MP3 sắp sang tuổi 30: “Lão làng” công nghệ vẫn sống khỏe giữa kỷ nguyên online

Gần ba thập kỷ sau ngày được cấp bằng sáng chế tại Mỹ, MP3 không còn là công nghệ nén âm thanh tiên tiến nhất. Tuy nhiên, khả năng hỗ trợ định dạng này vẫn hiện diện khắp mọi nơi: từ các trình phát nhạc, trình duyệt web cho đến hệ thống giải trí trên ô tô. Đối với nhiều người, MP3 gợi nhớ về một khoảnh khắc đặc biệt trong văn hóa Internet, thời điểm mà việc rip nhạc, phân loại và chia sẻ file là những "quy trình" cốt lõi của đời sống số, chứ không phải là những thứ được xử lý bởi các dịch vụ đám mây như hiện nay.

Bằng sáng chế số 5,579,430 được cấp cho Viện Fraunhofer (Đức) vào ngày 26/11/1996 đã đánh dấu bước ngoặt rõ ràng trong cách âm thanh kỹ thuật số được lưu trữ, di chuyển và kinh doanh.

"Quy trình mã hóa kỹ thuật số" của bằng sáng chế này được biết đến rộng rãi với tên gọi MPEG Audio Layer III, hay đơn giản là MP3, đã biến hàng chục năm nghiên cứu về tâm lý học âm thanh (psychoacoustic) thành một bộ mã hóa (codec) thực tế. Nó giúp các tệp nhạc chất lượng cao trở nên đủ nhỏ để truyền qua modem quay số (dial-up), lưu trữ trên các ổ cứng đời đầu và cuối cùng là nằm gọn trong những chiếc máy nghe nhạc bỏ túi hay điện thoại di động.

Khởi nguồn từ các phòng thí nghiệm Châu Âu

Câu chuyện của MP3 thực tế đã bắt đầu từ rất lâu trước khi hồ sơ được nộp tại Mỹ. Nguồn gốc của nó có thể truy ngược về các phòng thí nghiệm ở Châu Âu vào cuối những năm 1970 và 1980. Tại đây, các nhà nghiên cứu dưới sự dẫn dắt của Dieter Seitzer và Karlheinz Brandenburg đã khám phá xem tai người thực sự cần bao nhiêu phần của tín hiệu âm nhạc để có thể nghe được.

Karlheinz Brandenburg - người được mệnh danh "cha đẻ" của định dạng MP3.

Trong khi nhóm của Seitzer nghiên cứu việc truyền tải nhạc qua đường dây điện thoại thông thường, thì Brandenburg, người thường được mệnh danh là "cha đẻ của MP3", tập trung vào việc áp dụng các mô hình tâm lý học âm thanh vào các sơ đồ mã hóa kỹ thuật số.

Bài toán kỹ thuật: Giữ chất lượng, giảm dung lượng

Vấn đề cốt lõi nghe có vẻ đơn giản nhưng thực hiện lại là cả một kỳ công: Nén nhỏ file nhạc hết mức có thể, nhưng chất lượng âm thanh mang lại phải gần tương đương với đĩa CD (chuẩn 44.1 kHz, 16-bit) để chiều lòng đôi tai người nghe

Thiết kế của Layer III (sử dụng trong MPEG-1 và MPEG-2) dựa trên hệ thống lọc hỗn hợp. Nó kết hợp bộ lọc đa pha giúp phân tách tín hiệu và biến đổi cosin rời rạc sửa đổi (MDCT) để xử lý tín hiệu số. Quan trọng hơn, công nghệ này sử dụng mô hình tâm lý học âm thanh để phán đoán giới hạn nghe của con người. Thay vì giữ lại toàn bộ dữ liệu, hệ thống sẽ xác định những phần âm thanh mà tai người thường bỏ qua. Điều này cho phép nén hoặc loại bỏ hoàn toàn các chi tiết thừa đó, giúp giảm kích thước tập tin đáng kể trong khi vẫn giữ lại trải nghiệm nghe nhạc quen thuộc

