走进音视频的世界——音频封装格式

音频封装格式一般由：多媒体信息+音频流+封面流+歌词流组成。有些音乐会包含封面和歌词，则对应有封面流、歌词流。多媒体信息包括：标题、艺术家、专辑、作曲、音乐风格、日期、码率、时长、声道布局、采样率、音频编码器等。而音频封装包括：mp3、m4a、ogg、amr、wma、aac、wav、flac、ape等。前面两篇文章介绍过相关概念：走进音视频世界——音视频的基本概念、走进音视频世界——视频封装格式。音频格式如下图所示：

以下面问题为出发点，揭开音频封装格式的面纱：

① 音乐封面如何获取？

② 音乐歌词如何获取与显示？

③ 有损格式与无损格式有什么区别？

④ 不同封装格式有什么联系，又有什么区别？

先从FFprobe检测到的音频metadata说起，如下图1所示：

从上图可以看出，前半部分是title标题、artist艺术家、album专辑、album_artist艺术家专辑、composer作曲者、genre音乐风格式；中间部分是lyrics歌词，每句歌词前面有对应的时间戳；后半部分是两个流，第0编号的流是音频轨，包含：音频编码器、采样率、声道布局、码率，第1编号的流是封面，其实是一帧图像，包含：图像编码器、像素格式、分辨率。接下来根据上面提出的问题进行展开分析。

1、获取音乐的封面

音乐封面保存在视频图像流中，先解析出图像编码器、像素格式、分辨率等参数，然后根据编码器去寻找对应的解码器，并打开解码器，对图像编码压缩数据进行解码，最终解码出来的图像就是封面了。

2、音乐歌词的获取与显示

上面有提及，每句歌词前面有显示的时间戳，以音频时钟为基准，歌词时间戳同步于音频时间戳。也就是根据音频时间戳来同步解析歌词，然后把歌词回调到应用层渲染显示。另外一个问题，当前歌词什么时候该消失呢？歌词没有具体的显示时长，等待下一个歌词的到来，把当前歌词覆盖。

3、有损格式与无损格式的区别

(1) 无损音乐格式

无损音乐格式有ape、wav、flac三种，其中ape、flac都是基于wav进行压缩。而wav是微软专门为Windows开发的一种标准数字音频文件，文件扩展名wav，是WaveForm的缩写，文件大小计算公式：size=(采样率*量化位数*声道/8)/时间(秒)。一般采样率是44100Hz，量化位数为16位，声道数为2（即立体声道），1分钟的音频占用存储空间约为10M。

在Windows环境下，大多数媒体文件都是按照资源互换文件格式(Resource Interchange File Format)来储存信息的，简称为RIFF格式。构成RIFF的基本单位成为块(Chunk)，每个RIFF文件由若干块组成，wav基本结构如下表所示：

RIFF块

文件格式类型“WAVE”

fmt块

fact 块（压缩编码格式要含有该块）

data块

表1—wav基本结构

每个块由块标识、长度、数据组成，如下代码段：

struct chunk {
    u32 id; //块标识
    u32 size; //块大小
    u8 data[size]; //块内容
};

其中fmt块由声道数、采样率、码率、块对齐、量化位数五个参数组成，如下表所示：

Num Channels	2 Bytes	小端存储
SampleRate	4 Bytes	小端存储
ByteRate	4 Bytes	小端存储
Block Align	2 Bytes	小端存储
BitsPerSample	2 Bytes	小端存储

表2—WaveForm的format参数

(2) 有损音乐格式

有损音乐格式包括：mp3、m4a、ogg、amr、wma、aac等。目前最为流行的是mp3(MPEG-1 audio layer3)，有着mp3的下一代之称的是aac(Advance Audio Coding)。有损格式压缩率比无损的高，文件占用存储空间小，但是声音还原度不如无损格式。我们下载音乐时，碰到高品质或者无损音质的音乐，通常要VIP会员或按需收费，因为越高品质越接近原声。而无损音乐从理论上能够100%保留声音细节，100%还原原声。无损音质英文简称为SQ(Super Quality，超音质)。关于无损格式与有损格式对比如下表所示：

常见格式	是否有损	优点	缺点
mp3、m4a、ogg、amr、wma、aac	有损	音质相对差	占用空间小
wav、ape、flac	无损	音质相对好	占用空间大

表3—有损与无损格式对比

4、不同封装格式的联系与区别

封装格式共同点是基本结构是相同的，都是由多媒体信息+音频流+封面流+歌词流组成。区别是不同封装格式，采用编码方式不一样，压缩率不一样，音频流子结构不一样。下面是不同封装格式的多方位对比，如表4所示：

格式	发布者	年份	编码器	是否有损	描述
wav	微软	1991	pcm	无损	波形文件，直接存储声音波形
ape	Matthew	2000	ape	无损	压缩率约为55%，比flac高
flac	Josh Coalson	2000	flac	无损	抗损坏，快速定位，可用于流媒体
mp3	MPEG-1	1992	mp3	有损	压缩比1:10甚至1:12，占有存储空间小，有版权
aac	MPEG-2	1997	aac	有损	支持多声道，更高解析度，更高压缩率
m4a	MPEG-4	1998	aac	有损	MPEG-4的扩展名，由ipod采用m4a变得流行
ogg	Xiph.org	不详	vobis	有损	全称OGGVobis，支持多声道，支持流式播放
amr	欧盟通信	不详	amr_nb/amr_wb	有损	自适应多码率，占用存储空间特别小
wma	微软	1999	wma	有损	支持证书加密，主要应用于VOIP视频通话

表4—不同封装格式对比

音视频学习和音视频处理项目可参考：https://github.com/xufuji456/FFmpegAndroid