转wave 文件解析

Posted 2020-09-17 雪茄在飞快奔跑

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篇首语：本文由小常识网(cha138.com)小编为大家整理，主要介绍了转wave 文件解析相关的知识，希望对你有一定的参考价值。

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WAVE 文件格式分析

WAVE 文件作为多媒体中使用的声音波形文件格式之一，它是以RIFF（Resource Interchange File Format）格式为标准的。每个WAVE文件的头四个字节便是“RIFF”。WAVE 文件由文件头和数据体两大部分组成。其中文件头又分为 RIFF／WAV 文件标识段和声音数据格式说明段两部分。WAVE文件各部分内容及格式见后文。

常见的声音文件主要有两种，分别对应于单声道（11.025KHz 采样率、8Bit 的采样值）和双声道（44.1KHz 采样率、16Bit 的采样值）。采样率是指：声音信号在“模→数”转换过程中单位时间内采样的次数。采样值是指每一次采样周期
内声音模拟信号的积分值。

对于单声道声音文件，采样数据为八位的短整数（short int 00H-FFH）；而对于双声道立体声声音文件，每次采样数据为一个16位的整数（int），高八位和低八位分别代表左右两个声道。

WAVE 文件数据块包含以脉冲编码调制（PCM）格式表示的样本。WAVE 文件是由样本组织而成的。在单声道 WAVE 文件中，声道0代表左声道，声道1代表右声道。在多声道WAVE文件中，样本是交替出现的。

WAVE 文件除了前面一小段文件头对数据组织进行说明之外，Data 块就是声音的原始采样数据，WAVE 文件虽然可以压缩，但一般都使用不压缩的格式。44.1KHz 采样率、16Bit的分辨率、双声道，所以WAVE可以保存音质要求非常高的声音文件，CD 采用的也是这种格式，声音方面的专家或是音乐发烧友们应该非常熟悉。但这种文件的体积也非常大，以 44.1KHz 16bit 双声道的数据为例，一分钟的声音数据量为：4100*2byte*2channel*60s/1024/1024=10.09M 。所以不合适在网上传送。

下面我们具体地分析 WAVE 文件的格式

endian	field name	Size
big	ChunkID	4	文件头标识，一般就是" RIFF" 四个字母
little	ChunkSize	4	整个数据文件的大小，不包括上面ID和Size本身
big	Format	4	一般就是" WAVE" 四个字母
big	SubChunk1ID	4	格式说明块，本字段一般就是"fmt "
little	SubChunk1Size	4	本数据块的大小，不包括ID和Size字段本身
little	AudioFormat	2	音频的格式说明
little	NumChannels	2	声道数
little	SampleRate	4	采样率
little	ByteRate	4	比特率，每秒所需要的字节数
little	BlockAlign	2	数据块对齐单元
little	BitsPerSample	2	采样时模数转换的分辨率
big	SubChunk2ID	4	真正的声音数据块，本字段一般是"data"
little	SubChunk2Size	4	本数据块的大小，不包括ID和Size字段本身
little	Data	N	音频的采样数据

以下是对各个字段的详细解说：

ChunkID	4bytes	ASCII 码表示的“RIFF”。（0x52494646）
ChunkSize	4bytes	36+SubChunk2Size，或是 4 + ( 8 + SubChunk1Size ) + ( 8 + SubChunk2Size )，这是整个数据块的大小（不包括ChunkID和ChunkSize的大小）
Format	4bytes	ASCII 码表示的“WAVE”。（0x57415645）

SubChunk1ID		新的数据块（格式信息说明块） ASCII 码表示的“fmt ”——最后是一个空格。（0x666d7420）
SubChunk1Size	4bytes	本块数据的大小（对于PCM，值为16）。
AudioFormat	2bytes	PCM = 1 （比如，线性采样），如果是其它值的话，则可能是一些压缩形式
NumChannels	2bytes	1 => 单声道 \| 2 => 双声道
SampleRate	4bytes	采样率，如 8000，44100 等值
ByteRate	4bytes	等于： SampleRate * numChannels * BitsPerSample / 8
BlockAlign	2bytes	等于：NumChannels * BitsPerSample / 8
BitsPerSample	2bytes	采样分辨率，也就是每个样本用几位来表示，一般是 8bits 或是 16bits

