Стивен Уитт - Как музыка стала свободной

Первый. Цвикер доказал, что человеческое ухо лучше всего воспринимает определённый высотный диапазон, который примерно совпадает с человеческим голосом. За этими пределами — особенно выше — слух уже воспринимает хуже. То есть для записи краёв спектра можно использовать меньше бит.

Второй. Цвикер продемонстрировал, как близкие по высоте тоны уничтожают друг друга. Конкретно: нижний тон подавляет верхний, так что когда вы оцифровываете музыку с пересекающимися инструментами, например, виолончелью и скрипкой, играющими одновременно, то скрипку можно записать меньшим количеством бит.

Третий. Согласно опытам Цвикера, слух не воспринимает звук после громкого щелчка. Так что если вы оцифровываете музыку с, например, ударами по тарелке в каждом такте, то в первые миллисекунды после удара можно оставить меньше бит.

Четвёртый и самый странный. Ухо не воспринимает также и звук до громкого удара. Дело в том, что уху требуется несколько миллисекунд, чтобы обработать услышанный звук, и удар этот процесс прерывает. То есть, если снова говорить о тарелке, то нескольким миллисекундам до удара требуется меньше бит.

Основываясь на десятилетиях эмпирического исследования слуха, Бранденбург «объяснил» битам, куда им вставать. Но это был только первый шаг. Настоящее же серьёзное достижение Бранденбурга в том, что он понял, что это — итерационный процесс. Другими словами, можно взять то, что получилось в результате сжатия по его алгоритму, снова прогнать через тот же алгоритм и повторять так столько раз, сколько угодно, доведя файл до такого крошечного размера, который вам нужен. Качество звука при каждом таком прогоне, разумеется, ухудшается: это как копия копии или четвёртая перезапись на кассету. То есть если повторить процесс миллион раз, то у вас останется только один бит.

Но если найти нужный баланс, возможно и сжать, и сохранить качество, оставив лишь те биты, которые услышит человеческое ухо.

Конечно, не любой музыке требуется столь сложный инструментарий. У скрипичного концерта много психоакустической избыточности, а у скрипичного соло — нет. Если нет ударов тарелки, накладывающейся виолончели или верхнего регистра, то нечего упрощать: есть только чистый тон, и никуда не денешься. Но в таком случае Бранденбург мог перебросить результат своего сжатия в другой метод сжатия, совершенно отличный от его способа.

Этот метод, получивший название «кодировка Хаффмана», в 50-е разработал учёный-компьютерщик Дэвид Хаффман в институте MIT. Работая на заре информационной эпохи, Хаффман заметил, что желая сэкономить биты, надо искать паттерны, образцы, потому что они по определению повторяются. То есть не надо записывать все паттерны битами, можно сделать это один раз и потом, когда необходимо, возвращаться к этой записи. С точки зрения теории информации, это — прямо как скрипичное соло: вибрирующая струна, извлекающая предсказуемые повторяющиеся звуковые паттерны в воздухе.

Эти два метода дополнили друг друга идеально: алгоритм Бранденбурга хорош для сложных, накладывающихся друг на друга шумов, кодировка Хаффмана — для чистых простых тонов. Так объединились десятки лет исследований в области акустики и анатомии с базовыми принципами теории информации и высшей математикой.

К середине 1986 года Бранденбург даже написал простенькую компьютерную программу, демонстрировавшую его метод в работе. Это знаковое достижение в его карьере: проверенный метод сохранения аудиоданных даже при самом скудном «бюджете» битов. Бранденбургу был 31 год. Первый патент он получил ещё до защиты диссертации. Бранденбург (что довольно необычно для выпускника) очень интересовался актуальным потенциалом рынка. С такими мозгами ему было обеспечено место преподавателя на испытательном сроке, но научная деятельность его не интересовала. Он ещё в детстве зачитывался биографиями великих изобретателей и усвоил, что уметь самому что-то делать руками очень важно.

Бранденбург был изобретателем, как Белл и Эдисон, и эти его амбиции поощрялись. Дитер Зайтцер, сбежав от Цвикера, большую часть карьеры сделал в IBM, собирая патенты и развивая коммерческое чутьё. Своих выпускников он тоже направлял по этому пути. Как только он увидел прогресс Бранденбурга в исследованиях психоакустики, он выгнал его из университета в Институт интегральных схем общества Фраунгофера — недавно открытый баварский технологический инкубатор, где сам был наблюдателем.