El MPEG Layer 3 (MP3)

Hoy en día las técnicas eficientes de codificación son una necesidad en el proceso de digitalizacion de audio y vídeo en computadoras.

La reducción y compresión del vídeo y del sonido son una tecnología importante para cualquier aplicación, con limitaciones en la transmisión y almacenamiento.

En los últimos años se ha alcanzado mucho progreso. Existen todavía muchos formatos para codificación de audio y vídeo. El cuerpo de estanadarización de la ISO/IEC ha establecido una norma internacional con herramientas poderosas para la codificación de audio y vídeo.

Sin reducción de datos, la señales digitales de audio típicas consisten en muestras de 16 bits, muestradeas a dos veces el ancho de banda del audio. Así usted pude llegar a ver que más de 1400Kbit representan solo un segundo de música estéreo con calidad de CD. Pero comprimir el sonido original por un factor de 12, sin perder la calidad del sonido; Con factores de 24 e incluso mas todavía se mantiene una calidad de sonido mejor que la que se obtendría reduciendo la rata de muestreo a la resolución de ellas. Básicamente esta se realiza por medio de técnicas de codificación perceptual, direccionadas por la percepción de las ondas de audio que capta el oído humano.

Algunos datos de reducción típico con MPEG son:

1:4

  Layer 1 (corresponde a 384 kbps para señales estéreo)

1:6...1:8

  Layer 2 (corresponde a 256..192 kbps para señales estéreo)
1:10...1:12   Layer 3 (corresponde a 128..112 kbps para señales estéreo)

Esta tabla indica parámetros manteniendo la calidad de un CD.

De lado a los efectos del estéreo y a las limitaciones del ancho de banda, los esquemas de codificación deben alcanzar sonidos con calidad, incluso para bajas ratas de bits. Layer 3 es uno de los mas poderosos miembros de la familia de codificación de audio MPEG.
Para dar un nivel de calidad de sonido se requiere del mas bajo bitrate, o para un bitrate dado, este alcanza a la mas alta calidad de sonido.

Algunos radios de compresion del Layer 3 son:

Calidad de Sonido Ancho
de Banda
Canales Taza de Bits Taza de
 Reducción
Audio Telefónico 2.5 kHz mono 8 kbps 96:1
Mejor que Onda Corta 4.5 kHz mono 16 kbps 48:1
Mejor que Radio AM 7.5 kHz mono 32 kbps 24:1
Similar a Radio FM 11 kHz estéreo 56...64 kbps 26...24:1
Cercano al CD-Audio 15 kHz estéreo 96 kbps 16:1
CD-Audio >15 kHz estéreo 112..128kbps 14..12:1

Aplicaciones del Mpeg layer 3, Para que es bueno?

Las tecnología layer 3 tiene un gran espectro de aplicaciones, prácticamente cualquier sistema con una capacidad limitada en sus canales se ve beneficiado con esta tecnología.

Aplicaciones de layer 3.

En 1992, en radio FFN (una emisora privada en Nidersachen, Alemania) reemplazaron las líneas telefónicas por ISDN y codificadores de Layer 3. Este cambio les retribuyó mas de US $ 300.000 al año.

Uno del los primeros ensayos en el mundo fue cuando se uso en todas las estaciones privadas de Alemania los codificadores Layer 3 para la transmisión de los olímpicos.

Internet es una red mundial de cambio de información entre computadoras. Esta se une por varios sistemas desde el ISDN con 2Mbps o ATM con hasta 2Gbps. Sin embargo la mayoría de consumidores se conecta a Interner por medio de la red telefónica con modems de 28.8Kbps o menores, esto sin tener en cuenta que la comunicación nunca es estable, es decir que la velocidad 28.8Kbps nunca es lograda.
Si no existiera la compresión de audio, la transferencia de un archivo de audio de 3 minutos stereo con calidad de CD usando Internet podría durar por lo menos 2 horas.

En septiembre de 1996, Telos y Apple introdujeron el Audio Active, el cual transmite el sonido de emisoras en tiempo real vía Internet, esto se logra utilizando codificadores y decodificadores que usan el Mpeg Layer 3. El codificador es un Hardware que se encuentra conectado a la emisora, y el decodificador es un software que se encuentra en el PC de destino.

En 1996 microsoft decide apoyar al Layer 3 introduciéndolo en su Netshow.

Con la aparición de los pentium el decodificador del Layer 3 se hizo una realidad para el uso en un PC, esto permite escuchar música con calidad de CD en tu PC a cambio de muy poca memoria (en un disco duro de 1.2GB caben 122 minutos de música estéreo con calidad de CD, por lo menos 40 temas musicales).

Reproductores de layer 3 en tiempo real

Gracias a la tecnología de los actuales procesadores se a podido desarrollar software capáz de reproducir en tiempo real un archivo comprimido por el Layer 3.

Funcionamiento de los reproductores dependiendo del procesador.

  Pentium 486DX4-133 486DX2-66 486DX-50 486DX-33
MPEG-1 stereo

SI

SI

NO NO NO
MPEG-1 downmix

SI

SI SI NO NO
MPEG-1 mono

SI

SI SI SI NO
MPEG-2 stereo

SI

SI SI SI NO
MPEG-2 downmix

SI

SI SI SI SI
MPEG-2 mono

SI

SI SI SI SI

Un reproductor de layer 3 consume menos del 30% del la capacidad de la CPU de un pentium de 90MHz para decodificar un archivo MP3 de calidad de CD ó cerca del 5% para reproducir un archivo mono con calidad de AM.
Para mejor calidad de audio se recomienda una tarjeta de audio de 16 bits y 1Mbyte libre de disco duro, esto para compensar la poca capacidad de los buffers de la multimedia.

GENERALIDADES DEL MPEG 3 AUDIO LAYER

El layer 3 es una herramienta muy poderosa, es la clave para muchas aplicaciones, es un esquema de audio codificado, que explota las propiedades del oído humano, y trata de mantener la calidad original del sonido al máximo, en contraste con una codificación de voz la cual explota las propiedades de la voz humana, tratando de mantener la inteligibilidad de las señales de voz al máximo.
El layer 3 es un poderoso esquema de codificación de audio que hace parte del estándar de MPEG, pero no se deben mezclar ambos términos, por que layer es solo una parte de MPEG.
MPEG describe la compresión de señales usando esquemas de codificación, especificada por tres diferentes esquemas que son simplemente llamados, layer1, layer2, y layer3, desde el layer1 hasta el layer3 la complejidad del codificador y la ejecución (calidad del sonido) aumentan. Además lo que se pretende con esto es que a medida que se avanza en un codificador, este sea capaz de reproducir los anteriores, esto es que el layer3 sea capaz de reproducir layer 1 y 2 también.
Pero que tienen en común los tres layers, tienen en común que utilizan la misma estructura básica, el código del codificador puede ser descrito como un código transformador que analiza el espectro de las señales de audio y le aplica un modelo de cuantización, con el cual trata de enmascarar la información.
El decodificador es mucho más sencillo, este trata de sintetizar las componentes de audio que no están en las componentes del espectro codificadas, además en el layer 3 se agrega un elemento que aumenta la resolución en la frecuencia.
Además todos los layer usan la misma información de cabecera, para ser consecuentes con las recomendaciones establecidas por los organismos internacionales.
Pero los layers se diferencian por que la complejidad del código, este aumenta a medida que el layer aumenta, pero esto los hace mas robustos en información, permitiendo una mayor versatilidad y mayor manejo de información, la resolución aumenta lo que hace que haya una mayor fidelidad en la reproducción, pero a su vez esto trae como consecuencia un retardo en la reproducción.