音视频系列--音频基本理论

一、何为声音

中学物理中我们知道，声音是物体振动产生的声波。声音通过介质（空气、固体、液体）传入到人耳中，带动听小骨振动，经过一系列的神经信号传递后，被人所感知。

声音是一种波。物体振动时会使介质（如空气）产生疏密变化，从而形成疏密相见的纵波。

既然声音是波，那么我们就可以用图的形式来表示它。

给定空间中某一点，该点的空气疏密随时间的变化如下：

波形图
下图是一个正弦波，其周期为0.002s，频率为500HZ。

频率（音调）：声音1秒内周期性变化的次数

人耳的听觉范围在20Hz-20kHz。低频的声音沉闷厚重，高频的声音尖锐刺耳。高于 20kHz的声音为超声波。

振幅（响度）：声音的大小

有的时候，我们用分贝（dB）形容声音大小。值得注意的是，dB是一个比值，是一个数值，没有任何单位标注。（功率强度之比的对数的10倍）

音调：声音频率的高低叫做音调(Pitch),是声音的三个主要的主观属性,即音量(响度)、音调、音色(也称音品) 之一。表示人的听觉分辨一个声音的调子高低的程度。音调主要由声音的频率决定,同时也与声音强度有关

同等条件下，波长（频率）是决定音调高低的因素。

音量：人主观上感觉声音的大小（俗称音量），由“振幅”（amplitude）和人离声源的距离决定，振幅越大响度越大，人和声源的距离越小，响度越大。（单位：分贝dB）

音色：又称声音的品质，波形决定了声音的音色。声音因不同物体材料的特性而具有不同特性，音色本身是一种抽象的东西，但波形是把这个抽象直观的表现。音色不同，波形则不同。典型的音色波形有方波，锯齿波，正弦波，脉冲波等。不同的音色，通过波形，完全可以分辨的。

同等条件下，振幅是决定音量高低的因素。

同等条件下，波纹是决定音色因素。

通过上面简单的分析，我们已经知道声音的音量实际上就是由声波的振幅决定的，我们需要调整声波的振幅。播放一个视频，需要经历下面几步：

输入视频url
确定视频的封装格式
开始解封装
识别视频的轨道数据
分离轨道数据，音频轨道、视频轨道
解码视频数据为原始数据，解码音频数据为原始数据
做好音视频同步
渲染视频原始数据，播放音频原始数据

上面加黑标红的部分就是我们改变声音振幅的地方，只有将声音数据解码为原始数据，我们加工原始数据的音频流，然后送到AudioTrack或者OpenSL ES内部播放即可。

二、音频合成与分解

波的合成

波的分解

三、声音采集和存储

为了将模拟信号数字化，主要分为三个部分，采样，量化和编码

采样：就是在时间轴上对信号进行数字化。根据奈奎斯特定律（也称为采样定理），按比声音最高频率2倍以上的频率对声音进行采样（也称为AD转换），对于高频率的音频信号，其频率范围（人耳能够听到的频率范围）是20Hz~20kHz，所以采样频率一般为44.1kHz，这样就可以保证采样声音达到20kHz也能被数字化，从而使得经过数字化处理后，人耳听到声音质量不会被降低。而所谓的44.1kHz就是代表1秒会采样44100次。

量化：量化是指在幅度轴上对信号进行数字化，比如用16比特的二进制信号来表示声音的一个采样，而16比特（一个short）所表示的范围是[-32768, 32767]，共有65536个可能取值，因此最终模拟的音频信号在幅度上也分为了65536层。

编码：所谓编码，就是按照一定的格式记录采样和量化后的数字数据，比如顺序或压缩存储，等等。

四、PCM存储

4.1、什么是PCM

PCM(Pulse Code Modulation，脉冲编码调制)音频数据是未经压缩的音频采样数据裸流，它是由模拟信号经过采样、量化、编码转换成的标准数字音频数据。

