PCM音频采样数据处理

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, char *output_l_url, char *output_r_url){
    FILE *fp=fopen(url,"rb+");
    FILE *fp1=fopen(output_l_url,"wb+");
    FILE *fp2=fopen(output_r_url,"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;
}

外部调用这个函数，即可将44.1kHz的16Bit的双通道立体声的pcm，分割为两个44.1kHz的16Bit的单通道pcm

- (void)viewDidLoad {
    [super viewDidLoad];
    
    NSString *fileName = [[NSBundle mainBundle] pathForResource:@"44.1k_s16le" ofType:@"pcm"];
    NSString *output_l_pcm_filePath = [self getOutputLeftPcmFilePath];
    NSString *output_r_pcm_filePath = [self getOutputRightPcmFilePath];
    
    const char *filePath = [fileName cStringUsingEncoding:NSUTF8StringEncoding];
    const char *outputLeftFilePath = [output_l_pcm_filePath cStringUsingEncoding:NSUTF8StringEncoding];
    const char *outputRigthFilePath = [output_r_pcm_filePath cStringUsingEncoding:NSUTF8StringEncoding];
    
    int ret =  simplest_pcm16le_split(filePath, outputLeftFilePath, outputRigthFilePath);
}

- (NSString *)getOutputLeftPcmFilePath {
    NSString *filePath = [[NSBundle mainBundle] pathForResource:@"output_l" ofType:@"pcm"];
    if (!filePath) {
        NSString *resourcePath = [[NSBundle mainBundle] resourcePath];
        NSString *fileName = @"output_l.pcm";
        filePath = [NSString stringWithFormat:@"%@/%@", resourcePath, fileName];
    }
    
    BOOL fileExist =  [[NSFileManager defaultManager] fileExistsAtPath:filePath];
    
    if (!fileExist) {
        [[NSFileManager defaultManager] createFileAtPath:filePath contents:nil attributes:nil];
        
    }
    return filePath;
}

- (NSString *)getOutputRightPcmFilePath {
    NSString *filePath = [[NSBundle mainBundle] pathForResource:@"output_r" ofType:@"pcm"];
    if (!filePath) {
        NSString *resourcePath = [[NSBundle mainBundle] resourcePath];
        NSString *fileName = @"output_r.pcm";
        filePath = [NSString stringWithFormat:@"%@/%@", resourcePath, fileName];
    }
    
    BOOL fileExist =  [[NSFileManager defaultManager] fileExistsAtPath:filePath];
    
    if (!fileExist) {
        BOOL ret =  [[NSFileManager defaultManager] createFileAtPath:filePath contents:nil attributes:nil];
        NSLog(@"ret: %d", ret);
    }
    return filePath;
}

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。
output_r.pcm：右声道数据。

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。

下图为输入的双声道PCM数据的波形图和分割后的左声道，右声道图。

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。但是这里我用的是Audacity软件，已经归一化了

image.png

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, char *output_halfleft){
    FILE *fp=fopen(url,"rb+");
    FILE *fp1=fopen(output_halfleft,"wb+");
 
    int cnt=0;
 
    unsigned char *sample=(unsigned char *)malloc(4); // unsigned char 一个字节 0～255
 
    while(!feof(fp)){
        short *samplenum=NULL; // short 在32,64位都为2个字节
        fread(sample,1,4,fp);// 读取4个字节
 
        samplenum=(short *)sample;
        *samplenum=*samplenum/2; // 前两个字节降低一半
        //L
        fwrite(sample,1,2,fp1);// 写2个字节（16Bit）
        //R
        fwrite(sample+2,1,2,fp1);// 写2个字节（16Bit）
 
        cnt++;
    }
    printf("Sample Cnt:%d\n",cnt);
 
    free(sample);
    fclose(fp);
    fclose(fp1);
    return 0;
}

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。

外部调用函数

- (void)halvePcmLeft {
    NSString *fileName = [[NSBundle mainBundle] pathForResource:@"44.1k_s16le" ofType:@"pcm"];
    NSString *halveLeftPcm = [[NSBundle mainBundle] pathForResource:@"output_halve_l" ofType:@"pcm"];
    if (!halveLeftPcm) {
        NSString *resourcePath = [[NSBundle mainBundle] resourcePath];
        NSString *fileName = @"output_halve_l.pcm";
        halveLeftPcm = [NSString stringWithFormat:@"%@/%@", resourcePath, fileName];
    }
    
