Сравнение одиннадцати лучших lossless кодеров

Copyright (C) 2014, Taras Kovrijenko

Полное или частичное копирование текста допускается только с письменного разрешения автора.

1. Вступление

Идея о создании этого теста родилась у меня, когда я обнаружил, что существующие на тот момент аналогичные сравнения сильно устарели (последний тест датирован 2007 годом). Большинство из них проводилось на старых слабых процессорах, с использованием давно забытых версий кодеров.

Идея же моего теста заключается в том чтобы показать возможности последних версий кодировщиков на современном оборудовании. Значительный прирост скорости кодирования/декодирования в этом случае можно получить за счет использования таких наборов инструкций, как SSE2, SSE3, SSSE3, которые поддерживаются современными процессорами, и конечно же - за счет многоядерности (хотя фактически использование более одного логического процессора поддерживается сейчас только кодером TAK).

Стоит заметить, что в тесте рассматривается лишь три параметра: скорость кодирования, скорость декодирования и степень сжатия. Я умышленно не беру во внимание проблемы совместимости, так как это значительно затрудняет возможность сделать какое-либо конкретное заключение.

2. Подготовка к тесту

2.1 Оборудование

Использован ПК средней ценовой категории на современном чипсете с двухъядерным процессором Intel (32 нм). Конфигурация компьютера:

Все технологии энергосбережения и HyperThreading отключены в BIOS материнской платы. Перед тестом была произведена полная дефрагментация всех трех используемых разделов. Первый жесткий диск использовался для хранения ПО (foobar2000, кодировщики), второй - для хранения несжатого источника, третий - для записи выходных файлов.

2.2 Программное обеспечение

К сожалению, пока что тест проводится на 32-разрядной ОС. Возможно, в будущем будут опубликованы результаты и для 64-bit. Для теста была специально произведена установка портативного foobar2000 последней версии с необходимым плагинами и кодировщиками. После чего предварительно были созданы профили конвертера для каждого кодера.

[СКАЧАТЬ ТЕСТОВУЮ СБОРКУ] (2.58 МБ)

Для процесса плеера (а также для конвертера в его настройках) был установлен приоритет реального времени.

2.3 Музыкальный материал

Для теста был выбран образ диска одного из современных композиторов электронной музыки. Запись имеет широкий частотный и относительно неплохой динамический диапазоны.

2.4 Подбор параметров кодирования

Изначально я планировал провести сравнение при максимальных настройках сжатия для каждого кодера. Но по некоторым причинам это представилось невозможным, да и смысл такого теста был бы весьма сомнителен. Например, чтобы закодировать 30-секундный отрезок стандартного звукового материала в кодеком OptimFROG с максимальными параметрами уходит 230 секунд (скорость кодирования около 0.13х). Таким образом я сформулировал следующие требования:

• скорость кодирования не менее 1x
• скорость декодирования не менее 2х
• возможность использовать для сжатых файлов прокрутку (seeking).

Так как прирост сжатия по мере увеличения параметров уменьшается, степень сжатия с выбранными мною параметрами практически не отличается от максимальной.

Примечание: возможно, в будущем сюда также добавится тестирование на оптимальных параметрах.

Общие параметры конвертера:

Output bit depth: Auto
Dither: never
Output folder: F:\lossless comparison
Fiilename pattern: %filename%
Processing: none
When finished: Do nothing

Кодеры

Примечание: для кодеров, не имеющих возможности кодировать на лету, входной файл был указан непосредственно в параметрах (вместо переменной %s). Это сделано с той целью, чтобы кодирование происходило непосредственно из файла-источника в конечный, без создания временного (что занимает значительное время и искажает результаты). Ниже параметры для упомянутых кодеров указаны с переменной %s.
Для кодера WMA пришлось производить кодирование через командную строку, так как описанным выше способом кодировать он отказался.

3. Методика тестирования

3.1 Кодирование

После подготовки дело остается за малым. Первый этап тестирования выглядит следующим образом:

1. Закрыть в диспетчере задач все процессы кроме необходимых.
2. Запустить foobar2000 и установить для процесса foobar2000.exe максимальный приоритет.
3. Добавить в плейлист файл D:\lossless comparison\Image.wav
4. Выделив файл в плейлисте, нажать кнопку конвертации, загрузить первый профиль конвертера и запустить процесс кодирования.
5. По окончании конвертирования записать время и скорость кодирования (в виде N*realtime) из консоли плеера .
6. Выполнить то же самое с использованием каждого из 9-ти профилей конвертера. Полученные файлы добавить в плейлист.
7. Записать размер сжатого файла, степень сжатия (в %) и FBR (см. ниже) для каждого кодера.

После выполнения всех пунктов мы получим примерно следующее:

В плейлисте отображается имя файла, кодек, FBR (file-based bit rate=размер файла/продолжительность), степень сжатия в % и размер файла в процентах.

