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1、常见音频编码格式解析常见音频编码格式解析2011-11-0211:56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
2、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
3、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
4、。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44.1K162=1411.2Kbps。我们常说128K的MP3，对应的WAV的参数，就是这个1411.2Kbps，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。
5、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176.4KB1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音质和压缩比都不一样，在后面的文章中我们都会一一提到。有一点是可以肯定的，他们都压缩过。4、频率与采样率的关系采样率表示了每秒对原始信号采样的次数，我们常见到的音频文件采样率多为44.1KHz，这意味着什么呢?假设我们有2段正弦波信号，分别为20
6、Hz和20KHz，长度均为一秒钟，以对应我们能听到的最低频和最高频，分别对这两段信号进行40KHz的采样，我们可以得到一个什么样的结果呢?结果是:20Hz的信号每次振动被采样了40K/20=2000次，而20K的信号每次振动只有2次采样。显然，在相同的采样率下，记录低频的信息远比高频的详细。这也是为什么有些音响发烧友指责CD有数码声不够真实的原因，CD的44.1KHz采样也无法保证高频信号被较好记录。要较好的记录高频信号，看来需要更高的采样率，于是有些朋友在捕捉CD音轨的时候使用48KHz的采样率，这是不可取的!这其实对音质没有任何好处，对抓轨软件来说，保持和CD提供的44.1KHz一样的采样
7、率才是最佳音质的保证之一，而不是去提高它。较高的采样率只有相对模拟信号的时候才有用，如果被采样的信号是数字的，请不要去尝试提高采样率。5、流特征随着网络的发展，人们对在线收听音乐提出了要求，因此也要求音频文件能够一边读一边播放，而不需要把这个文件全部读出后然后回放，这样就可以做到不用下载就可以实现收听了。也可以做到一边编码一边播放，正是这种特征，可以实现在线的直播，架设自己的数字广播电台成为了现实。四、各种主流音频编码(或格式)的介绍1、PCM编码PCM脉冲编码调制是PulseCodeModulation的缩写。前面的文字我们提到了PCM大致的工作流程，我们不需要关心PCM最终编码采用的是什么
8、计算方式，我们只需要知道PCM编码的音频流的优点和缺点就可以了。PCM编码的最大的优点就是音质好，最大的缺点就是体积大。我们常见的AudioCD就采用了PCM编码，一张光盘的容量只能容纳72分钟的音乐信息。2、WAVE这是一种古老的音频文件格式，由微软开发。WAV是一种文件格式，符合PIFFResourceInterchangeFileFormat规范。所有的WAV都有一个文件头，这个文件头音频流的编码参数。WAV对音频流的编码没有硬性规定，除了PCM之外，还有几乎所有支持ACM规范的编码都可以为WAV的音频流进行编码。很多朋友没有这个概念，我们拿AVI做个示范，因为AVI和WAV在文件结构上
9、是非常相似的，不过AVI多了一个视频流而已。我们接触到的AVI有很多种，因此我们经常需要安装一些Decode才能观看一些AVI，我们接触到比较多的DivX就是一种视频编码，AVI可以采用DivX编码来压缩视频流，当然也可以使用其他的编码压缩。同样，WAV也可以使用多种音频编码来压缩其音频流，不过我们常见的都是音频流被PCM编码处理的WAV，但这不表示WAV只能使用PCM编码，MP3编码同样也可以运用在WAV中，和AVI一样，只要安装好了相应的Decode，就可以欣赏这些WAV了。在Windows平台下，基于PCM编码的WAV是被支持得最好的音频格式，所有音频软件都能完美支持，由于本身可以达到较
10、高的音质的要求，因此，WAV也是音乐编辑创作的首选格式，适合保存音乐素材。因此，基于PCM编码的WAV被作为了一种中介的格式，常常使用在其他编码的相互转换之中，例如MP3转换成WMA。3、MP3编码据说MP3的由来是由德国某工作室在研究如何抓取CD音轨时衍生出的计算机文件格式。MP3本身是一种压缩与解压缩的计算方式，用来处理高比率的声音信息。它所生成的声音文件音质接近CD，而文件大小却只有其十二分之一。MP3是MPEG1Layer3的缩写，也就是MPEG-1AudioLayer-3的缩写。而MPEG这名词的含义是动态影像压缩，它是MovingPictureExp-ertsGroup的缩写。我们
