从wav到Ogg Opus 以及使用java解码OPUS

PCM

自然界中的声音非常复杂,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。

采样率

采样频率,也称为采样速度或者采样率,定义了每秒从连续信号中提取并组成离散信号的采样个数,它用赫兹(Hz)来表示。采样频率的倒数是采样周期或者叫作采样时间,它是采样之间的时间间隔。通俗的讲采样频率是指计算机每秒钟采集多少个信号样本。

工业界常用的16K,就是1s有16000个采样点。

WAV

PCM是原始语音,依据采样率的定义,我们知道要播放PCM,需要知道采样率,因此需要一个文件格式可以封装PCM,wav就是微软公司专门为Windows开发的一种标准数字音频文件,该文件能记录各种单声道或立体声的声音信息。

WAV格式

wav文件前44个字节,定义了采样率,channel等参数,播放器通过这个数据就可以播放PCM数据了。

MP3

wav 很好的解决了PCM播放的问题,但是PCM实在是太大了,因此出现了mp3等音频格式,通过一定的压缩算法压缩语音,以便于互联网传输分享。

Ogg 与 Opus

随着音视频应用的越来越广泛,工业界有了越来越多的编解码器,比如Speek,Opus

Opus编解码器是专门设计用于互联网的交互式语音和音频传输。它是由IETF的编解码器工作组设计的,合并了Skype的SILK和Xiph. Org的CELT技术。

OPUS

OPUS编解码

https://github.com/lostromb/concentus 是一个纯java库,可以编解码OPUS。

OPUS一般是分帧编码,比如一个320采样点(640字节)的数据,编码后为70多个字节,和PCM一样,编码后的OPUS不能直接播放:

  • 无法从文件本身获取音频的元数据(采样率,声道数,码率等)
  • 缺少帧分隔标识,无法从连续的文件流中分隔帧(尤其是vbr情况)

伴随着HTML5的发展,出现了OGG媒体文件格式,Ogg是一个自由且开放标准的多媒体文件格式,由Xiph.Org基金会所维护。Ogg格式并不受到软件专利的限制,并设计用于有效率地流媒体和处理高质量的数字多媒体。“Ogg”意指一种文件格式,可以纳入各式各样自由和开放源代码的编解码器,包含音效、视频、文字(像字幕)与元数据的处理。

OGG音频

压缩类型 格式 说明
有损 Speek 以低比特率处理语音数据(〜2.1-32 kbit / s /通道)
Vorbis 处理中高级可变比特率(每通道≈16-500kbit / s)的一般音频数据
Opus: 以低和高可变比特率处理语音,音乐和通用音频(每通道≈6-510kbit / s)
无损 FLAC 处理文件和高保真音频数据
未压缩 OggPCM 处理未压缩的PCM音频,与WAV类似

参考: https://juejin.cn/post/6844904016254599175

借博主的图:

OGG封装

java 解码OPUS文件

通过ffmpeg可以轻松的将wav转换为opus文件,本质是一个ogg封装的opus,我们可以通过vorbis-java 来读取opus文件。

通过OpusInfoTool,可以打印OPUS文件信息:

Processing file "C:\Users\jqpeng\Downloads\opus\wav16k.opus"

Opus Headers:
  Version: 1
  Vendor: Lavf58.27.103
  Channels: 1
  Rate: 16000Hz
  Pre-Skip: 104
  Playback Gain: 0dB

User Comments:
  encoder=Lavc58.53.100 libopus

Logical stream 81c1bbc0 (-2118009920) completed

Opus Audio:
  Total Data Packets: 579
  Total Data Length: 41406
  Audio Length Seconds: 11.564333333333334
  Audio Length: 00:00:11.56
  Packet duration:     20.0ms (max),     20.0ms (avg),     20.0ms (min)
  Page duration:     1000.0ms (max),    965.0ms (avg),    580.0ms (min)
  Total data length: 41406 (overhead: 2.34%)
  Playback length: 00:00:11.56
  Average bitrate: 28.70 kb/s, w/o overhead: 27.97 kb/s

再借助concentus ,我们来解码OPUS文件为PCM文件。


public void testDecode() throws IOException, OpusException {
        FileInputStream fs = new FileInputStream("\\wav16k.opus");
        OggFile ogg = new OggFile(fs);
        OpusFile of = new OpusFile(ogg);
        OpusAudioData ad = null;

        System.out.println(of.getInfo().getSampleRate());
        System.out.println(of.getInfo().getNumChannels());

        OpusDecoder decoder = new OpusDecoder(of.getInfo().getSampleRate(),
                                              of.getInfo().getNumChannels());
        System.out.println(of.getTags());
        FileOutputStream fileOut = new FileOutputStream("wav16k.pcm");
        // 
        byte[] data_packet = new byte[of.getInfo().getSampleRate()];
        int samples = 0;
        while ((ad = of.getNextAudioPacket()) != null) {
            // NOTE: samplesDecoded 是decode出来的short个数,byte需要*2
            int samplesDecoded =
                    decoder.decode(ad.getData(), 0, ad.getData().length
                            , data_packet, 0, of.getInfo().getSampleRate() / 2,
                                   false);

            fileOut.write(data_packet, 0, samplesDecoded * 2);
            samples += samplesDecoded;
        }

        System.out.println("samples: " + samples);
        System.out.println("durationSeconds: " + (samples / 16000f));
        fileOut.close();
    }

感谢您的认真阅读。

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posted @ 2021-04-13 10:09  JadePeng  阅读(241)  评论(0编辑  收藏  举报