第一章 音视频基础概念

目录

• 序言
• 声音的物理性质
• 数字音频
• 音频编码
• 图像的物理现象
• 图像的数值表示
• 视频的编码方式

一 序言

音视频技术是为了记录，存储和回放声学现象才发明的。
当人类有了记录以及存储声音的能力后，就迎来了模拟信号到数字信号的转换。

二 声音的物理性质

2.1 声音是波

声音是由物体振动而产生的。

声音是一种压力波，当演奏乐器、 拍打一扇门或者敲击桌面时，它们的振动都会引起空气有节奏的振动， 使周围的空气产生疏密变化，形成疏密相间的纵波(可以理解为石头落入水中激起的波纹)，由此就产生了声波，这种现象会一直延续到振动 消失为止。

2.2 声波的三要素

声波的三要素是频率、振幅和波形

• 频率代表音阶的高低
• 振幅代表响度
• 波形代表音色

分贝常用于描述响度的大小
波 的形状决定了其所代表声音的音色

2.3 声音的传播介质

声音的传播介质 很广，它可以通过空气、液体和固体进行传播;而且介质不同，传播的 速度也不同。

声音在真空中是无法传播的。

2.4 共鸣

声音的传播过程也是一种能量的传播过程。

三 数字音频

本节将分3个概念对数字音频进行讲解， 分别是采样、量化和编码。

3.1 采样

所谓采样就是在时间轴上对信号进行数字化。根据奈奎斯特定理(也称为采样定 理)，按比声音最高频率高2倍以上的频率对声音进行采样(也称为AD 转换)

对于高质量的音频信号，其频率范围(人耳 能够听到的频率范围)是20Hz~20kHz，所以采样频率一般为 44.1kHz。

44.1kHz就是代表1秒会采样44100次。

3.2 量化

具体的每个采样又该如何表示呢?

这就涉及将要讲解的第二个概念:量化，量化是指在幅度轴上对信号进行数字化。

3.3 编码

既然每一个量化都是一个采样，那么这么多的采样该如何进行存储 呢?

这就涉及将要讲解的第三个概念:编码。所谓编码，就是按照一定的格式记录采样和量化后的数字数据，比如顺序存储或压缩存储等。

这里面涉及了很多种格式，通常所说的音频的裸数据格式就是脉冲 编码调制(Pulse Code Modulation，PCM)数据。

描述一段PCM数据一 般需要以下几个概念:量化格式(sampleFormat)、采样率 (sampleRate)、声道数(channel)。

以CD的音质为例:
1.量化格式(有的地方描述为位深度)为16比特(2字节)
2.采样率为44100
3.声道数为 2

这些信息就描述了CD的音质。而对于声音格式，还有一个概念用来描述它的大小，称为数据比特率，即1秒时间内的比特数目，它用于衡 量音频数据单位时间内的容量大小。而对于CD音质的数据，比特率为 多少呢?计算如下

44100 * 16 * 2 = 1378.125kbps

分贝是用来表示声音强度的单位。所谓分贝是指两个相同的 物理量(例如，A1和A0)之比取以10为底的对数并乘以10(或20)， 即:

N = 10 * lg(A1 / A0)

四 音频编码

压缩算法包括有损压缩和无损压缩。

根据不同的应用场景(包括存储设备、传输网络环境、播放设备 等)，可以选用不同的压缩编码算法，如PCM、WAV、AAC、MP3、 Ogg等。

压缩编码的原理实际上是压缩掉冗余信号，冗余信号是指不能被人 耳感知到的信号，包含人耳听觉范围之外的音频信号以及被掩蔽掉的音 频信号等。

下面介绍几种常用的压缩编码格式。

WAV编码

WAV编码的一种实现(有多种实现方 式，但是都不会进行压缩操作)就是在PCM数据格式的前面加上44字节，分别用来描述PCM的采样率、声道数、数据格式等信息。

• 特点：音质非常好，大量软件都支持。
• 适用场合：多媒体开发的中间文件、保存音乐和音效素材。

MP3编码

MP3具有不错的压缩比，使用LAME编码(MP3编码格式的一种实 现)的中高码率的MP3文件，听感上非常接近源WAV文件。

• 特点 音质在128Kbit/s以上表现还不错，压缩比比较高，大量软件和硬件都支持，兼容性好。
• 适用场合 高比特率下对兼容性有要求的音乐欣赏。

AAC编码

AAC是新一代的音频有损压缩技术，它通过一些附加的编码技术 (比如PS、SBR等)，衍生出了LC-AAC、HE-AAC、HE-AAC v2三种 主要的编码格式。

• 特点 在小于128Kbit/s的码率下表现优异，并且多用于视频中的音 频编码。
• 适用场合 128Kbit/s以下的音频编码，多用于视频中音频轨的编码。

Ogg编码

Ogg是一种非常有潜力的编码，在各种码率下都有比较优秀的表现，尤其是在中低码率场景下。

• 特点 可以用比MP3更小的码率实现比MP3更好的音质，高中低码 率下均有良好的表现，兼容性不够好，流媒体特性不支持。
• 适用场合 语音聊天的音频消息场景。

五 图像的物理现象

红绿蓝三种色光无法被 分解，故称为三原色光。

六 图像的数值表示

6.1 RGB表示方式

那么像素里面的子像素又该如何表 示呢?常用的表示方式有以下几种。

整数表示：取值范围为0_255或者00FF，8个比特表示一个子像素，32个比特表示一个像素，这就是类似于某些平台上表示图像格式的 RGBA_8888数据格式。

对于一幅图像，一般使用整数表示方法来进行描述，比如计算一张 1280×720的RGBA_8888图像的大小，可采用如下方式:

