PDF de programación - Evaluación comparativa de compresores de audio

Evaluaci´on comparativa de compresores de audio

Jos´e M. Catal´an

M´aster Universitario en Ingenier´ıa de Telecomunicaci´on

Universidad Miguel Hern´andez de Elche

email: [email protected]

Resumen—El objetivo de este art´ıculo, es tratar de estudiar
algunos los aspectos b´asicos que permiten estudiar el rendimiento
de varios de los compresores con perdidas y sin perdidas m´as
empleados en la actualidad. La intenci´on es servir de orientaci´on
a todo aquel que necesite seleccionar el codec m´as adecuado para
su aplicaci´on.

Mayo 18, 2015

I.

INTRODUCCI ´ON

Actualmente escoger el compresor de audio que mas se
adapta a nuestras necesidades resulta ser una tarea muy
compleja debido a la enorme diversidad de opciones que
encontramos en la bibliograf´ıa [1]. De hecho muchas personas
solo consideran aspectos como el rendimiento para elegir
el codec mas adecuado. Pero hay muchos otras cualidades
que vale la pena tener en cuenta y estudiar en profundidad
para escoger aquel que mas nos conviene [2]. Algunos de
las caracter´ısticas m´as interesantes a tener en cuenta podr´ıan
ser la compatibilidad multiplataforma, robustez, alto nivel
de compresi´on o soporte port´atil entre muchos otros. Pero
tambi´en otros aspectos m´as t´ecnicos como los tratados en
este art´ıculo: porcentaje de uso de la CPU, velocidad de
compresi´on, PSNR y etc [3].

En el caso en el que se necesite un compresor sin perdidas
no supone un grave problema escoger en un principio el
compresor menos adecuado, ya que siempre se puede cambiar
de formato sin riesgo de perder calidad. Pero en el caso de em-
plear una compresi´on con perdidas, seleccionar el compresor
correcto desde un principio es crucial.

El estudio realizado en este art´ıculo, pretende desvelar
algunas de las diferencias existentes en el rendimiento de los
codecs por los que mas habitualmente se est´an decantando
los usuarios en la actualidad. Realizando una comparaci´on
objetiva, se busca desvelar aspectos que puedan ser claves a
la hora de seleccionar alguno de ellos para una determinada
aplicaci´on. Es importante destacar que en este art´ıculo no se
realiza la comparaci´on de los codecs orientada a una aplicaci´on
en concreto. ´Unicamente se busca realizar una comparaci´on
objetiva de algunos de los aspectos b´asicos m´as gen´ericos,
de tal manera que pueda servir de orientaci´on al lector en
la selecci´on de alguno de ellos para cualquiera que sea su
aplicaci´on.

II. CODECS DE AUDIO SELECCIONADOS

Entre la inmensa variedad de codecs de audio que encon-
tramos actualmente disponibles para su uso, se ha intentado

seguir un criterio de b´usqueda que permitiera tener una selec-
ci´on de codecs lo suficientemente amplia como para abarcar
las diferentes opciones existentes a elegir. Todos los codecs
seleccionados son ampliamente utilizados por los usuarios.
Adem´as, como puede observarse en los art´ıculos m´as recientes
de la bibliograf´ıa actual, existe para todos estos codecs un gran
inter´es en obtener datos objetivos que permitan desvelar las
diferencias existentes entre unos y otros. Otro aspecto tenido
en cuenta es el hecho de que el codec sea f´acilmente accesible
para su uso.

II-A. Codecs sin perdidas

Los algoritmos de compresi´on de audio digital sin perdidas
consiguen reducir el tama˜no del archivo de audio sin incurrir
en la p´erdida de informaci´on, es decir, consiguen que el audio
decodificado sea bit por bit id´entico al original. Este aspecto
provoca que el archivo comprimido ocupe mucho m´as espacio
del que se obtendr´ıa si aplic´aramos algoritmo de compresi´on
con perdidas. El uso m´as importante en la actualidad de este
tipo codec es la compresi´on de audio de alta calidad para CDs.
En el Cuadro I se indican los codec sin perdidas seleccionados.

Cuadro I

SELECCI ´ON DE CODECS SIN P ´ERDIDAS

Compresor

FLAC

Monkey’s Audio

WavPack

Formato

.flac
.ape
.wv

Creador

Josh Coalson/Xiph.Org [5]

Matthew T. Ashland

David Bryant

Versi´on
1.3.1
4.14
4.70.0

II-A1. FLAC 1.3.1 [10]: FLAC son las siglas de Free
Lossless Audio Codec (codec de audio sin perdidas gratuito).
Est´a espec´ıficamente dise˜nado para audio. Este codec sin
perdidas tiene la particularidad de que posee un formato de
audio muy similar al MP3. Actualmente destaca como el c´odec
de audio sin p´erdida m´as r´apido y ampliamente utilizado.
Existen muchas implementaciones de este codec en c´odigo
abierto y adem´as tiene un formato y una API completamente
documentados. Cuenta con el apoyo de la mayor´ıa de sistemas
operativos, incluyendo Windows, ¨unix”(Linux, *BSD, Solaris,
OS X, IRIX), BeOS, OS/2, y Amiga. Las caracter´ısticas mas
notables de la versi´on FLAC 1.3.1 son:

Cada trama contiene un CRC de 16 bits para la detecci´on
de errores.
Possee firma MD5 para asegurar la integridad de los
datos originales que se almacena en la cabecera del
archivo.

