فكرة عمل ملفات الـ Mp3 الصوتية

hamo81 · 15-09-2007

فكرة عمل ملفاتالـMP3الصوتية

تعتبر تكنولوجيا الـ MP3 من اهم التكنولوجيا التي طورت الملفات الصوتية وبالأخص عندما ظهر تأثيرها على صناعة الموسيقى، فكما نعلم ان انتشار الاشرطة المغناصيسية التي استخدمت لتخزين الصوت ومن ثم تعدد مشغلات هذه الاشرطة من انواع المسجلات ذات الاحجام المختلفة التي يصل منها الى المحمول والضخم ثم انتشرت اقراص اليزر المضغوطة (السي دي) والتي تميزت بنقاوة الصوت ووضوحه بالمقارنة بأشرط الكاسيت وقد طورت اجهزة لتشغيل اقراص الليزر.
مع انتشار استخدام شبكة الانترنت والحاجة إلى تدعيم المواقع بالصوت والصورة والفيديو تطورت تكنولوجيا التسجيل الرقمي Digital للصوت في صورة ملفات صوتية تعرف باسم MP3 وانتشرت بطريقة واسعة لمحبي الموسيقى وسمعها على الانترنت. حيث تميزت هذه الملفات الصوتية بنقاوتها ووضوحها وقلة حجم الملف الذي تحجزه من ذاكرة الحاسوب.

ملفات MP3
لا بد لك من الرجوع الى موضوع كيف تعمل اقراص الليزر لمعرفة كيف يمكن تخزين المعلومات الصوتية (حديث أو موسيقى أو أغاني أو محاضرة) على اقراص الليزر حيث يتم تخزين المعلومات الصوتية على قرص الليزر على شكل معلومات رقمية Digital Information. المعلومات التي تخزن على قرص الليزر هي معلومات غير مضغوطة وذات جودة فائقة فعلى سبيل المثال لنأخذ ما يحدث عند تسجيل او انتاج قرص ليزر يحتوي على مقطوعة موسيقية.
يتم تقطيع المعلومات التناظرية وتحويلها الى معلومات رقمية بمعدل 44100 مرة لكل ثانية والتي تعرف بمصطلح Sample Rate وكل قطعة Sample تحجز 2 بايت (أي 16 بت)
يتم تخزين كل قطعة Sample مرتين واحدة للسماعة اليمين والثانية للسماعة اليسار في نظام الستيريو.
وبعملية حسابية بسيطة يمكن معرفة المساحة المطلوبة لتخزين زمن ثانية من الصوت على قرص ليزر سي دي.

44,100 samples/second * 16 bits/sample * 2 channels = 1,411,200 bits per second

وهذا يعني انه يلزمنا مساحة تخزين وقدرها 1.4 مليون بت لكل ثانية اي ما يعادل 176000 بايت لكل ثانية. فإذا افترضنا ان في المتوسط يصل زمن اغنية الى 3 دقائق فإن هذه الاغنية ستخزن على قرص الليزر مستغلة مساحة قدرها 32 مليون بايت أي 32MB وهذا حجم كبير جداً يصعب التعامل معه على الانترنت فتحتاج الى اكثر من ساعتين لتحميله على جهازك اذا كنت تستخدم مودم للاتصال بالانترنت.

نأتي هنا الى دور الـ MP3 فهي تكنولوجيا ضغط الملفات الصوتية حيث تساعد الـ MP3 في تقليل الذاكرة المستخدمة لتخزين الملفات الصوتية بطريقة لا تؤثر على نقاوة ووضوح الصوت. وبالتالي يمكن التأكيد على أن الهدف من نظام الـ MP3 هو ضغط الملفات الصوتية الرقمية المخزنة على قرص الليزر بمقدار يصل إلى 14 مرة دون التأثير على نقاوة الصوت ووضوحة. فيمكن تحويل 32MB من تسجيل على قرص الليزر إلى 3MB بصورة MP3 وبنفس الجودة. وهنا يمكن تحميل ملف صوتي 3MB في غضون دقائق بدلا من ساعات.

قبل الشروع في شرح فكرة ضغط الملفات الصوتية او بمعن اخر تحويل ملف صوتي من سي دي إلى MP3 دعنا نقوم بضرب عدد من الأمثلة على ضغط ملفات الوورد لتقليل حجمها في صورة ملف rar أو zip وكذلك ضغط الصور الفوتوغرافية في صورة GIF أو JPG فهذه عبارة عن برامج ضغط تستخدم الغورثيم معين لضغط كل نوع من الملفات دون التأثير في جودته ودقته مع التركيز في النهاية على تقليل حجم الذاكرة التي يستغلها على القرص الصلب.

