音频处理——详解PCM数据格式

知识储备

音频处理——音频编码原理简介

音频处理——音频处理的基本概念

什么是PCM

PCM全称Pulse-Code Modulation，翻译一下是脉冲调制编码。

在音视频中，PCM是一种用数字表示采样模拟信号的方法。

要将一段音频模拟信号转换为数字表示，包含如下三个步骤：

• 1、Sampling(采样)
• 2、Quantization(量化)
• 3、Coding(编码)
  通常，我们可以通过一条曲线在坐标中显示连续的模拟信号，如下图所示：
  
  为了更容易理解PCM，取其中一段来说明。
  
  假设这表示一段一秒的音频模拟信号

采样

Sampling(采样)处理，实际上就是让采样数据能够完全表示原始信号，且采样数据能够通过重构还原成原始信号的过程，如上图。

将采样后的图拿出来单独解释：

• 红色曲线：表示原始信号。
• 蓝色垂直线段：表示当前时间点对原始信号的一次采样。采样是一系列基于振幅（amplitude和相同时间间隔的样本。这也是为什么采样过程被称为PAM的原因。
• PAM：（Pulse Amplitude Modulation)是一系列离散样本之的结果。

采样率

每秒钟的样本数也被称之为采样率（Sample rate）。在Sampling图示案例中，采样率为每秒34次。意味着在一秒的时间内，原始信号被采样了34次（也就是蓝色垂直线段的数量）。

通常，采样率的单位用Hz表示，例如1Hz表示每秒钟对原始信号采样一次，1KHz表示每秒钟采样1000次。1MHz表示每秒钟采样1百万次。

根据场景的不同，采样率也有所不同，采样率越高，声音的还原程度越高，质量就越好，同时占用空间会变大。

例如：通话时的采样率为8KHz，常用的媒体采样率有44KHz，对于一些蓝光影片采样率高达1MHz。

重采样

一些工作的需要，需要保存成FLV文件，而在保存的过程中，48000的采样率并不符合用FLV的封装标准（最高44100），所以有时候需要通过调用如ffmpeg来重采样pcm，并保存文件。
再比如说，不同质量要求下，对音频的采样率有一定标准，为了满足标准，就需要调整。不过一般是由高往低调整，很少由低往高调整

• 22kHz：无线广播
• 44.1kHz：CD
• 18kHz：数字电视、DVD
• 96kHz：蓝光，高清DVD
• 192kHZ：蓝光，高清DVD

重采样方法

• 上采样是插值
  上采样时，会造成镜像信息，因此需要使用低通滤波器滤除(线性插值本身就是低通滤波器，因此不需要额外处理)。
• 下采样是去值
  下采样时，可能会造成频谱混淆，因此在下采样之前用低通去混淆滤波器滤除

量化

原始信号采样后，需要通过量化来描述采样数据的大小。如图：

量化处理过程，就是将时间连续的信号，处理成时间离散的信号，并用实数表示。这些实数将被转换为二进制数用于模拟信号的存储和传输。

在图例中，如果说采样是画垂直线段的话，那么量化就是画水平线，用于衡量每次采样的数字指标。如图：

图中，每条横线表示一个等级（level）。

为了更好的描述量化过程，先来介绍一下bit-depth（位深）：用来描述存储数字信号值的bit数。较常用的模拟信号位深有：

• 8-bit：2^8 = 256 levels，有256个等级可以用于衡量真实的模拟信号。
• 16-bit：2^16 = 65,536 levels，有65,536个等级可以用于衡量真实的模拟信号。
• 24-bit：2^24 = 16,666,216 levels，有16,666,216个等级可以用于衡量真实的模拟信号。
  显而易见，位深越大，对模拟信号的描述将越真实，对声音的描述更加准确。

在当前例子中，如果用为8-bit位深来描述的话，就如下图所示：

量化的过程就是将一个平顶样本四舍五入到一个可用最近level描述的过程。如图中黑色加粗梯形折线。量化过程中，我们将尽量让每个采样和一个level匹配，因为每个level都是表示一个bit值。

图中，第9次采样的平顶样本对应的level用十进制表示为255，也就是二进制的1111 1111。

编码

在编码这一步，我们会将时间线上的每个sample数据转化为对应的二进制数据。

采样数据经过编码后产生的二进制数据，就是PCM数据。PCM数据可以直接存储在介质上，也可以在经过编解码处理后进行存储或传输。

PCM常用指标

• 采样率(Sample rate)：每秒钟采样多少次，以Hz为单位。

• 位深度(Bit-depth)：表示用多少个二进制位来描述采样数据，一般为16bit。

• 字节序：表示音频PCM数据存储的字节序是大端存储（big-endian）还是小端存储（little-endian），为了数据处理效率的高效，通常为小端存储。

• 声道数（channel number）：当前PCM文件中包含的声道数，是单声道（mono）、双声道（stereo），此外还有5.1声道（常用于影院立体环绕声）等。

• 采样数据是否有符号（Sign）：要表达的就是字面上的意思，需要注意的是，使用有符号的采样数据不能用无符号的方式播放。

以FFmpeg中常见的PCM数据格式s16le为例：它描述的是有符号16位小端PCM数据。

s表示有符号，16表示位深，le表示小端存储。

PCM数据流

本节介绍PCM在内存中的存储
些图像化的描述，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。

图示中表示的是两个连续采样数据的二进制和十进制表示的值。

如果我们有一个PCM文件，在代码中，我们可以通过以下方式来读取这样的PCM数据流（Stream）。

FILE *file
int8_t *buffer;
file = fopen("PCM file path");
buffer = malloc(fileSize);
fread(buffer, sizeof(int8_t), fileSize / sizeof(int8_t), file);

伪代码仅仅表示一种加载方式。但在代码中，一开始就将整个文件加载到了内存中，这是不对的。因为我们的音频数据量往往会比较大，一次性全部加载增加了内存负担，而且并不必要。

通常我们会为buffer分配一个固定的长度，例如2048字节，通过循环的方式一边从文件中加载PCM数据，一边播放。

加载好PCM数据后，需要送到音频设备驱动程序中播放，这时我们应该能听到声音。与PCM数数据一同到达驱动程序的通常还有采样率（sample rate），用来告诉驱动每秒钟应该播放多少个采样数据。如果传递给驱动程序的采样率大于PCM实际采样率，那么声音的播放速度将比实际速度快，反之亦然。

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（FL），第三个字节放第二个左声道数据（FL）…

不同的驱动程序对于多声道数据的排列方式可能稍有区别，下面是常用的声道排列地图：

2:  FL FR                       (stereo)
3:  FL FR LFE                   (2.1 surround)
4:  FL FR BL BR                 (quad)
5:  FL FR FC BL BR              (quad + center)
6:  FL FR FC LFE SL SR          (5.1 surround - last two can also be BL BR)
7:  FL FR FC LFE BC SL SR       (6.1 surround)
8:  FL FR FC LFE BL BR SL SR    (7.1 surround)