WAVE音频格式及及转换代码

音频信号的读写、播放及录音

　　python已经支持WAV格式的书写，而实时的声音输入输出需要安装pyAudio(http://people.csail.mit.edu/hubert/pyaudio)。最后我们还将使用pyMedia(http://pymedia.org)进行Mp3的解码和播放。

　　音频信号是模拟信号，我们需要将其保存为数字信号，才能对语音进行算法操作，WAV是Microsoft开发的一种声音文件格式，通常被用来保存未压缩的声音数据。

语音信号有四个重要的参数：声道数、采样频率、量化位数(位深)和比特率。

• 声道数：可以是单声道、双声道 ...
• 采样频率（Sample rate）：每秒内对声音信号采样样本的总数目，44100Hz采样频率意味着每秒钟信号被分解成44100份。换句话说，每隔144100144100秒就会存储一次，如果采样率高，那么媒体播放音频时会感觉信号是连续的。
• 量化位数（Bit depth）：也称为“位深”，每个采样点中信息的比特(bit)数。1 byte等于8 bit。通常有8bit、16bit、24bit、32bit...
• 比特率（Bit rate）:每秒处理多少个Bit。比如一个单声道，用44.1KHz/16Bit的配置来说，它的比特率就为44100*16*1=705600，单位是bit/s(或者bps)，因为通常计算出来的数字都比较大，大家就用kbit/s了，也就是705.6kbit/s。在对音频进行压缩时，比特率就成为了我们的一个要选的选项了，越高的比特率，其音质也就越好。一些常用的比特率有：
  • 32kbit/s： 一般只适用于语音
  • 96kbit/s： 一般用于语音或低质量流媒体
  • 128或160kbit/s： 中等比特率质量
  • 192kbit/s： 中等质量比特率
  • 256kbit/s： 常用的高质量比特率
  • 320kbit/s： MP3标准支持的最高水平

　　如果你需要自己录制和编辑声音文件，推荐使用Audacity，它是一款开源的、跨平台、多声道的录音编辑软件。在我的工作中经常使用Audacity进行声音信号的录制，然后再输出成WAV文件供Python程序处理。

　　如果想要快速看语音波形和语谱图，推荐使用Adobe Audition，他是Adobe公司开发专门处理音频的专业软件，微博关注vposy，下载地址见置顶。他破解了很多adobe公司的软件，包括PS、PR...

音频格式

WAV

　　WAV格式是微软公司开发的一种无损声音文件格式，也称为波形声音文件，WAV格式支持多种压缩算法、音频位数、采样频率和声道。

　　WAV 符合 RIFF(Resource Interchange File Format) 规范，所有的WAV都由 44字节 头文件 和 PCM文件 组成，这个文件头包含语音信号的所有参数信息(声道数、采样率、量化位数、比特率....)

　　 44个字节的 头文件由 3个区块组成：

• RIFF chunk：WAV文件标识
• Format chunk： 声道数、采样率、量化位数、等信息
• Data chunk：存放数据

　　相反的，在PCM文件头部添加44个字节的WAV文件头，就可以生成WAV格式文件

RIFF区块

规范的WAVE格式遵循RIFF头

名称	字节数	内容
ChunkID	4	"RIFF" 标识符
ChunkSize	4	表示从下个地址开始到文件尾的总字节数 更准确的说：等于整个wav文件大小-8
Format	4	"WAVE" 标识符

FORMAT区块

描述声音数据的格式

名称	字节数	内容
Subchunk1ID	4	"fmt " 标识符，最后一位是空格
Subchunk1Size	4	该区块数据的长度（不包含该区块ID和Size的长度）
AudioFormat	2	音频格式，PCM音频数据的值为1
NumChannels	2	通道数
SampleRate	4	采样率
ByteRate	4	每秒数据字节数 = SampleRate * NumChannels * BitsPerSample / 8
BlockAlign	2	每个采样点所需的字节数 = NumChannels * BitsPerSample / 8
BitsPerSample	2	量化位数(bit)

DATA区块

包含数据的大小和实际声音

名称	字节数	内容
Subchunk2ID	4	"data" 标识符
Subchunk2Size	4	该区块数据的长度，（不包含该区块ID和Size的长度），也就是PCM字节数
Data	*	音频数据