11、所了解的VCD就是使用MPEG-1技术，而DVD则是使用更进一步MPEG-2的技术。MP3是MPEG里的一项技术分支，主要用来压缩声音。一共分三个等级(Layer)，分别是Layer-1(MP1)，Layer-2(MP2)和Layer-3(MP3)。MP3是利用MPEGAudioLayer3的技术，将声音用1:10甚至1:12的压缩率，变成容量较小的文件。以一张光碟容量为650M为例，若以CD格式，它只能容纳最多74分钟的音乐;如果做成MP3格式，一张光碟就能放一百多首歌曲。由于MP3的体积小，音质有非常接近CD，所以在国际互联网上很快流行起来，也成为个人电脑上重要的音频格式。由于人耳只能听到
12、一定频段内的声音，因此在人耳听起来，MP3与CD却没有什么不同。当然，MP3一种失真压缩，就像图形文件JPG一样，因为失真压缩，所以可以压得很多，也可以调整压缩比率，压得越多失真也越多。从技术层面来看，MP3是一种音频压缩技术的简称。由于这种压缩方式的全称叫MPEGAUDIOLAYER3，所以人们把它简称为MP3。MP3的音频压缩基于这样一种考虑:因为人耳只能听到一定频段内的声音，而其他更高或更低频率的声音对人耳是没有用处的，所以MP3技术就把这部分声音去掉了，从而使得文件体积大为缩小，但在人耳听起来，却并没有什么失真。同时，MP3格式音乐的流行也带动了MP3专用播放装置的出现，并在近年来得到
13、快速发展。目前市场上流行的MP3设备从功能和性能上已经远远超出了原来播放器的范畴，逐步发展成为集音频播放(包括MP3之外的音乐格式)、录音复读、文本阅读、移动存储、FM收音等功能为一体的多媒体掌上设备。有的高端MP3设备甚至还集成了音频编辑处理、电影播放等功能。MP3的优点由于大大压缩了文件的体积，所以相同的空间能存储更多的信息。由于没有机械元件，全部是电子元件，所以不存在防震问题，更加适合运动时欣赏音乐。另外，MP3可以随心所欲的进行音频编辑处理，编辑自己喜爱的歌。MP3的缺点MP3音频压缩技术是一种失真压缩，因为人耳只能听到一定频段内的声音，而其他更高或更低频率的声音对人耳是没有用处的，所
14、以MP3技术就把这部分声音去掉了，从而使得文件体积大为缩小。虽然听上去MP3音乐仍旧具有接近CD的音质，但毕竟要比CD稍逊一些。4、OGG编码网络上出现了一种叫OggVorbis的音频编码，号称MP3杀手!OggVorbis究竟什么来头呢?OGG是一个庞大的多媒体开发计划的项目名称，将涉及视频音频等方面的编码开发。整个OGG项目计划的目的就是向任何人提供完全免费多媒体编码方案!OGG的信念就是:OPEN!FREE!Vorbis这个词汇是特里普拉特柴特的幻想小说SmallGods中的一个花花公子人物名。这个词汇成为了OGG项目中音频编码的正式命名。目前Vorbis已经开发成功，并且开发出了编码器
15、。OggVorbis是高质量的音频编码方案，官方数据显示:OggVorbis可以在相对较低的数据速率下实现比MP3更好的音质!OggVorbis这种编码也远比90年代开发成功的MP3先进，她可以支持多声道，这意味着什么?这意味着OggVorbis在SACD、DTSCD、DVDAUDIO抓轨软件(目前这种软件还没有)的支持下，可以对所有的声道进行编码，而不是MP3只能编码2个声道。多声道音乐的兴起，给音乐欣赏带来了革命性的变化，尤其在欣赏交响时，会带来更多临场感。这场革命性的变化是MP3无法适应的。和MP3一样，OggVorbis是一种灵活开放的音频编码，能够在编码方案已经固定下来后还能对音质进
16、行明显的调节和新算法的改良。因此，它的声音质量将会越来越好，和MP3相似，OggVorbis更像一个音频编码框架，可以不断导入新技术逐步完善。和MP3一样，OGGVBR。5、MPC编码MPC又是另外一个令人刮目相看的实力派选手，它的普及过程非常低调，也没有什么复杂的背景故事，她的出现目的就只有一个，更小的体积更好的音质!MPC以前被称作MP+，很显然，可以看出她针对的竞争对手是谁。但是，只要用过这种编码的人都会有个深刻的印象，就是她出众的音质。6、mp3PRO编码2001年6月14日，美国汤姆森多媒体公司(ThomsonMultimediaSA)与佛朗赫弗协会(FraunhoferInstitute)于6月14日发布了一种新的音乐格式版本，名称为mp3PRO，这是一种基于mp3编码技术的改良方案，从官方公布的特征看来确实相当吸引人。从各方面的资料显示，mp3PRO并不是一种全新的格式，完全是基于传统mp3编码技术的一