Bằng sáng chế số 5,579,430 mang tên 'Quy trình mã hóa kỹ thuật số' mô tả một dây chuyền xử lý dùng để truyền tải hoặc lưu trữ tín hiệu âm thanh, đặc biệt là âm nhạc. Quy trình này phản ánh chính xác kiến trúc hệ thống vừa được nêu trê

Tác động to lớn của MP3 chủ yếu đến từ tỷ lệ nén mà nó mang lại. Các phương pháp mã hóa thông thường giúp giảm kích thước tệp từ 75-95%. Ở 128 kbps, một bài hát dài ba phút giảm từ hàng chục megabyte xuống chỉ còn khoảng 3 MB. Đây là sự khác biệt mang tính sống còn ở thời điểm mà dung lượng lưu trữ còn được tính bằng megabyte và phí truy cập Internet đời đầu được tính theo từng phút.

Kỷ nguyên của Winamp, Napster và iPod

Các nhà phát triển nhanh chóng bổ sung hỗ trợ MP3 vào phần mềm máy tính để phục vụ rip và phát nhạc. Những ứng dụng Windows đời đầu như Winamp đã trở thành trung tâm quản lý thư viện nhạc nén gọn nhẹ, trong khi các công cụ dòng lệnh giúp việc chuyển đổi CD sang MP3 trở nên đơn giản ở bất kỳ bitrate nào người dùng muốn.

Phần mềm Winamp.

Khi các bộ mã hóa phần mềm trở nên phổ biến, việc chuyển đổi CD sang MP3 và chia sẻ chúng qua các trang FTP, máy chủ cá nhân và mạng ngang hàng (P2P) trở nên dễ dàng, dù thường không có sự cho phép của người nắm giữ bản quyền. Sự ra mắt của Napster vào năm 1999 đã xây dựng một hệ thống chia sẻ chuyên dụng xoay quanh các tệp MP3, biến bộ sưu tập cá nhân của người dùng thành một danh mục phân tán khổng lồ, có thể truy cập qua các kết nối Internet gia đình ngày càng nhanh hơn.

Các nhà sản xuất phần cứng cũng nhanh chóng tham gia cuộc chơi. Các thiết bị như MPMAN của Saehan (Hàn Quốc) hay Rio 100 của Diamond Multimedia (Mỹ) đã sử dụng bộ nhớ flash để lưu trữ âm thanh nén, cung cấp giao diện đơn giản để duyệt danh sách bài hát.

Tuy nhiên, sự gia nhập của Apple vào đầu những năm 2000 mới thực sự gắn kết MP3 và các codec tương thích thành một hệ sinh thái hoàn chỉnh. iTunes, ra mắt tháng 1/2001, xử lý trọn gói từ việc rip đĩa, quản lý thư viện đến đồng bộ hóa thiết bị. Chiếc iPod đầu tiên ra đời cùng năm đó đã kết hợp ổ cứng nhỏ gọn với giao diện vòng xoay (scroll-wheel) trứ danh.

iPod giúp MP3 phát triển mạnh mẽ.

Cửa hàng iTunes Music Store mở cửa năm 2003 với hàng trăm nghìn bài hát giá 99 cent, được hậu thuẫn bởi các hợp đồng với hãng thu âm lớn, đã chứng minh rằng: Các tệp nhạc số nén hoàn toàn có thể được kinh doanh quy mô lớn qua một cửa hàng được kiểm soát, thay vì chỉ trao đổi không chính thức trên các mạng mở.

Theo thời gian, MP3 vừa trở thành một định dạng di sản, vừa là một tiêu chuẩn cơ bản. Ngày nay, việc nghe nhạc phần lớn xoay quanh các dịch vụ streaming, truyền tải âm thanh với bitrate thích ứng qua băng thông rộng, 4G và 5G. Tuy nhiên, nền tảng công nghệ của chúng thực chất vẫn là sự kế thừa và phát triển từ chính những nguyên lý đột phá đã làm nên cuộc cách mạng MP3