資料存儲之存儲音頻

今天一邊聽歌一邊在看計算機科學導論(第二版)，看到第三章《資料存儲》時，【存儲音頻】的部分引起了我對音頻格式的興趣，順手查了一查音頻格式的相關内容，就此總結記錄下來。

QQ音樂上的音頻格式

點選下載下傳一首歌曲，會彈出下載下傳頁面,并且讓使用者選擇下載下傳哪種品質的音樂.如果一首歌的歌源比較廣,它最多會有四種品質,以<孫燕姿-渴>來為例:(這首歌我覺得是stefanie新專輯Kepler最好聽的一首...)

• 标準品質 4.31M/128kbps/MP3
• HQ(高品質) 10.7M/320kpbs/MP3
• SQ(超品質) 28.9M/SQ/FLAC
• SQ(超品質) 28.2M/SQ/APE 【綠鑽專享】

下面我一個個解釋一下這幾個聽起來高大上的品質都是幹嘛的，什麼來頭

1. WAVE

首先的首先，介紹一下音頻最原始的格式:WAVE,

[百度百科]中的定義是[1]:

WAVE是錄音時用的标準的WINDOWS檔案格式，檔案的擴充名為“WAV”

[wiki百科]中補充[2]:

WAV（Waveform Audio Format），是微軟與IBM公司所開發的一種聲音編碼格式，在Windows平台的應用軟體受到廣泛的支援。[2]由于此音頻格式未經過壓縮，是以在音質方面不會出現失真的情況，但檔案的體積因而在衆多音頻格式中較為大.

接下來的介紹有關于壓縮量的概念,終極參考物都是wave

2. MP3

MP3格式的全稱是[3]:

動态影像專家壓縮标準音頻層面3（Moving Picture Experts Group Audio Layer III）

它是MPEG-1音頻Layer 3部分.

MPEG-1是MPEG組織定制的一個視訊和音頻的有損壓縮标準(也是第一個).這種技術被廣泛用于VCDCD光牒.同時MPEG-1有Layer-1,2,3,4,7,21.那麼這個3就是通常我們所說的MP3.貼一下Layer-1,2,3的屬性[4]:

MPEG-1 audio layer 1
類型：Audio
制定者：MPEG
所需頻寬：384kbps（壓縮4倍）
特性：編碼簡單，用于數字盒式錄音錄音帶，2聲道，VCD中使用的音頻壓縮方案就是MPEG-1層Ⅰ。
優點：壓縮方式相對時域壓縮技術而言要複雜得多，同時編碼效率、聲音品質也大幅提高，編碼延時相應增加。可以達到“完全透明”的聲音品質（EBU音質标準）
缺點：頻寬要求較高
應用領域：voip
版稅方式：Free
備注：MPEG-1聲音壓縮編碼是國際上第一個高保真聲音資料壓縮的國際标準，它分為三個層次：
--層1(Layer 1)：編碼簡單，用于數字盒式錄音錄音帶
--層2(Layer 2)：算法複雜度中等，用于數字音頻廣播(DAB)和VCD等
--層3(Layer 3)：編碼複雜，用于網際網路上的高品質聲音的傳輸，如MP3音樂壓縮10倍
           

MUSICAM(MPEG-1 audio layer 2,即MP2)
類型：Audio
制定者：MPEG
所需頻寬：256～192kbps（壓縮6～8倍）
特性：算法複雜度中等，用于數字音頻廣播(DAB)和VCD等，2聲道，而MUSICAM由于其适當的複雜程度和優秀的聲音品質，在數字演播室、DAB、DVB等數位元組目的制作、交換、存儲、傳送中得到廣泛應用。
優點：壓縮方式相對時域壓縮技術而言要複雜得多，同時編碼效率、聲音品質也大幅提高，編碼延時相應增加。可以達到“完全透明”的聲音品質（EBU音質标準）
缺點：
應用領域：voip
版稅方式：Free
備注：同MPEG-1 audio layer 1
           

