quarta-feira, 10 de setembro de 2014

Vinil, Fita K7, CD, Mp3, Flac, entenda um pouco mais !

Em um sistema analógico, como por exemplo o Vinil, as faixas das músicas são gravadas em sulcos microscópios em um disco de vinil, material utilizado. O original ou matriz é feito em um disco de acetado de celulose, depois o disco é metalizado e usado para prensar várias cópias, em outros discos feitos de vinil, quando derretidos.  A agulha quando toca os sulcos aliado ao movimento do disco faz a reprodução das vibrações capitadas. Estas vibrações são convertidas em sinais elétricos e posteriormente amplificados. O LP de vinil como conhecemos hoje apareceu em 1948. O vinil dominou a segunda metade do século 20, até ser desbancado pelo CD, em 1982.

O sistema é analógico pois existem infinitos valores para os sinais, isto em teoria, claro, pois há a limitação da gravação dos sulcos no vinil. Isto, segundo os entendidos, garante uma qualidade superior do vinil, apesar do chiado característico do vinil resultante do atrito da agulha.
Nas fitas K7´s, que caíram em desuso já a algum tempo, uma cabeça magnética, cabeçote, converte os sinais analógicos em ondas magnéticas, orientando pequenos ímãs, que formam a fita, magnética, dos rolos da fita k7, para a gravação e o contrário para a leitura, ou seja, os ímãs, da fita, ao passar pela cabeça magnética, cabeçote, geram uma corrente elétrica, que será posteriormente amplificada e convertida em áudio.
No sistema digital, são criados bits de amostragem para o sinal analógico original. Em outras palavras, o sinal digital com infinitos valores, são convertidos em números, no caso bits, que representarão os valores do sinal original no tempo.
No CD, a fidelidade é um fator importante, por isso, a taxa de amostragem é de 44.100 samples por segundo e o número de 2 bytes para a amostragem. Os valores obtidos no tempo de cada amostra do sinal analógico, são convertidos em 65536 posições possíveis, pois temos 2 bytes, 16 bits para representar o sinal.
Assim, o formato de CD convencional ocupa algo como :
44.100 samples/(canal*segundo) * 2 bytes/sample * 2 canais * 74 minutos * 60 segundos/minuto = 783.216.000 bytes.
Quanto maior for a taxa de amostragem, mais medidas do sinal serão efetuadas no mesmo período de tempo, logo menos perda haverá na representação digital do som, porém mais espaço é necessário para armazenagem dos dados, pois haverá mais dados.
Existe uma regra, derivada do Teorema de Nyquist, onde a taxa de amostragem limita a gama de frequências que o sinal a amostrar pode conter, pois o limite máximo para essa gama é metade do valor da taxa de amostragem. Desta forma, para um sinal com frequências ate 8000 Hertz, é preciso que a taxa de amostragem seja maior ou igual a 16000 Hz. Como o ouvido humano capta entre 20 Hertz e 20 Khz, definiu se a taxa de amostragem ideal para o formato de cd em 44100 Hertz.
Já para o formato MP3( MPEG-1/2 Audio Layer 3), existe uma compactação do áudio digital, geralmente de 1 para 10 ou 90 %. Assim, uma música de 5 minutos, que ocuparia 49 MBytes, agora ocupa 4,9 em média.
Foi um dos primeiros formatos compactados de áudio sem perda significativa na qualidade. O método de compressão com perdas empregado na compressão do MP3 consiste em retirar do áudio tudo aquilo que o ouvido humano normalmente não conseguiria perceber, devido a fenômenos de mascaramento de sons e de limitações da audição humana (embora pessoas com ouvido absoluto possam perceber tais perdas). O ouvido humano consegue captar frequências de 20 Hz até 20 kHz.
A utilização dos limites da audição humana, para a compactação do áudio, baseia-se em três princípios básicos:

Faixa de frequência audível dos seres humanos: O ouvido humano capta sons entre 20Hz e 20 Khz, com algumas diferenças para idade e indivíduos. Sendo assim , é retirado do áudio sons que não estejam nesta faixa, conseguindo se assim, já alguma compactação;

