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参考文章
【音视频基础】PCM音频数据 视音频数据处理入门：PCM音频采样数据处理
PCM音频数据基础
1. 什么是PCM音频数据
PCM(Pulse Code Modulation)也被称为脉冲编码调制。PCM音频数据是未经压缩的音频采样数据裸流，它是由模拟信号经过采样、量化、编码转换成的标准的数字音频数据。
2. PCM音频数据是如何存储的
如果是单声道的音频文件，采样数据按时间的先后顺序依次存入（有的时候也会采用LRLRLR方式存储，只是另一个声道的数据为0），如果是双声道的话就按照LRLRLR的方式存储，存储的时候还和机器的大小端有关。大端模式如下图所示：
## 3. PCM音频数据中常用的专业术语 一般我们描述PCM音频数据的参数的时候有如下描述方式
44100HZ 16bit stereo: 每秒钟有 44100 次采样, 采样数据用 16 位(2字节)记录, 双声道(立体声); 22050HZ 8bit mono: 每秒钟有 22050 次采样, 采样数据用 8 位(1字节)记录, 单声道; 44100Hz指的是采样率，它的意思是每秒取样44100次。采样率越大，存储数字音频所占的空间就越大。
16bit指的是采样精度，意思是原始模拟信号被采样后，每一个采样点在计算机中用16位（两个字节）来表示。采样精度越高越能精细地表示模拟信号的差异。
一般来说PCM数据中的波形幅值越大，代表音量越大。
4. PCM音频数据的处理
4.1 分离PCM音频数据左右声道的数据
因为PCM音频数据是按照LRLRLR的方式来存储左右声道的音频数据的，所以我们可以通过将它们交叉的读出来的方式来分离左右声道的数据
int simplest_pcm16le_split(char *url){
FILE *fp=fopen(url,"rb+");
FILE *fp1=fopen("output_l.pcm","wb+");
FILE *fp2=fopen("output_r.pcm","wb+");
unsigned char *sample=(unsigned char *)malloc(4);
while(!feof(fp)){
fread(sample,1,4,fp);
//L
fwrite(sample,1,2,fp1);
//R
fwrite(sample+2,1,2,fp2);
}
free(sample);
fclose(fp);
fclose(fp1);
fclose(fp2);
return 0;
}
4.2 降低某个声道的音量
因为对于PCM音频数据而言，它的幅值（即该采样点采样值的大小）代表音量的大小，所以我们可以通过减小某个声道的数据的值来实现降低某个声道的音量
int simplest_pcm16le_halfvolumeleft(char *url){
FILE *fp=fopen(url,"rb+");
FILE *fp1=fopen("output_halfleft.pcm","wb+");
int cnt=0;
unsigned char *sample = (unsigned char *)malloc(4);
while(!feof(fp)){
short *samplenum=NULL;
fread(sample,1,4,fp);
samplenum=(short *)sample;
*samplenum=*samplenum/2;
//L
fwrite(sample,1,2,fp1);
//R
fwrite(sample+2,1,2,fp1);
cnt++;
}
printf("Sample Cnt:%d\n",cnt);
free(sample);
fclose(fp);
fclose(fp1);
return 0;
}
4.3 将PCM音频数据转换成WAV格式
WAV为微软公司（Microsoft)开发的一种声音文件格式，它符合RIFF(Resource Interchange File Format)文件规范，用于保存Windows平台的音频信息资源，被Windows平台及其应用程序所广泛支持。WAVE文件通常只是一个具有单个“WAVE”块的RIFF文件，该块由两个子块（”fmt”子数据块和”data”子数据块），它的格式如下图所示
该格式的实质就是在PCM文件的前面加了一个文件头，每个字段的的含义为
typedef struct{
char ChunkID[4];//内容为"RIFF"
unsigned long ChunkSize;//存储文件的字节数（不包含ChunkID和ChunkSize这8个字节）
char Format[4];//内容为"WAVE"
}WAVE_HEADER;
typedef struct{
char Subchunk1ID[4];//内容为"fmt"
unsigned long Subchunk1Size;//存储该子块的字节数（不含前面的Subchunk1ID和Subchunk1Size这8个字节）
unsigned short AudioFormat;//存储音频文件的编码格式，例如若为PCM则其存储值为1，若为其他非PCM格式的则有一定的压缩。
unsigned short NumChannels;//通道数，单通道(Mono)值为1，双通道(Stereo)值为2，等等
unsigned long SampleRate;//采样率，如8k，44.1k等
unsigned long ByteRate;//每秒存储的bit数，其值=SampleRate * NumChannels * BitsPerSample/8
unsigned short BlockAlign;//块对齐大小，其值=NumChannels * BitsPerSample/8
