音视频编解码技术（二）：AAC 音频编码技术

一、AAC编码概述

AAC是高级音频编码（Advanced Audio Coding）的缩写，出现于1997年，最初是基于MPEG-2的音频编码技术，目的是取代MP3格式。2000年，MPEG-4标准出台，AAC重新集成了其它技术包括SBR或PS特性，目前AAC可以定义为⼀种由 MPEG-4 标准定义的有损音频压缩格式

二、AAC编码规格简述

AAC共有9种规格，以适应不同的场合的需要：

MPEG-2 AAC LC 低复杂度规格（Low Complexity）注：比较简单，没有增益控制，但提高了编码效率，在中等码率的编码效率以及音质方面，都能找到平衡点

MPEG-2 AAC Main 主规格

MPEG-2 AAC SSR 可变采样率规格（Scaleable Sample Rate）

MPEG-4 AAC LC 低复杂度规格（Low Complexity）---现在的手机比较常见的MP4文件中的音频部份就包括了该规格音频文件

MPEG-4 AAC Main 主规格注：包含了除增益控制之外的全部功能，其音质最好

MPEG-4 AAC SSR 可变采样率规格（Scaleable Sample Rate）

MPEG-4 AAC LTP 长时期预测规格（Long Term Predicition）

MPEG-4 AAC LD 低延迟规格（Low Delay）

MPEG-4 AAC HE 高效率规格（High Efficiency）---这种规格适合用于低码率编码，有Nero ACC 编码器支持

流行的Nero AAC编码程序只支持LC，HE，HEv2这三种规格，编码后的AAC音频，规格显示都是LC。HE其实就是AAC（LC）+ SBR技术，HEv2就是AAC（LC）+ SBR + PS技术；

这里再说明一下HE和HEv2的相关内容：

HE：HE-AAC v1（又称AACPlusV1，SBR)，用容器的方法实现了AAC（LC）+SBR技术。SBR其实代表的是Spectral Band Replication(频段复制)。简要叙述一下，音乐的主要频谱集中在低频段，高频段幅度很小，但很重要，决定了音质。如果对整个频段编码，若是为了保护高频就会造成低频段编码过细以致文件巨大；若是保存了低频的主要成分而失去高频成分就会丧失音质。SBR把频谱切割开来，低频单独编码保存主要成分，高频单独放大编码保存音质，“统筹兼顾”了，在减少文件大小的情况下还保存了音质，完美的化解这一矛盾。

HEv2：用容器的方法包含了HE-AAC v1和PS技术。PS指“parametric stereo”（参数立体声）。原来的立体声文件文件大小是一个声道的两倍。但是两个声道的声音存在某种相似性，根据香农信息熵编码定理，相关性应该被去掉才能减小文件大小。所以PS技术存储了一个声道的全部信息，然后，花很少的字节用参数描述另一个声道和它不同的地方。

三、AAC编码的特点

(1). AAC是一种高压缩比的音频压缩算法，但它的压缩比要远超过较老的音频压缩算法，如AC-3、MP3等。并且其质量可以同未压缩的CD音质相媲美。

(2). 同其他类似的音频编码算法一样，AAC也是采用了变换编码算法，但AAC使用了分辨率更高的滤波器组，因此它可以达到更高的压缩比。

(3). AAC使用了临时噪声重整、后向自适应线性预测、联合立体声技术和量化哈夫曼编码等最新技术，这些新技术的使用都使压缩比得到进一步的提高。

(4). AAC支持更多种采样率和比特率、支持1个到48个音轨、支持多达15个低频音轨、具有多种语言的兼容能力、还有多达15个内嵌数据流。

(5). AAC支持更宽的声音频率范围，最高可达到96kHz，最低可达8KHz，远宽于MP3的16KHz-48kHz的范围。

(6). 不同于MP3及WMA，AAC几乎不损失声音频率中的甚高、甚低频率成分，并且比WMA在频谱结构上更接近于原始音频，因而声音的保真度更好。

(7). AAC采用优化的算法达到了更高的解码效率，解码时只需较少的处理能力。

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四、AAC音频文件格式

1. ACC 音频文件格式类型

AAC的音频文件格式有ADIF ＆ ADTS：

ADIF：Audio Data Interchange Format 音频数据交换格式。这种格式的特征是可以确定的找到这个音频数据的开始，不需进行在音频数据流中间开始的解码，即它的解码必须在明确定义的开始处进行，这种格式常用在磁盘文件中。