描述PCM数据的6个参数：

1、Sample Rate : 采样频率。8kHz(电话)、44.1kHz(CD)、48kHz(DVD)。
2、Sample Size : 量化位数。通常该值为16bit。量化位数是音频文件的另一个参数。量化位数越大，声音的质量越高。常用的量化位数有8位、16位和32位。量化位数指用几位二进制数来存储采样获得的数据。量化位数为8，即指用8位二进制数来存储数据，如00010111。
3、Number of Channels : 通道个数。常见的音频有立体声(stereo)和单声道(mono)两种类型，立体声包含左声道和右声道。另外还有环绕立体声等其它不太常用的类型。
4、Sign : 表示样本数据是否是有符号位，比如用一字节表示的样本数据，有符号的话表示范围为-128 ~ 127，无符号是0 ~ 255。
5、Byte Ordering : 字节序。字节序是little-endian还是big-endian。通常均为little-endian。字节序说明见第4节。
6、Integer Or Floating Point : 整形或浮点型。大多数格式的PCM样本数据使用整形表示，而在一些对精度要求高的应用方面，使用浮点类型表示PCM样本数据。

以CD的音质为例：量化格式（有的地点描述为位深度）为16比特（2字节），采样率为44100，声道数为2，这些信息就表述了CD的音质。而对于声音格式，还有一个概念用来描述它的大小，称为数据比特率，即1s内时间内的比特数目，它用于衡量音频数据单位时间内的容量大小。而对于CD音质的数据，比特率为多少了？计算如下：

44100 * 16 * 2 = 1378.125kbps

那么在1分钟内，这类CD音质的数据需要占据多大的存储空间？计算如下：

1378.125 * 60 / 8 / 1024 = 10.09MB

推荐的PCM数据播放工具：

1、ffplay, 使用示例如下：

//播放格式为f32le，单声道，采样频率48000Hz的PCM数据
ffplay -f f32le -ac 1 -ar 48000 pcm_audio

2、Audacity：一款免费开源的跨平台音频处理软件。

4.2、PCM数据格式

如果是单声道的音频文件，采样数据按时间的先后顺序依次存入（有的时候也会采用LRLRLR方式存储，只是另一个声道的数据为0），如果是双声道的话就按照LRLRLR的方式存储，存储的时候与字节序有关。big-endian模式如下图所示：

4.3、声道数

声道分为单声道与双声道。

单声道即为左右耳听到的声音相同。

双声道两耳听到的信息不同。相同的声音时间、采样频率和比特率的情况下，双声道文件的存储空间是单声道的两倍。但其会给人空间感，游戏和电影中常采用双声道，可达到“听声辨位”的效果。