unsigned short BitsPerSample;//每个采样点的bit数，一般为8,16,32等。
}WAVE_FMT;
typedef struct{
char Subchunk2ID[4];//内容为“data”
unsigned long Subchunk2Size;//内容为接下来的正式的数据部分的字节数，其值=NumSamples * NumChannels * BitsPerSample/8
}WAVE_DATA;
比如下面的例子
这里是一个WAVE文件的开头72字节，字节显示为十六进制数字： 52 49 46 46 24 08 00 00 57 41 56 45 66 6d 74 20 10 00 00 00 01 00 02 00 22 56 00 00 88 58 01 00 04 00 10 00 64 61 74 61 00 08 00 00 00 00 00 00 24 17 1e f3 3c 13 3c 14 16 f9 18 f9 34 e7 23 a6 3c f2 24 f2 11 ce 1a 0d
字段解析：
int simplest_pcm16le_to_wave(const char *pcmpath,int channels,int sample_rate,const char *wavepath)
{
typedef struct WAVE_HEADER{
char fccID[4];
unsigned long dwSize;
char fccType[4];
}WAVE_HEADER;
typedef struct WAVE_FMT{
char fccID[4];
unsigned long dwSize;
unsigned short wFormatTag;
unsigned short wChannels;
unsigned long dwSamplesPerSec;
unsigned long dwAvgBytesPerSec;
unsigned short wBlockAlign;
unsigned short uiBitsPerSample;
}WAVE_FMT;
typedef struct WAVE_DATA{
char fccID[4];
unsigned long dwSize;
}WAVE_DATA;
if(channels==0||sample_rate==0){
channels = 2;
sample_rate = 44100;
}
int bits = 16;
WAVE_HEADER pcmHEADER;
WAVE_FMT pcmFMT;
WAVE_DATA pcmDATA;
unsigned short m_pcmData;
FILE *fp,*fpout;
fp=fopen(pcmpath, "rb");
if(fp == NULL) {
printf("open pcm file error\n");
return -1;
}
fpout=fopen(wavepath, "wb+");
if(fpout == NULL) {
printf("create wav file error\n");
return -1;
}
//WAVE_HEADER
memcpy(pcmHEADER.fccID,"RIFF",strlen("RIFF"));
memcpy(pcmHEADER.fccType,"WAVE",strlen("WAVE"));
fseek(fpout,sizeof(WAVE_HEADER),1);
//WAVE_FMT
pcmFMT.dwSamplesPerSec=sample_rate;
pcmFMT.dwAvgBytesPerSec=pcmFMT.dwSamplesPerSec*sizeof(m_pcmData);
pcmFMT.uiBitsPerSample=bits;
memcpy(pcmFMT.fccID,"fmt ",strlen("fmt "));
pcmFMT.dwSize=16;
pcmFMT.wBlockAlign=2;
pcmFMT.wChannels=channels;
pcmFMT.wFormatTag=1;
fwrite(&pcmFMT,sizeof(WAVE_FMT),1,fpout);
//WAVE_DATA;
memcpy(pcmDATA.fccID,"data",strlen("data"));
pcmDATA.dwSize=0;
fseek(fpout,sizeof(WAVE_DATA),SEEK_CUR);
fread(&m_pcmData,sizeof(unsigned short),1,fp);
while(!feof(fp)){
pcmDATA.dwSize+=2;
fwrite(&m_pcmData,sizeof(unsigned short),1,fpout);
fread(&m_pcmData,sizeof(unsigned short),1,fp);
}
pcmHEADER.dwSize=44+pcmDATA.dwSize;
rewind(fpout);
fwrite(&pcmHEADER,sizeof(WAVE_HEADER),1,fpout);
fseek(fpout,sizeof(WAVE_FMT),SEEK_CUR);
fwrite(&pcmDATA,sizeof(WAVE_DATA),1,fpout);
fclose(fp);
fclose(fpout);
return 0;
}
PCM音频采样数据处理
分离PCM16LE双声道音频采样数据的左声道和右声道
本程序中的函数可以将PCM16LE双声道数据中左声道和右声道的数据分离成两个文件。函数的代码如下所示。
/**
* Split Left and Right channel of 16LE PCM file.