1280 * 720 * 4 = 3.516MB

比如JPEG压缩:JPEG是 静态图像压缩标准，由ISO制定。

6.2 YUV表示方式

对于视频帧的裸数据表示，其实更多的是YUV数据格式的表示， YUV主要应用于优化彩色视频信号的传输，使其向后兼容老式黑白电 视。

与RGB视频信号传输相比，它最大的优点在于只需要占用极少的频 宽(RGB要求三个独立的视频信号同时传输)。

Y 表示明亮度 (Luminance或Luma)，也称灰阶值。
U和V 表示的则是色度 (Chrominance或Chroma)，它们的作用是描述影像的色彩及饱和度， 用于指定像素的颜色。

之所以采用YUV色彩空间，是因为它的亮度信号Y和色度信号U、 V是分离的。

YUV最常用的采样格式是4:2:0，4:2:0并不意味着只有Y、Cb 而没有Cr分量。它指的是对每行扫描线来说，只有一种色度分量是以 2:1的抽样率来存储的。

相较于RGB，我们可以计算一帧为1280×720的视频帧，用YUV420P的格式来表示，其数据量的大小如下:

1280 * 720 * 1 + 1280 * 720 * 0.5 = 1.318MB

6.3 YUV和RGB的转化

凡是渲染到屏幕上的东西(文字、图片或者其 他)，都要转换为RGB的表示形式。

七 视频的编码方式

7.1 视频编码

视频压缩也是通过去除冗余信息来进行压缩的。相较于音频数据，视频数据有极强的相关性，也就是说有大量的冗余信息，包括空间上的冗余信息和时间上的冗余信息。

使用帧间编码技术可以去除时间上的冗余信息，具体包括以下几个 部分。

• 运动补偿 运动补偿是通过先前的局部图像来预测、补偿当前的局部图像，它是减少帧序列冗余信息的有效方法。
• 运动表示 不同区域的图像需要使用不同的运动矢量来描述运动信息。
• 运动估计 运动估计是从视频序列中抽取运动信息的一整套技术。

使用帧内编码技术可以去除空间上的冗余信息。

对于视频，ISO同样也制定了标准:Motion JPEG即MPEG，MPEG算法是适用于动态视频的压缩算法。主要包括这样几个版本:Mpeg1(用于VCD)、 Mpeg2(用于DVD)、Mpeg4 AVC(现在流媒体使用最多的就是它 了)。

相比较于ISO制定的MPEG的视频压缩标准，ITU-T制定的H.261、 H.262、H.263、H.264一系列视频编码标准是一套单独的体系。

现在使用最多的就是 H.264标准，H.264创造了多参考帧、多块类型、整数变换、帧内预测等新的压缩技术。

7.2 编码概念

IPB帧

• I帧 帧内编码帧(intra picture)，I帧通常是每个GOP(MPEG所 使用的一种视频压缩技术)的第一个帧，经过适度地压缩，作为随机访问的参考点，可以当成静态图像。

I帧可以看作一个图像经过压缩后的产物，I帧压缩可以得到6:1的压缩比而不会产生任何可觉察的模糊现 象。

I帧压缩可去掉视频的空间冗余信息，属于帧内编码技术。

• P帧 前向预测编码帧(predictive-frame)，通过将图像序列中前 面已编码帧的时间冗余信息充分去除来压缩传输数据量的编码图像，也称为预测帧。

• B帧 双向预测内插编码帧(bi-directional interpolated prediction frame)，既考虑源图像序列前面的已编码帧，又顾及源图像序列后面 的已编码帧之间的时间冗余信息，来压缩传输数据量的编码图像，也称为双向预测帧。

基于上面的定义，我们可以从解码的角度来理解IPB帧。

• I帧自身可以通过视频解压算法解压成一张单独的完整视频画面，
  所以I帧去掉的是视频帧在空间维度上的冗余信息。
• P帧需要参考其前面的一个I帧或者P帧来解码成一张完整的视频画
  面。
• B帧则需要参考其前一个I帧或者P帧及其后面的一个P帧来生成一 张完整的视频画面，所以P帧与B帧去掉的是视频帧在时间维度上的冗 余信息。

IDR帧与I帧的理解

• IDR帧 就是一种特殊的I帧。
• 在解码器中，一旦收到一个IDR帧，就会立即清理参考帧缓冲区，并将IDR帧作为被参考的帧。

PTS与DTS

DTS主要用于视频的解码，英文全称是Decoding Time Stamp，
PTS主要用于在解码阶段进行视频的同步和输出，全称Presentation Time Stamp。

在没有B帧的情况下，DTS和PTS的输出顺序是一样的。

FFmpeg中使用AVPacket结构体来描述解码前或编码后的压缩数据，用AVFrame结构体来描述解码后或编码前的原始数据。

对于视频来说，AVFrame就是视频 的一帧图像，这帧图像什么时候显示给用户，取决于它的PTS。DTS是AVPacket里的一个成员，表示该压缩包应该在什么时候被解码。

GOP的概念

两个I帧之间形成的一组图片，就是GOP(Group Of Picture)的概 念。通常在为编码器设置参数的时候，必须要设置gop_size的值，其代 表的是两个I帧之间的帧数目。

在提高视频质量的技巧中，还有个技巧是多使用B帧。

一般来说，I的压缩率是7(与JPG差不多)，P是20，B可以达到50，可见使用B帧能节省大量空间。

结合IPB帧和图1-11，相信大家能够更好地理解PTS与DTS的概念。

本文是对音视频开发进阶指南书籍的总结。