无损压缩入门

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无损压缩入门
［ 作者：李峰 http://bbs.mychat.to 点击数：2273 更新时间：2005-2-4 ］

无损压缩入门


不要纤细要丰润
完美无损压缩
探索
音频无损压缩格式大家族



对于无损压缩，不少人可能已经有所了解，因为APE无损压缩格式已经在很多媒体上介绍过了。不过可惜的是国内对无损压缩的认识也就仅限于APE格式。事实上，无损压缩格式远不止APE这一种，而且APE也不能算得上就是最好的无损压缩格式！本片将力求完整地介绍一下无损压缩格式的大家族，让大家对这个有望登陆数字随身听的格式有个全面的了解。


知识篇

一、何为无损压缩格式？

所谓无损压缩格式，顾名思义，就是毫无损失地将声音信号进行压缩的音频格式。常见的像MP3、WMA等格式都是有损压缩格式，相比于作为源的WAV 文件，它们都有相当大程度的信号丢失，这也是它们能达到10％的压缩率的根本原因。而无损压缩格式，就好比用Zip或RAR这样的压缩软件去压缩音频信号，得到的压缩格式还原成WAV文件，和作为源的WAV文件是一模一样的！但是如果用Zip或RAR来压缩WAV文件的话，必须将压缩包解压后才能播放。而无损压缩格式则能直接通过播放软件实现实时播放，使用起来和MP3等有损格式一模一样。总而言之，无损压缩格式就是能在不牺牲任何音频信号的前提下，减少WAV文件体积的格式。

二、无损压缩格式 VS 有损压缩格式

比起有损压缩格式，无损压缩格式有何优势，又存在哪些弱点呢？下面的比较应该能让你对无损压缩格式有一个清楚的认识。

无损压缩的优势:

1、100％的保存、没有任何信号丢失

正如之前所说，无损压缩格式就如同用Zip压缩文件一样，能100％的保存WAV文件的全部数据，这一点我们可以通过EAC的「WAV比较」功能来证明。将 U2乐队的一首《BeautifulDay》抓轨保存成WAV格式，作为我们的源文件。将这个WAV文件压缩成APE格式，再将APE文件解压缩成 WAV格式。用EAC的「WAV比较」功能对这两个WAV文件进行数据对比，结果如图1，EAC没有报告有任何不一致！而如果是压缩成MP3再解压得到的 WAV文件，对比原始WAV文件，则是从头到尾都不一致（如图2）！有不少朋友希望能最大限度地能将CD「原版」拷贝到硬盘上，同时又想减少空间占用量，这在以前似乎只有320KbpsCBRMP3这一种解决途径了，不过那样也远不能做到100%！而现在，无损压缩格式的出现提供了一个几乎完美的解决方案。

2、音质高，不受信号源的影响

既然是100％的保存了原始音频信号，无损压缩格式的音质毫无疑问和原始CD是一样的!对比《BeautifulDay》的WAV格式和FLAC压缩格式的频谱图，你能看到有任何不同吗（原始WAV格式的频谱图见图3，FLAC的见图 4）？同样，实际聆听也不可能有任何的不同！而有损压缩格式由于其先天的设计（需要丢失一部分信号），所以音质再好，也只能是无限接近于原声CD，要想真正达到CD的水准是不可能！而且由于有损压缩格式算法的局限性，在压缩交响乐等类型动态范围大的音乐时，其音质表现差强人意。而无损压缩格式则不存在这样的问题，任何音乐类型都通吃不误！

3、转换方便

无损压缩格式可以很方便地还原成WAV，还能直接转压缩成MP3、Ogg 等有损压缩格式，甚至可以在不同无损压缩格式之间互相转换，而不会丢失任何数据。这一点比起有损格式可要强的多！因为有损压缩格式的二次编码（从一种有损格式转换成另一种有损格式，或者格式不变而调整比特率）意味着丢失更多的信号，带来更大的失真！

无损压缩的不足:

1、占用空间大，压缩比不高

比起有损压缩格式来，无损压缩格式的压缩能力要差得多，一般都在60%左右。而192Kbps的有损格式只有原文件的14%左右,两者在压缩率上的差异相当悬殊。如图5所示，我用不同的格式压缩了一首U2的《BeautifulDay》，包括Normal模式的APE，High模式的La。但是可以看到，同样是100％保存数据，无损格式的压缩能力比专门对多媒体格式进行了优化的RAR都要强，而Zip则几乎不能压缩WAV格式。再加上无损格式具备 RAR和 Zip都没有的实时播放能力，对于无损格式的技术我们还是相当佩服的！

