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常见音频格式机器编码机制
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2009-01-04
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详细解读音频编码及格式,包括将近20到重编码格式
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一.有关音频编码
自然界中的声音非常复杂,波形极其复杂,通常我们采用的是脉冲代码调制编码,即
PCM 编码。PCM 通过抽样、量化、编码三个步骤将连续变化的模拟信号转换为数字编码。
1、什么是采样率和采样大小(位/bit)?
声音其实是一种能量波,因此也有频率和振幅的特征,频率对应于时间轴线,振幅对
应于电平轴线。波是无限光滑的,弦线可以看成由无数点组成,由于存储空间是相对有限
的,数字编码过程中,必须对弦线的点进行采样。采样的过程就是抽取某点的频率值,很
显然,在一秒中内抽取的点越多,获取得频率信息更丰富,为了复原波形,一次振动中,
必须有 2 个点的采样,人耳能够感觉到的最高频率为 20kHz,因此要满足人耳的听觉要求,
则需要至少每秒进行 40k 次采样,用 40kHz 表达,这个 40kHz 就是采样率。我们常见的
CD,采样率为 44.1kHz。光有频率信息是不够的,我们还必须获得该频率的能量值并量化,
用于表示信号强度。量化电平数为 2 的整数次幂,我们常见的 CD 位 16bit 的采样大小,即
2 的 16 次方。采样大小相对采样率更难理解,因为要显得抽象点,举个简单例子:假设对
一个波进行 8 次采样,采样点分别对应的能量值分别为 A1-A8,但我们只使用 2bit 的采样
大小,结果我们只能保留 A1-A8 中 4 个点的值而舍弃另外 4 个。如果我们进行 3bit 的采样
大小,则刚好记录下 8 个点的所有信息。采样率和采样大小的值越大,记录的波形更接近
原始信号。
2、有损和无损
根据采样率和采样大小可以得知,相对自然界的信号,音频编码最多只能做到无限接
近,至少目前的技术只能这样了,相对自然界的信号,任何数字音频编码方案都是有损的
因为无法完全还原。在计算机应用中,能够达到最高保真水平的就是 PCM 编码,被广泛用
于素材保存及音乐欣赏,CD、DVD 以及我们常见的 WAV 文件中均有应用。因此,PCM
约定俗成了无损编码,因为 PCM 代表了数字音频中最佳的保真水准,并不意味着 PCM 就
能够确保信号绝对保真,PCM 也只能做到最大程度的无限接近。我们而习惯性的把 MP3
列入有损音频编码范畴,是相对 PCM 编码的。强调编码的相对性的有损和无损,是为了告
诉大家,要做到真正的无损是困难的,就像用数字去表达圆周率,不管精度多高,也只是
无限接近,而不是真正等于圆周率的值。
3、为什么要使用音频压缩技术:音频文件太大了
要算一个 PCM 音频流的码率是一件很轻松的事情,采样率值×采样大小值×声道数
bps。一个采样率为 44.1KHz,采样大小为 16bit,双声道的 PCM 编码的 WAV 文件,它的数
据速率则为 44.1K×16×2 =1411.2 Kbps。我们常说 128K 的 MP3,对应的 WAV 的参数,就
是这个 1411.2 Kbps,这个参数也被称为数据带宽,它和 ADSL 中的带宽是一个概念。将码
率除以 8,就可以得到这个 WAV 的数据速率,即 176.4KB/s。这表示存储一秒钟采样率为
44.1KHz,采样大小为 16bit,双声道的 PCM 编码的音频信号,需要 176.4KB 的空间,1 分
钟则约为 10.34M,这对大部分用户是不可接受的,尤其是喜欢在电脑上听音乐的朋友,要
降低磁盘占用,只有 2 种方法,降低采样指标或者压缩。降低指标是不可取的,因此专家
们研发了各种压缩方案。由于用途和针对的目标市场不一样,各种音频压缩编码所达到的
yxnan
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