视音频数据处理入门：PCM音频采样数据处理
Posted 雷霄骅
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篇首语：本文由小常识网(cha138.com)小编为大家整理，主要介绍了视音频数据处理入门：PCM音频采样数据处理相关的知识，希望对你有一定的参考价值。
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视音频数据处理入门系列文章：
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上一篇文章记录了RGB/YUV视频像素数据的处理方法，本文继续上一篇文章的内容，记录PCM音频采样数据的处理方法。音频采样数据在视频播放器的解码流程中的位置如下图所示。
分离PCM16LE双声道音频采样数据的左声道和右声道
将PCM16LE双声道音频采样数据中左声道的音量降一半
将PCM16LE双声道音频采样数据的声音速度提高一倍
将PCM16LE双声道音频采样数据转换为PCM8音频采样数据
从PCM16LE单声道音频采样数据中截取一部分数据
将PCM16LE双声道音频采样数据转换为WAVE格式音频数据
注：PCM音频数据可以使用音频编辑软件导入查看。例如收费的专业音频编辑软件Adobe Audition，或者免费开源的音频编辑软件Audacity。
函数列表
（1）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;
}
调用上面函数的方法如下所示。
simplest_pcm16le_split("NocturneNo2inEflat_44.1k_s16le.pcm");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。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。output_r.pcm：右声道数据。
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。
（2）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;
}
调用上面函数的方法如下所示。
simplest_pcm16le_halfvolumeleft("NocturneNo2inEflat_44.1k_s16le.pcm");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。
（3）将PCM16LE双声道音频采样数据的声音速度提高一倍
本程序中的函数可以通过抽象的方式将PCM16LE双声道数据的速度提高一倍。函数的代码如下所示。/**
* 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;
}
调用上面函数的方法如下所示。
simplest_pcm16le_doublespeed("NocturneNo2inEflat_44.1k_s16le.pcm");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。
（4）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;
}
调用上面函数的方法如下所示。
simplest_pcm16le_to_pcm8("NocturneNo2inEflat_44.1k_s16le.pcm");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。
以上是关于视音频数据处理入门：PCM音频采样数据处理的主要内容，如果未能解决你的问题，请参考以下文章