* @param url Location of PCM file.
*
*/
int simplest_pcm16le_split(char *url){
FILE *fp=fopen(url,"rb+");
FILE *fp1=fopen("output_l.pcm","wb+");
FILE *fp2=fopen("output_r.pcm","wb+");
unsigned char *sample=(unsigned char *)malloc(4);
while(!feof(fp)){
fread(sample,1,4,fp);
//L
fwrite(sample,1,2,fp1);
//R
fwrite(sample+2,1,2,fp2);
}
free(sample);
fclose(fp);
fclose(fp1);
fclose(fp2);
return 0;
}
从代码可以看出，PCM16LE双声道数据中左声道和右声道的采样值是间隔存储的。每个采样值占用2Byte空间。代码运行后，会把NocturneNo2inEflat_44.1k_s16le.pcm的PCM16LE格式的数据分离为两个单声道数据：
output_l.pcm：左声道数据。 output_r.pcm：右声道数据。
注：本文中声音样值的采样频率一律是44100Hz，采样格式一律为16LE。“16”代表采样位数是16bit。由于1Byte=8bit，所以一个声道的一个采样值占用2Byte。“LE”代表Little Endian，代表2 Byte采样值的存储方式为高位存在高地址中。
下图为输入的双声道PCM数据的波形图。上面的波形图是左声道的图形，下面的波形图是右声道的波形。图中的横坐标是时间，总长度为22秒；纵坐标是取样值，取值范围从-32768到32767。
下图为分离后左声道数据output_l.pcm的音频波形图。
下图为分离后右声道数据output_r.pcm的音频波形图。
将PCM16LE双声道音频采样数据中左声道的音量降一半
本程序中的函数可以将PCM16LE双声道数据中左声道的音量降低一半。函数的代码如下所示。
/**
* Halve volume of Left channel of 16LE PCM file
* @param url Location of PCM file.
*/
int simplest_pcm16le_halfvolumeleft(char *url){
FILE *fp=fopen(url,"rb+");
FILE *fp1=fopen("output_halfleft.pcm","wb+");
int cnt=0;
unsigned char *sample=(unsigned char *)malloc(4);
while(!feof(fp)){
short *samplenum=NULL;
fread(sample,1,4,fp);
samplenum=(short *)sample;
*samplenum=*samplenum/2;
//L
fwrite(sample,1,2,fp1);
//R
fwrite(sample+2,1,2,fp1);
cnt++;
}
printf("Sample Cnt:%d\n",cnt);
free(sample);
fclose(fp);
fclose(fp1);
return 0;
}
从源代码可以看出，本程序在读出左声道的2 Byte的取样值之后，将其当成了C语言中的一个short类型的变量。将该数值除以2之后写回到了PCM文件中。下图为输入PCM双声道音频采样数据的波形图。
下图为输出的左声道经过处理后的波形图。可以看出左声道的波形幅度降低了一半。
## 将PCM16LE双声道音频采样数据的声音速度提高一倍
/**
* Re-sample to double the speed of 16LE PCM file
* @param url Location of PCM file.
*/
int simplest_pcm16le_doublespeed(char *url){
FILE *fp=fopen(url,"rb+");
FILE *fp1=fopen("output_doublespeed.pcm","wb+");
int cnt=0;
unsigned char *sample=(unsigned char *)malloc(4);
while(!feof(fp)){
fread(sample,1,4,fp);
if(cnt%2!=0){
//L
fwrite(sample,1,2,fp1);
//R
fwrite(sample+2,1,2,fp1);
}
cnt++;
}
printf("Sample Cnt:%d\n",cnt);
free(sample);
fclose(fp);
fclose(fp1);
return 0;
}
从源代码可以看出，本程序只采样了每个声道奇数点的样值。处理完成后，原本22秒左右的音频变成了11秒左右。音频的播放速度提高了2倍，音频的音调也变高了很多。下图为输入PCM双声道音频采样数据的波形图。
下图为输出的PCM双声道音频采样数据的波形图。通过时间轴可以看出音频变短了很多。
将PCM16LE双声道音频采样数据转换为PCM8音频采样数据
本程序中的函数可以通过计算的方式将PCM16LE双声道数据16bit的采样位数转换为8bit。函数的代码如下所示。
/**
* Convert PCM-16 data to PCM-8 data.