示例声音如下：

4.4、PCM转WAV

public class PcmToWavUtil {private int mBufferSize;  //缓存的音频大小private int mSampleRate = 8000;// 8000|16000private int mChannelConfig = AudioFormat.CHANNEL_IN_STEREO;   //立体声private int mChannelCount = 2;private int mEncoding = AudioFormat.ENCODING_PCM_16BIT;public PcmToWavUtil() {this.mBufferSize = AudioRecord.getMinBufferSize(mSampleRate, mChannelConfig, mEncoding);}/*** @param sampleRate sample rate、采样率* @param channelConfig    channel、声道* @param encoding   Audio data format、音频格式*/public PcmToWavUtil(int sampleRate, int channelConfig, int channelCount, int encoding) {this.mSampleRate = sampleRate;this.mChannelConfig = channelConfig;this.mChannelCount = channelCount;this.mEncoding = encoding;this.mBufferSize = AudioRecord.getMinBufferSize(mSampleRate, mChannelConfig, mEncoding);}/*** pcm文件转wav文件** @param inFilename  源文件路径* @param outFilename 目标文件路径*/public void pcmToWav(String inFilename, String outFilename) {FileInputStream in;FileOutputStream out;long totalAudioLen;long totalDataLen;long longSampleRate = mSampleRate;int channels = mChannelCount;long byteRate = 16 * mSampleRate * channels / 8;byte[] data = new byte[mBufferSize];try {in = new FileInputStream(inFilename);out = new FileOutputStream(outFilename);totalAudioLen = in.getChannel().size();totalDataLen = totalAudioLen + 36;writeWaveFileHeader(out, totalAudioLen, totalDataLen,longSampleRate, channels, byteRate);while (in.read(data) != -1) {out.write(data);}in.close();out.close();}  catch (IOException e) {e.printStackTrace();}}/*** 加入wav文件头*/private void writeWaveFileHeader(FileOutputStream out, long totalAudioLen,long totalDataLen, long longSampleRate, int channels, long byteRate)throws IOException {byte[] header = new byte[44];header[0] = 'R'; // RIFF/WAVE headerheader[1] = 'I';header[2] = 'F';header[3] = 'F';header[4] = (byte) (totalDataLen & 0xff);header[5] = (byte) ((totalDataLen >> 8) & 0xff);header[6] = (byte) ((totalDataLen >> 16) & 0xff);header[7] = (byte) ((totalDataLen >> 24) & 0xff);header[8] = 'W';  //WAVEheader[9] = 'A';header[10] = 'V';header[11] = 'E';header[12] = 'f'; // 'fmt ' chunkheader[13] = 'm';header[14] = 't';header[15] = ' ';header[16] = 16;  // 4 bytes: size of 'fmt ' chunkheader[17] = 0;header[18] = 0;header[19] = 0;header[20] = 1;   // format = 1header[21] = 0;header[22] = (byte) channels;header[23] = 0;header[24] = (byte) (longSampleRate & 0xff);header[25] = (byte) ((longSampleRate >> 8) & 0xff);header[26] = (byte) ((longSampleRate >> 16) & 0xff);header[27] = (byte) ((longSampleRate >> 24) & 0xff);header[28] = (byte) (byteRate & 0xff);header[29] = (byte) ((byteRate >> 8) & 0xff);header[30] = (byte) ((byteRate >> 16) & 0xff);header[31] = (byte) ((byteRate >> 24) & 0xff);header[32] = (byte) (2 * 16 / 8); // block alignheader[33] = 0;header[34] = 16;  // bits per sampleheader[35] = 0;header[36] = 'd'; //dataheader[37] = 'a';header[38] = 't';header[39] = 'a';header[40] = (byte) (totalAudioLen & 0xff);header[41] = (byte) ((totalAudioLen >> 8) & 0xff);header[42] = (byte) ((totalAudioLen >> 16) & 0xff);header[43] = (byte) ((totalAudioLen >> 24) & 0xff);out.write(header, 0, 44);}
}

五、音频编码

几种常用的压缩编码格式

1、WAV编码

WAV编码就是在PCM(Pulse Code Modulation，脉冲编码调制)前面加了44字节，分别用来描述PCM的采样率、声道数、数据格式等信息。

特点：音质非常好，大量软件都支持
适用场景：多媒体开发的中间文件、保存音乐和音效素材

2、MP3编码

MP3具有不错的压缩比，使用LAME编码（MP3编码格式的一种实现）的中高码率的MP3文件，听感上非常接近源WAV文件，当然在不同的应用场景下，应该调整合适的参数以达到最好的效果。

特点：音质在128Kbit/s以上表现还不错，压缩比比较高，大量软件和硬件都支持，兼容性好。
适用场景：高比特率下对兼容性有要求的音乐。

3、AAC编码

AAC是新一代的音频有损压缩技术，它通过一些附加的编码技术（比如PS，SBR），衍生出了LC-AAC，HE-AAC,HE-AAC v2三种主要的编码格式。

特点：在小于128Kbit/s的码率下表现优异，并且多用于视频中的音频编码。
适用场合：128Kbit/s以下的音频编码，多用于视频中音频轨的编码。

4、Ogg编码

Ogg是一种非常有潜力的编码，在各种码率下都有比较优秀的表现，尤其是在低码率场景下。Ogg除了音质好之外，还是完全免费的，这为Ogg获得更多的支持打好了基础。Ogg有着非常出色的算法，可以用更小的码率达到更好的音质，128kbit/s的Ogg比192Kbit/s甚至更高码率的MP3还要出色。但目前还没有媒体服务软件的支持，因此基于Ogg的数字广播还无法实现。Ogg目前受支持的情况还不够好，无论是软件上还是硬件上的支持，都无法和MP3相提并论。

特点：可以用比MP3更小的码率实现比MP3更好的音质，高中低码率下均有良好的表现，兼容性不够好，流媒体特性不支持。
适用场合：语音聊天的音频消息场景。