文件实例：

RIFF区块

• ChunkID(4字节 52 49 46 46)：对应ASCII中的 RIFF，这里是ASCII码对照表。
• ChunkSize(4字节 76 01 03 00)：表示WAV文件的大小，不包含了前面8个字节，所以真正的大小等于文件总字节减去8。76 01 03 00 对应的正序16进制为 00 03 01 76大小为196982
• Format(4字节 57 41 56 45)：对应ASCII中的WAVE

FORMAT区块

• Subchunkl ID(4字节 66 6d 74 20)：对应ASCII中的fmt
• Subchunkl Size(4字节 10 00 00 00)：正序16进制 00 00 00 10 对应16
• AudioFormat(2字节 01 00)：正序16进制 00 01，对应数字1，表示编码格式“WAVE_FORMAT_PCM”
• NumChannels(2字节 01 00)：正序16进制 00 01，对应数字1，表示声道数为1
• SampleRate(4字节 80 bb 00 00)：正序16进制 00 00 bb 80，表示采样率为48000
• ByteRate(4字节 00 77 01 00)：正序16进制 00 01 77 00，表示传输速率为96000
• BlockAlign(2字节 02 00)：正序16进制 00 02，每个采样所需的2字节数
• BitsPerSample(2字节 10 00)：正序16进制 00 10，采样大小为16 Bits

DATA区块

• Subchunk2ID(4字节 64 61 74 61)：表示为ASCII的data，开始数据区
• Subchunk2 Size(4字节 52 01 03 00)：正序16进制 00 03 01 52，PCM字节数，大小为196946
• wav文件(wav字节-44字节)：pcm音频数据

WAV转PCM

　　因为wav比pcm多44个字节的文件头，也就是说44字节后的信息，就是pcm数据

#include <stdio.h>

/**
 * wav2pcm ***.wav **.pcm
 * @param argc 命令行参数的长度
 * @param argv 命令行参数，argv[0]是程序名称
 * @return
 */
int main(int argc, char *argv[]) {
    FILE *wavfile;
    FILE *pcmfile;
    char buf[1024];
    int read_len;

    if (argc != 3) {
        printf("usage:\n"
               "\t wav2pcm ***.wav **.pcm\n");
    }
    wavfile = fopen(argv[1], "rb");
    if (wavfile == NULL) {
        printf("!Error: Can't open wavfile.\n");
        return 1;
    }
    pcmfile = fopen(argv[2], "wb");
    if (pcmfile == NULL) {
        printf("!Error: Can't open pcmfile.\n");
        return 1;
    }

    fseek(wavfile, 44, SEEK_SET);        // 将文件指针移动到文件开头，后移44字节

    while ((read_len = fread(buf, 1, sizeof(buf), wavfile)) != 0) {
        fwrite(buf, 1, read_len, pcmfile);
    }

    fclose(pcmfile);
    fclose(wavfile);

    return 0;
}

wav2pcm.c

dd if=1.wav of=1.pcm bs=1 skip=44

wav2pcm.sh

def wav2pcm(wavfile, pcmfile, data_type=np.int16):
    f = open(wavfile, "rb")
    f.seek(0)
    f.read(44)
    data = np.fromfile(f, dtype=data_type)
    data.tofile(pcmfile)

wav2pcm.py

还有一个github开源代码：wavutils

当我们读取pcm数据的时候，我们需要弄清楚语音每个采样点的位深是多少bit，一般来说是16bit，那么我们去pcm数据的时候就应该2个字节的去取，应该创建short的buf。

