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[音乐工具] 低数据速率有损压缩编码横向测试——MP3、VQF、WMA与mp3pro的大比拼
zyb1020@2002-10-24 00:06
本文发表在2001年第九期《电脑自做》杂志
从90年代初期至今，有损音频编码历经了一个发展的黄金时期，广受好评的mp3编码方案就是在这段时期内发展壮大并成为电脑用户最受欢迎的数码音频产品的，它以128kbps的数据速率达到可以接受的音质，得到了绝大多数用户的认可，随着互联网和随身数码音频设备的发展，用户要求更高音质更高压缩比的呼声也越来越高，在之后出现了NTT(Nippon Telegraph and Telephone)的TwinVQ(Transform-domain Weighted INterleave Vector Quantization，文件扩展名为VQF)和微软WMA(Windows Media Audio，ASF也就是这种格式)为代表的有损音频矢量编码技术，在低数据速率的条件下可以达到比mp3更好的效果，迅速冲击了mp3的固有市场，mp3几乎无还手之力。
最为用户最为接受的mp3编码，在低数据速率下的无力也许成了无奈，因为在128kbps以下的数据速率，mp3根本无法让人接受，更不要说与相同数据速率的VQF和WMA来媲美了。
2001年，美国汤姆森多媒体公司(Thomson Multimedia SA)与佛朗赫弗协会(Fraunhofer Institute)于6月14日发布了一种新的音乐格式版本，名称为mp3PRO，这是一种基于mp3编码技术的改良方案，从官方公布的特征看来确实相当吸引人。
从各方面的资料显示，mp3PRO并不是一种全新的格式，完全是基于传统mp3编码技术的一种改良，本身最大的技术亮点就在于SBR（Spectral Band Replication 频段复制），这是一种新的音频编码增强算法。它提供了改善低位率情况下音频和语音编码的性能的可能。这种方法可在指定的位率下增加音频的带宽或改善编码效率。SBR最大的优势就是在低数据速率下实现非常高效的编码，与传统的编码技术不同的是，SBR更像是一种后处理技术，因此解码器的算法的优劣直接影响到音质的好坏。高频实际上是由解码器（播放器）产生的，SBR编码的数据更像是一种产生高频的命令集，或者称为指导性的信号源，这有点像midi的工作方式。到了这里，我们可以看到，mp3PRO其实是一种mp3信号流和SBR信号流的混合数据流编码。有关资料显示，SBR技术可以改善低数据流量下的高频音质，改善程度约为30%，我们不管这个30%是如何得来的，但可以事先预知这种改善可以让64kbps的mp3达到128kbps的mp3的音质水平（注：在相同的编码条件下，数据速率的提升和音质的提升不是成正比的，至少人耳听觉上是这样的），这和官方声称的64kbps的mp3PRO可以媲美128kbps的mp3的宣传基本是吻合的。如果在高数据速率的情况下，SBR将如同虚设，目前我们还无法用实际操作来证明后面这个推测是否正确，但理论上和SBR的适用性至少可以证明我们的推测不会太离谱。通过仔细设计的兼容特性，mp3PRO的编码让mp3音频信号流和SBR音频信号流完全独立，传统的解码器仍旧可以捕捉到其中的mp3信号流进行解码，而忽略SBR信号流，只是效果和普通64kbps的mp3没什么两样，新的mp3PRO解码器则可以完整的解码所有音频信号流，当然也可以解码传统技术编码的mp3。
看来我们有必要比较一下mp3、mp3PRO、VQF和WMA在低数据速率，究竟谁是真正的音质霸王。我们从网络收集了如下软件作为对比测试：
编码器类：
1、LAME 3.89beta：广受好评的mp3编码器，支持VBR、ABR等mp3优化技术，在较高数据速率的条件下，可以做到非常接近CD的音质，我们使用LAME来做一个用于参考对比的MP3文件。
2、YAMAHA SoundVQ Encoder Ver2.60b5e：YAMAHA公司推出的TwinVQ(VQF)的编码器。
3、Windows Media 8 Encoding Utility：微软公司推出的Windows Media Audio编码器，相对上一个版本有不小的改进。和VQF一样，创造了音质和容量的更佳的结合，由于是微软的作品，实力绝对不可小觑。
4、RCA mp3PRO Audio Player：这是一个mp3PRO的编码器和播放器，支持最新的mp3PRO的编码和解码。也是目前唯一支持mp3PRO编码解码的程序。
播放器类：
1、WinAmp .2.72：不用多介绍，最流行的mp3播放器，也可以通过插件支持其他格式。再本例中我们使用她播放作为参考用的mp3。