3.2 Верификация

Сжатый файл должен нести все необходимые данные для восстановления исходного потока. Для проверки достоверности я произвел сравнение всех полученных файлов с исходным с помощью плагина Binary Comparator. Для того чтобы провести такое сравнение надо выделить несжатый и тестируемый сжатый файлы в плейлисте, в контекстном меню выбрать Utilities->Bit-Compare Tracks.

Для всех форматов кроме LA результат был положительным (No differences in decoded data found).

В случае с LA плеер закрывался с ошибкой. По этой причине, декодирование файла Image.la пришлось производить с помощью консольного кодера/декодера la.exe и библиотеки la-core.dll (которые использовались для кодирования). Полученный таким образом несжатый поток оказался идентичным исходному. Из этого можно сделать заключение, что декодер LA в foobar2000 работает некорректно, но при кодировании кодер информации не теряет и её можно восстановить.

3.3 Декодирование

Скорость декодирования оценивалась с помощью плагина Decoding Speed test. Декодирование происходило с высоким приоритетом и полной буферизацией файла в ОЗУ, в 5-10 проходов. Окно плагина изображено ниже.

Для каждого кодера записывалось среднее время и скорость декодирования.

Примечание: для формата LA декодирование выполнялось через консоль (см. "Верификация").

4. Результаты

Результаты тестирования оформлены в таблицу и отсортированы по убыванию степени сжатия.

5. Заключение

1. Lossless Audio (LA) - этот весьма старый кодек (2004 г.) стал безусловным победителем по сжатию. При этом надо отметить вполне приемлемую (в сравнении с тем же OptimFROG или WavPack) скорость кодирования, а также достаточную скорость декодирования. Хоть файл LA и не декодировался с помощью плагина foo_benchmark, проигрывался он прекрасно, без запинок и задержек при прокрутке.
Остается только удивляться, почему автор забросил такой прекрасный кодек, даже не открыв при этом исходный код.

2. OptimFROG - не слишком отстает от LA. Но по скорости его едва ли можно назвать быстрым. Кроме того, неприятным моментом является высокая задержка при прокрутке файла - порой это сильно напрягает.

3. Monkey's Audio - популярный, но ресурсоёмкий кодек. Дает действительно высокое сжатие, но опять же имеет проблемы с прокруткой.

4. TAK - этот активно разрабатываемый кодек не перестает радовать. Если брать во внимание все три параметра (сжатие, кодирование, декодирование), TAK выглядит наиболее привлекательно. Высокая скорость работы объясняется активным использованием процессорных оптимизаций (в т.ч. SSSE3). А использование двух ядер дает почти двукратный прирост скорости кодирования! Таким образом, в случае с TAK преимущество от использования современных процессоров наиболее ощутимо.

5. WavPack - честно говоря, я не знаю, за счет чего этот кодек приобрел популярность. Кодирование со средней степенью сжатия дает результаты сравнимые с FLAC, а использование режимов высокого сжатия приводит к неоправданному понижению скорости. Хотя, главным плюсом этого кодека является его широкая поддержка и функциональность (в т.ч. поддержка многоканального аудио, гибридного режима), но напомню, что эту сторону вопроса мы в данном тесте не рассматриваем.

6. FLACCL - без сомнений, это очень высокопроизводительный кодер, который рекомендуется к использованию всем, у кого есть видеокарта с поддержкой CUDA. Кроме того, с его помощью можно, хоть и незначительно, но увеличить степень сжатия во FLAC.

7. True Audio (TTA) - тут надо отметить разве что очень высокую скорость кодирования и приемлемую степень сжатия (чуть выше чем у FLAC). При этом скорость декодирования нельзя назвать очень высокой.

8. Flake - преимущество от использования этого кодера с максимальным сжатием весьма сомнительно. Кроме того, такие высокие настройки сжатия могут привести к потере обратной совместимости с некоторыми аппаратными декодерами. Вероятно, этот кодек даст какое-то реальное преимущество по скорости (в сравнении с референсным flac.exe) только при уровне 8 и ниже.

9. FLAC - степень сжатия средняя, но вот скорость декодирования порадовала. Правда, главной причиной лидерства этого кодека среди общественности является открытый исходный код, и, как следствие, широчайшая аппаратная/софтовая поддержка.

10. Apple Lossless (ALAC) - один из тех кодеков, которые ничем не примечательны, но продолжают активно насаждаться разработчиками (в данном случае Apple). Низкая степень сжатия и скорость декодирования. Скорость сжатия - средняя. Подойдет разве что пользователям iPod - у них просто нет выбора.

11. WMA Lossless - случай аналогичный ALAC, но здесь мы имеем дело со корпорацией-гигантом Microsoft. Еще меньшая степень сжатия, средняя скорость сжатия. Скорость декодирования относительно высокая. Трудно представить случай, в котором возникла бы необходимость использовать именно этот lossless кодек.

Вывод: и так, по результатам теста, его победителем я объявляю молодой кодек TAK. Остается с нетерпением надеяться, что разработчик вскоре откроет исходный код.