MPEG-1/2 Audio Layer 3

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Le MPEG-1/2 Audio Layer 3, plus connu sous son abréviation de MP3, est la spécification sonore du standard MPEG-1, du Moving Picture Experts Group (MPEG). C'est un algorithme de compression audio (voir aussi codec) capable de réduire drastiquement la quantité de données nécessaire pour restituer de l'audio, mais qui, pour l'auditeur, ressemble à une reproduction du son original non compressé, c'est-à-dire avec perte de qualité sonore significative mais acceptable pour l'oreille humaine. L'extension de nom de fichier est .mp3 et le type MIME est audio/mpeg[1]. Ce type de fichier est appelé « fichier MP3 ».

Un fichier MP3 n'est soumis à aucune mesure technique de protection (cf. gestion numérique des droits).

Un lecteur de MP3 portable
Un lecteur de MP3 portable

Sommaire

[modifier] Histoire

Le codage MPEG-1/2 Layer 2 est né avec le projet Digital Audio Broadcasting (radio numérique DAB) qui fut lancé par le Deutsche Luft und Raumfahrt. Ce projet a été financé par l'Union européenne, et faisait partie du programme de recherche EUREKA, plus connu sous le nom de EU-147.

Le projet EU-147 exista de 1987 à 1994. En 1991, deux formats étaient disponibles :

  • MUSICAM (Masking pattern adapted Universal Subband Coding And Multiplexing), basé sur un pur codage psycho-acoustique et un banc de filtres adaptés aux sons de type percussifs ;
  • ASPEC (Adaptive Spectral Perceptual Entropy Coding), qui introduisait la technologie de codage entropique.

Le format Musicam conçu par le CCETT, Philips et l'IRT fut choisi par l'ISO MPEG Audio dirigé par Hans-Georg Mussman en raison de sa structuration modulaire en plusieurs couches de codage [Layers], sa simplicité de mise en œuvre côté décodeur et sa grande tolérance aux erreurs de transmission.

À la demande de Hans-Georg Mussman, un groupe de travail regroupant Leon Van de Kerkhof (Philips), Yves-François Dehery (TDF-CCETT), Karlheinz Brandenburg (Fraunhofer-Gesellschaft) reprit des idées de Musicam et d'ASPEC, ajouta de nouveaux outils technologiques et créa le format MP3 (Layer III ou couche III), conçu pour être de même qualité à 128 kbit/s que le MP2 à 192 kbit/s.

La norme ISO MPEG Audio avec ses trois couches de codage Layer I, Layer II (Musicam), Layer III (.MP3) fut achevée officiellement en 1992 et constitua la première partie du MPEG-1, le premier travail du groupe MPEG, groupe à l'origine de la norme internationale ISO/CEI 11172-3, publiée en 1993. Le travail sur l'audio MPEG se termina en 1994 et constitua la seconde partie (MPEG-2) de la norme internationale ISO/CEI 13818-3, publiée pour la première fois en 1995.

Les équipes de normalisation procédèrent à de nombreux tests subjectifs en double aveugle sur de nombreux matériaux sonores pour déterminer le niveau de compression approprié pour les diverses couches de l'algorithme. On a notamment utilisé Tom's Diner, la chanson de Suzanne Vega comme séquence de test pour l'algorithme de compression du MP3. Cette chanson a été choisie à cause de sa finesse et de sa simplicité, qui facilite la détection des imperfections du codec.

[modifier] Utilisation

Ce format populaire de compression audio permet une compression approximative de 1:4 à 1:12. Un fichier audio occupe ainsi quatre à douze fois moins d'espace une fois compressé au format MP3. La réduction de taille facilite le téléchargement et le stockage de données musicales sur un support numérique, tel qu'un disque dur ou une mémoire flash.

Il a également été largement mis en œuvre en diffusion numérique dans les récepteurs T-DMB Radio dont la spécification a été adoptée par l'ETSI en 2005. En effet le MP3 appartient à la même famille de norme MPEG Audio que le MP2 utilisé en radiodiffusion numérique (TNT et T-DMB Radio). Un simple transcodage binaire du format MP2 audio diffusé au format MP3 enregistré est réalisé dans les terminaux T-DMB, autorisant ainsi la mise sur le marché de terminaux baladeurs/récepteurs audionumériques.

[modifier] Technique de codage

Le taux de compression peut être augmenté en choisissant un débit binaire (en anglais bitrate) plus faible. On considère en général qu'il faut au moins 128 ou 192 kilobits par seconde (kbit/s) pour bénéficier d'une qualité audio acceptable pour un morceau de musique. À 8 kbit/s, le son devient fortement altéré (bruits parasites non attendus, spectre "sourd", …).

