音频信号的编码处理

音频应用

音频信号的编码处理

1、PCM编码

　

PCM 脉冲编码调制是Pulse Code Modulation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Audio CD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。

大家知道，无论现在的多媒体电脑功能如何强大，其内部也只能处理数字信息。而我们听到的声音都是模拟信号，怎样才能让电脑也能处理这些声音数据呢？还有，究竟模拟音频与数字音频有什么不同呢？数字音频究竟有些什么优点呢？这些都是我们下面所要介绍的。

把模拟音频转成数字音频，在电脑音乐里就称作采样，其过程所用到的主要硬件设备便是模拟/数字转换器（Analog to Digital Converter，即ADC）。采样的过程实际上是将通常的模拟音频信号的电信号转换成许多称作“比特（Bit）”的二进制码0和1，这些0和1便构成了数字音频文件。如下图，图中的正弦曲线代表原始音频曲线；填了颜色的方格代表采样后得到的结果，二者越吻合说明采样结果越好。






上图中的横坐标便是采样频率；纵坐标便是采样分辨率。图中的格子从左到右，逐渐加密，先是加大横坐标的密度，然后加大纵坐标的密度。显然，当横坐标的单位越小即两个采样时刻的间隔越小，则越有利于保持原始声音的真实情况，换句话说，采样的频率越大则音质越有保证；同理，当纵坐标的单位越小则越有利于音质的提高，即采样的位数越大越好。

有一点请大家注意，8位（8Bit）不是说把纵坐标分成8份，而是分成2^8＝256份；同理16位是把纵坐标分成2^16＝65536份；而24位则分成2^24=16777216份。现在我们来进行一个计算，看看一个数字音频文件的数据量到底有多大。假设我们是用44.1kHz、16bit来进行立体声（即两个声道）



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 PIFF Resource Interchange File Format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

MP3作为目前最为普及的音频压缩格式，为大家所大量接受，各种与MP3相关的软件产品层出不穷，而且更多的硬件产品也开始支持MP3，我们能够买到的VCD/DVD播放机都很多都能够支持MP3，还有更多的便携的MP3播放器等等，虽然几大音乐商极其反感这种开放的格式，但也无法阻止这种音频压缩的格式的生存与流传。MP3发展已经有10个年头了，他是MPEG(MPEG：Moving Picture Experts Group) Audio Layer-3的简称，是MPEG1的衍生编码方案，1993年由德国Fraunhofer IIS研究院和汤姆生公司合作发展成功。MP3可以做到12:1的惊人压缩比并保持基本可听的音质，在当年硬盘天价的日子里，MP3迅速被用户接受，随着网络的普及，MP3被数以亿计的用户接受。MP3编码技术的发布之初其实是非常不完善的，由于缺乏对声音和人耳听觉的研究，早期的mp3编码器几乎全是以粗暴方式来编码，音质破坏严重。随着新技术的不断导入，mp3编码技术一次一次的被改良，其中有2次重大技术上的改进。
VBR：MP3格式的文件有一个有意思的特征，就是可以边读边放，这也符合流媒体的最基本特征。也就是说播放器可以不用预读文件的全部内容就可以播放，读到哪里播放到哪里，即使是文件有部分损坏。虽然mp3可以有文件头，但对于mp3格式的文件却不是很重要，正因为这种特性，决定了MP3文件的每一段每一帧都可以单独的平均数据速率，而无需特别的解码方案。于是出现了一种叫VBR（Variable bitrate，动态数据速率）的技术，可以让MP3文件的每一段甚至每一帧都可以有单独的bitrate，这样做的好处就是在保证音质的前提下最大程度的限制了文件的大小。这种技术的优越性是显而易见的，但要运用确实是一件难事，因为这要求编码器知道如何为每一段分配bitrate，这对没有波形分析的编码器而言，这种技术如同虚设。正是如此，VBR技术并没有一出现就显得光彩夺目。

专家们通过长期的声学研究，发现人耳存在遮蔽效应。声音信号实际是一种能量波，在空气或其他媒介中传播，人耳对声音能量的多少即响度或声压最直接的反应就是听到这个声音的大小，我们称它为响度，表示响度这种能量的单位为分贝（dB）。即使是同样响度的声音，人们也会因为它们频率不同而感觉到声音大小不同。人耳最容易听到的就是4000Hz的频率，不管频率是否增高或降低，即使是响度在相同的情况下，大家都会觉得声音在变小。但响度降到一定程度时，人耳就听不到了，每一个频率都有着不同的值。



可以看到这条曲线基本成一个V字型，当频率超过15000Hz时，人耳的会感觉到声音很小，很多听觉不是很好的人，根本就听不到20000Hz的频率，不管响度有多大。当人耳同时听到两个不同频率、不同响度的声音时，响度较小的那个也会被忽略，例如：在白天我们很难听到电脑中散热风扇的声音，晚上却成了噪声源，根据这种原理，编码器可以过滤掉很多听不到的声音，以简化信息复杂度，增加压缩比，而不明显的降低音质。这种遮蔽被称为同时遮蔽效应。但声音A被声音B遮蔽，如果A处于B为中心的遮蔽范围内，遮蔽会更明显,这个范围叫临界带宽。每一种频率的临界带宽都不一样，频率越高的临界带宽越宽。

