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#音频数据源之PCM（2）

声音与音频

声音是波，成为声波，而声波的三要素是频率、振幅和波形。频率代表音阶的高低（女高音、男低音）单位赫兹（Hz），人耳能听到的声波范围：频率在20Hz~20kHz之间；振幅代表响度（音量）；波形代表音色。而我们音频处理就是对声波采集成数字信号后进行处理。

音频采集与关键名词

音频采集的过程主要是通过设备设置采样率、采样数，将音频信号采集为pcm（Pulse-code modulation，脉冲编码调制）编码的原始数据（无损压缩），然后编码压缩成mp3、aac等封装格式的数据。音频关键知识：

  • 采样率： 一段音频数据中单位时间内（每秒）采样的个数。
  • 位宽： 一次最大能传递数据的宽度，可以理解成放单个采集数据的内存。常有8位和16位，而8位：代表着每个采集点的数据都使用8位（1字节）来存储；16位：代表着每个采集点的数据都使用16位（2字节）来存储。
  • 声道数： 扬声器的个数，单声道、双声道等。每一个声道都占一个位宽。

来一张图来描述一下：

pcm-数据采集

一段时间内的数据大小如何计算？

采样率 x (位宽 / 8) x 声道数 x 时间 = 数据大小（单位：字节）

比如 2分钟的CD（采样率为：44100，位宽：16，声道数：2）的数据大小：44100 x (16 / 8) x 2 x 120 = 20671.875 Byte 约为 20.18M。

PCM数据的基本使用

我们采集到的pcm原始数据要怎么玩？首先得知道怎么这些数据都代表啥意思，然后才能入手处理。

1、pcm数据时如何组成（存储）？

举个例子，分别使用不同的方式存储一段采集数据 0x11 0x22 0x33 0x44 0x55 0x66 0x77 0x88 总共8个字节。

  • 8位单声道： 按照数据采集时间顺序存储，即：0x11 0x22 0x33 0x44 0x55 0x66 0x77 0x88

  • 8位双声道： L声道-R声道-L声道-R声道形式存储，即：0x11(L) 0x22(R) 0x33(L) 0x44(R) ……

  • 16位单声道： 首先从 维基多媒体：pcm了解到位宽大于8位时，字节的排序方式是有差别的，描述如下：

    When more than one byte is used to represent a PCM sample, the byte order (big endian vs. little endian) must be known. Due to the widespread use of little-endian Intel CPUs, little-endian PCM tends to be the most common byte orientation.

    当使用一个以上的字节表示PCM样本时，必须知道字节顺序（大端与小端）。由于低端字节Intel CPU的广泛使用，低端字节PCM往往是最常见的字节方向。

    举个栗子：当位宽为16位（2字节）存储一个采集数据时，如：0x12ab，大端和小端分别是：

    big-endian: 0x12 0xab； little-endian: 0xab 0x12。

    所以： big-endian存储方式：0x1122 0x3344 0x5566 0x7788； little-endian存储方式：0x2211 0x4433 0x6655 0x8877。

  • 16位双声道： L声道-R声道-L声道-R声道形式存储：

    big-endian：0x1122(L) 0x3344(R) 0x5566(L) 0x7788(R)

    little-endian: 0x2211(L) 0x4433(R) 0x66550(L) 0x8877(R)

2、pcm原始数据可以怎么玩？

  • 将little-endian_2_44100_16.pcm采样数据进行切割，只保留后面5秒的数据

    /**
 * 将little-endian_2_44100_16.pcm采样数据进行切割，只保留后面5秒的数据
 * 1、该类型数据5秒有多长？
 * 2、从哪里开始截取？
 */
int cut5second(const char *url){
    FILE *in = fopen(url, "rb+");
    FILE *out = fopen("./output/spit5second.pcm", "wb+");
    long long  data5Length = 44100 * (16/8) * 2 * 5;
    struct stat statbuf;
    stat(url,&statbuf);
    long long fileLength = statbuf.st_size;
    long long  start = fileLength - data5Length;
    char *simple = (char *)malloc(data5Length);
    //把指针位置移动到start位置开始读取
    fseek(in,start,1);
    //每次从in文件中读取1组data5Length个长度数据的到simple中
    fread(simple,data5Length,1,in);
    fwrite(simple,data5Length,1,out);
    fclose(in);
    fclose(out);
    return 0;
}

  • 分离各声道的数据：把各个声道的采集点数据分开存储。

    /**
 * 将little-endian_2_44100_16.pcm 分离各声道的数据，即把各个声道的采集点数据分开存储。
 */
int separateLR(const char *url){
    FILE *in = fopen(url, "rb+");
    FILE *outL = fopen("./output/l.pcm", "wb+");
    FILE *outR = fopen("./output/r.pcm", "wb+");
    int simpleLength = 16 / 8 * 2;
    char *simple = (char *)malloc(simpleLength);
    while (1){
        //每次从in文件中读取1组4个长度数据的到simple中
        fread(simple,4,1,in);
        if(feof(in)){
            break;
        }
        //l(0声道)：1-2
        fwrite(simple,2,1,outL);
        //r(1声道)：3-4
        fwrite(simple+2,2,1,outR);
    }
    fclose(in);
    fclose(outL);
    fclose(outR);
    return 0;
}