فكرة ضغط الملفات الصوتية تعتمد على الغورثيم يأخذ في عين الاعتبار خصائص الاذن البشرية والتي تتلخص في النقاط التالية:

<LI dir=rtl>هناك اصوات لا يمكن أن تسمعها الآذن البشرية.
<LI dir=rtl>هناك اصوات يمكن ان تسمعها الآذن البشرية بصورة اوضح من اصوات اخرى.
اذا وجد مصدرين للصوت في نفس اللحظة فنسمع الصوت الأعلى ولا نسمع الصوت المنخفض.

بأخذ الحقائق السابقة في الحسبان فإن أجزاء عديدة من المقطوعة الموسيقة المراد ضغطها يمكن ان يحذف دون ان يدرك المستمع الى حدوث فرق بين الصوت قبل الضغط (على قرص الليزر) أو بعده (ملف MP3). لانه خلال عملية الضغط او التحويل تم حذف الاصوات الغير مسموعة والتي تتمثل في صورة ترددات لا تدركها الآذن البشرية.
مما سبق نلاحظ أن الـ MP3 هو ببساطة ملف صوتي مضغوط لتقليل المساحة التي يشغلها من ذاكرة الحاسوب ويصبح من السهل تداوله على شبكة الانترنت.

أصل التسمية MP3
ولمعرفة اصل التسمية دعنا نلقى الضوء على الأختصار MPEG وهو اختصار لـ Moving Picture Experts Group والتي تعني مجموعة خبراء الصورة المتحركة. هذه المجموعة طورت نظام لضغط ملفات الفيديو فيمكن على سبيل المثال ضغط ملفات الـ DVD أو ملفات HDTV أو ملفات المسجلة من القنوات الفضائية DSS وتحويلها إلى ملف MPEG ليصبح حجم ملف الفيديو مناسب ويجدر ذكر ان ملفات الفيديو بالاضافة الى الصورة تكون مصحوبة بالصوت وعند ضغط ملفات الفيديو إلى نسق الـ MPEG يتم ضغط الصوت بنسق يسمى MPEG الطبقة الثالثة للصوت MPEG audio layer-3 وتختصر بـ MP3.

وبالرغم من انتشار ملفات الـ MP3 توجد العديد من صيغ الملفات الرقمية الصوتية مثل:

WMA - Windows Media Audio

WAV - Waveform Audio

MIDI - Music Instrument Digital Interface.

AAC - Advanced Audio Coding (AAC)

Ogg Vorbis - A free, open, and un-patented music format

ADPCM - Adaptive Differential Pulse Code Modulation

ASF - Advanced Streaming Format

VQF - Vector Quantization Format

استخدام نسق الـ MP3
العديد منا يستخدم ملفات الـ MP3 لسماع الموسيقى على اجهزة الحاسوب بعد تحميلها من الانترنت وهناك العديد من المزايا للتعامل مع ملفات الـ MP3 على الحاسوب على سبيل المثال استخدام احد برامج تحرير الصوت لتحويل الملفات الصوتي على قرص الليزر المضغوط لتحويل محتوياته إلى ملفات MP3 او العكس اي تحويل ملفات قمت بتحميلها من الانترنت على جهاز الحاسوب وتحويلها الى ملفات صوتية على قرص الليزر كما يمكنك نسخ الاف المقطوعات الموسيقة بنسق MP3 على اسطوانة ليزر وتشغيلها على جهاز الحاسوب.
يمكنك ايضا باستخدام برامج تحرير الصوت من عمل المونتاج الذي تريد مثل اضافة صدى الصوت أو زيادة تكبير الصوت او حذف التشويش والضوضاء او دمج مقطوعين او حذف جزء او غيرها من عمليات التحرير ثم تخزينها بالصورة الجديدة
هذا بالاضافة الى انتشار مشغلات خاصة لتشغيل ملفات الـ MP3 سنتحدث عنها لاحقاً.

التكنولوجيا ساعدت في تسهيل تحميل ملفات الموسيقى من الانترنت وتشغيلها على جهاز الحاسوب
تشغيل ملفات الـ MP3
كان في البداية لتشغيل الملفات الصوتية بنسق الـ MP3 تحتاج إلى برنامج خاص تحمله على جهاز الحاسوب لسماع الملفات الصوتية وكان اشهر هذه البرامج هو منتج شركة winamp، ولكن حاليا فإن معظم مشغلات الصوت مثل برنامج Real player وبرنامج Media player الشهيران يمكنهم تشغيل ملفات الـ MP3 بالاضافة الى البرامج الأخرى.