  • Ce format de données utilise un système de compression partiellement destructif. Il ne retransmet pas intégralement le spectre des fréquences audio. En revanche il tente d'annuler d'abord les sons les moins perçus de façon à ce que les dégradations se fassent le moins remarquer possible. Ce n'est pas une compression à proprement parler, mais plutôt une suppression d'informations.
  • Compresser un fichier musical provenant d'un CD audio au format MP3 réduit la qualité. Il suffit de faire plusieurs essais à différents taux de compression pour constater une baisse progressive de la qualité. (Plus la compression est forte, plus le son est dégradé.)
  • Les termes commerciaux de « qualité CD » ou « qualité numérique » ne veulent rien dire. Déjà parce que le MP3 réduit la qualité (de façon plus ou moins perceptible) par principe même. Ensuite, parce que « numérique » n'est pas un critère de qualité (en numérique comme en analogique il existe différentes techniques de qualités très différentes).
  • La compression au format MP3 exploite un modèle psycho-acoustique de l'effet dit de « masque » : si deux fréquences d'intensités différentes sont présentes en même temps, l'une peut être moins perçue que l'autre selon que ces deux fréquences sont proches ou non. La modélisation de notre audition selon ce principe est au départ empirique, mais assez efficace.
  • Toutefois, si le taux de compression est trop important, on peut être amené à faire ressortir certaines harmoniques de façon non attendue. Cela donne alors l'impression de bruits parasites et désagréables au milieu du son.
  • On peut améliorer la qualité à débit moyen égal en utilisant un débit binaire variable (VBR ou Variable Bit Rate par opposition à un débit constant Constant bit rate, CBR). Dans ce cas, les instants peu complexes (contenant peu de fréquences), comme les silences par exemple, seront codés avec un débit d'information plus faible. Par exemple 64 kbit/s au lieu de 128, réduisant ainsi la taille totale du fichier tout en gardant une très bonne qualité lors des passages riches en harmoniques. L'amélioration apportée est variable selon le morceau codé.

[modifier] Taux de compression

L'efficacité de la compression des codeurs avec perte est habituellement définie par le débit binaire, puisque le taux de compression dépend de la taille de l'échantillon et de la fréquence d'échantillonnage du signal d'origine. Toutefois, les paramètres du disque compact sont souvent utilisés comme référence (44,1 kHz, 2×16 bits). Et aussi parfois, ceux du DAT SP (48 kHz, 2×16 bits). Le taux de compression pour cette référence est plus élevé, ce qui montre la complexité de la définition du terme « taux de compression » pour les codeurs avec perte.

Fraunhofer-Gesellschaft publie sur son site Web officiel les taux de compression et les débits de données pour le MPEG-1 Layer I, II et III :

  • Layer I : 384 kbit/s, compression 4:1
  • Layer II : 160..256 kbit/s, compression 6:1..10:1
  • Layer III : 112..128 kbit/s, compression 12:1..14:1

Ces valeurs ne disent pas grand-chose sur la qualité du résultat obtenu, puisque la qualité ne dépend pas seulement du format de codage du fichier, mais également de la qualité de l'algorithme psycho-acoustique utilisé par le codeur. Typiquement, les codeurs layer I utilisent un algorithme très simple, d'où un résultat nécessitant un débit supérieur pour un codage transparent.

En considérant de bons codeurs, on obtient :

  • Layer I codé à 384 kbit/s, même avec ses algorithmes psycho-acoustiques simples, est meilleur que Layer 2 à 192..256 kbit/s
  • Layer II codé à 160 ..192 kbit/s est équivalent au Compact Disc
  • Layer III codé à 112..128 kbit/s est équivalent au Layer II à 192..256 kbit/s.

Les débits présentés ne sont donc pas équivalents en terme de qualité, et les qualités ne sont pas forcément optimales. De plus, la qualité du codeur est un facteur très important. Ainsi, avec les premiers codeurs, il était généralement admis que 128 kbit/s avec le Layer III n'avait pas un son excellent, mais tout juste raisonnable. La génération de codeurs actuels permet d'obtenir un son tout à fait correct à 128 kbit/s avec le Layer III.

Si l'on est soucieux de la qualité et pas seulement du débit, on utilisera plutôt les valeurs suivantes :

  • Layer I : excellent à 384 kbit/s
  • Layer II : excellent à 256...384 kbit/s, très bon à 224...256 kbit/s, bon à 160...224 kbit/s
  • Layer III : excellent à 224...320 kbit/s, très bon à 192...224 kbit/s, bon à 128...192 kbit/s

La stéréophonie a un débit exactement deux fois supérieure à la monophonie si la qualité est identique pour ces deux modes d'écoute. Le mode stéréo joint diffère de la stéréo simple car il n'encode pas séparément les deux canaux gauche et droit si les informations sonores sont identiques, permettant un gain de qualité par rapport à la stéréo classique avec une même valeur de compression.

[modifier] Taux de compression et qualité du codage mp3Pro

Icône de détail Article détaillé : mp3PRO.

[modifier] Étiquettes

Outre le fait de stocker la musique de façon très compacte tout en conservant une qualité acceptable, le MP3 apporte une fonctionnalité rarement présente sur les formats audio qui l'ont précédé : les métadonnées (données sur les données). En clair, le fichier MP3 ne contient pas seulement la musique mais peut également apporter des informations sur celles-ci (telles que l'interprète, le titre, le nom de l'album, la pochette, les paroles ou du karaoké). Ces informations sont stockées sous forme d’étiquettes (tag en anglais) dont il existe plusieurs versions.