2、Windows Media Player 6.2：微软的媒体播放器，支持几乎所有音频视频格式，由于是微软的播放器，我们相信她可以把WMA的优势全部发挥出来。
3、YAMAHA SoundVQ Player 2.60 Beta 1：YAMAHA公司推出的专门用于播放TwinVQ(VQF)的播放器。
辅助工具类：
1、WinLAMEr：由于LAME是一个COMMAND LINE的程序，操作繁琐，我们使用WinLAMEr这个LAME的外壳控制程序来操作
2、Windows Media Encoder 8 GUI 1.4：和LAME一样，Windows Media 8 Encoding Utility竟然也是一个COMMAND LINE程序，这和微软历来的做法完全不一样，操作繁琐之至，我们使用Windows Media Encoder 8 GUI 1.4代替烦人的手工输入。
3、Cool Edit 2000：最常用的音频编辑软件，功能实用，能够满足日常大部分的音频编辑要求，在这个例子中我们将她当作一个示波器使用，用于检测编码前后的频谱变化。
采样：
由于有损压缩对高频的损失比较大，因此我们要求采样的高频要丰满点，由于只是测试低数据速率，我们不必要求采样的细节需要非常丰富，动态也不比要求很大，因为这些编码本身就不是为真正的高保真而设计的。我们从Enigma的MCMXCa.D专辑中截取了一段采样，并做成可以无逢循环播出的音乐段。这个采样已经超过很多通俗音乐的录制水准了。这段采样的长度为1分10秒，最大特点就是高频饱满。
最后来看看我们使用的音频子系统的情况：
功放：短歌行子衿功放，在音源设备不输入噪声的情况下听不到可闻噪声
音箱：短歌行自制音箱，使用了Wizard的钛膜高音单元，高音细节表现无遗。
声卡：和Soundblaster Live!。
接下来开始进入测试环节，得到如下几个文件：
文件名 文件大小（字节） 所用的编码器
Loop_Enigma.WAV 12,479,132 EAC抓轨并用CoolEidt2000剪辑
Loop_Enigma.wma 577,046 Windows Media 8 Encoding Utility
Loop_Enigma.mp3 566,125 LAME
Loop_Enigma_64.vqf 565,164 YAMAHA SoundVQ Encoder
Loop_Enigma_pro.mp3 566,672 RCA mp3PRO Audio Player
我们并没有急于马上给出一个音质评定，我们使用了CoolEidt2000来录制实际播放中的波形，然后查看它们各自的频谱，虽然在录制过程中会受到声卡芯片的噪声干扰，但由于Live!所采用的芯片在这方面非常优秀，我们仅仅检测到了-105dB左右的噪声，在这个要求不是非常严格的测试中，完全可以忽略不计。我们测试到频谱分别为：
这是用LAME编码的64kbps的mp3的频谱，8000Hz以上的信息被丢失得一干二净。根本就不要谈什么高频的表现，因为高频信号几乎全没了。
这是用YAMAHA SoundVQ Encoder编码的VQF的频谱，可以看到，信息保留得明显比mp3的要多，在11000Hz处才发生信息丢失现象。
这是使用Windows Media 8 Encoding Utility编码的WMA的频谱，看到这个频谱，都感到有点不可思议，仅仅64kbps的数据速率，在13000-20000Hz频率段竟然保留了保留部分信息。可以看到13000-20000Hz的信息衰减是有规律的。WMA和VQF一样，都运用了音频矢量算法，但微软的算法明显的要比NTT的要高明许多。
这是RCA mp3PRO Audio Player的杰作，相当精彩，比WMA更让人吃惊，我们以前曾经测试过很多mp3编码器，其频谱基本都是在16000Hz处一刀砍，而我们现在看到的，仅仅只有64kbps的mp3PRO的频谱居然保留了部分16000-20000Hz的信号，不能不为mp3PRO叫好，mp3通过嫁接SBR后，在低数据速率下获得完全的新生，让人诧异不已。
到此时，结果很显然了，mp3PRO要优秀很多。当然，我们仍旧要继续我们下面的听音测试。
1、mp3：虽然采用了最受好评的LAME来编码，但也逃不过难以忍受的评价，没有高频，低频也完全变味道了，鼓声好像成了沙锤似的，感觉就像是PC喇叭发出的音乐声而已，实在是惨不忍听，如果一定要给予一个评价的话，也最多是说mp3在64kbps下可以纪录下旋律而已。
2、VQF：刚听完mp3，然后切换到VQF，感觉音质得到了质的飞跃，低频要有力一些，至少不是发出象沙锤那样的声音，只是比较闷一点，高频也要丰满许多，但原始采样的高亢远远没有表现出来，如果要量化对比数据的话，我们认为64kpbs的VQF大致相当于96kbps的mp3的音质。
