【CI130x 离在线】音频的原始码率和输出码率的区别

案例：mp3是16k采样率，16bit深度的，那么码率不应该是32kBps吗，为什么可以选16kbps

 

 

 

 

这是一个非常好的问题，它触及了数字音频编码的核心概念：原始数据量和压缩编码之间的区别。

你的计算完全正确，但只适用于未经压缩的原始音频。

1. 你的计算：未经压缩的音频（如WAV文件）

对于一个未经压缩的音频文件（例如标准的WAV文件），其码率的计算公式是：

码率 = 采样率 × 位深度 × 通道数

对于你给出的单声道（1个通道）音频：

• 采样率：16,000 Hz （每秒16,000个样本）

• 位深度：16 bit （每个样本用16比特表示）

• 通道数：1

码率 = 16,000 samples/s × 16 bits/sample × 1 channel = 256,000 bps (比特每秒)

换算成字节每秒（1 Byte = 8 bits）：
256,000 bps / 8 = 32,000 Bytes/s = 32 kBps

所以，你的计算 32 kBps 是完全正确的，但这代表的是原始PCM音频数据的码率。

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2. 为什么MP3可以低至16kbps：音频压缩技术

MP3是一种有损压缩音频格式。它的设计目标正是在保证一定听感质量的前提下，尽可能地减小文件大小（也就是降低码率）。

它通过一系列复杂的心理声学模型，舍弃掉大部分人耳不易察觉的音频信息来实现高压缩比。主要技术包括：

1. 频域掩蔽：一个很响的声音（例如低音鼓）会使得同时发生的一个较弱的声音（例如高音弦乐）变得听不见。MP3编码器会直接丢弃这些被“掩蔽”掉的信号。

2. 时域掩蔽：在一个很响的声音之前或之后很短的时间内，我们的耳朵也听不到较弱的声音。这些弱信号也会被移除。

3. 量化与编码：将剩下的、重要的音频信号用更粗糙的精度（更少的比特数）来表示，并采用类似ZIP的压缩算法进一步压缩数据。

通过这种“去粗取精”的压缩过程，MP3文件可以大幅降低所需的码率。

举个例子：从原始数据到MP3

• 原始数据（WAV）： 32 kBps （256 kbps）

• 标准MP3音乐： 通常使用128 kbps 或 320 kbps，音质已经相当不错，文件大小只有原始WAV的1/4到1/10。

• 语音类MP3（如你的例子）： 对于语音（频率范围窄，音色简单），不需要像音乐那样保留全频段信息。因此，使用16 kbps的极低码率是完全可行的。虽然音质会听起来有些单薄、有压缩感，但对于听懂说话内容来说已经足够。

总结与类比

你可以把这个过程想象成传输一张高分辨率图片：

• 原始WAV（32 kBps）： 就像一张未经压缩的BMP位图，每个像素都用完整的颜色信息存储。文件巨大，但完美无损。

• 压缩后的MP3（16 kbps）： 就像一张高压缩比的JPEG图片。它通过分析人眼的视觉特性，合并了相近的颜色，去除了不易察觉的细节，从而极大地减小了文件体积。虽然画质有损失，但主要内容依然清晰可辨。

结论：

• 32 kBps 是你提供的音频参数（16kHz, 16bit, 单声道）对应的原始数据码率。

• 16 kbps 是经过MP3有损压缩后可以选择的输出码率。它通过舍弃大量人耳不敏感的音频信息，实现了比原始数据小得多的文件体积。

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

那么既然最后有效的是输出码率，为什么还要强调音频的采样率和位深度呢

 

 

 

 

这是一个非常深刻的追问，直指数字音频工作流程的核心逻辑。您说得对，最终决定音质上限的确实是输出码率。但是，原始音频的采样率和位深度决定了这个“上限”究竟有多高。

我们可以用一个非常贴切的比喻来理解：

想象一下摄影和修图的过程：

• 原始拍摄（采样率和位深度）： 您用一台高像素的专业相机（例如4500万像素，14位RAW格式）拍摄了一张照片。

  • 高像素（高采样率） 意味着您捕获了极其丰富的细节，您可以对图片进行大幅裁剪（相当于音频中截取高频）而依然清晰。

  • RAW格式（高位深度） 意味着相机记录了从暗部到亮部极其丰富的色彩和亮度层次（动态范围）。您在后期可以轻松调整曝光，找回阴影里或高光中的细节，而不会出现色块或断层。