  • 音量调节：把每个采集点数据的值 x 调节比例。注意：需要注意的是可调节范围，如：8位有无符号时最大是多少。

    /**
 * 将little-endian_2_44100_16.pcm 调节音量 比例
 * 1、little-endian排序的值是如何排序的？真正的值是多少？
 * 2、little-endian转成真正的值之后再进行计算，得到的结果再反转little-endian。
 * 如：原始pcm数据：0xaa 0x01(左声道采样点数据)，当scale=2：
 * -> 值：0x01aa * 2 = 0x0354
 * -> 转回little-endian再进行存储：0x5403（缩放后的值）
 */
int volumeAdjustment(const char *url, float scale){
    FILE *in = fopen(url, "rb+");
    FILE *out = fopen("./output/volume_adjustment.pcm", "wb+");
    char *simple = (char *)malloc(4);
    while (1){
        //每次从in文件中读取1组4个长度数据的到simple中
        fread(simple, 4, 1, in);
        if(feof(in)){
            break;
        }
        short *simple8bitTemp = (short *)malloc(2);

        //l(0声道)：
        simple8bitTemp[0] = (simple[0] + (simple[1] << 8)) * scale;
        //r(1声道)：
        simple8bitTemp[1] = (simple[2] + (simple[3] << 8)) * scale;

        simple[0] = simple8bitTemp[0] & 0x00FF;
        simple[1] = simple8bitTemp[0] >> 8;

        simple[2] = simple8bitTemp[1] & 0x00FF;
        simple[3] = simple8bitTemp[1] >> 8;
        for(int i=0; i<4; i++){
            printf("simple[%d]=%d\n",i,simple[i]);
        }
        fwrite(simple, 4, 1, out);
    }
    fclose(in);
    fclose(out);
    return 0;
}

  • 播放速度：按照比例丢弃（或插入0）采集点的数据即可。（涉及到不是整数倍不单单是这么处理，我也不懂）

  • 参照雷神的必看项目： 视音频数据处理入门：PCM音频采样数据处理 。

Android终端音频采样介绍

  • 1、关于采集的主要api介绍
/** 
* @param audioSource 音频来源{@link MediaRecorder.AudioSource}；如指定麦克风：MediaRecorder.AudioSource.MIC
* @param sampleRateInHz 采样率{@link AudioFormat#SAMPLE_RATE_UNSPECIFIED}，单位Hz；安卓支持所有的设备是：44100Hz
* @param channelConfig 声道数{@link AudioFormat#CHANNEL_IN_MONO}；
* @param audioFormat 位宽{@link AudioFormat#ENCODING_PCM_8BIT}
* @param bufferSizeInBytes 采集期间缓存区的大小
*/
public AudioRecord(int audioSource, int sampleRateInHz, int channelConfig, int audioFormat,
            int bufferSizeInBytes)
  
//获取最小缓存区，参数跟AudioRecord保持一致
int getMinBufferSize(int sampleRateInHz, int channelConfig, int audioFormat) {}
  • 2、实现采集的伪代码
//1、申请权限

//2、获取最小缓存大小（根据api介绍，应该取要比预期大的缓冲区大小），这个大小其实也可以取①和②计算得来的大小
int minBufferSize = AudioRecord.getMinBufferSize(44100, AudioFormat.CHANNEL_IN_STEREO, AudioFormat.ENCODING_PCM_16BIT) * 2;

//3、初始化AudioRecord对象
AudioRecord audioRecord = new AudioRecord(MediaRecorder.AudioSource.MIC, 44100, AudioFormat.CHANNEL_IN_STEREO, AudioFormat.ENCODING_PCM_16BIT, minBufferSize);

//4、开始在子线程中进行采集数据
new Thread(new Runnable() {
  @Override
  public void run() {
    audioRecord.startRecording();
    while(isRunning){
      byte[] bytes = new byte[minBufferSize];
    	int len = audioRecord.read(bytes, 0, bytes.length);
      //这里就可以把数据直接写入到sdcard了，如：xxx.pcm；输出排序方式为：little endian。
    }
     //5、停止录音机
		audioRecord.stop();
  }
}).start();


//6、最后释放资源
audioRecord.release();

播放pcm原始数据

  • ffmpeg：

ffplay -f s16le -sample_rate 44100 -channels 2 -i xxx.pcm

  • 其他：

Adobe Audition

参考