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:
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采样率: 一段音频数据中单位时间内(每秒)采样的个数。
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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。
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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:
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。
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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
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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? 0x33(L) 0x44? ……
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16位单声道: 首先从 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。
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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? 0x5566(L) 0x7788?
little-endian: 0x2211(L) 0x4433? 0x66550(L) 0x8877?
2、pcm原始数据可以怎么玩?
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/**
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* 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
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* 1、该类型数据5秒有多长?
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* 2、从哪里开始截取?
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*/
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int cut5second(const char *url){
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FILE *in = fopen(url, "rb+");
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FILE *out = fopen("./output/spit5second.pcm", "wb+");
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long long data5Length = 44100 * (16/8) * 2 * 5;
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struct stat statbuf;
-
stat(url,&statbuf);
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long long fileLength = statbuf.st_size;
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long long start = fileLength - data5Length;
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char *simple = (char *)malloc(data5Length);
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//把指针位置移动到start位置开始读取
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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
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fread(simple,data5Length,1,in);
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fwrite(simple,data5Length,1,out);
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fclose(in);
-
fclose(out);
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return 0;
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}
分离各声道的数据:把各个声道的采集点数据分开存储。
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/**
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* 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。
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*/
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int separateLR(const char *url){
-
FILE *in = fopen(url, "rb+");
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FILE *outL = fopen("./output/l.pcm", "wb+");
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FILE *outR = fopen("./output/r.pcm", "wb+");
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int simpleLength = 16 / 8 * 2;
-
char *simple = (char *)malloc(simpleLength);
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while (1){
-
//每次从in文件中读取1组4个长度数据的到simple中
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fread(simple,4,1,in);
-
if(feof(in)){
-
break;
-
}
-
//l(0声道):1-2
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fwrite(simple,2,1,outL);
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//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。
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/**
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* 将little-endian_2_44100_16.pcm 调节音量 比例
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* 1、little-endian排序的值是如何排序的?真正的值是多少?
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* 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。
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* 如:原始pcm数据:0xaa 0x01(左声道采样点数据),当scale=2:
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* -> 值:0x01aa * 2 = 0x0354
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* -> 转回little-endian再进行存储:0x5403(缩放后的值)
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*/
-
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);
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-
//l(0声道):
-
simple8bitTemp[0] = (simple[0] + (simple[1] << 8)) * scale;
-
//r(1声道):
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simple8bitTemp[1] = (simple[2] + (simple[3] << 8)) * scale;
-
-
simple[0] = simple8bitTemp[0] & 0x00FF;
-
simple[1] = simple8bitTemp[0] >> 8;
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-
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。
Android终端音频采样介绍
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/**
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* @param audioSource 音频来源{@link MediaRecorder.AudioSource};如指定麦克风:MediaRecorder.AudioSource.MIC
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* @param sampleRateInHz 采样率{@link AudioFormat#SAMPLE_RATE_UNSPECIFIED},单位Hz;安卓支持所有的设备是:44100Hz
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* @param channelConfig 声道数{@link AudioFormat#CHANNEL_IN_MONO};
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* @param audioFormat 位宽{@link AudioFormat#ENCODING_PCM_8BIT}
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* @param bufferSizeInBytes 采集期间缓存区的大小
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*/
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public AudioRecord(int audioSource, int sampleRateInHz, int channelConfig, int audioFormat,
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int bufferSizeInBytes)
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//获取最小缓存区,参数跟AudioRecord保持一致
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int getMinBufferSize(int sampleRateInHz, int channelConfig, int audioFormat) {}
2、实现采集的伪代码
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//1、申请权限
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//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
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int minBufferSize = AudioRecord.getMinBufferSize(44100, AudioFormat.CHANNEL_IN_STEREO, AudioFormat.ENCODING_PCM_16BIT) * 2;
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//3、初始化AudioRecord对象
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AudioRecord audioRecord = new AudioRecord(MediaRecorder.AudioSource.MIC, 44100, AudioFormat.CHANNEL_IN_STEREO, AudioFormat.ENCODING_PCM_16BIT, minBufferSize);
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//4、开始在子线程中进行采集数据
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new Thread(new Runnable() {
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@Override
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public void run() {
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audioRecord.startRecording();
-
while(isRunning){
-
byte[] bytes = new byte[minBufferSize];
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int len = audioRecord.read(bytes, 0, bytes.length);
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//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。
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}
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//5、停止录音机
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audioRecord.stop();
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}
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}).start();
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//6、最后释放资源
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audioRecord.release();
播放pcm原始数据
ffplay -f s16le -sample_rate 44100 -channels 2 -i xxx.pcm
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