إذا لم تمتك كمبيوتر كيف يمكن سماع ملفات الـ MP3
طورت العديد من الشركات العالمية مثل سوني وكرياتيف وسامسونج مشغلات لملفات Mp3 التي يتم تحميلها من الحاسوب ونقلها الى تلك الاجهزة ويمكنك ايضا نسخ هذه الملفات على اسطوانات سي دي وسماعها على الاجهزة التي تدعم هذه التكنولوجيا وحاليا اضيفت هذه الخاصية الى مسجلات السيارات الحديثة.
مشغل ملفات الـ MP3 الصوتية

منذ اختراع مشعلات الـ MP3 في عام 1998 وحتى الان تعتبر هذه المشغلات اعظم تطور في مجال اجهزة تشغيل الموسيقى والصوتيات. وذلك للمزايا العديدة التي اضفتها مشغلات الـ MP3 وتميزت بها عن مشغلات الكاسيت والسي دي

مراحل تطور مشغلات الصوت

1877 - Thomas Edison invents the phonograph.
1880s - Nikolai Tesla invents radio.
1887 - Emile Berliner patents gramophone, using flat zinc discs.
1906 - First radio program of voice and music is broadcast using a continuous wave of electromagnetic energy from Brant Rock on Massachusetts's Cape Cod.
1929 - Frequency Modulation (FM) radio introduced
1934 - Joseph Begun builds first tape recorder for broadcasting.
1948 - Columbia Records introduces the long-playing (LP) record, which is played at 33.3 revolutions per minute (RPM).
1949 - RCA introduces 45 RPM records.
1965 - 8-track magnetic tape introduced
1969 - Internet created
1979 - Sony Walkman cassette player introduced (By 1995, 150 million sold)
1983 - Sony and Philips introduce compact disc technology.
1986 - Sony develops MiniDisc technology, six years prior to its commercial launch in 1992.
1989 - The Fraunhofer Institute in Germany patents MP3 format.
1992 - Phillips introduces the Digital Compact Cassette (DCC). Both Sony (with the MiniDisc) and Phillips (with DCC) hope to takeover where audio cassettes left off.
1998 - First MP3 players introduced (Saehan's MPMan, sold in Korea)

حيث يمكن ترتيب وتشغيل الاف المقطوعات الموسيقية على جهاز صغير كما هو موضح في الشكل وتصنيفها وترتيبها ويوجد العديد من الاشكال المختلفة لمشغلات الـ MP3 بما فيها اجهزة الجوال التي تدعم ملفات الـ MP3.

مشغل Mp3 من أبل ابعاده 9.1 x 5 x 1.3 cm

تكنولوجيا مشغلات الـ MP3

تختلف مشغلات الـ MP3عن مشغل الكاسيت والسي دي في انها لا تحتوي على اية قطع تتحرك ميكانيكية حيث لا توجد تروس او بكرات او موتور لادارة شريط الكاسيت او السي دي حيث تقوم مشغلات الـ MP3 بتشغيل ملفات الكترونية بنفس فكرة تشغيل ملفات الكمبيوتر. وهذا يعد انتقالاً نوعياً في فكرة عمل الاجهزة الصوتية فمراحل تشغيل ملفات الـ MP3 هي:

1 استدعاء ملف MP3 المطلوب من الذاكرة.

2 فك تشفير الملف.

3 تكبير الاشارة الصوتية لتمكين السماعات من اخراج الصوت.

ولاداء هذه المراحل الثلاثة فإن جهاز مشغل الـ MP3 يحتوي على ما يلي:

مدخل للبيانات Data port

ذاكرة Memory

ميكروبروسيسور Microprocessor

معالج الاشارة الرقمية Digital signal processor (DSP)

شاشة عرض Display

ازرار التحكم Playback controls

مخرج للصوت Audio port

مكبر الصوت Amplifier

وحدة تغذية كهربية Power supply

لوحة الكترونية لمشغل MP3

ويتصل مشغل الـ MP3 بجهاز الكمبيوتر من خلال وصلة USB أو وصلة FireWire وذلك لتبادل المعلومات وتحميل الملفات الصوتية المطلوبة داخل الجهاز.