MP3(MPEG-1 audio layer 3)
類型：Audio
制定者：MPEG
所需頻寬：128～112kbps（壓縮10～12倍）
特性：編碼複雜，用于網際網路上的高品質聲音的傳輸，如MP3音樂壓縮10倍，2聲道。MP3是在綜合MUSICAM和ASPEC的優點的基礎上提出的混合壓縮技術，在當時的技術條件下，MP3的複雜度顯得相對較高，編碼不利于實時，但由于MP3在低碼率條件下高水準的聲音品質，使得它成為軟解壓及網絡廣播的寵兒。
優點：壓縮比高，适合用于網際網路上的傳播
缺點：MP3在128KBitrate及以下時，會出現明顯的高頻丢失
應用領域：voip
版稅方式：Free
備注：同MPEG-1 audio layer 1
           

QQ音樂中的标準和高品MP3壓縮程度不一樣,但都出自MP3的壓縮技術.由上述引用所說"MP3在低碼率條件下高水準的聲音品質",現已廣泛成為最受歡迎的音頻格式.高品的音樂效果對于普通聽者來說已經足夠.由于現在移動網絡聽音樂方式的流行,如手機線上聽音樂,若不刻意追求品質,标準版的壓縮音頻因為壓縮率大占用空間小,會在一定程度上保證線上聽歌的流暢性.

3. FLAC與APE[5]

• APE和FLAC是在中國最流行的兩種無損壓縮格式,音頻以FLAC和APE方式編碼壓縮後不會丢失任何資訊,将檔案還原為wav檔案後,與壓縮前的wav檔案内容相同.這裡将兩種無損壓縮編碼放在一起說,并進行一下對比.

APE即Monkey's Audio，是一種常見的無損音頻壓縮編碼格式，擴充名為.ape。與有損音頻壓縮（如MP3、Ogg Vorbis或者AAC等）不同的是，Monkey's Audio壓縮時不會丢失資料。一個壓縮為Monkey's Audio的音頻檔案聽起來與原檔案完全一樣。Monkey's Audio檔案的播放清單使用.apl（也支援cue）。同時它提供的開源開發包使得播放器開發者們可以較容易的讓播放器産品支援APE格式。在現有不少無損壓縮方案中，APE是一種有着優勢并不突出的壓縮比以及較慢的解碼速度。由于推出時間較FLAC早，APE格式占據了大多數PC-HIFI友的心，在國内很快流行，應用非常廣泛，成為了國内許多無損音樂愛好者的首選格式。

FLAC是Free Lossless Audio Codec的簡稱，是一種非常成熟的無損壓縮格式，名氣不在APE之下。該格式的源碼完全開放，而且支援所有的作業系統平台。它的編碼算法相當成熟，已經通過了嚴格的測試，當FLAC檔案受損時依然能正常播放。另外，該格式是最先得到廣泛硬體支援的無損格式。

FLAC前面已經說明，無損壓縮是在保證不損失源檔案所有碼率的前提下，将音頻檔案壓縮的更小，也就是說這兩種音頻格式都能保證源檔案碼率的無損。但兩種壓縮格式畢竟為兩種壓縮算法，下面比較一下這兩種壓縮格式的特點：

一、壓縮比決定無損壓縮檔案所占存儲空間

所有的無損壓縮編碼的壓縮比都較為相近，但在這些無損壓縮編碼之中，APE具有較好的壓縮率，FLAC的壓縮率略有不如。以一首49784KB的“5 Star Grave In Bed With The Dead.wav”為例，轉換為flac後大小為37006KB，轉換為ape後大小為36460KB，兩者的壓縮率分别為74.33%和73.24%。大多數情況下，一個WAV音頻檔案經壓縮後得到的APE檔案，一般會比壓縮為FLAC檔案稍微小一些。由于不同的WAV檔案資訊量不同，以上資料僅供參考。（注：flac.exe為1.3.0版，MAC.exe為4.11版）

