音视频小结(一):音频基础

前言

5G 时代音视频的地位越来越重要,直播、音乐、在线教育、短视频等相关APP 层出不穷,对于开发者而言,掌握音视频相关知识可很好提升自己的竞争力。本系列文章会总结一些音视频知识,从零开始记录总结音视频相关知识。
本篇文章是对音频基础知识的总结介绍。

音频概念

声音是振动产生的声波,通过介质(空气、固体、液体)传播并能被人或动物听觉器官所感知的波动现象。
声音是由物体的振动所引起,振动频率一般会以赫兹表示,记为Hz,指每秒周期性震动的次数。

• 波长,指波在一个振动周期内传播的距离。
音调越高,波长越短;音调越低,波长越长。(频率高波长短)
• 振幅,指在波动或振动中距离平衡位置或静止位置的最大位移。
音量(响度)越大,振幅越大;音量越小,振幅越小。

人耳可以感知到的声音,其频率范围为20 Hz至20,000 Hz,在标准状况下的空气中,上述音波对应的波长从17 m至17 mm之间。

音频编码

声音是怎么处理变成计算机中的数据呢?
我们经常见到的 mp3、wav 音频文件又是什么呢?

1、声音是怎么变成数据的?

现实中的声音非常复杂,波形极其复杂,通常我们采用的是脉冲代码调制编码,即PCM编码。PCM通过抽样、量化、编码三个步骤将连续变化的模拟信号转换为数字编码。

脉冲编码调制(Pulse-code modulation,PCM)是一种模拟信号的数字化方法。PCM将信号的强度依照同样的间距分成数段,然后用独特的数字记号(通常是二进制)来量化。

在下图中,一个正弦波(红色曲线)被取样和量化为PCM。正弦波在每段固定时间内被取一次样,即x轴的刻度。而每一个样本则依照某种运算法(在这个例子中是ceiling function 取整),选定它们在y轴上的位置。这样便产生完全离散的输入信号的替代物,很容易编码成为数字数据,以作保存或操作。

PCM 中涉及到的一些概念:

  • 声道:录制和播放时,音频信号的数量。如双声道,立体声。
  • 采样率:每秒从连续信号中提取并组成离散信号的采样个数,单位是赫兹(Hz)。
    奈奎斯特采样定理:当采样频率大于声音最高频率的两倍,能完整的保留声音的信息。
  • 采样深度:量化的二进制位数,即采样点数据的位数,常为16位。
  • 码率:音频流每秒的大小,单位常用bps。如一个采样率为44.1KHz,采样深度为16bit,双声道的PCM编码的文件,码率为 44.1K×16×2 =1411.2 Kbps

2、常见的 mp3、wav 音频文件是什么呢?

通过上面的调制,声音音波就从模拟信号,转化为数字信号的原始音频数据。
原始音频数据需要占用很大的存储空间和带宽的,不适合运输和传送,所以我们需要对原始声音进行加工,压缩变小,这一过程称为编码。

格式(format),或者说容器(container),是为了运输和传送的。对音频来说就是将编码压缩后的数据进行打包,常见的音频格式比如 mp3 等。

References

https://www.jianshu.com/p/80a140cf3d99
https://blog.csdn.net/leixiaohua1020/article/details/84598542
https://zhuanlan.zhihu.com/p/69901270

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