وتختلف الوسائط المستخدمة من قبل أجهزة الـ MP3 لتخزين الملفات الصوتية وهي

<LI dir=rtl>ذاكرة فلاشInternal Flash memory
<LI dir=rtl>كرت فلاش CompactFlash cards
<LI dir=rtl>ملتيميديا كارت SmartMedia cards
شريحة ذاكرة Memory Stick

هذا بالاضافة الى اماكانية ان تحتوي المشغلات على قرص صلب HardDisk في حالة الحاجة إلى ذاكرة هائلة تصل إلى 40GB مثلاً.

يعتبر الميكروبروسسورMicroprocessor العنصر الرئيسي في تشغيل الجهاز وهو يمثل العقل المتحكم في كافة العمليات مثل تلقي تعليمات التشغيل من المستخدم وتنفيذها واظهار المعلومات على شاشة العرض وتطبيق اشارة معالج الاشارة الرقمية الـ DSP على النغمة الصوتية لاعطاء التأثير الصوتي المطلوب.

تشغيل ملفات الـ MP3

أما معالج الاشارة الرقمية الـ DSP فهو عبارة عن تطبيق تأثير صوتي مبرمج مسبقا على النغمة الصوتية مثل كلاسيك او غيره من التأثيرات كما يتحكم في توزيع شدة الصوت على تردد الصوت وهو ما يعرف باسم الجرافك اكولايزر EQ.
أما مكبر الصوتAmplifier فيقوم بتكبير شدة الاشارة الصوتية وارسالها الى مخرج الصوت المرتبط بالسماعات لنتمكن من سماع الصوت من خلالها.
وتعتمد التغذية الكهربية لمشغل الـ MP3 على بطاريات عادية وتبلغ مدة التشغيل من 1- الى 12 ساعة تقريباً.
اما الجزء الرئيسي لمشغل الـ MP3 فعتمد على الذاكرة المستخدمة Memory وسعة الذاكرة تلعب دوراً رئيسياً في تحديد سعر الجهاز وتتنوع الذاكرة المستخدمة حسب الشركة المنتجة للجهاز فهي اما تكون ذاكرة فلاش Flash Memory والتي تتميز بصغر حجمها وخفة وزنها وتتميز ايضا بعدم وجود اي حركة ميكانيكية فهي لا تتأثر بالحركة او الارتجاج، ولكن سعتها التخزينية محدودة وهذا مما يجعل البطارية تعمل لفترات اطول.

جهاز MP3 مزود بذاكرة فلاشية

جهازMP3 مدمج مع نظارة شمسية

اما النوع الثاني من الذاكرة فهو الذي يعتمد على قرص صلب Hard drive والذي يعد اثقل وزناً من ذاكرة الفلاش ولكن يكون ذو سعة تخزينية هائلة تستطيع تحميل ما يزيد عن 70 ساعة صوتية او اكثر ولكن القرص الصلب يعمل من خلال حركة العديد من اجزاءه مثل القرص الصلب المستخدم في اجهزة الكمبيوتر فالحركة والارتجاج الذي قد يتعرض له الجهاز يؤدي الي انقطاع في التسلسل الصوت المنبعث منه وهذا النوع يستنزف البطارية اسرع من ذاكرة الفلاش وفي الاغلب يكون مزود بمحول كهربي بالاضافة الى البطارية.
اما النوع الثالث من الذاكرة المستخدمة فهو القرص المدمج CD والذي يمكنك من نسخ ملفات الـ MP3 التي على جهاز الكمبيوتر على CD وتشغيلها كما لو كانت ملفات صوتية مع الفارق انه يمكن نسخ ما يقارب 150 قطعة موسيقية تبلغ كل قطعة 4 دقائق بنفس جودة الـ Audio CD الذي يحتوي على 12-20 قطعة موسيقية فقط. وتسمي هذه الاجهزة التي تعتمد على التخزين على CD بمشغل MP3 CD وتكون في الاغلب ارخص سعرا من الاجهزة التي تعمل بذاكرة الفلاش.
حديثا طورت شركة سوني ذاكرة للتخزين تسمي MiniDisc لتشغيل كافة الملفات الصوتية الرقمية ويصل سعته التخزينية إلى 1GB او 45 ساعة من الصوت ويمنها تشغيل عدة انواع من الملفات الصوتية مثل MP3 او WMA أو WAV. كما بمكن تخزين ملفات الوورد والاكسيل او ما يعرف بملفات البيانات.

جهاز MP3 حديث

منقول للإفادة