кодируется AAC, хотя ALAC также может использоваться без потерь качества.

.M4P — Apple-версия AAC с патентованным управлением цифровыми правами, разработанная Apple для использования в музыке, загруженной из iTunes Music Store.

.MMF– вид аудио от Samsung, используемый в мелодии звонка. Он был разработан Yamaha и представляет собой формат мультимедийных данных.

.MP3 -формат MPEG Layer III Audio. Это самый распространенный вид звукового файла, используемый сегодня. Также он известен как MPEG-1 или MPEG-2 и представляет собой своеобразный формат аудиокодирования для цифрового звука. Он использует форму сжатия данных с потерями для кодирования информации с применением неточных приближений и отбрасывания частичных данных. Все это выполняется с целью уменьшения размеров файлов, как правило, в 10 раз, по сравнению с компакт-диском. При этом сохраняется качество звука, сравнимое с несжатым. По сравнению с цифровым аудиокачеством CD, качество сжатия MP3 обычно достигает 75-95 % по уменьшению размера. Таким образом, файлы этот типа составляют от 1/4 до 1/20 размера исходного цифрового аудиопотока. Это важно для обеспечения передачи и хранения файлов, особенно в наши дни, когда обмен информацией распространен очень широко. Основой для такого сравнения является формат цифрового аудио CD, который требует 1411200 бит/с. Обычно используемой настройкой кодирования MP3 является CBR 128 кбит/с, в результате получается файл размером 1/11 (= 9 %) от размера исходного файла качества CD, то есть с 91 % сжатием.

Сжатие MP3 с потерей работает, уменьшая (или приближая) точность некоторых частей непрерывного звука, которые считаются недоступными для слухового разрешения большинства людей. Этот метод обычно называют перцепционным кодированием или «психоакустикой». Он использует психоакустические модели для отбрасывания или уменьшения точности компонентов, менее слышимых для человеческого слуха, а затем записывает оставшуюся информацию эффективным образом.

.MPC (ранее известный как MPEGplus, MPEG+ или MP+) — представляет собой аудиокодек с открытым исходным кодом, специально оптимизированный для прозрачного сжатия стерео/аудио с битрейтом 160-180 Кбит/с.

Формат .OGG, .OGA, MOGG — свободный открытый контейнерный тип, поддерживающий множество других видов, самым популярным из которых является аудиоформат Vorbis. Он предлагает сжатие, подобное MP3, но менее популярное. VJGG (Multi-Track-Single-Logical-StreamOgg-Vorbis) является многоканальным или многодорожечным файловым форматом OGG.

.WAV — стандартный формат файла звукового файла, используемый в основном на ПК с ОС Windows. Обычно используется для хранения несжатых (PCM) звуковых файлов качества CD, что означает, что они могут быть большими по размеру — около 10 МБ в минуту. Эти файлы могут также содержать данные, закодированные с помощью различных кодеков, для уменьшения размера (например, перевода в формат GSM или MP3). WAV-файлы используют структуру RIFF. Этот формат наиболее хорошо сохраняет качество файлов.

.WMA — формат Microsoft Windows Media Audio. Разработан с возможностями управления цифровыми правами (DRM) для защиты от копирования. Ранее был распространен так же широко, как формат OGG или MP3.

.WV — формат, созданный для видео в формате HTML5.

Для аудиокниг

.AOT Audible.com — контейнер аудиокниги с низким битрейтом с DRM, содержащий аудио, закодированное как MP3 или ACELP-речевой кодек.

.M4B — расширение аудиокниги/подкаста с кодировкой AAC или ALAC в контейнере MPEG-4. Оба формата могут содержать метаданные, включая маркеры глав, изображения и гиперссылки. Кроме того, M4B допускает «закладки» (запоминание последнего места прослушивания), в то время как M4A этого не делает.

Разработанные для определенной цели

.ACT — это сжатый аудиоформат ADPCM до 8 кбит/с. В нем происходит запись с большинства китайских MP3- и MP4-плееров и диктофонов.

.AU — стандартный формат аудиофайла, используемый Sun, Unix и Java. Аудио в файлах AU может быть в виде PCM или же сжатым с помощью кодеков μ-law, a-law или G729.

.AWB (AMR-WB) — аудио, используемое в основном для речи, аналогично спецификации ITU-T G.722.2.

.DCT – его использует программное обеспечение NCH. Это формат переменных кодеков, предназначенных для диктовки. Он имеет информацию заголовка диктовки и может быть зашифрован (как того требуют медицинские законы конфиденциальности). Можно также сказать, что это проприетарный формат программного обеспечения NCH.