#include <stdio.h>

int main() {
    FILE *pcmfile;
    int frame_len = 480;     // 帧长
    short buf[frame_len];   // 每个采样点2字节
    int read_len;
    char pcmpath[]="../p225_001.pcm";

    pcmfile = fopen(pcmpath, "rb");
    if (pcmfile == NULL) {
        printf("!Error: Can't open wavfile.\n");
        return 1;
    }

    while (feof(pcmfile)==0){
        read_len = fread(buf, sizeof(short), frame_len, pcmfile);
        for (int i = 0; i < read_len; i++) {
            printf("%d ", buf[i]);
        }
    }

    fclose(pcmfile);
    return 0;
}

读取pcm数据

RAW、PCM、SAM

　　RAW、PCM(Pulse Code Modulation)、SAM 都是一种存储 原始数据 的音频文件格式，未经过任何编码和压缩处理，他们的本质一样，只是文件扩展名不同，也可以没有扩展名。与WAV或AIFF的大小相比，这音频文件不包含任何标题信息（采样率、位深度、通道数）。

　　如果在PCM文件的前面添加WAV文件头，就可以生成WAV格式文件。

如果是16位的话，pcm每个采样点的值在0~$2^{15}-1$，因为第一位是符号位。所以我们有时候用librosa读取的音频每个采样点都是0~1之间的，如果该音频是16bit的，如果想将他换成short型应该乘以$2^{15}$。

pcm转wav

版本一：代码参考自：https://github.com/pliu6/pcm2wav

/**
 * https://github.com/pliu6/pcm2wav
 */
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <stdio.h>

typedef struct {
    unsigned char chunk_id[4];     /*{'R', 'I', 'F', 'F'}*/
    unsigned int chunk_size;
    unsigned char format[4];
} FIFFChunk;

typedef struct {
    unsigned char chunk_id[4];  /* {'f', 'm', 't', ' '} */
    unsigned int chunk_size;
    unsigned short audio_format;            // 2字节
    unsigned short channels;             // 4字节
    unsigned int sample_rate;       // 4字节
    unsigned int byte_rate;      // 4字节
    unsigned short block_align;           // 2字节
    unsigned short bits_per_sample;        // 2字节
} FormatChunk;

typedef struct {
    unsigned char chunk_id[4];  /* {'d', 'a', 't', 'a'}  */
    unsigned int chunk_size;
} DataChunk;

// pcm2wav ***.pcm ***.wav 通道 采样率 量化位数
int main(int argc, char *argv[]) {
    FILE *pcmfile, *wavfile;
    long pcmfile_size;
    FIFFChunk fiffchunk;
    FormatChunk formatchunk;
    DataChunk datachunk;
    int read_len;
    char buf[1024];

    if (argc != 6) {
        printf("usage:\n"
               "\t%s pcmfile wavfile channel samplerate bitspersample\n", argv[0]);
        return 1;
    }

    pcmfile = fopen(argv[1], "rb");
    if (pcmfile == NULL) {
        printf("!Error: Can't open pcmfile.\n");
        return 1;
    }
    fseek(pcmfile, 0, SEEK_END);        // 将文件指针移动到文件最后
    pcmfile_size = ftell(pcmfile);          // 返回给定流 stream 的当前文件位置(字节)
    fseek(pcmfile, 0, SEEK_SET);        // 将文件指针移动到文件开头

    wavfile = fopen(argv[2], "wb");
    if (wavfile == NULL) {
        printf("!Error: Can't create wavfile.\n");
        return 1;
    }
    /* *********** RIFF区块  ********************* */
    strncpy(fiffchunk.chunk_id,"RIFF", 4);
    fiffchunk.chunk_size = pcmfile_size+36;
    strncpy(fiffchunk.format,"WAVE",4);
    fwrite(&fiffchunk, sizeof(fiffchunk), 1, wavfile);

    /* *********** FORMAT区块  ********************* */
    strncpy(formatchunk.chunk_id,"fmt ", 4);
    formatchunk.chunk_size = sizeof(FormatChunk) - 8;       // 不包含该区块ID和Size的长度
    formatchunk.audio_format = 1;   /* 未压缩的 */
    formatchunk.channels = atoi(argv[3]);          // 通道数，字符串转换成整型
    formatchunk.sample_rate = atoi(argv[4]);    // 采样率
    formatchunk.bits_per_sample = atoi(argv[5]);     // 量化位数
    formatchunk.byte_rate = formatchunk.sample_rate * formatchunk.channels * (formatchunk.bits_per_sample >> 3);   // 每秒数据字节数=SampleRate * NumChannels * BitsPerSample/8
    formatchunk.block_align = formatchunk.channels * (formatchunk.bits_per_sample >> 3);    // 每个样本需要的字节数
    fwrite(&formatchunk, 1, sizeof(formatchunk), wavfile);