2、缺乏硬件支持

目前只有FLAC格式得到为数不多的硬件支持，能播放无损压缩格式的随身听还只有Karma这一台。这是多方面的原因造成的。首先，目前主流闪存 MP3随身听的容量还只有128MB或 256MB，存储无损格式显然不现实。其次，解码无损压缩格式需要更大的计算量，这对解码芯片的处理速度提出了更高的要求，而目前这样的解码芯片还很少。再次，解码无损格式甚至要比有损格式消耗更多的电力，这对于目前电池续航能力本来就不理想的MP3随身听来说，无疑是雪上加霜！

三、无损压缩格式一览

目前比较出名的无损压缩格式有APE、FLAC、LPAC、WavPack。

1、APE（Monkey'sAudio）
APE 无疑是目前最著名的无损压缩格式（见图6），在国内应用得已经比较广泛了。它的压缩率相当优秀，而且效率高、速度快，综合能力绝对属于当今的佼佼者。通过 BT（http://www.btchina.net/）或者电骡（www.verycd.com），你能够下载到大量的APE格式音乐。而且广泛使用的 Monkey'sAudio制作软件（如图）也大大推动了该格式的普及。不过APE也存在不少的缺点，它的解码速度不够理想，只能在Windows平台上使用，封闭的源码也影响了它的支持性。

2、FLAC
非常成熟的无损压缩格式，名气不在APE之下！FLAC是 FreeLosslessAudioCodec的简称，该格式的源码完全开放，而且兼容几乎所有的操作系统平台。它的编码算法相当成熟，已经通过了严格的测试，而且据说在文件点损坏的情况下依然能够正常播放（这一点我不曾试过）。该格式不仅有成熟的Windows制作程序（如图7），还得到了众多第三方软件的支持。此外该格式是唯一的已经得到硬件支持的无损格式，Rio公司的硬盘随身听Karma（如图8），建伍的车载音响MusicKeg（如图9）以及 PhatBox公司的数码播放机（如图10）都能支持FLAC格式。

3、WavPack
相当有特点的格式，非常值得一试。 WavPack不仅仅是一个无损压缩格式，它还能同时作为有损压缩格式。在其独特的「hybrid」模式下，WavPack可以压缩成wv文件（有损压缩格式，大小一般相当于WAV文件的23％左右）＋wvc文件（修正文件，大小一般相当于WAV文件的41％左右）的组合。有了映射的wvc文件，有损压缩格式的wv文件就变成了无损格式，播放时和普通的无损压缩格式完全一样。如果为了减少文件体积，你可以去掉这个wvc文件，这时wv文件就变成有损格式了,播放起来和高比特率的MP3完全一样！WavPack同时包容了无损格式和有损格式，神奇吧？通过WavPackFrontend前台程序（如图 11），我们可以方便地使用WavPack格式。

4、LPAC
中轨中矩的无损格式，各项指标都比较平均。作者TilmanLiebchen也是不断地对其进行更新，还为它准备了不错的制作程序（如图12）。

5、WMALossless
微软在WindowsMediaPlayer9.0以后也开始提供无损压缩功能了。只需点击菜单「工具」＝》「选项」，在「复制音乐」选项卡里选择「WindowsMedia音频无损」格式（如图13）。以后通过WMP的「从CD复制」功能里，就能直接将CD保存成WMALossless格式了，使用起来确实非常方便。不过除了WindowsMediaPlayer外，几乎没有其它软件能支持该格式。

6、AppleLossless
最新版的苹果iTunes音乐软件里也提供了AppleLossless无损压缩格式（如图14）。和WindowsMediaPlayer一样，iTunes可以非常快捷地从CD中抓轨压缩成AppleLossless格式。当然，该格式也同样只得到了自家软件的支持。

7、La
La，是LosslessAudio的简称，该格式名气虽然不大，但却是目前的压缩比冠军，压缩率方面无人能敌，包括一向以压缩率高而着称的APE！正因为压缩得太厉害了，它编解码速度实在够慢的，而且支持它的软件也比较少。仅限于自己开发的Winamp解码插件和Windows界面的编码器 LosslessAudioCompressor。

8、OptimFROG
该格式的压缩率可以媲美La，但是速度比La还要慢（郁闷）！不多说了。

9、Shorten
编码速度非常快的无损格式，但是压缩率就让人很失望了！该格式也是开放源码，同时支持Windows和Mac，不过好久没有更新编码版本了，估计已经夭折。