.DSS — файлы Olympus DSS являются собственными форматами Olympus. Это довольно старый и плохой кодек. GSM или MP3, как правило, предпочтительнее, если их позволяет использовать рекордер. Это дает возможность хранить дополнительные данные в заголовке файла.

.DVF — это собственный формат Sony для сжатых голосовых файлов, обычно используемый диктофонами этой компании.

.GSM — разработанный для использования в телефонии в Европе. Это лучший аудио-формат для качественного звучания голоса по телефону. Хороший компромисс между размером и качеством файла. Также стоит отметить, что WAV-файлы иногда могут быть закодированы с помощью кодека GSM.

.MSV — собственный формат Sony для сжатых голосовых файлов Memory Stick.

Интернет-форматы

.FLAC — формат файла для Free Lossless Audio Codec, кодек сжатия аудио без потерь качества.

.IKLAX – это многодорожечный цифровой аудиоформат, позволяющий выполнять различные действия с музыкальными данными, например, при размешивании и компоновке томов.

.IVS — проприетарная версия с Digital Rights Management, разработанная компанией 3D Solar UK Ltd для использования в музыке, загружаемой из музыкального магазина Tronme, а также для интерактивной музыки и видеоплеера.

.OPUS (Internet Engineering Task Force) — формат сжатия аудиоданных с потерями качества, разработанный рабочей группой Internet Engineering Task Force (IETF) и созданный специально для интерактивных приложений реального времени через интернет. Представлен в качестве открытого типа, стандартизованного с помощью RFC 6716, его эталонная реализация предоставляется в соответствии с лицензией BSD на 3 раздела.

.RA, .RM — формат Real Audio, предназначенный для потоковой передачи звука через интернет. При этом .RA позволяет хранить файлы в автономном режиме на компьютере со всеми аудиоданными, содержащимися в самом файле. Программы для аудио-форматов этого типа в настоящее время считаются устаревшими.

Наиболее редкие

.RAW — необработанный файл может содержать аудио в любом формате, но обычно используется с аудиоданными PCM. Он используется редко, за исключением технических испытаний.

.SLN – утвержденный линейный формат PCM, используемый Asterisk. До версии v.10, стандартными типами аудио были 16-битные Signed Linea.

.Vox- чаще всего использует кодек Dialogic ADPCM (Adaptive Differential Pulse Code Modulation). Подобно другим форматам ADPCM, он сжимает данные до 4 бит. Файлы формата Vox подобны волновым файлам, за исключением того, что они не содержат информации о самом файле, поэтому форматы воспроизведения аудио могут отличаться. Для этого понадобится сначала указать частоту дискретизации кодека и количество каналов.

MP3, AAC, WAV, FLAC: рассказываем обо всех форматах аудиофайлов

Сохранить и прочитать потом —

Организуя свою коллекцию цифровой музыки, можно утонуть в разнообразии форматов аудиофайлов. Почти каждый слышал об MP3, но что такое OGG, AIFF или MQA?

Если по прочтении списка у вас возникло подозрение, что все эти форматы для получения таких шикарных аббревиатур учились в разных университетах, мы поможем развеять его. В этом материале будет прояснена суть некоторых популярных музыкальных форматов, разница между ними и то, почему это важно знать.

Что бы вы ни слушали – MP3-файлы с низким битрейтом, чуть более качественные треки в AAC или Hi-Res-аудио во FLAC или WAV – настало время разобраться в том, что именно вы получаете в каждом случае и как выбрать оптимальный формат.

Давайте оценим плюсы и минусы каждого из них.

Краткий обзор форматов файлов и кодеков

Чтобы не ходить вокруг да около, вначале мы приведем краткую памятку по всем форматам файлов и различиям между ними. Если захотите узнать больше, ниже вы найдете более подробное описание различий в размерах, качестве звука и совместимости.

AAC (не является форматом Hi-Res-аудио). Ставшая популярной благодаря Apple альтернатива формату MP3. Со сжатием и потерями, но с более высоким качеством звука. Используется для скачивания с iTunes и трансляции с Apple Music.

AIFF (Hi-Res). Альтернатива WAV от Apple с более полными метаданными. Не особенно популярный формат без сжатия и потерь с файлами большого размера.

DSD (Hi-Res). Однобитный формат, применяемый в Super Audio CD. Существует в вариантах с частотой дискретизации 2,8 МГц, 5,6 МГц и 11,2 МГц. Из-за использования кодека высокого качества в настоящее время не применяется для стриминга. Формат без сжатия.