Limiar de audição na faixa de frequência audível: Outro fator utilizado pela codificação MP3 é a curva de percepção da audição humana dentro da faixa de frequências audíveis, ou limiar de audição. Apesar da faixa de audição humana variar entre 20 Hz e 20 KHz, a sensibilidade para sons dentro desta faixa não é uniforme. Ou seja, a percepção da intensidade de um som varia com a frequência em que este se encontra. Desta forma, o MP3 utiliza-se desta propriedade para obter compressão em arquivos de áudios. Esta abordagem é bastante intuitiva, sendo que o que se faz é descartar amostras que se encontrem abaixo deste limiar;

Mascaramento em frequência e mascaramento temporal: Por fim, uma última propriedade da audição humana, ainda utilizada pelo método, é o chamado mascaramento auditivo, ou “audibilidade diminuída de um som devido à presença de outro”, podendo este ser em frequência ou no tempo. O mascaramento em frequência ocorre quando um som, que normalmente poderia ser ouvido, é mascarado por outro, de maior intensidade, que se encontra em uma frequência próxima. Ou seja, o limiar de audição é modificado (aumentado) na região próxima à frequência do som que causa o ocorrência do mascaramento, sendo que isto se deve à limitação da percepção de frequências do ouvido humano. O mascaramento em frequência depende da frequência em que o sinal se encontra, podendo variar de 100 Hz a 4 KHz. Em função deste comportamento, o que o método de compressão do MP3 faz é identificar casos de mascaramento em frequência e descartar sinais que não serão audíveis devido a este fenômeno. Além do mascaramento em frequência, temos ainda o mascaramento no tempo, sendo que este ocorre quando um som forte é precedido por um mais fraco que se encontra em uma frequência próxima à do primeiro. Se o intervalo de tempo entre os dois for suficientemente pequeno, este som mais fraco não será percebido pela audição humana. Se um som é mascarado após um som mais forte, temos o chamado pós-mascaramento. No caso de um som ser mascarado antes do som mais forte, temos o que chamamos de pré-mascaramento. O pré-mascaramento existe só por um curto momento, cerca de 20ms, enquanto que o pós-mascaramento tem efeito por até 200ms. O método de compressão do MP3 utiliza se portanto deste fenômeno, identificando casos onde o mesmo ocorre, e descartando sons que seriam mascarados, o que permite reduzir, consideravelmente, a informação de áudio, sem mudança audível;
O format AAC( Advanced Audio Coding ), que foi projetado para ser o sucessor do MP3, conseguindo se em alguns casos, uma melhor qualidade em relação ao MP3, utilizam se bit rates aleatórios, e canais de frequência de amostragem que variam entre 8 a 96 KHz, contra os 16 a 48 KHz do Mp3. Esta flexibilidade de usos garante ao AAC maior qualidade com menor taxa de amostragem.







O formato FLAC ( acrônimo de Free Lossless Audio Codec, que significa Compressor Gratuito de Áudio sem perda de Qualidade em inglês), temos um formato de áudio com o pressuposto da não perda da qualidade de áudio. Este formato, não remove nenhuma informação do fluxo de áudio, mantendo a qualidade do som, podendo comprimir um arquivo de CD em até 50%, inferior aos até 80% do seu maior concorrente MP3, em razão da total fidelidade ao arquivo original.
Como qualquer outro codec sem perdas, o formato FLAC é popular entre proprietários de CDs e outras mídias que desejam preservar suas coleções de áudio. Se a mídia original foi perdida ou danificada, uma cópia em FLAC garante que uma duplicata exata do original pode ser recuperada a qualquer instante. Uma restauração exata feita a partir de um arquivos com perda (ex., MP3) dos mesmos dados é impossível.
Funciona da mesma forma que um arquivo ZIP, compactando o áudio digital, porém, como está desenhado para a compressão de áudio, permite obter arquivos de som pequenos e com uma qualidade superior.
O MP3 foi uma grande revolução no compartilhamento de áudio digital na Internet. Anteriormente com Modems trabalhando a 56 Kbps, era inviável o compartilhamento de áudio pela internet.
Hoje em dia existem diversos formatos de compactação de áudio, todos com suas peculiaridades. Este artigo tem como objetivo demonstrar as diferenças entre alguns dos mais usados. 


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