无损压缩格式还远不止上面这些，还有像RKAU、SZIP、Bonk、Kexis等等，由于非常少见而且很不完善，所以就不予介绍了。

四、无损压缩格式的发展前景

尽管还有一定的不足，但是无损压缩格式的前景无疑是光明的，从目前存在的无损压缩格式种类之多就可以看出这一点！随着时间的推移，限制无损格式的种种因素将逐渐被消除！比如硬盘容量的不断增加，120GB已成主流，160GB也将普及，无损格式占用空间大的问题将不再是问题。而速度更快的解码芯片也将被开发出来，相信会有越来越多的硬盘随身听支持无损格式。而在不久的将来，连闪存随身听的容量都要以GB来计算时，为了追求更高的音质，无损压缩格式会越来越被人重视！


测试篇

首先要非常感谢荷兰的朋友WimSpeekenbrink（他在音频技术界可是相当有名的哦，非常多的编码器前台程序就是他编写的！），他无偿地将其对无损压缩格式横向对比的评测数据提供给我。这让我节约了一大笔时间，而且即便让我来做这样的评测，也肯定没有他做得这么好。OK，让我们看看 WimSpeekenbrink的这个横向测试，他已经把所有常见的无损格式都包含进来了，包括： AppleLossless、FLAC、La、LPAC、Monkey'sAudio、OptimFROG、RKAU、Shorten（Shorten、 ShortenEtree）、TTA、WavPack和WindowsMediaLossless。

本次测试采用了下面的十张CD：

01、ErykahBadu-《Baduizm》
02、TheBeatles（披头士乐队）-《1967-1970》CD1
03、Dido（蒂朵）-《NoAngel》
04、TheEagles（飞鹰乐队）-《Theverybestof》
05、HerbieHancock&WayneShorter-《1+1》
06、DianaKrall（戴安娜·克瑞儿）-《WhenIlookinyoureyes》
07、Metallica-《S&M》CD1
08、MilesDavis（迈尔士·戴维斯）-《KindofBlue》
09、Nirvana（涅磐）-《Nevermind》
10、U2-《Allthatyoucan'tleavebehind》

其中像披头士（甲壳虫）乐队、飞鹰乐队、U2乐队都是大家比较熟悉的了。首先我们将这些CD用EAC抓成CD镜像文件保存在硬盘上，然后分别用上述格式的编码器进行压缩，测试它们的编码速度。接下来再使用它们各自的解码器释放成WAV格式，以测试它们的解码速度。

注：其中比较特殊的WMA9Lossless使用「cscript.exewmcmd.vbs-inputfile.wav- outputfile.wma- a_codecWMA9LSL-a_mode2-a_settingQ100_44_2_16」这样的命令行进行压缩，解码时则是通过 Foobar2000。另外，AppleLossless则靠QuickTimePro6.5.1中「Export->SoundtoWave」（输出为Wav文件）菜单来进行编码压缩。

全部的十张CD都有其各自的测试成绩，最终再汇总得到平均成绩。以《TheEagles-Theverybestof》这张CD为例，其测试结果如表一。而最后结果按压缩率排名则如表二。由此，我们可以得出下面的结论：

最高压缩比:
La0.4b(参数：default)
OptimFROG4.509(参数：highnew)
Monkey'sAudio3.99(参数：extrahigh)

最快编码速度:
Shorten3.6.0
WavPack3.97(参数：normal)
TTA3.0

最快解码速度:
Shorten3.6.0
FLAC1.1.0(anycompressionlevel)
AppleLossless(iTunes4.5.0.31)

你肯定要问，我到底该选择谁呢？的确，很难要分出个上下是很困难的，这里我只能提供我的看法。我的个人推荐就是——FLAC！为什么？为什么不是 APE？的确，除去速度极慢的La和OptimFROG，APE是目前压缩率最高的格式了。但是要知道不同的无损压缩格式之间的压缩率的差距是相当小的，也就仅仅是在3％左右！将一整张CD转换成APE或FLAC,文件大小相差也不过20MB左右，比起现在大家普遍都用上了80GB甚至更高容量的硬盘，这点文件体积上的差异真是算不了什么。至于编码速度上，两者都比较出色、差距不大。但我觉得这不是主要的，毕竟编码的工作每张CD都只要进行一次而已。最最重要的应该是解码速度！因为解码工作是最常进行的，每次播放时都要进行解码，解码速度低的格式会占用更多的CPU资源。当然对于主频在1G以上的计算机而言，这一点点 CPU资源可能算不了什么。但是别忘了，如果要将无损格式转制成MP3或者WMA放到MP3上去，要将无损格式释放刻录到CD上去，都会受到解码速度的影响。所以说，解码速度是最重要的！这也是我推荐FLAC的主要原因。当然，FLAC的开放源码和广泛支持也是它的巨大优势！