wav数据格式详解

1. 音频简介

 

经常见到这样的描述: 44100HZ 16bit stereo 或者 22050HZ 8bit mono 等等.

44100HZ 16bit stereo: 每秒钟有 44100 次采样, 采样数据用 16 位(2字节)记录, 双声道(立体声);

22050HZ 8bit  mono: 每秒钟有 22050 次采样, 采样数据用 8 位(1字节)记录, 单声道;

 

当然也可以有 16bit 的单声道或 8bit 的立体声, 等等。

 

采样率是指:声音信号在“模→数”转换过程中单位时间内采样的次数。采样值是指每一次采样周期内声音模拟信号的积分值。

 

对于单声道声音文件,采样数据为八位的短整数(short int 00H-FFH);

而对于双声道立体声声音文件,每次采样数据为一个16位的整数(int),高八位(左声道)和低八位(右声道)分别代表两个声道。

 

人对频率的识别范围是 20HZ - 20000HZ, 如果每秒钟能对声音做 20000 个采样, 回放时就足可以满足人耳的需求. 所以 22050 的采样频率是常用的, 44100已是CD音质, 超过48000的采样对人耳已经没有意义。这和电影的每秒 24 帧图片的道理差不多。

 

每个采样数据记录的是振幅, 采样精度取决于储存空间的大小:

1 字节(也就是8bit) 只能记录 256 个数, 也就是只能将振幅划分成 256 个等级;

2 字节(也就是16bit) 可以细到 65536 个数, 这已是 CD 标准了;

4 字节(也就是32bit) 能把振幅细分到 4294967296 个等级, 实在是没必要了.

如果是双声道(stereo), 采样就是双份的, 文件也差不多要大一倍.

 

这样我们就可以根据一个 wav 文件的大小、采样频率和采样大小估算出一个 wav 文件的播放长度。

 

譬如 "Windows XP 启动.wav" 的文件长度是 424,644 字节, 它是 "22050HZ / 16bit / 立体声" 格式(这可以从其 "属性->摘要" 里看到),

那么它的每秒的传输速率(位速, 也叫比特率、取样率)是 22050*16*2 = 705600(bit/s), 换算成字节单位就是 705600/8 = 88200(字节/秒), 
播放时间:424644(总字节数) / 88200(每秒字节数) ≈ 4.8145578(秒)。

但是这还不够精确, 包装标准的 PCM 格式的 WAVE 文件(*.wav)中至少带有 42 个字节的头信息, 在计算播放时间时应该将其去掉, 
所以就有:(424644-42) / (22050*16*2/8) ≈ 4.8140816(秒). 这样就比较精确了.

 

关于声音文件还有一个概念: "位速", 也有叫做比特率、取样率, 譬如上面文件的位速是 705.6kbps 或 705600bps, 其中的 b 是 bit, ps 是每秒的意思;

 

压缩的音频文件常常用位速来表示, 譬如达到 CD 音质的 MP3 是: 128kbps / 44100HZ.


2.格式解析
WAV文件遵循RIFF规则,其内容以区块(chunk)为最小单位进行存储。WAV文件一般由3个区块组成:RIFF chunk、Format chunk和Data chunk。另外,文件中还可能包含一些可选的区块,如:Fact chunk、Cue points chunk、Playlist chunk、Associated data list chunk等。
本文将只介绍RIFF chunk、Format chunk和Data chunk。

常见的wave文件的格式图示

wav数据格式详解_第1张图片

2.1 RIFF区块

名称 偏移地址 字节数 端序 内容
ID 0x00 4Byte 大端 'RIFF' (0x52494646)
Size 0x04 4Byte 小端 fileSize - 8
Type 0x08 4Byte 大端 'WAVE'(0x57415645)


以'RIFF'为标识
Size是整个文件的长度减去ID和Size的长度
Type是WAVE表示后面需要两个子块:Format区块和Data区块
2.2 FORMAT区块

wav数据格式详解_第2张图片


以'fmt '为标识
Size表示该区块数据的长度(不包含ID和Size的长度)
AudioFormat表示Data区块存储的音频数据的格式,PCM音频数据的值为1
NumChannels表示音频数据的声道数,1:单声道,2:双声道
SampleRate表示音频数据的采样率
ByteRate每秒数据字节数 = SampleRate * NumChannels * BitsPerSample / 8
BlockAlign每个采样所需的字节数 = NumChannels * BitsPerSample / 8
BitsPerSample每个采样存储的bit数,8:8bit,16:16bit,32:32bit
[注意] 这个区域只需要关心 NumChannels SampleRate BitsPerSample 三个参数就可以了,其它的都是依据这三个计算出来的。

2.3 DATA区块

名称 偏移地址 字节数 端序 内容
ID 0x00 4Byte 大端 'data' (0x64617461)
Size 0x04 4Byte 小端 N
Data 0x08 NByte 小端 音频数据


以'data'为标识
Size表示音频数据的长度,N = ByteRate * seconds
Data音频数据

wav数据格式详解_第3张图片

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