您不可不知的MP3

　　MP3並不能算是很新的技術，事實上，這種編碼技術出現已經近二十年了，被廣泛使用也有約十年的歷史了。而在快閃記憶體的技術成熟後，內建快閃記憶體的MP3隨身聽大量出現，因為體積小、重量輕等特性，短短時間內，已在市面上快速普及，路上隨處都可看到民眾戴著耳機欣賞音樂。

　　MP3的音質因為其破壞性壓縮的原理，在一般人的印象中，總是被認為沒有好音質，但大部分的人總自認為「木耳」，反正聽不出其中的音質差異，而MP3檔案體積小又方便取得，就一直將就著聽，但是，MP3的音質是否一定很糟？人耳真的聽不出其中的差異嗎？

　　在討論MP3的壓縮原理之前，先來了解一些關於聲音的原理。一般我們會把人耳可聽的範圍定義在20Hz至20KHz之間，而每個人實際上能聽到的頻率範圍又不太一樣，以高音部分來說，大部分的人只能聽到16KHz的聲音，只有少部分的人能聽到19KHz甚至20KHz，而且就算能聽到如此高的頻率，也只是很小很小的聲音。其次，所有的聲音都是由一個基音與其泛音（頻率為基音的倍數）所組成，以一個100Hz的聲音來說，其實我們所聽到的是一個100Hz的基音加上200Hz、300Hz等等泛音所合成的聲波，而隨著每個泛音的強度不同，所組合起來的聲波便會有不同的音色變化。

　　而要利用數位的方式來保存實際上是以波形存在的聲音，是利用很簡單的方法，將一個連續的波形用時間為單位切割成許多塊，分別記錄每一塊的聲波強度，這個動作稱為取樣。而要把聲音訊號切割多少塊，就決定於取樣頻率（一秒鐘要進行幾次取樣），重播時不失真的最高頻率約為取樣頻率的一半，以電話為例，取樣頻率只有8KHz，因為人的語音不會高於4KHz，而基於人耳可聽的最高頻率約為20KHz，所以CD的取樣頻率定為44.1KHz；另外，每一次取樣如果只用八位元來記錄，那麼在記錄訊號強度時只有64個刻度可以用，如果用16位元來記錄，就有65536個刻度可以使用，一般CD所使用的就是16位元。

　　大致了解聲音訊號是如何數位化之後，再來簡單介紹一下MP3的原理。依上所述，一分鐘的CD音質聲音需要佔用的空間為16（bits）* 44100（每秒取樣數）* 2（雙聲道）* 60（秒）=84.672kbits=10.584kbytes，也就是每一分鐘的聲音就需要約10MB的空間來存放，而轉成MP3，可達到10～12倍的壓縮比率。MP3能達到如此高的壓縮率，是利用了破壞性壓縮，在進行壓縮編碼時將部分資訊捨棄掉，這樣做當然可以大幅減少檔案容量，但在進行解碼還原後，必定會有某個程度的失真。

　　MP3的編碼原理，是利用人耳聽覺的錯覺，將人耳不易聽到或容易忽略掉的部分省去，如在15KHz以上的高頻部分，因為幾乎已達人耳的極限，所以幾乎是完全砍掉；其次，在不同的頻率及不同強弱的訊號中，有一些微弱的訊號很容易被人耳忽略掉，像是這樣的微弱訊號，在MP3編碼時也會忽略掉。進行如此破壞性的壓縮，雖然理論上在聆聽時並不會感覺到差異，但因為許多細節已被省略，所以實際聆聽時，只要重播設備不太差，仍能感受到與CD音質有些微的不同。

　　在MP3壓縮時，有兩個很重要的規格，分別是取樣頻率及位元率（Bitrate），取樣頻率在前文已經提過，MP3提供三種取樣頻率：32KHz、44.1KHz、48KHz，在進行MP3編碼時，會對原來的資料重新取樣，但是把取樣頻率低的原始訊號再用高取樣頻率重新取樣過，並不會對音質有所改善。位元率的單位是kbps，也就是每秒聲音檔所使用的位元數，MP3能支援32kbps到320kbps，以128kbps的檔案來算，每分鐘大約需要1MB的空間，大約是CD音質聲音檔的十分之一，而MP3檔案的大小只跟位元率有關，與取樣頻率是沒有關係的，所以當同樣的位元率來製作MP3檔案時，較低的取樣頻率雖然會失去較多高頻資訊，卻能保留住更多的細節。

　　所以日後在將CD壓縮成MP3檔案時，如果要取得最好的音質，首先是儘量使用較高的位元率，256kbps所佔的容量是128kbps的兩倍，而如果隨身聽的記憶體允許，最好是用到320kbps。CD的取樣頻率是44.1KHz，所以除非真的自認為木耳，可以使用32KHz（重播時最高可重現到16KHz，剛好是大部分人所能聽到的極限），不然最好是使用與CD相同的44.1KHz，因為CD音質本身的限制，用到48KHz的音質並不會比較好，至於許多人電腦裡已經有的MP3檔案，如果是128kbps的格式，那也別企圖用256kbps重製來改善音質了，因為已經失真的訊息是無法再還原的。

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