FLAC (Hi-Res). Формат со сжатием без потерь с поддержкой частот дискретизации, совместимых с Hi-Res, и хранением метаданных; размер файлов вдвое меньше, чем у WAV. Благодаря отсутствию лицензионных отчислений считается лучшим форматом для скачивания и хранения альбомов в Hi-Res-аудио. Его главный недостаток – отсутствие поддержки устройствами Apple (и, следовательно, несовместимость с iTunes).

MP3 (не является форматом Hi-Res-аудио). Популярный формат со сжатием и потерями с малым размером файла и далеко не самым высоким качеством звучания. Удобен для хранения музыки на смартфонах и плеерах iPod.

MQA (Hi-Res). Формат со сжатием для хранения Hi-Res-файлов в более удобной для стриминга форме. Используется сервисом Tidal Masters для трансляций Hi-Res-аудио.

OGG (не является форматом Hi-Res-аудио). Иногда называется полным именем – Ogg Vorbis. Альтернатива MP3 и AAC с открытым кодом, не подпадающая под действие патентов. Этот формат с битрейтом 320 кбит/с используется в трансляциях Spotify.

WAV (Hi-Res). Стандартный формат, в котором записаны все CD. Отличное качество звука, но огромный размер файлов из-за отсутствия сжатия. Слабая поддержка метаданных (обложек, названий песен и исполнителей).

WMA Lossless (Hi-Res). Версия Windows Media Audio без сжатия, поддержку которой уже не часто можно встретить в смартфонах и планшетах.

Аудиофайлы со сжатием и без него

Вначале рассмотрим три категории, в которые можно сгруппировать все форматы аудиофайлов. Они определяются степенью сжатия данных и связанным с ним уровнем потерь качества звучания.

Если для сжатия аудио в вашем файле не применялся специальный алгоритм (или кодек), это приведет к двойному результату: во-первых, потерь качества звучания не будет, во-вторых, место на вашем жестком диске скоро закончится.

По своей сути запись в формате без сжатия полностью соответствует оригинальному аудиофайлу, в котором зафиксированы в цифровом представлении реальные звуковые сигналы.

WAV и AIFF можно назвать самыми популярными форматами аудиофайлов без сжатия. Оба они основаны на PCM (Pulse Code Modulation, импульсно-кодовой модуляции), широко известном механизме непосредственного преобразования аудиосигнала в цифровую форму. В WAV и в AIFF применяются схожие технологии, но методы хранения данных несколько различаются. В этих форматах можно записывать как файлы CD-качества, так и более высокого разрешения.

Формат WAV был разработан Microsoft и IBM, в силу чего применяется на платформах на базе Windows; он является стандартным форматом записи компакт-дисков.

Формат AIFF создан компанией Apple как альтернатива WAV; и хотя AIFF-файлы менее распространены, они обеспечивают более полную поддержку метаданных, позволяя хранить обложки альбомов, названия песен и тому подобную информацию.

Недостаток этих форматов – требование гигантских объемов памяти. Файлы CD-качества (16 бит, 44,1 кГц) занимают около 10 МБ дискового пространства на минуту звучания.

ALAC, FLAC, WMA Lossless: аудиоформаты без потерь

Все мы любим FLAC. Формат без потерь, файлы во FLAC (Free Lossless Audio Codec, бесплатный аудиокодек без потерь) по размеру почти вдвое меньше, чем в WAV или AIFF без сжатия с эквивалентной частотой дискретизации, однако в плане звучания никаких потерь качества не заметно. FLAC также поддерживает более высокое разрешение по сравнению с CD-качеством – до 32 бит и 192 кГц.

Помимо FLAC, есть и другие форматы без потерь – ALAC (Apple Lossless) и WMA Lossless (Windows Media Audio). Первый представляет собой отличную альтернативу для iOS и iTunes, хотя размер файлов чуть выше, чем у FLAC. Не все смартфоны и планшеты поддерживают его.

AAC и MP3: аудиоформаты с потерями

Кто не слышал про MP3? Все про него слышали. Этот самый распространенный аудиоформат удобен для хранения музыки на плеерах iPod или планшетах и поддерживается практически любыми устройствами. Однако для этого приходится жертвовать значительным объемом информации. Для того чтобы уменьшить размеры файлов на порядок по сравнению с записями в CD-качестве, необходимо отбросить значительный процент исходных данных, что приводит к потере качества звучания.