二、編碼速度考驗使用者的耐心，速度快者優

FLAC的壓縮和解碼速度均顯著優于APE，APE隻有在FAST的編碼強度下，速度才能和FLAC一拼。但相應的，APE的壓縮率一直高于FLAC，APE的FAST壓縮下得到的檔案體積已經可以和FLAC最高壓縮比的檔案體積媲美（經測試，一首49784KB的“5 Star Grave In Bed With The Dead.wav”檔案，經FAST壓縮後得的APE檔案和最高壓縮比Level 8下得到的FLAC檔案大小分别為36854KB、36960KB）。也就是說，如果以速度為基準比較的話，在相同壓縮速度的設定下，兩者的壓縮比差不多。

三、平台的支援決定普及度

FLAC相比APE的解碼複雜程度要較低（解碼運算量小、隻需要整數運算），解碼速度快，對計算硬體要求很低，在很普通的硬體上就可以輕松實作實時解碼播放。FLAC是目前唯一獲得廣泛硬體支援的無損壓縮編碼，在消費領域，已經有很多移動多媒體播放器、汽車、家用音響裝置支援FLAC格式了。

APE格式，目前官方隻提供Windows支援。雖然也有提供GNU/Linux和Macintosh平台的官方支援的讨論，但是沒有結果。目前隻有一位名為SuperMMX的開發者于2003年7月釋出了一個非官方移植版本。它包括了供XMMS與Beep Media Player回放Monkey's Audio使用的插件。該移植本來隻支援GNU/Linux，但從3.99 update 4 build 4版本開始支援Mac OS X和基于PowerPC、SPARC平台的GNU/Linux。但是這個非官方移植計劃沒有得到官方的承認，受制于官方發行許可證的限制，其未來并不明朗。不過據稱Monkey's Audio的Win32庫可以借助Wine在GNU/Linux平台運作。硬體支援方面，由于采用了浮點運算，編碼解碼速度慢，對硬體的要求較高，硬體支援度不如FLAC。

四、兩者的開源特性

APE屬于個人作品，未來不排除出現版權問題；技術水準和支援方面遜色于國際通用标準格式的FLAC。

FLAC是一個開放源代碼并且完全免費的無損音頻編碼壓縮格式，是國際通用标準，這種與CD品質相同的音樂格式在音質上一樣是無可挑剔的，以FLAC方式壓縮不會丢失PCM音頻的任何資訊。而且你永遠不必擔心惹上版權官司。受益于此，目前有很多音頻處理軟體預設都可以輸入、輸出FLAC格式檔案，這給音頻的後期處理帶來了友善。

兩者的開源或部分開源，對音頻軟硬體的設計們提供了很大的便利，目前不但幾乎所有主流播放軟體都支援二者，硬體方面也有很多點傳播放器支援了FLAC和APE。隻不過因為APE解碼的運算量太大的問題，導緻并不是每一個APE檔案都可以被硬體播放器流暢播放，也更耗電。

五、容錯能力

APE檔案的容錯性差，隻要在傳輸過程中出現一點差錯，就會讓整首APE音樂廢棄。而FLAC檔案因為每幀資料之間無關聯。是以當FLAC檔案在傳播過程中受損，導緻某幀資料損壞缺失的話，隻會損失該幀的音頻資訊，不會影響到前後的資料。這是FLAC的優勢，但也是以FLAC的壓縮率略低。

總結：

無論FLAC還是APE，因為所占空間都比有損音樂大很多，是以都不是主流的音頻格式，是以我們在網絡上很難擷取到FLAC和APE格式的音樂資源。但通過上面的對比，相信很多使用者對FLAC和APE的認識更深了一些，單從技術角度講，FLAC要比APE更有優勢，因為FLAC完全開源，許多點傳播放器可以自由地将FLAC解碼功能内建在自己的解碼器中。同時，FLAC有廣泛的硬體平台的支援，幾乎所有采用便攜式設計的高端解碼晶片都能夠支援FLAC格式的音樂，FLAC第三個優勢在于：優秀的編碼使得硬體在解碼時隻需采用簡單的整數運算即可，這将大大降低所占用的硬體資源，解碼速度極快，這也是硬體播放器對FLAC支援更好的原因。

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[1] wave 百度百科

[2] wav 維基百科

[2] mp3 百度百科

[4] 音頻編解碼标準

[5] FLAC與APE 百度百科