频率(Hz)	临界带宽(Hz)	频率(Hz)	临界带宽(Hz)
50	80	1850	280
150	100	2150	320
350	100	2500	380
450	110	3400	550
570	120	4000	700
700	140	4800	900
840	150	5800	1100
1000	160	7000	1300
1170	190	8500	1800
1370	210	10500	2500
1600	240	13500	3500

根据这种效应，专家们设计出人耳听觉心理模型，这个模型被导入到mp3编码中后，导致了一场翻天覆地的音质革命，mp3编码技术一直背负着音质差的恶名，但这个恶名现在已经逐渐被洗脱。到了此时，一直被埋没的VBR技术光彩四射，配合心理模型的运用便现实出强大的诱惑力与杀伤力。
长期来，很多人对MP3印象不好，更多人认为WMA的最佳音质要好过MP3，这种说法是不正确的，在中高码率下，编码得当的MP3要比WMA优秀很多，可以非常接近CD音质，在不太好的硬件设备支持下，没有多少人可以区分两者的差异，这不是神话故事，尽管你以前盲听就可以很轻松区分MP3和CD，但现在你难保证你可以分辨正确。因为MP3是优秀的编码，以前被埋没了。

4、OGG编码

网络上出现了一种叫Ogg Vorbis的音频编码，号称MP3杀手！Ogg Vorbis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《Small Gods》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。

Ogg Vorbis是高质量的音频编码方案，官方数据显示：Ogg Vorbis可以在相对较低的数据速率下实现比MP3更好的音质！Ogg Vorbis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Ogg Vorbis在SACD、DTSCD、DVD AUDIO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，Ogg Vorbis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，Ogg Vorbis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，OGG也支持VBR。

5、MPC 编码

MPC是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(Thomson Multimedia SA)与佛朗赫弗协会(Fraunhofer Institute)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编码技术的一种改良，本身最大的技术亮点就在于SBR（Spectral Band Replication 频段复制），这是一种新的音频编码增强算法。它提供了改善低位率情况下音频和语音编码的性能的可能。这种方法可在指定的位率下增加音频的带宽或改善编码效率。SBR最大的优势就是在低数据速率下实现非常高效的编码，与传统的编码技术不同的是，SBR更像是一种后处理技术，因此解码器的算法的优劣直接影响到音质的好坏。高频实际上是由解码器（播放器）产生的，SBR编码的数据更像是一种产生高频的命令集，或者称为指导性的信号源，这有点駇idi的工作方式。我们可以看到，mp3PRO其实是一种mp3信号流和SBR信号流的混合数据流编码。有关资料显示，SBR技术可以改善低数据流量下的高频音质，改善程度约为30%，我们不管这个30%是如何得来的，但可以事先预知这种改善可以让64kbps的mp3达到128kbps的mp3的音质水平（注：在相同的编码条件下，数据速率的提升和音质的提升不是成正比的，至少人耳听觉上是这样的），这和官方声称的64kbps的mp3PRO可以媲美128kbps的mp3的宣传基本是吻合的。

7、WMA

WMA就是Windows Media Audio编码后的文件格式，由微软开发，WMA针对的不是单机市场，是网络！竞争对手就是网络媒体市场中著名的Real Networks。微软声称，在只有64kbps的码率情况下，WMA可以达到接近CD的音质。和以往的编码不同，WMA支持防复制功能，她支持通过Windows Media Rights Manager 加入保护，可以限制播放时间和播放次数甚至于播放的机器等等。WMA支持流技术，即一边读一边播放，因此WMA可以很轻松的实现在线广播，由于是微软的杰作，因此，微软在Windows中加入了对WMA的支持，WMA有着优秀的技术特征，在微软的大力推广下，这种格式被越来越多的人所接受。

8、RA

RA就是RealAudio格式，这是各位网虫接触得非常多的一种格式，大部分音乐网站的在线试听都是采用了RealAudio，这种格式完全针对的就是网络上的媒体市场，支持非常丰富的功能。最大的闪烁点就是这种格式可以根据听众的带宽来控制自己的码率，在保证流畅的前提下尽可能提高音质。RA可以支持多种音频编码，包括ATRAC3。和WMA一样，RA不但都支持边读边放，也同样支持使用特殊协议来隐匿文件的真实网络地址，从而实现只在线播放而不提供下载的欣赏方式。这对唱片公司和唱片销售公司很重要，在各方的大力推广下，RA和WMA是目前互联网上，用于在线试听最多的音频媒体格式。

9、APE

APE是Monkey's Audio提供的一种无损压缩格式。Monkey's Audio提供了Winamp的插件支持，因此这就意味着压缩后的文件不再是单纯的压缩格式，而是和MP3一样可以播放的音频文件格式。这种格式的压缩比远低于其他格式，但能够做到真正无损，因此获得了不少发烧用户的青睐。在现有不少无损压缩方案种，APE是一种有着突出性能的格式，令人满意的压缩比以及飞快的压缩速度，成为了不少朋友私下交流发烧音乐的唯一选择。