[音视频开发] 音频基础知识

一. 直播客户端音频处理流程

首先采集音频,采集到的音频内容过大,要经过编码压缩才能传输。

二. 音频数据流的采集

编码流程:采集到的原始数据就是PCM,经过编码器编码压缩后成为aac/mp3格式的压缩数据,然后再套一层封装形成mp4/flv格式的多媒体文件。

解码流程:mp4/flv格式的多媒体文件经过解封装,得到aac/mp3格式的压缩数据,再经过解码器解码,生成PCM数据。

可以看出编码和解码是完全相反的过程。

三. 声音三要素

  1. 音调:音频的快慢。如男生音调小于女生,而女生小于儿童,音频越快声音越悦耳。
  2. 音量:震动的幅度。
  3. 音色:谐波 不同的乐器有不同的谐波,对于乐器来说,钢琴对于小提琴产生的声音是不一样的,但是他们的频率是一样的。


谐波就是和音,黄色绿色蓝色三种正弦波通过协调合成了一个紫色的波形,其中绿色波是基频波,合成的紫色波也是在它的频率上微调,而紫色中波形的小的震动波形(如顶端)就是谐波,声音好听不好听就是这些小的谐波导致的。

四. 模数转换

我们自然界中的声音是模拟信号,需要将声音的模拟信号转化为数字信号,如何进行数字信号采样,首先模拟信号如下:

对声音进行量化采样,按照每0.25进行采样,当然采样越多声音损失就越少:

经过量化采样后就变成了数字信息:


再将相应的数据转成二进制,就可以在链路上传播了。

五. 音频原始数据

1. 音频原始数据格式

常用的格式:

  • PCM:纯的音频数据,没有任何格式。
  • WAV:PCM数据上套上一个头部,就成了WAV数据,头部存着PCM基本信息,所以它基本上存储的是PCM数据。

2. 量化基本概念

  • 采样大?。阂桓霾裳枚嗌賐it存放。常用的是16bit
  • 采样频率:8k、16k。32k、44.1k、48k
  • 声道数: 单声道、双声道、多声道、三个声道以上叫做立体声。

一个PCM的音频流的码率=采样率采样大小声道数,比如:
采样率为44.1khz,采样大小为16bit,双声道的PCM编码WAV文件,它的码率为44.1khz162=1411.2kb/s 每秒1.4M的数据传输。这么大的码流显然无法在我们的网络上传输,所以需要压缩。

3. WAV Header

上面说了WAV格式是PCM上套了个头部,头部具体包括了采样大小、采样频率,声道数及其他信息。

六. 音频编码原理

1.音频压缩

音视频压缩技术是在保证信号在听觉方面不产生失真的前提下,对音频数据信号进行尽可能大的压缩,包括有损压缩和无损压缩。

  • 消除冗余信息,也是有损压缩,冗余信号是指不能被人耳感知到的信号,包含人耳听觉范围之外的音频信号以及被掩蔽掉的音频信号。信号的遮蔽可以分为频域遮蔽和时域遮蔽。
频域遮蔽效应

声强不高和人耳听觉范围之外的音频信号都会被遮蔽掉,频率相近的高声强会遮蔽掉低声强的声音。

时域遮蔽效应

随着时间的推移,声音之间会有遮蔽效应,越靠近某个时间段高声强的声音越容易被遮蔽,同时发出的声音声强低的被遮蔽。

  • 无损压缩,无损编码,通过优化排列方式来达到压缩目的。
熵编码
  • 哈夫曼编码
  • 算术编码
  • 香农编码

2.音频编码过程

3.常用音频编码器

包括OPUS、AAC、Ogg、Speex、iLBC、AMR、G.711等,其中,AAC在直播系统中应用比较广泛;OPUS是较新的音编码器,WebRTC默认使用OPUS;固话一般用的G.711。
网上效果测评:OPUS>AAC>Ogg。

AAC(Advanced Audio Coding)

相对于Mp3:

  • 压缩率更高
  • 保真性较好,解压还原度高。

它通过一些附加的编码技术(比如PS、SBR等),衍生出了LC-AAC、HE-AAC(v1)、HE-AAC v2三种主要的编码格式。

AAC格式

4.ffmpeg生成AAC文件

ffmpeg -i water.mp4 -vn -c:a libfdk_aac -ar 44100 -profile:a aac_he_v2 -b:a 48k -ac 2 out.aac

-b:a:音频码率

可能的报错:

解决方案:

5.音频重采样

音频重采样就是将音频三元组(采样率、采样大小、通道数)的值转成另一组值,如将44100/16/2转成48000/16/2,

为什么要重采样呢?
  • 从设备采集的音频数据与编码器要求的数据不一致
  • 扬声器要求的音频数据与要播放的音频数据不一致
  • 更方便运算,如回音消除要求单声道,因为单声道更容易进行回音消除,所以需要重采样变成单声道。
重采样的步骤
  • 创建重采样上下文
  • 设置参数
  • 初始化重采样
  • 进行重采样
重采样的几个重要的API
  • swr_alloc_set_opts:1. 创建重采样上下文 2. 设置参数。
  • swr_init:初始化重采样
  • swr_convert:对音频帧转换,重采样。
  • swr_free:释放上下文

6 .ffmpeg编码过程

创建并打开编码器
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