* @param url Location of PCM file.
*/
int simplest_pcm16le_to_pcm8(char *url){
FILE *fp=fopen(url,"rb+");
FILE *fp1=fopen("output_8.pcm","wb+");
int cnt=0;
unsigned char *sample=(unsigned char *)malloc(4);
while(!feof(fp)){
short *samplenum16=NULL;
char samplenum8=0;
unsigned char samplenum8_u=0;
fread(sample,1,4,fp);
//(-32768-32767)
samplenum16=(short *)sample;
samplenum8=(*samplenum16)>>8;
//(0-255)
samplenum8_u=samplenum8+128;
//L
fwrite(&samplenum8_u,1,1,fp1);
samplenum16=(short *)(sample+2);
samplenum8=(*samplenum16)>>8;
samplenum8_u=samplenum8+128;
//R
fwrite(&samplenum8_u,1,1,fp1);
cnt++;
}
printf("Sample Cnt:%d\n",cnt);
free(sample);
fclose(fp);
fclose(fp1);
return 0;
}
PCM16LE格式的采样数据的取值范围是-32768到32767，而PCM8格式的采样数据的取值范围是0到255。所以PCM16LE转换到PCM8需要经过两个步骤：第一步是将-32768到32767的16bit有符号数值转换为-128到127的8bit有符号数值，第二步是将-128到127的8bit有符号数值转换为0到255的8bit无符号数值。在本程序中，16bit采样数据是通过short类型变量存储的，而8bit采样数据是通过unsigned char类型存储的。下图为输入的16bit的PCM双声道音频采样数据的波形图。
下图为输出的8bit的PCM双声道音频采样数据的波形图。注意观察图中纵坐标的取值范围已经变为0至255。如果仔细聆听声音的话，会发现8bit PCM的音质明显不如16 bit PCM的音质。
将从PCM16LE单声道音频采样数据中截取一部分数据
/**
* Cut a 16LE PCM single channel file.
* @param url Location of PCM file.
* @param start_num start point
* @param dur_num how much point to cut
*/
int simplest_pcm16le_cut_singlechannel(char *url,int start_num,int dur_num){
FILE *fp=fopen(url,"rb+");
FILE *fp1=fopen("output_cut.pcm","wb+");
FILE *fp_stat=fopen("output_cut.txt","wb+");
unsigned char *sample=(unsigned char *)malloc(2);
int cnt=0;
while(!feof(fp)){
fread(sample,1,2,fp);
if(cnt>start_num&&cnt<=(start_num+dur_num)){
fwrite(sample,1,2,fp1);
short samplenum=sample[1];
samplenum=samplenum*256;
samplenum=samplenum+sample[0];
fprintf(fp_stat,"%6d,",samplenum);
if(cnt%10==0)
fprintf(fp_stat,"\n",samplenum);
}
cnt++;
}
free(sample);
fclose(fp);
fclose(fp1);
fclose(fp_stat);
return 0;
}
本程序可以从PCM数据中选取一段采样值保存下来，并且输出这些采样值的数值。上述代码运行后，会把单声道PCM16LE格式的“drum.pcm”中从2360点开始的120点的数据保存成output_cut.pcm文件。下图为“drum.pcm”的波形图，该音频采样频率为44100KHz，长度为0.5秒，一共包含约22050个采样点。
下图为截取出来的output_cut.pcm文件中的数据。
将PCM16LE双声道音频采样数据转换为WAVE格式音频数据
WAVE格式音频（扩展名为“.wav”）是Windows系统中最常见的一种音频。该格式的实质就是在PCM文件的前面加了一个文件头。本程序的函数就可以通过在PCM文件前面加一个WAVE文件头从而封装为WAVE格式音频。函数的代码如下所示。
/**
* Convert PCM16LE raw data to WAVE format
* @param pcmpath Input PCM file.
* @param channels Channel number of PCM file.
* @param sample_rate Sample rate of PCM file.
* @param wavepath Output WAVE file.
