第2期 | 把一首歌塞进火柴盒：MP3之父的“不可能任务”

如果现在有人告诉你，可以把一整首歌缩小到原来百分之一的大小，装进一个火柴盒里，你会相信吗？30多年前，当年轻的博士生Karlheinz Brandenburg把这样一个想法写成博士论文时，专利审查员只丢下一句话：“这是不可能的。”可这位德国博士没有放弃，他用了整整十年，把“不可能”变成了每个人口袋里的一张随身唱片。

这一期，我们就来讲讲首届欧洲发明家奖终身成就奖得主、MP3之父Karlheinz Brandenburg的故事。

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技术解密：MP3到底怎么把歌“变瘦”的？

在讲发明故事之前，我们先弄明白一个关键问题：MP3到底是怎么把那么大的歌变得这么小的？

简单来说，MP3的秘密不在“压”，而在于“丢”——但它丢得很聪明。

一首普通的CD歌曲，一秒包含了1411千比特的数据，文件大小动辄几十兆甚至上百兆。MP3的秘诀，就是利用人耳自身的“听觉缺陷”。

你可能不知道，人耳的听觉系统有个天生的“bug”：当两个频率相近、但音量相差很大的声音同时出现时，人耳只会注意到那个更大的声音，而“听不见”那个小的——这就像在大街上听不到手机铃声一样。这在声学上叫“掩蔽效应”。MP3正是利用了这一点：它像一位精明的录音师，在压缩歌曲时先把音频信号全部“扫描”一遍，找出那些被人耳“掩蔽”掉的、本来也听不到的声音成分，然后毫不客气地把它们丢掉。人耳根本发现不了这些声音被去掉了，但音乐文件的体积却大幅缩小到了原来的十分之一。

举个例子：同样一首4分钟的歌，未压缩时大约需要40MB，MP3压缩后只用3-4MB就够了，原本一张CD只能存13首歌的位置，可以塞进140多首MP3。这就像把一件大行李压缩到一个小包，打开之后用起来感觉几乎一样——差别在于，MP3在压缩时主动“忘掉”了那些你本来也听不见的部分。

创新思维：博士生的“不服气”

故事要从上世纪80年代末说起。当时Brandenburg在德国埃尔朗根大学读博，他的博士导师想研究“如何通过电话线传输高保真音乐”。结果专利审查员在慕尼黑直接告诉导师：这事儿根本做不到。

德国教授听完这话，觉得“你不该对一个德国教授这么说话”，立刻转头找博士生来证明“这事能做到”。被选中的人，就是Karlheinz Brandenburg。

Brandenburg拥有电气工程和数学两个学位，他接下任务后一扎进去就是十年。从1989年完成博士论文提出理论基础，到1995年MP3正式被列为国际标准，他带领Fraunhofer研究所团队花了近十年时间才把这个压缩方案打磨成熟。

MP3的压缩算法极其复杂——它涉及复杂的心理声学模型和数学计算，需要反复迭代才能确定哪些声音可以丢掉、哪些必须保留。要把这一切塞进一个小小的播放设备里，更是难上加难。当他终于拿着方案去找主流芯片厂商量产时，所有人又一致摇头：太复杂了，做不了。但Brandenburg没有停下来，他找到了一家在大学城里名不见经传的小型半导体公司，最终成功做出了世界上第一枚MP3解码芯片。

这个故事给青少年最重要的启发是：当你听到“不可能”的时候，不要急着接受它。“不可能”有时候只是“还没人做到过”，而不是“永远做不到”。Brandenburg的博士课题始于导师和审查员的争执，但他用十年的时间把一个被宣判“死刑”的想法变成了重塑整个产业的产品。当然，他本人也坦言：“这样的成功也需要一点运气——在对的时间出现在对的地方。”

一首歌成就MP3：用番茄蛋汤调出好味道

MP3开发过程中还有个非常有趣的细节。Brandenburg在调试压缩算法时，他发现一个问题：用一首歌测试时听起来还不错，换另一首歌就完全失真了。他需要找到一首歌，能把压缩算法的所有“弱点”都暴露出来，就像一位厨师需要把最难处理的食材做得好吃，才算真正掌握了这门手艺。

有一天，他在走廊里听到收音机里传来一首Suzanne Vega的《Tom‘s Diner》。那首歌只有Vega的声音在唱，没有乐器伴奏，全是细腻的呼吸、轻微的换气和唇齿摩擦。Brandenburg瞬间“触电”——他知道，这首歌将是最难的挑战。

因为这是一首纯人声的歌曲，没有任何伴奏来“遮盖”压缩带来的瑕疵。如果连这种细腻的人声都能完好无损地压缩，那么其他歌曲也一定能处理好。于是他在这首歌上一遍又一遍地听，每次调整一点算法参数，然后判断Vega声音的微妙层次是否丢失了。几个月时间里，他听了上千遍这首同样的歌，不断调优，才终于让MP3的编码质量达到了满意的水平。

这个故事给青少年的启发是：设置一个足够“刁钻”的标准，是真正检验你作品的方法。如果你的发明或作品能通过最难的那一关，其他的都不在话下。当你在做一个项目时，不妨问自己：最能考验这个项目功能的那个“压力测试”是什么？

改变世界的一小步

2005年，全球MP3播放器销量已突破5000万台，超过2亿互联网用户安装了MP3播放软件。2006年，Brandenburg站在布鲁塞尔汽车世界博物馆的领奖台上，从欧洲专利局手中接过了终身成就奖。到2017年MP3专利失效时，这项技术已经深刻改变了全世界的音乐消费方式。

本文素材来源于欧洲专利局官方资料及相关公开文献