音视频技术入门课-02 音频从采集到输出涉及哪些关键参数？

我们平常听到的自然界的声音，比如说鸟鸣、水流，其实是一种模拟信号，声音是振动产生的一种声波，通过气态、液态、固态的物理介质传播并能被人或动物感知的波动现象。声音的频率一般会以赫兹（Hz）表示，指每秒钟周期性振动的次数。而声音的强度单位则用分贝（dB）来表示。现如今我们在电脑上、Pad 上、手机上听到的音乐、声音等音频信号，均为数字信号。

音频采样数据格式

我们说的话或者在自然界中听到的一些声音，比如鸟鸣，水流等，都是通过空气振动来传输的模拟信号，我们可以通过麦克风或者拾音器采集到声音的模拟信号，然后将模拟信号转换成数字信号，这个过程可以通过麦克风来做，也可以通过音频的转换器来做，转换成数字信号之后将数字信息存储起来，或者输出到扬声器，扬声器会根据数字信号产生一定频率的振动，然后通过空气传播模拟信号到我们的耳朵里面，我们就听到了对应的声音。

在这个流程里我们需要了解一个基本的操作，就是先采集到模拟信号，然后通过 ADC（模数转换）将模拟信号转换成数字信号以后，再通过 PCM（Pulse Code Modulation）脉冲编码调制对连续变化的模拟信号进行采样、量化和编码转换成离散的数字信号，从而实现音频信号的采集。另外，也可以将采集的音频信号输出到扬声器、耳机之类的设备。

PCM 文件就是未经封装的音频原始文件，或者叫做音频“裸数据”。不同的扬声器、耳机设备，甚至是声卡输出设备，对音频的裸数据支持的情况不一样，有的设备支持单精度浮点型数据、有的设备支持双精度浮点型数据、有的设备支持无符号型数据、有的设备支持有符号型数据。因为输出的数据类型的支持不同，所以 PCM 采样数据的格式在输出之前，需要转换一下。这些数据的格式我们通常称之为采样数据格式。

音频采样频率

音频 PCM 数据的输入和输出是需要有一个频率的。，通常我们人耳能够听到的频率范围是在 20Hz～20kHz 之间，为了保证音频不失真，音频的采样频率通常应该在 40kHz 以上，而理论上采样率大于 40kHz 的音频格式都可以称之为无损格式。现在一般的专业设备的采样频率为 44100Hz（也称之为 44.1kHz）。并且 44.1kHz 是专业音频中的最低采样率。当然要听到更高采样率，比如 96kHz、192kHz 采样频率中的细节的话，就取决于耳朵和对应的设备了。

在数字音频领域常用的采样率与对应的使用场景：

• 8000 Hz 主要是电话通信时用的采样率，对于传达人们说话时的声音已经足够了；
• 11025 Hz、22050 Hz 主要是无线电广播用的采样率；
• 44100 Hz 常用于音频 CD，MP3 音乐播放等场景；
• 48000 Hz 常用于 miniDV、数字电视、DVD、电影和专业音频等设备中。

音频声道及其布局

采集不同方位的声源，然后通过不同方位的扬声器播放出来就产生了不同的声道。其实我们常见的声道内容除了左声道、右声道，还有立体声等，当我们听到的音频声道比较多，比如听交响乐的时候，立体感会尤为明显，示意图如下：

实际上，音频的声道布局不仅仅是上图这么简单。音频技术发展至今，声道布局远比图片显示的复杂得多

音频采样位深度

采样的位深度，也叫采样位深，它决定了声音的动态范围。平时，我们常见的 16 位（16bit）可以记录大概 96 分贝（96dB）的动态范围。也可以理解为每一个比特大约可以记录 6dB 的声音。同理，20bit 可记录的动态范围大概是 120dB，24bit 就大概是 144dB。

计算公式如下：

dB = 20 * log(P1/P2)
其中 P1/P2 可以看作是一个整体的阈值，当声音采样深度为16bit时，P1/P2=65535，即dB≈96；
当 P1/P2 的具体值不确定时，则有dB = 20 * log( Audio data )

