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大数据最全【Audio音频开发】音频基础知识及PCM技术详解_audio pcm(1),给大家安排上

2024年08月02日 数据分析 我要评论
因为Buffer Size由应用设置,其可大可小,若其太大,则传输的延时太大,所以对此进行分片,提出Period的概念。overrun,录制时,数据都满了,应用来不及取走;数据是最原始的音频数据,完全无损,所以PCM数据虽然音质优秀但体积庞大,为了解决这个问题先后诞生了一系列的音频格式,这些音频格式运用不同的方法对音频数据进行压缩,其中有无损压缩和有损压缩两种。通过采样时测的的模拟电压值,要进行分级量化,按整个电压变化的最大幅度划分成几个区段,把落在某区段的采样到的样品值归成一类,并给出相应的量化值。

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  • 原始模拟音频数据如下

image-20220801191024951

  • 按照固定频率进行采样,得到

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  • 最后,对采样后的数据选择合适精度进行量化

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5、pcm相关概念

5.1 采样频率

采样频率单位时间内对模拟信号的采样次数,它用赫兹(hz)来表示。采样频率越高,声音的还原就越真实越自然,当然数据量就越大。采样频率一般共分为22.05khz44.1khz48khz三个等级。

5.2 采样位数

采样位数(sample bits):又称为采样精度,量化级,也相当于每个采样点所能被表示的数据范围。

采样位数通常有8bits16bits两种,采样位数越大,所能记录声音的变化度就越细腻,相应的数据量就越大。

8bits为低品质,16bits为高品质,16bits最为常见。

5.3 声道数

声道数(channels):又称为通道数,指的是:能支持不同发声的音响个数,它是衡量音响设备的重要指标之一。

5.4 音频数据大小计算

知道上面三个概念,我们就能够计算出来一个原始的音频文件所占用空间大小了。

空间大小

(

b

y

t

e

)

=

采样频率

(

h

z

)

时长

(

s

)

采样位数

(

b

i

t

)

声道数

/

8

空间大小(byte)=采样频率(hz) * 时长(s) * 采样位数(bit)*声道数/8

空间大小(byte)=采样频率(hz)∗时长(s)∗采样位数(bit)∗声道数/8

5.5 量化

量化: 量化就是通过四舍五入的方法将采样后的模拟信号转换成一种数字信号的过程。

对于采样来说,就是在时间轴上对信号数字化

对于量化来说,就是在幅度轴上对信号数字化

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5.6 其他参数相关
  • 帧(frame):一个声音的基本数据单元,其长度为采样位数和通道数的乘积
  • 周期(period size)音频设备一次处理所需要的帧数,对于音频设备的数据访问以及音频数据的存储,都是以此为单位。硬件缓冲传输单位,即完成这么多采样帧的传输,就会回馈一个中断。

在这里插入图片描述

  • buffer bytes: 一个应用buffer有多少个字节,dma缓冲区大小。
  • sign :表示样本数据是否是有符号位
  • byte ordering:字节序,表明数据是小端(little-endian)存储还是大端(big-endian)存储,通常均为little-endian
  • nteger or floating point :整形或者浮点型,大多数格式的pcm样本数据使用整形表示。
  • **交错模式:**数字音频信号存储的方式。数据以连续帧的方式存放,即首先记录第一帧的左声道样本和右声道样本,再开始第2帧的记录…
  • 非交错模式: 首先记录的是一个周期内所有帧的左声道样本,再记录所有右声道样本。

6、pcm数据流

对于pcm数据都是一些文本化的描述,那么一段pcm格式的数据流怎么表示的呢?

以8-bit有符号为例,长得像这样:

+---------+-----------+-----------+----
 binary 	| 0010 0000 | 1010 0000 | ...
 decimal	| 32        | -96       | ...
+---------+-----------+-----------+----  

每个分割符"|"分割字节。因为是 8-bit 有符号表示的采样数据,所以采样的范围为-128~128

ok,对于pcm数据流的存储而言,上面仅仅只是单声道。对于多声道的pcm数据而言,通常会交错排列,就像这样:

+---------+-----------+-----------+-----------+-----------+----
     fl 	|     fr    |     fl 	  |     fr    |     fl 	  |    
+---------+-----------+-----------+-----------+-----------+----


对于8-bit有符号的pcm数据而言,上图表示第一个字节存放第一个左声道数据(fl),第二个字节放第一个右声道数据(fr),第三个字节放第二个左声道数据(fl)

7、编码

一个完整的音频,经过采样和量化后的信号,需要将它转化为数字编码脉冲,这一过程称为编码。

编码简单来说,就是按一定格式记录采样和量化后的数字数据

7.1 音频编码协议acc

aac(advanced audio coding) 高级音频编码,是一种声音数据的文件压缩格式。aac分为adifadts两种文件格式。

  • adif(audio data interchange format): 音频数据交换格式。这种格式的特征是只有音频数据最前面具有头字节,音频数据流中间没有头字节。因此它的解码只能在头字节处开始进行。故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每一单元音频数据都有一个header字节,解码可以在这个流中任何位置开始。

7.2 压缩

pcm数据是最原始的音频数据,完全无损,所以pcm数据虽然音质优秀但体积庞大,为了解决这个问题先后诞生了一系列的音频格式,这些音频格式运用不同的方法对音频数据进行压缩,其中有无损压缩和有损压缩两种。

  • 无损压缩:将数据压缩之后,通过解码还能还原成与原始数据一模一样的数据为无损压缩。
    • alac、ape、flac

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