    /* *********** DATA区块  ********************* */
    strncpy(datachunk.chunk_id, "data",4);
    datachunk.chunk_size = pcmfile_size;
    fwrite(&datachunk, 1, sizeof(datachunk.chunk_id) + sizeof(datachunk.chunk_size), wavfile);

    while ((read_len = fread(buf, 1, sizeof(buf), pcmfile)) != 0) {
        fwrite(buf, 1, read_len, wavfile);
    }

    fclose(pcmfile);
    fclose(wavfile);
}

pcm2wav.c

版本二：代码参考自：https://github.com/jwhu1024/pcm-to-wav

/**
* https://github.com/jwhu1024/pcm-to-wav
*/

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>

typedef struct {
    unsigned char chunk_id[4];        // RIFF string
    unsigned int chunk_size;         // overall size of file in bytes (36 + data_size)
    unsigned char sub_chunk1_id[8];   // WAVEfmt string with trailing null char
    unsigned int sub_chunk1_size;    // 16 for PCM.  This is the size of the rest of the Subchunk which follows this number.
    unsigned short audio_format;       // format type. 1-PCM, 3- IEEE float, 6 - 8bit A law, 7 - 8bit mu law
    unsigned short num_channels;       // Mono = 1, Stereo = 2
    unsigned int sample_rate;        // 8000, 16000, 44100, etc. (blocks per second)
    unsigned int byte_rate;          // SampleRate * NumChannels * BitsPerSample/8
    unsigned short block_align;        // NumChannels * BitsPerSample/8
    unsigned short bits_per_sample;    // bits per sample, 8- 8bits, 16- 16 bits etc
    unsigned char sub_chunk2_id[4];   // Contains the letters "data"
    unsigned int sub_chunk2_size;    // NumSamples * NumChannels * BitsPerSample/8 - size of the next chunk that will be read
} wav_header_t;

char *dummy_get_raw_pcm(char *p, int *bytes_read) {
    long lSize;
    char *pcm_buf;
    size_t result;
    FILE *fp_pcm;

    fp_pcm = fopen(p, "rb");
    if (fp_pcm == NULL) {
        printf("File error");
        exit(1);
    }

    // obtain file size:
    fseek(fp_pcm, 0, SEEK_END);     // 将文件指针移动到文件最后
    lSize = ftell(fp_pcm);              // 返回给定流 stream 的当前文件位置(字节)
    rewind(fp_pcm);                     // 将文件指针移动到文件开头

    // 分配内存来包含整个文件
    pcm_buf = (char *) malloc(sizeof(char) * lSize);
    if (pcm_buf == NULL) {
        printf("Memory error");
        exit(2);
    }

    // 将文件复制到pcm_buf中:
    result = fread(pcm_buf, 1, lSize, fp_pcm);
    if (result != lSize) {
        printf("Reading error");
        exit(3);
    }

    *bytes_read = (int) lSize;
    return pcm_buf;
}

void get_wav_header(int raw_sz, wav_header_t *wh) {
    // RIFF chunk
    strcpy(wh->chunk_id, "RIFF");
    wh->chunk_size = 36 + raw_sz;

    // fmt sub-chunk (to be optimized)
    strncpy(wh->sub_chunk1_id, "WAVEfmt ", strlen("WAVEfmt "));
    wh->sub_chunk1_size = 16;
    wh->audio_format = 1;
    wh->num_channels = 1;
    wh->sample_rate = 16000;
    wh->bits_per_sample = 16;
    wh->block_align = wh->num_channels * wh->bits_per_sample / 8;
    wh->byte_rate = wh->sample_rate * wh->num_channels * wh->bits_per_sample / 8;