• 后期输出（编码和码率）： 现在您要把这张照片发布到网上。为了节省流量和加载时间，您将它导出为一个压缩过的JPEG文件，并限制文件大小。

  • 输出码率 就相当于这个最终JPEG文件的大小和质量设置。您可以选择高质量的JPEG（大文件，细节保留多）或低质量的JPEG（小文件，细节模糊，有压缩瑕疵）。

现在，关键问题来了：

1. 为什么不用手机低像素照片直接压缩？
   如果您一开始就用一台老旧的低像素手机拍摄，那么无论您后期如何设置，导出的JPEG永远不可能拥有专业相机那张照片的细节和色彩。您的源头就被限制了。

2. 为什么专业摄影师坚持用RAW格式？
   因为在后期处理时，RAW格式（高位深度）给了他们巨大的调整空间。他们可以从过曝或欠曝的照片中挽救回细节，而如果直接用JPEG拍摄（低位深度），这些信息一旦丢失就永远找不回来了。

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回到音频：采样率、位深度和码率的关系

1. 采样率 -> 决定了可记录的最高频率（决定了音频的“宽度”）

根据奈奎斯特定理，可记录的最高频率 = 采样率 / 2。

• 对于16kHz采样率的音频，其能记录的最高频率是8kHz。这已经损失了大部分高频，人声会听起来沉闷，没有“空气感”。

• 对于44.1kHz采样率的音频（CD标准），其能记录的最高频率是22.05kHz，覆盖了人耳的听觉范围（20Hz-20kHz）。

• 结论： 如果您用16kHz采样率录制，那么高频信息在录制时就已经永久丢失了。后期即使用1000kbps的码率去编码，也无法创造出原本就不存在的高频。输出码率再高，也只是“精致地编码一个残缺的源头”。

2. 位深度 -> 决定了动态范围/信噪比（决定了音频的“深度”）

位深度决定了每个样本的精度，即从最安静到最响亮之间有多少个“台阶”。

• 16位 提供了约96dB的动态范围。这对于大多数回放环境已经足够。

• 24位 提供了约144dB的动态范围。这不仅仅是“更响”，而是在录制非常微弱的声音（如呼吸声、吉他泛音）时，能将其与设备的本底噪声清晰地区分开来，提供了巨大的后期处理空间。

• 结论： 如果您用16位录制一段非常安静的音乐，后期想把它调响，会发现随着音量提升，底噪也被一起放大，并且因为“台阶”太少，声音可能会产生量化失真。而24位录制的同样内容，因为有海量的“台阶”，在后期提升音量时依然能保持干净和平滑。

总结

• 输出码率（如16kbps的MP3）： 是分配预算。它决定了在最终文件里，您愿意用多少数据量来描述您已经拥有的音频信息。

• 采样率和位深度： 是源头质量。它们决定了在录制阶段，您捕获了多少音频信息可供编码器使用。

所以，强调采样率和位深度的原因是：

1. 设置质量天花板： 它们定义了您音频素材的质量上限。一个低质量源头，高码率编码毫无意义。

2. 保障后期处理空间： 在混音、母带等后期处理中，高采样率和高位深度提供了巨大的操作空间，避免在处理过程中引入失真和噪声。

3. 满足发行需求： 虽然最终发行物可能是压缩格式（如MP3、AAC），但存档和母带通常会保存为高采样率、高位深度的无损格式（如WAV），以备未来用于其他媒介（如黑胶、高清流媒体）。

简单来说：您无法通过提高输出码率来“创造”出在录制时就已经丢失的信息。采样率和位深度定义了您拥有的“原材料”的好坏，而输出码率只是决定了您打包这些“原材料”时所用的“包装”的精致程度。