Le format MP3 initial ne permettait pas de stocker des étiquettes, tout au plus, il permettait de préciser certains paramètres binaires comme le fait que le morceau soit protégé ou non par copyright ou le fait qu'il s'agisse d'un original ou d'une copie.

Les étiquettes MP3 sont enregistrées au format ID3 (version 1 ou 2).

[modifier] Licence

Bien que le MP3 soit souvent perçu par l'utilisateur final comme une technologie gratuite (car il peut en effet coder ou décoder sa musique de manière tout à fait légale pour peu que l'enregistrement original lui appartienne ou qu'il soit une copie à usage privé), cette technologie fait l'objet d'une licence.

L'algorithme « MPEG-1 Layer 3 » décrit dans les standards ISO/CEI IS 11172-3 et ISO/CEI IS 13818-3 est soumis à des redevances (droits commerciaux) à Philips (entreprise néerlandaise), TDF (entreprise française), France Télécom (entreprise française), IRT (entreprise allemande), Fraunhofer IIS (entreprise allemande) et Thomson pour toute utilisation ou implantation physique (notamment sur les baladeurs MP3).

[modifier] Logiciels permettant de créer des MP3

[modifier] Environnement Windows

Lorsqu'on dispose d'un CD audio et d'un lecteur CD sur un ordinateur sous Windows, il suffit d'insérer le CD et de le lire avec le Lecteur Windows Media intégré au système d'exploitation. En cliquant sur l'onglet "Extraire", on peut très facilement transformer les fichiers audio du CD. Néanmoins, le Lecteur Windows Media est réglé par défaut pour extraire les fichiers dans WMA. Sous les premières versions de lecteur, il fallait installer un codec externe pour encoder en MP3. Depuis la version pour Windows XP, l'encodeur est intégré au lecteur, mais il faut le forcer dans le menu Outils/Options, onglet Extraire la musique, et passer outre le message d'avertissement sur les défauts de l'encodage MP3 !

Il existe des logiciels plus spécialisés offrant plus d'options et une meilleure qualité (grâce à l'encodeur LAME) tels que CDex ou EAC. Le logiciel iTunes offre de nombreuses possibilités de conversion d'un format à un autre.

[modifier] Environnement Mac OS X ou Mac OS 9

Lorsqu'on dispose d'un CD audio et d'un lecteur CD sur un ordinateur sous Mac OS X ou Mac OS 9, il suffit d'insérer le CD et de le lire avec le lecteur QuickTime intégré au système. Le contenu du CD est visible et les fichiers peuvent très facilement être extraits par un glisser-déposer avec la souris. Le fichier obtenu est au format AIFF et peut être lu avec QuickTime et encodé avec n'importe quel encodeur MP3. Le logiciel iTunes offre de nombreuses possibilités de conversion d'un format à un autre.

[modifier] Environnement Linux

  • Grip : permet de ripper un CD audio en MP3 (conçu pour l'environnement graphique GNOME, d'où le "G")
  • LAME : encodeur mp3 en mode texte à partir de fichiers audio. Peut aussi bien être utilisé très simplement qu'avec ses innombrables options (tags ID3 possibles).
  • Audacity

[modifier] Logiciels adaptés à la lecture du MP3

[modifier] Matériels adaptés à sa lecture

  • Les baladeur MP3 : ils permettent d'écouter des fichiers MP3 stockés en mémoire.
  • Les lecteurs de CD MP3 : ils permettent d'écouter des fichiers MP3 stockés sur des CD.
  • Des lecteurs DVD ou platines DivX : ils peuvent parfois (et même de plus en plus souvent) lire des fichiers MP3 sur des CD.
  • Des récepteurs de radio numérique DAB : ils peuvent parfois lire (et même de plus en plus souvent enregistrer) des fichiers MP3 sur des cartes mémoires flash.
  • Des consoles de jeux comme la PSP ou la PS3
  • Des téléphones portables commes le viewty

[modifier] Autres solutions

La popularité du format MP3 a rapidement conquis de nombreux utilisateurs à partir de la seconde moitié des années 1990 tant par sa facilité d'utilisation que par le fait que pour la première fois, elle permettait de transmettre de l'information multimédia par Internet.

Néanmoins, les limites de cette technologie aussi bien quantitativement (taux de compression donc taille des fichiers et temps de téléchargement) que qualitativement (perte de qualité par rapport à l'enregistrement non compressé, gestion des droits numériques) et/ou des considérations juridiques ont motivé plusieurs initiatives proposant d'autres formats, dont notamment le prometteur Vorbis (.ogg[2]) qui est un format ouvert (donc dégagé de tout brevet) et de meilleure qualité que le MP3.

Icône de détail Articles détaillés : Format audio et Alternatives ouvertes aux formats fermés.

[modifier] Voir aussi

[modifier] Liens internes

[modifier] Liens externes

[modifier] Notes et références

  1. ↑ Voir RFC 3003 The audio/mpeg Media Type: [1]
  2. ↑ (lorsqu'il est intégré au conteneur Ogg)