ADTS：Audio Data Transport Stream 音频数据传输流。这种格式的特征是它是一个有同步字的比特流，解码可以在这个流中任何位置开始。它的特征类似于mp3数据流格式。

简单说，ADTS可以在任意帧解码，也就是说它每一帧都有头信息。ADIF只有一个统一的头，所以必须得到所有的数据后解码。这两种的header的格式也是不同的，一般编码后的和抽取出的都是ADTS格式的音频流。

AAC的ADIF文件格式如下：

header()

raw_data_stream()

AAC的ADTS文件中一帧的格式如下：

...

syncword

header()

error_check()

raw_data_block()

...

ADTS格式中两边的空白矩形表示当前一帧前后的数据。

2. ADIF 的 Header 结构

ADIF 的头信息如下图：

ADIF头信息位于AAC文件的起始处，接下来就是连续的 Raw Data Blocks。

3. ADTS 的 Header 头结构

一个 AAC 原始数据块长度是可变的，对原始帧加上 ADTS 头的封装，就形成了 ADTS 帧。ADTS 头中相对重要的信息有：采样率，声道数，帧长度，每一个带 ADTS 头信息的 AAC 流会清晰的告诉解码器它需要的这些信息，解码器才能解析读取。一般情况下 ADTS 的头信息都是 7 个字节，分为 2 部分：

　　- adts_fixed_header(); —— 固定头信息，头信息中的每一帧都相同.

　　- adts_variable_header(); —— 可变头信息，头信息则在帧与帧之间可变.

ADTS 的固定头信息：

Syncword: 总是0xFFF，代表一个ADTS帧的开始, 用于同步，解码器可通过0xFFF确定每个ADTS的开始位置.因为它的存在，解码可以在这个流中任何位置开始, 即可以在任意帧解码**。 ID：MPEG Version: 0 for MPEG-4, 1 for MPEG-2 Layer：always: '00' Protection_absent：Warning, set to 1 if there is no CRC and 0 if there is CRC Profile：表示使用哪个级别的AAC，如profile的值等于 Audio Object Type的值减1，即profile = MPEG-4 Audio Object Type - 1 sampling_frequency_index: 采样率的下标

channel_configuration：声道数. 比如2表示立体声双声道.

aac_frame_length: 一个ADTS帧的长度包括ADTS头和AAC原始流. adts_buffer_fullness：0x7FF 说明是码率可变的码流. number_of_raw_data_blocks_in_frame：表示ADTS帧中有number_of_raw_data_blocks_in_frame + 1个AAC原始帧. 在实际开发AAC编解码的时候，尤其是封装ADTS帧的时候，如何设置相关的Header的值，可以参考如下wiki内容：

MPEG-4 Audio - MultimediaWiki
ADTS - MultimediaWiki

注意：ACC LC和HE在采样率设置方面不同，LC格式的为正常索引，HE格式的索引为除2后对应的采样索引，这是因为：HE使用了SBR技术，即 Spectral Band Replication(频段复制)，所以存储同样的音频内容，HE文件较小。使用时采样率为LC的一半。

ADTS的可变头信息：

（1）Syncword 存在的目的是为了找出帧头在比特流中的位置，ADTS格式的帧头同步字为12比特的“1111 1111 1111”.

（2）ADTS的头信息为两部分组成，其一为固定头信息，紧接着是可变头信息。固定头信息中的数据每一帧都相同，而可变头信息则在帧与帧之间可变。

4. AAC文件处理流程

(1). 判断文件格式，确定为ADIF或ADTS

(2). 若为ADIF，解ADIF头信息，跳至第6步。

(3). 若为ADTS，寻找同步头。

(4). 解ADTS帧头信息。

(5). 若有错误检测，进行错误检测。

(6). 解块信息。

(7). 解元素信息。

注意：有时候在处理AAC音频流的时候 (比如：把 AAC 音频的 ES 流从 FLV 封装格式中抽出来送给硬件解码器)，编码后的 AAC 文件在PC或者手机上不能播放，导致播放错误，很大可能的原因是 AAC 文件的每一帧缺少 ADTS 头信息文件的包装拼接，这时需要加上头文件 ADTS 即可。

五、开源AAC解码器

a). 开源AAC解码器faad官方网站：http://www.audiocoding.com/

b). faad2源代码（VC工程）下载地址：http://download.csdn.net/detail/leixiaohua1020/6374877