Advanced Audio Coding

Advanced Audio Coding (AAC) — это запатентованный формат сжатия цифрового аудио с потерями, разработанный как преемник формата MP3. Он обеспечивает более высокое качество звука при одинаковом битрейте по сравнению с предшественником и является стандартом по умолчанию для многих современных платформ распространения аудиоконтента, включая потоковые сервисы, мобильные устройства и цифровое телевидение.

История

Разработка AAC началась в 1994 году в рамках проекта MPEG-2 (Moving Picture Experts Group) как часть стандарта MPEG-2 Part 7 (ISO/IEC 13818-7). Целью было создание более эффективного кодека, способного превзойти MPEG-1 Audio Layer 3 (MP3) по качеству и функциональности. В работе участвовали компании Dolby Laboratories, Fraunhofer IIS, Sony, AT&T и Nokia.

В 1997 году AAC был стандартизирован. Позднее он был включён в стандарт MPEG-4 Part 3 (ISO/IEC 14496-3), где получил название MPEG-4 Audio. В 2000-х годах AAC стал основным аудиоформатом для цифрового радио (DAB+), спутникового телевидения (DVB-S) и мобильных телефонов. Популяризации формата способствовал запуск iTunes Store в 2003 году, который начал продавать музыку именно в AAC.

Технические особенности

AAC использует ряд алгоритмов, обеспечивающих более высокую эффективность сжатия по сравнению с MP3. Основные технические решения включают:

• Модифицированное дискретное косинусное преобразование (MDCT): AAC использует MDCT с переменной длиной окна (от 128 до 1024 выборок), что позволяет лучше адаптироваться к стационарным и переходным участкам звука.
• Улучшенное психоакустическое моделирование: Более точная модель маскирования звуков позволяет отбрасывать не слышимые человеческим ухом частоты с меньшими артефактами.
• Более широкий частотный диапазон: Поддерживает частоты дискретизации до 96 кГц (MP3 — до 48 кГц) и до 48 каналов (включая 5.1 и 7.1).
• Гибкие окна: Используются окна синусоидальной и Кайзера-Бесселя, снижающие искажения на резких звуках (ударные, перкуссия).
• Библиотека кодирования: Включает инструменты, такие как Temporal Noise Shaping (TNS) для управления шумом квантования и Prediction для предсказания сигнала.

Профили и уровни

Стандарт MPEG-2/4 AAC определяет несколько профилей, каждый из которых оптимизирован для определённых задач:

• AAC-LC (Low Complexity): Наиболее распространённый профиль. Используется в большинстве устройств и сервисов (iTunes, YouTube, Android, iOS). Обеспечивает оптимальный баланс качества и производительности.
• HE-AAC (High-Efficiency AAC), также известный как aacPlus: Профиль, основанный на AAC-LC и дополненный технологией Spectral Band Replication (SBR), которая реконструирует высокие частоты из низкочастотной информации. Позволяет достичь приемлемого качества при битрейтах от 32 до 64 кбит/с. Используется в цифровом радио (DAB+), потоковых сервисах (например, в Spotify ранее) и голосовых вызовах.
• HE-AAC v2: Расширение HE-AAC, добавляющее технологию Parametric Stereo (PS), которая кодирует стереоинформацию как моно-сигнал с параметрами пространственного позиционирования. Эффективен при битрейтах ниже 32 кбит/с. Применяется в мобильном телевидении и некоторых интернет-радиостанциях.
• AAC-LD (Low Delay): Профиль для приложений реального времени, таких как видеоконференции и голосовая связь, где задержка кодирования минимальна (менее 20 мс).
• AAC-ELD (Enhanced Low Delay): Улучшенная версия AAC-LD, используемая в профессиональных аудиосистемах и голосовых помощниках.

Сравнение с другими форматами

AAC против MP3

При одинаковом битрейте (например, 128 кбит/с) AAC обычно звучит чище и детальнее, особенно на высоких частотах и при сложных музыкальных пассажах. Это связано с более совершенным психоакустическим кодированием и большей частотной полосой. MP3, в свою очередь, имеет более широкую совместимость с устаревшим оборудованием.

AAC против Ogg Vorbis

Ogg Vorbis — свободный формат, не обременённый патентами. При битрейтах выше 128 кбит/с Ogg Vorbis часто демонстрирует схожее или немного лучшее качество, чем AAC. Однако AAC имеет преимущество в аппаратной поддержке (встроенные декодеры в большинстве смартфонов, плееров и телевизоров).

AAC против FLAC

FLAC — формат сжатия без потерь, сохраняющий исходное качество аудио. AAC, как и MP3, теряет часть информации. FLAC используется для архивирования и высококачественного прослушивания, в то время как AAC — для распространения и хранения на устройствах с ограниченным объёмом памяти.

Применение

AAC является стандартом де-факто для многих современных технологий:

• Потоковые сервисы: YouTube, Apple Music, Netflix, Amazon Music, Tidal (в качестве основного формата для потоковой передачи) используют AAC.
• Мобильные устройства: Все смартфоны iPhone и большинство Android-устройств имеют аппаратный декодер AAC, что обеспечивает низкое энергопотребление при воспроизведении.
• Цифровое телевидение и радио: Стандарты DVB (цифровое телевидение) и DAB+ (цифровое радио) используют AAC в качестве основного аудиокодека.
• Игровые консоли: PlayStation 4, PlayStation 5, Xbox One и Xbox Series X/S поддерживают AAC для воспроизведения музыки и звука в играх.
• Видеоконференции: Zoom, Microsoft Teams и другие сервисы используют AAC-LD или AAC-ELD для обеспечения низкой задержки и высокого качества голоса.

Лицензирование и патенты

AAC является запатентованной технологией. Патенты на AAC принадлежат нескольким компаниям, включая Fraunhofer IIS, Dolby Laboratories, Sony, Nokia и другие. Лицензирование осуществляется через патентный пул Via Licensing (ныне часть Access Advance). Для использования AAC в коммерческих продуктах (например, в программном обеспечении или устройствах) требуется получение лицензии. Однако для конечных пользователей кодирование и декодирование AAC в большинстве операционных систем (Windows, macOS, iOS, Android) бесплатно, так как лицензионные отчисления включены в стоимость устройства или ОС.

Интересные факты

• Формат AAC был разработан как часть стандарта MPEG-2, но позже стал частью MPEG-4, что привело к путанице в названиях (иногда его называют MPEG-4 Audio).
• В 2014 году компания Apple объявила, что iTunes Store продал более 25 миллиардов песен, все из которых были закодированы в AAC.
• Формат AAC поддерживает до 48 каналов, что позволяет использовать его в системах объёмного звука, таких как Dolby Atmos (через профиль AAC-ELD).
• В отличие от MP3, AAC не имеет встроенной поддержки тегов ID3, но в контейнерах MP4 (M4A) используются метаданные на основе XML.

Источники

• ISO/IEC 13818-7:2006 — Information technology — Generic coding of moving pictures and associated audio information — Part 7: Advanced Audio Coding (AAC)
• ISO/IEC 14496-3:2009 — Information technology — Coding of audio-visual objects — Part 3: Audio
• Fraunhofer IIS. «AAC — Advanced Audio Coding». Официальная документация.
• Brandenburg, K. (1999). «MP3 and AAC Explained». AES Conference Paper.
• Via Licensing. «AAC Patent Pool License Agreement». 2023.