*/
int simplest_pcm16le_to_wave(const char *pcmpath,int channels,int sample_rate,const char *wavepath)
{
typedef struct WAVE_HEADER{
char fccID[4];
unsigned long dwSize;
char fccType[4];
}WAVE_HEADER;
typedef struct WAVE_FMT{
char fccID[4];
unsigned long dwSize;
unsigned short wFormatTag;
unsigned short wChannels;
unsigned long dwSamplesPerSec;
unsigned long dwAvgBytesPerSec;
unsigned short wBlockAlign;
unsigned short uiBitsPerSample;
}WAVE_FMT;
typedef struct WAVE_DATA{
char fccID[4];
unsigned long dwSize;
}WAVE_DATA;
if(channels==0||sample_rate==0){
channels = 2;
sample_rate = 44100;
}
int bits = 16;
WAVE_HEADER pcmHEADER;
WAVE_FMT pcmFMT;
WAVE_DATA pcmDATA;
unsigned short m_pcmData;
FILE *fp,*fpout;
fp=fopen(pcmpath, "rb");
if(fp == NULL) {
printf("open pcm file error\n");
return -1;
}
fpout=fopen(wavepath, "wb+");
if(fpout == NULL) {
printf("create wav file error\n");
return -1;
}
//WAVE_HEADER
memcpy(pcmHEADER.fccID,"RIFF",strlen("RIFF"));
memcpy(pcmHEADER.fccType,"WAVE",strlen("WAVE"));
fseek(fpout,sizeof(WAVE_HEADER),1);
//WAVE_FMT
pcmFMT.dwSamplesPerSec=sample_rate;
pcmFMT.dwAvgBytesPerSec=pcmFMT.dwSamplesPerSec*sizeof(m_pcmData);
pcmFMT.uiBitsPerSample=bits;
memcpy(pcmFMT.fccID,"fmt ",strlen("fmt "));
pcmFMT.dwSize=16;
pcmFMT.wBlockAlign=2;
pcmFMT.wChannels=channels;
pcmFMT.wFormatTag=1;
fwrite(&pcmFMT,sizeof(WAVE_FMT),1,fpout);
//WAVE_DATA;
memcpy(pcmDATA.fccID,"data",strlen("data"));
pcmDATA.dwSize=0;
fseek(fpout,sizeof(WAVE_DATA),SEEK_CUR);
fread(&m_pcmData,sizeof(unsigned short),1,fp);
while(!feof(fp)){
pcmDATA.dwSize+=2;
fwrite(&m_pcmData,sizeof(unsigned short),1,fpout);
fread(&m_pcmData,sizeof(unsigned short),1,fp);
}
pcmHEADER.dwSize=44+pcmDATA.dwSize;
rewind(fpout);
fwrite(&pcmHEADER,sizeof(WAVE_HEADER),1,fpout);
fseek(fpout,sizeof(WAVE_FMT),SEEK_CUR);
fwrite(&pcmDATA,sizeof(WAVE_DATA),1,fpout);
fclose(fp);
fclose(fpout);
return 0;
}
WAVE文件是一种RIFF格式的文件。其基本块名称是“WAVE”，其中包含了两个子块“fmt”和“data”。从编程的角度简单说来就是由WAVE_HEADER、WAVE_FMT、WAVE_DATA、采样数据共4个部分组成。它的结构如下所示。
WAVE_HEADERWAVE_FMTWAVE_DATAPCM数据
其中前3部分的结构如下所示。在写入WAVE文件头的时候给其中的每个字段赋上合适的值就可以了。但是有一点需要注意：WAVE_HEADER和WAVE_DATA中包含了一个文件长度信息的dwSize字段，该字段的值必须在写入完音频采样数据之后才能获得。因此这两个结构体最后才写入WAVE文件中。
typedef struct WAVE_HEADER{
char fccID[4];
unsigned long dwSize;
char fccType[4];
}WAVE_HEADER;
typedef struct WAVE_FMT{
char fccID[4];
unsigned long dwSize;
unsigned short wFormatTag;
unsigned short wChannels;
unsigned long dwSamplesPerSec;
unsigned long dwAvgBytesPerSec;
unsigned short wBlockAlign;
unsigned short uiBitsPerSample;
}WAVE_FMT;
typedef struct WAVE_DATA{
char fccID[4];
unsigned long dwSize;
}WAVE_DATA;
本程序的函数执行完成后，就可将NocturneNo2inEflat_44.1k_s16le.pcm文件封装成output_nocturne.wav文件。