举个例子，我们假定 0dB 为峰值，那么音频的振动幅度就需要以向下延伸计算，所以音频可记录的动态范围就是“-96dB～0dB”。而 24bit 的高清音频的动态范围就是“-144dB～0dB”。由此可见，位深度较高时，有更大的动态范围可利用，可以记录更低电平的细节。

但位深度并不是越大越好，也不是越小越好，不同的场景有不同的应用。

44dB 属于人类可以接受的程度，55dB 会使人感觉到烦躁，60dB 会让人没有睡意，70dB 会令人精神紧张，85dB 长时间听会让人感觉刺耳，100dB 会使人暂时失去听觉，120dB 可以瞬间刺穿你的耳膜，160dB 会通过空气振波震碎玻璃，200dB 可以使人死亡。

通常为了高保真，我们会选择使用 32bit，甚至 64bit 来表示音频。而常规音频通话使用 16bit 来表示即可，当然条件有限的话，8bit 也可以，但它是底线。因为 8bit 的音频表示，听起来有时候会比较模糊。

音频的码率

所谓码率，我们通常可以理解为按照某种频率计算一定数据量的单位，重点体现在“率”上面，我们常用的码率统计时间单位为秒，所以码率也就是一秒钟的数据量，通常我们用 bps（bits per second）来表示，也就是每秒钟有多少位数据。而我们平时所说的码率，可以简单理解为每秒钟存储或传输的编码压缩后的数据量。

那这个音频码率是怎么算出来的呢？

例如我们有一个双声道立体声、采样率是 48000、采样位深是 16 位、时长为 1 分钟的音频，它的存储空间占用计算应该是：

声道数×采样率×采样位深×时长=2×48000×16×60=92160000b=11520000B=11.52MB

码率应该是 ：

92160000b÷60s=1536000bps=1536kbps=1.536Mbps

音频的码率可以间接地表示音频的质量，一般高清格式的码率更高。

音频的编解码

我们在传输音频文件的时候经常会看到文件名后面有 MP3、AAC 这样的后缀，其实这些都是音频编码的格式。因为音频在传输和存储时，如果直接存储 PCM 音频数据的话，消耗的带宽或者存储空间会比较多，所以我们为了节省传输带宽或者存储，通常会选择对音频数据做编码压缩处理。

我们在互联网上常见的音频编码有 AAC、MP3、AC-3、OPUS，个别地方还可能会使用 WMA，但是从兼容性来看，AAC 和 OPUS 更出众一些。目前 AAC 应用于众多音乐播放器和音乐格式封装中，OPUS 常见于语音通信中。

现在使用 AAC 编码格式的次数越来越多了，为什么大家突然都开始用 AAC 做音频编码了，以前很火的 MP3 呢？其实 MP3 也还在用，只不过 MP3 的音频编码压缩方式相对于 AAC 来说，性价比低了一些。对比二者的高音质，AAC HEv2 无论是从码率、清晰度还是音频的还原度来说，都比 MP3 更优秀。

小结

做音频压缩的时候，也需要考虑自己的音频用于哪些场景，比如做音频通话的话可以考虑使用 OPUS，因为基于 OPUS 的音频，处理语音更方便一些，例如回声消除，降噪等。如果是做音乐压缩，我们可以考虑 AAC，因为 AAC 支持的音质与硬件兼容性更好一些。如果还要效果更好，但不太要求兼容性的话，AC-3 是一个不错的选择，因为杜比之类的音频，尤其是在全景声音乐压缩的场景下，使用 AC-3 做音频压缩效果更好，能够听到的细节会比 AAC 压缩的音频更多一些。

思考题

当我们播放一段 PCM 音频的时候，声音听上去比正常声音显得更尖更细，但是速度是正常的，是什么原因呢？

参考答案：

1. 单声道 16位 44100的格式，播放的时候设置错了，按双声道来播放，就自带的快进效果，变速的时候会附加变调的效果
2. atempo调整一下速度

参考链接：

1. 刘岐-音视频技术入门课
2. https://chowdera.com/2022/200/202207190541270429.html
3. https://www.techtarget.com/whatis/definition/decibel