    // data sub-chunk
    strncpy(wh->sub_chunk2_id, "data", strlen("data"));
    wh->sub_chunk2_size = raw_sz;
}

void dump_wav_header(wav_header_t *wh) {
    printf("=========================================\n");
    printf("chunk_id:\t\t\t%s\n", wh->chunk_id);
    printf("chunk_size:\t\t\t%d\n", wh->chunk_size);
    printf("sub_chunk1_id:\t\t\t%s\n", wh->sub_chunk1_id);
    printf("sub_chunk1_size:\t\t%d\n", wh->sub_chunk1_size);
    printf("audio_format:\t\t\t%d\n", wh->audio_format);
    printf("num_channels:\t\t\t%d\n", wh->num_channels);
    printf("sample_rate:\t\t\t%d\n", wh->sample_rate);
    printf("bits_per_sample:\t\t%d\n", wh->bits_per_sample);
    printf("block_align:\t\t\t%d\n", wh->block_align);
    printf("byte_rate:\t\t\t%d\n", wh->byte_rate);
    printf("sub_chunk2_id:\t\t\t%s\n", wh->sub_chunk2_id);
    printf("sub_chunk2_size:\t\t%d\n", wh->sub_chunk2_size);
    printf("=========================================\n");
}

// pcm-to-wav ./time.pcm ./***.wav
int main(int argc, char *argv[]) {
    int raw_sz = 0;
    FILE *fwav;
    wav_header_t wheader;           // 文件头 结构体变量声明

    memset(&wheader, '\0', sizeof(wav_header_t));       // 清除内存位置

    // check argument
    if (argc != 2)
        return -1;

    // dummy raw pcm data
    char *pcm_buf = dummy_get_raw_pcm("./time.pcm", &raw_sz);

    // construct wav header
    get_wav_header(raw_sz, &wheader);       // 给文件头赋 初值
    dump_wav_header(&wheader);              // 打印文件头 信息

    // write out the .wav file
    fwav = fopen(argv[1], "wb");
    fwrite(&wheader, 1, sizeof(wheader), fwav);
    fwrite(pcm_buf, 1, raw_sz, fwav);
    fclose(fwav);

    if (pcm_buf)
        free(pcm_buf);

    return 0;
}

pcm2wav.c

版本三：使用python的wave库

def pcm2wav(pcm_file, wav_file, channels=1, bits=16, sample_rate=16000):
    pcmf = open(pcm_file, 'rb')
    pcmdata = pcmf.read()
    pcmf.close()

    if bits % 8 != 0:
        raise ValueError("bits % 8 must == 0. now bits:" + str(bits))

    wavfile = wave.open(wav_file, 'wb')
    wavfile.setnchannels(channels)
    wavfile.setsampwidth(bits // 8)
    wavfile.setframerate(sample_rate)
    wavfile.writeframes(pcmdata)
    wavfile.close()

还有一个github开源代码：wavutils

其他音频格式

MP3

MP3利用MPEG Audio Layer3 压缩方式进行压缩，所以简称为MP3，是一种有损压缩格式。 MPEG Audio Layer 3 压缩技术可以将音乐以1:10 甚至 1:12 的压缩率，能够在音质丢失很小的情况下把文件压缩到更小的程度。由于MP3体积小，音质高互联网上音乐几乎都是这种格式。但Mp3最高比特率320K，高频部分一刀切是他的缺点，对音质要求高的话还是建议wav格式。

ARM格式全称Adaptive Multi-Rate 和 Adaptive Multi-Rate Wideband，主要用于移动设备的音频，压缩比比较大，但相对其他的压缩格式质量比较差，多用于人声，通话，是一种有损压缩格式。

Ogg全称应该是OGG Vobis(ogg Vorbis) 是一种新的音频压缩格式，类似于MP3等现有的音乐格式。相对于MP3压缩技术它是完全免费、开放和没有专利限制的，是一种有损压缩格式。

AAC（Advanced Audio Coding），中文称为“高级音频编码”，出现于1997年，基于 MPEG-2的音频编码技术，是一种有损压缩技术。

LAC即是Free Lossless Audio Codec的缩写，为无损音频压缩编码，由于不会丢失任何音频信息可以利用算法恢复原始编码，前景广阔。

参考

微软官方 对WAV格式的 解释

音频文件格式

WAV文件格式详解

音频格式简介和PCM转换成WAV

wave文件(*.wav)格式、PCM数据格式

wav文件格式分析与详解