SubChunk2ID	4bytes	新数据块，真正的声音数据 ASCII 码表示的“data ”——最后是一个空格。（0x64617461）
SubChunk2Size	4bytes	数据大小，即，其后跟着的采样数据的大小。
Data	N bytes	真正的声音数据

对于Data块，根据声道数和采样率的不同情况，布局如下（每列代表8bits）：

1. 8 Bit 单声道：

采样1	采样2
数据1	数据2

2. 8 Bit 双声道

采样1		采样2
声道1数据1	声道2数据1	声道1数据2	声道2数据2

1. 16 Bit 单声道：

采样1		采样2
数据1低字节	数据1高字节	数据1低字节	数据1高字节

2. 16 Bit 双声道

采样1
声道1数据1低字节	声道1数据1高字节	声道2数据1低字节	声道2数据1高字节
采样2
声道1数据2低字节	声道1数据2高字节	声道2数据2低字节	声道2数据2高字节

下面我们看一个具体的例子，声音文件如下：

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

对应的分析如下图所示：

本文参考了：

转2

1.PCM Wave格式详解

WAVE文件格式是微软RIFF(Resource Interchange File Format,资源交换文件标准)的一种，是针对于多媒体文件存储的一种文件格式和标准。一般而言，RIFF文件由文件头和数据两部分组成，一个WAVE文件由一个“WAVE”数据块组成，这个“WAVE”块又由一个”fmt”子数据块和一个“data”子数据块组成，也称这种格式为“Canonical form”（权威/牧师格式），如下图所示：

每个字段的涵义如下： ChunkID: 占4个字节，内容为“RIFF”的ASCII码(0x52494646)，以大端（big endian）存储。
ChunkSize: 4字节，存储整个文件的字节数（不包含ChunkID和ChunkSize这8个字节），以小端（little endian）方式存储。
Format: 4字节，内容为“WAVE”的ASCII码(0x57415645)，以大端存储。

其中bigendian 主要有一个特征，在内存中对操作数的存储方式和从高字节到低字节。例如：0x1234，这样一个数，存储为:
0x4000: 0x12
0x4001: 0x34
而小尾端littleendian是：
0x4000: 0x34
0x4001: 0x12
用程序在区别的话，可以考虑：

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
int main(int argc, char *argv[])
{
       union w
      {
       short int a;
       char b;
      }c;
      c.a=1;
      if( c.b==1 )  printf("little endian\\n");
      else printf("big endian\\n");
      system("PAUSE"); 
      return 0;
}

“WAVE”格式由两个子数据块构成：“fmt”块和“data”块，其中“fmt”块的详细解释如下： Subchunk1ID: 占4个字节，内容为“fmt ”的ASCII码(0x666d7420)，以大端存储。
Subchunk1Size: 占4个字节，存储该子块的字节数（不含前面的Subchunk1ID和Subchunk1Size这8个字节），以小端方式存储。
AudioFormat：占2个字节，以小端方式存储，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。
NumChannels: 占2个字节，以小端方式存储，通道数，单通道(Mono)值为1，双通道(Stereo)值为2，等等。
SampleRate: 占4个字节，以小端方式存储，采样率，如8k，44.1k等。
ByteRate: 占4个字节，以小端方式存储，每秒存储的bit数，其值=SampleRate * NumChannels * BitsPerSample/8
BlockAlign: 占2个字节，以小端方式存储，块对齐大小，其值=NumChannels * BitsPerSample/8
BitsPerSample: 占2个字节，以小端方式存储，每个采样点的bit数，一般为8,16,32等。
接下来是两个可选的扩展参数：
ExtraParamSize: 占2个字节，表示扩展段的大小。
ExtraParams: 扩展段其他自定义的一些参数的具体内容，大小由前一个字段给定。

其中，对于每个采样点的bit数，不同的bit数读取数据的方式不同：

// data 为读取到的采样点的值，speech为原始数据流，
//对应于下面的"WAVE"格式文件的第二个子数据块“data”块的“Data”部分。
for(i=0;i<NumSample;i++){
  if(BitsPerSample==8)
      data[i] = (int)*((char*)speech+i);
  else if(BitsPerSample==16)
      data[i] = (int)*((short*)speech+i);
  else if(BitsPerSample==32)
      data[i] = (int)*((int*)speech+i);
}