Битрейт, с которым записан MP3-файл, тоже влияет на качество звука. MP3 с битрейтом 128 кбит/с теряют больше информации, чем файлы с 320 кбит/с (это расшифровывается как «килобит в секунду», где каждый «бит», в сущности, представляет собой крохотный кусочек песни). Учитывая резкое снижение стоимости памяти, в наше время нет никаких причин слушать файлы с битрейтом 128 кбит/с; MP3 с 320 кбит/с имеют смысл при ограниченном объеме памяти, они также остаются стандартным форматом для скачивания файлов Интернет-магазинов.

Еще один формат с потерями, AAC (Advanced Audio Coding, усовершенствованное кодирование звука), также предполагает сжатие, как и MP3, но благодаря несколько более эффективным алгоритмам обеспечивает более качественный звук. AAC используется для скачивания с iTunes и трансляций с Apple Music (с битрейтом 256 кбит/с), а также в передачах с YouTube.

Формат Vorbis, нередко называемый Ogg Vorbis, чтобы подчеркнуть использование контейнера Ogg, представляет собой альтернативу MP3 и AAC с открытым кодом, не подпадающую под действие патентов. Этот формат с битрейтом 320 кбит/с используется в трансляциях Spotify.

Если вы планируете использовать форматы с потерей информации, учитывайте следующий факт: повышение числа «бит» обычно ведет к росту качества звучания, однако оно во многом зависит от эффективности кодека, с помощью которого выполняется преобразование файла. Если большая часть музыки в вашей коллекции закодирована с битрейтом 128 Кбит/с, то вы могли заметить, что, несмотря на принципиальное сходство звучания, из-за низкой эффективности кодека MP3-файлы, скорее всего, будут слушаться несколько хуже AAC или Ogg Vorbis.

Как насчет музыки в высоком разрешении?

В отличие от HD-видео, для аудио высокого разрешения пока не разработано универсального стандарта.

Если не вдаваться в подробности, под этим термином обычно понимаются записи с более высокой частотой дискретизации и/или разрядностью, чем у CD (т.е. 16 бит/44,1 кГц). Примерами Hi-Res-аудио могут служить файлы с параметрами 16 бит/96 кГц или 24 бит/192 кГц.

Благодаря наличию дополнительной аудиоинформации Hi-Res-файлы звучат намного лучше в сравнении с компрессированными файлами, теряющими эту информацию в процессе сжатия. Эти форматы требуют больше места на диске, но их качество определенно стоит таких затрат.

К Hi-Res-аудио относятся форматы без сжатия, такие как AIFF и WAV, а также без потерь – FLAC и ALAC. DSD (отчасти нишевый формат, применявшийся в Super Audio CD) также входит в категорию Hi-Res-аудио, но его поддерживает гораздо меньшее число устройств. Если говорить о стриминге, то такие сервисы, как Tidal Masters, используют упаковщик MQA, позволяющий передавать по сетям файлы в высоком разрешении с использованием минимально возможной полосы пропускания сигнала.

Что касается воспроизведения форматов Hi-Res-аудио, то сегодня его поддерживает уже немало устройств. 24-разрядные файлы способны проигрывать беспроводные колонки Denon HEOS, а также портативные музыкальные плееры премиум-класса – такие как Cowon Plenue D2 и Astell & Kern A&norma SR15.

Кроме того, с Hi-Res-аудио совместимы большинство флагманских моделей смартфонов под Android – например, удостоенный высших оценок Samsung Galaxy S10+ – однако прослушать их на новеньком iPhone вам сходу не удастся. Мы нашли способы обойти это ограничение, но нельзя забывать о том, что файлы Hi-Res-аудио пока еще не настолько компактны, как их аналоги в форматах с потерями.

Какой аудиоформат будет лучшим для вас?

Выбор формата зависит от того, что вас больше волнует – объем памяти или качество звучания – а также от того, с каким устройством вы намерены его использовать.

Популярность MP3 сложилась в эпоху, когда стоимость дискового пространства была очень высока. Сегодня смартфоны, музыкальные плееры и ноутбуки оснащаются памятью внушительного объема, так что есть смысл обратить внимание на форматы с качеством выше, чем у CD.

Если же вы решили архивировать свои аудиофайлы, FLAC или другой формат без потерь может стать неплохим вариантом. Они представляют собой удачный компромисс между уровнем сжатия и качеством звучания, позволяя слушать высококачественную цифровую музыку и сэкономить дисковое пространство. Только не забудьте проверить совместимость выбранного формата и имеющихся устройств.

Вся техника была протестирована в специальных комнатах «What Hi-Fi?»
https://www.whathifi.com/news/about-us

Подготовлено по материалам портала «What Hi-Fi?», март 2020 г.