3、WMA：微软在发布Windows Media 8 Encoding Utility时就向全世界人民吹了一个天大的牛皮，微软声称：WMA可以在64kbps的数据速率下获得接近CD的音质。但我们从频谱上看到，微软的WMA在低数据速率下表现的非常不错，但这个牛皮还是破了。从实际听音而言，WMA的表现远远好于MP3和VQF，在高频的表现上，MP3和VQF差太多了，但低频却不是这样了，不知道微软采用了什么方式来矢量化数据，64kbps的WMA的低频表现实在有点令人失望，感觉被加入了哇声效果般，感觉非常不好，虽然比mp3的要好但比VQF的要差多了。就整体表现而言，WMA的表现要优于前两者。基本接近128kbps mp3的音质水平，但只是接近，没有达到。
4、mp3PRO：作为mp3的改良版本的mp3PRO表现出了相当不错的素质，高音丰满，虽然mp3PRO是通过SBR技术在播放过程中插入的，但实际听感相当不错，虽然显得有点单薄，但在64kbps的世界里已经没有对手了，甚至超过了128kbps的mp3，但很遗憾的是，mp3PRO的低频表现也象mp3一样的破，所幸的是，SBR的高频插值可以或多或少的掩盖掉这个缺陷，因此mp3PRO的低频弱势反而不如WMA那么明显。大家可以在使用RCA mp3PRO Audio Player的PRO开关来切换PRO模式和普通模式时深深的感觉到。整体而言，64kbps的mp3PRO达到了128kbps的mp3的音质水平，在高频部分还略有胜出。
回顾最近几年的音频编码的市场争夺战，可以发现一种叫做流媒体的概念在悄悄兴起，最基本的要求就是要求文件可以边读边放，随着这个概念的兴起，VQF被逐渐淘汰，虽然mp3具备流媒体的基本特征，但苦于低数据速率下的劣质表现而无法称雄于网络，WMA正是在这个空隙中生存并壮大，mp3PRO的出现，使得mp3家族的这个空白被填补，只要用户和网络服务商的支持，mp3PRO使用于网络实时广播传递的那一天将会到来，更高品质的实时音乐欣赏的美景会呈现在我们面前，祝mp3PRO走好！
DQCAT@2002-10-24 00:29
怎么没ogg??
早前，在德国一个6000多人，以64k-128k的测试。
结果ogg胜了，连wma9(beta)，mp3pro也不敌，真利害。
最近的的游戏ut20003是使用ogg的64kbit，真的很吓人。
最重要ogg是公开的免费格式。
winmx也预设ogg的搜寻。
MIB@2002-10-24 16:20
以楼主的四种格式来说是MP3pro最好，但是没有其它厂商支持的新技术是很难推广的，何况与微软作对都没有好结果！以发展的眼光来看，现在微软wmp9正式版呼之欲出，而可以支持mp3pro的播放器除了那一款外我还没看到过，而且也很久没更新了，再加上使用mp3pro技术是要交使用费的，所以谁最强就不言自明了。
DQCAT@2002-10-26 10:26
iRiver以表示在新版的firmware会支援ogg。
相信将来推出的大部份mp3 player也会支援。
况且现在大部份软件也支援ogg。只是你没留意。
ogg能站稳阵脚，以是铁定的事。
akari_layrio@2002-10-27 11:10
支持ogg。
toshiki@2002-10-27 12:19
怎么没有Sony的Omg???那个才是最好的，MD用的用的压缩方法。ATRAC3呀！
cec_ng@2002-10-27 15:55
我絕對支持ogg，因為是公开的免费格式。
mayaer@2002-11-04 11:28
原來如此
powerkkk@2002-11-04 18:28
我比较喜欢MP3PRO格式的音乐....另外OGG的确很强的,但是不普及,主要是大家没有习惯的关系吧我想..
jianch@2002-11-15 16:22
看了上面各位讲的，我也看好ogg啦～～
catking@2002-11-17 13:06
thank you
seekuface@2004-01-30 16:30
楼主为什么没有用光纤输出，光纤输出应该比较普通音频输出更能体现噪声的情况，另外在大BPS和VBR的情况下各种声音格式的对比也没有给出，希望下回能够做得更好一些。你以上比较的可以说只对用MP3播放器（32M或64M）的比较有用。
黑羽仓叶@2004-01-30 23:36
我说句实话,WMA简直惨不忍听,曾经一个同学用MP3机放WMA给我听,简直是......
如果你是一个音乐爱好者,还是听CD和MD吧,听MP3会让你自杀的
Kyo.Tokio@2004-02-08 00:49
说真的这贴已经很老了，现在最强的是MPC，没有版权问题，完全share的精神，还有超越320K MP3的实力。
april416@2004-02-15 11:43
ogg是很棒啦
雖然mp3是比較差，但它是最方便的喔
wma...在mp3機聽會死的
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