“WAVE”格式文件的第二个子数据块是“data”，其个字段的详细解释如下：
Subchunk2ID: 占4个字节，内容为“data”的ASCII码(0x64617461)，以大端存储。
Subchunk2Size: 占4个字节，内容为接下来的正式的数据部分的字节数，其值=NumSamples * NumChannels * BitsPerSample/8
Data: 真正的语音数据部分。

一个Wave文件头的实例

设一个wave文件的前72个字节的十六进制内容如下(可以使用Ultra Edit等工具查看wave文件头)：

49 46 46 24 08 00 00 57 41 56 45 66 6d 74 20 10 00 00 00 01 00 02 00 
56 00 00 88 58 01 00 04 00 10 00 64 61 74 61 00 08 00 00 00 00 00 00 
17 1e f3 3c 13 3c 14 16 f9 18 f9 34 e7 23 a6 3c f2 24 f2 11 ce 1a 0d

则其个字段的解析如下图：

C语言实现wave文件的读取

这里给出一个用基本的C语言文件操作库函数实现的Wave文件读取的实例代码，可以跨Windows和Linux平台。

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

// define Wave format structure
typedef struct tWAVEFORMATEX
{
    short wFormatTag;         /* format type */
    short nChannels;          /* number of channels (i.e. mono, stereo...) */
    unsigned int nSamplesPerSec;     /* sample rate */
    unsigned int nAvgBytesPerSec;    /* for buffer estimation */
    short nBlockAlign;        /* block size of data */
    short wBitsPerSample;     /* number of bits per sample of mono data */
    short cbSize;             /* the count in bytes of the size of */
                                    /* extra information (after cbSize) */
} WAVEFORMATEX, *PWAVEFORMATEX;

char* wavread(char *fname, WAVEFORMATEX *wf);

int main(){
  char fname[] = "test.wav";
  char *speech;
  WAVEFORMATEX wf;
  
  speech = wavread(fname, &wf);
  // afterward processing...
  
  return 0;
}

// read wave file
char* wavread(char *fname, WAVEFORMATEX *wf){
  FILE* fp;
  char str[32];
  char *speech;
  unsigned int subchunk1size; // head size
  unsigned int subchunk2size; // speech data size

  // check format type
  fp = fopen(fname,"r");
  if(!fp){
      fprintf(stderr,"Can not open the wave file: %s.\\n",fname);
      return NULL;
  }
  fseek(fp, 8, SEEK_SET);
  fread(str, sizeof(char), 7, fp);
  str[7] = \'\\0\';
  if(strcmp(str,"WAVEfmt")){
      fprintf(stderr,"The file is not in WAVE format!\\n");
      return NULL;
  }
  
  // read format header
  fseek(fp, 16, SEEK_SET);
  fread((unsigned int*)(&subchunk1size),4,1,fp);
  fseek(fp, 20, SEEK_SET);
  fread(wf, subchunk1size, 1, fp);
  
  // read wave data
  fseek(fp, 20+subchunk1size, SEEK_SET);
  fread(str, 1, 4, fp);
  str[4] = \'\\0\';
  if(strcmp(str,"data")){
      fprintf(stderr,"Locating data start point failed!\\n");
      return NULL;
  }
  fseek(fp, 20+subchunk1size+4, SEEK_SET);
  fread((unsigned int*)(&subchunk2size), 4, 1, fp);
  speech = (char*)malloc(sizeof(char)*subchunk2size);
  if(!speech){
      fprintf(stderr, "Memory alloc failed!\\n");
      return NULL;
  }
  fseek(fp, 20+subchunk1size+8, SEEK_SET);
  fread(speech, 1, subchunk2size, fp);

  fclose(fp);
  return speech;
}

参考

[1]WAVE PCM soundfile format: https://ccrma.stanford.edu/courses/422/projects/WaveFormat/
[2]Resource Interchange File Format: http://en.wikipedia.org/wiki/Resource_Interchange_File_Format
[3]基于Visual C++6.0的声音文件操作: http://www.yesky.com/20030414/1663116_1.shtml

Original Link: http://ibillxia.github.io/blog/2013/07/20/details-of-wave-format-and-reading-wave-files-in-C-language/
Attribution - NON-Commercial - ShareAlike - Copyright © Bill Xia

以上是关于转wave 文件解析的主要内容，如果未能解决你的问题，请参考以下文章

iOS开发——WAVE音频文件解析

如何将Pcm格式的音频文件转换成Wave格式的文件

[转]Quartus和Modelsim仿真ROM模块

wave音频转解码测试python脚本

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