Es asim´etrico a favor de la velocidad de decodificaci´on.
Esto es debido a que la decodificaci´on solo requiere
c´alculos aritm´eticos de n´umeros enteros, por lo que
tiene una carga computacional muy peque˜na permitiendo
facilitando su implementaci´on en hardware.
El sistema de metadatos de FLAC soporta etiquetas,
car´atulas y busca tablas y hojas de referencia.
Los archivos de formato FLAC son adecuados para su
uso en aplicaciones de edici´on de audio.
Cada frame contiene datos suficientes para decodificarse
independiente.
FLAC utiliza c´odigos de sincronizaci´on y CRC (similar
a MPEG y otros formatos).

II-A2. Monkey’s Audio 4.14 [11]: Monkey’s Audio es un
compresor de audio sin perdidas creado por Matt Ashland.
Algunas de las caracter´ısticas mas importantes de la versi´on
Monkey’s Audio 4.14 son:

Alto nivel de compresi´on.
Alta velocidad de codificaci´on.
Bueno soporte software.
Incorpora un entorno gr´afico que facilita su uso, ha-
ci´endolo muy sencillo e intuitivo.
Soporta audio de alta calidad.

Por otro lado esta versi´on tiene algunos aspectos negativos
que podr´ıan ser de gran importancia a la hora de seleccionarlo
para alguna aplicaci´on:

Problemas con la licencia. Los derechos de la fuente
proporcionada no permiten ninguna modificaci´on o re-
distribuci´on.
No soporta multicanal.
Actualmente, el soporte para hardware es bastante limi-
tado debido a que consume muchos recursos y se hace
dificil su implementaci´on en dispositivos port´atiles.

Sin embargo, un detalle muy interesante de este compresor
es que emplea el algoritmo de compresi´on MD5 (Message-
Digest Algorithm 5). Es una encriptaci´on de 128 bits dise˜nado
por el profesor Ronald Rivest del MIT (Massachusetts Institute
of Technology, Instituto Tecnol´ogico de Massachusetts) en
1991[4], como remplazo al algoritmo MD4. Este nos permite
detectar archivos alterados de manera maliciosa y reconocer
descargas corruptas o incompletas.

II-A3. WavPack 4.70.0 [12]: Wavpack es un compresor
de audio totalmente abierto que proporciona compresi´on sin
perdidas, compresi´on de alta calidad con perdidas e incluso
un modo h´ıbrido de compresi´on ´unico. Aunque la evoluci´on
de Wavpack continua basandose ligeramente en sus versiones
anteriores, el nuevo formato de la versi´on 4 ha sufrido una
evoluci´on tan grande que ha sido dise˜nado desde cero para
ofrecer un rendimiento y funcionalidad mucho mejor que sus
predecesores.

En el modo sin p´erdida predeterminado de WavPack act´ua
de la misma manera que un compresor WinZip para archivos
de audio. Sin embargo, a diferencia de MP3 o WMA en los
que la codificaci´on puede afectar a la calidad del sonido, en
este no hay ninguna posibilidad de degradaci´on. El modo

h´ıbrido ofrece todas las ventajas de la compresi´on sin p´erdidas
con un detalle adicional. En lugar de crear un ´unico archivo,
este modo crea un conjunto de archivos de alta calidad con
p´erdidas que se puede utilizar por s´ı mismos, y un archivo
de c¸orrecci´on”que (cuando se combina con el archivo con
p´erdidas) proporciona la restauraci´on sin p´erdida completa.
Para algunos usuarios, esto significa nunca tener que elegir
entre sin p´erdidas y compresi´on con p´erdida.

WavPack emplea una adaptaci´on de los algoritmos LMS,
El´ıas y Golomb, que son t´ecnicas de dominio p´ublico. Esta
intenci´on de evitar espec´ıficamente a todos aquellos m´etodos
y algoritmos que hayan sido patentados consigue que los
codificadores y decodificadores WavPack de codigo abierto
y libre de regal´ıas.

Algunas otras caracter´ısticas y las ya mencionadas de la

versi´on Wavpack 4.70.0 seleccionada son las siguientes:

Compatible con pr´acticamente todos los formatos de
audio incluyendo PCM 8, 16, 24 y enteros 32 bits; floats
de 32 bits; mono, est´ereo y multicanal.
Frecuencias de muestreo 6-192 kHz (y tasas no estandar).
Soporte multiplataforma, incluyendo Windows, Linux y
OS X, adem´as de un codec de Flash, un decodificador de
Silverlight que puede trabajar pr´acticamente en cualquier
lugar, y un decodificador de audio basado en web que
puede decodificar archivos WavPack en l´ınea.
Capacidad para streaming sin pausas.
Tolerancia a fallos en formato bloque concivido para la
decodificaci´on hardware.
Modo .asim´etrico.opcional.
MD5 para la verificaci´on e identificaci´on.
Modo h´ıbrido.
Libre y de c´odigo abierto. Posee una API, una librer´ıa
en lenguaje C, codificador y decodificador disponible
en Java y C# y licencia sin restricciones(BSD), lo que
facilita enormemente su uso.
Existe una versi´on especial de baja latencia disponible
para aplicaciones personalizadas.
Totalmente compatible con versiones anteriores a la 1.0
de WavPack.

II-B. Codecs con p´erdidas

Los algoritmos de codificaci´on de audio digital con per-
didas tienen como objetivo reducir al m´aximo la cantidad
de informaci´on del archivo original. Esto se realiza mediante
un procedimiento de codificaci´on que hace imposible la re-
construcci´on exacta de los datos originales, ya que mediante
algoritmos consiguen eliminar aquella informaci´on que resulta
irrelevante y no provoca una p´erdida de calidad apreciable,
llegando a niveles de compresi´on m´as altos. Nor