    BOOL fileExist =  [[NSFileManager defaultManager] fileExistsAtPath:halveLeftPcm];
    
    if (!fileExist) {
        BOOL ret =  [[NSFileManager defaultManager] createFileAtPath:halveLeftPcm contents:nil attributes:nil];
       
    }
    
    const char *filePath = [fileName cStringUsingEncoding:NSUTF8StringEncoding];
    const char *outputLeftFilePath = [halveLeftPcm cStringUsingEncoding:NSUTF8StringEncoding];
    NSLog(@"ret: %@", halveLeftPcm);
    int ret =  simplest_pcm16le_halfvolumeleft(filePath, outputLeftFilePath);
}

效果如下图，可以看到左声道的波形图变小了一半

image.png

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, char *output_doublespeed) {
    FILE *fp=fopen(url,"rb+");
    FILE *fp1=fopen(output_doublespeed,"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。

- (void)doubleSpeedPcm {
    NSString *fileName = [[NSBundle mainBundle] pathForResource:@"44.1k_s16le" ofType:@"pcm"];
    NSString *halveLeftPcm = [[NSBundle mainBundle] pathForResource:@"output_doublespeed" ofType:@"pcm"];
    if (!halveLeftPcm) {
        NSString *resourcePath = [[NSBundle mainBundle] resourcePath];
        NSString *fileName = @"output_doublespeed.pcm";
        halveLeftPcm = [NSString stringWithFormat:@"%@/%@", resourcePath, fileName];
    }
    
    BOOL fileExist =  [[NSFileManager defaultManager] fileExistsAtPath:halveLeftPcm];
    
    if (!fileExist) {
        BOOL ret =  [[NSFileManager defaultManager] createFileAtPath:halveLeftPcm contents:nil attributes:nil];
    }
    const char *filePath = [fileName cStringUsingEncoding:NSUTF8StringEncoding];
    const char *outputLeftFilePath = [halveLeftPcm cStringUsingEncoding:NSUTF8StringEncoding];
    NSLog(@"ret: %@", halveLeftPcm);
    int ret =  simplest_pcm16le_doublespeed(filePath, outputLeftFilePath);
}

效果如图，可以看到音频时间变短一半

image.png

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, char *output_8bit){
    FILE *fp=fopen(url,"rb+");
    FILE *fp1=fopen(output_8bit,"wb+");
 
    int cnt=0;
 
    unsigned char *sample=(unsigned char *)malloc(4);// 4个字节 范围
 
    while(!feof(fp)){
 
        short *samplenum16=NULL;// 2个字节
        char samplenum8=0;// 1个字节，-128～128
        unsigned char samplenum8_u=0; // 1个字节，0～255
        fread(sample,1,4,fp);// 读取4个字节
        //(-32768-32767)
        samplenum16=(short *)sample; // 拿到sample前2个字节，2个字节的范围为(-32768-32767)
        samplenum8=(*samplenum16)>>8;// 右移8位，即除以256， 范围为-128～127
        //(0-255)
        samplenum8_u=samplenum8+128;// 范围为0～255
        //L
        fwrite(&samplenum8_u,1,1,fp1);
 
        samplenum16=(short *)(sample+2);//拿到sample后2个字节
        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。

- (void)scaleTo8bitPcm {
    NSString *fileName = [[NSBundle mainBundle] pathForResource:@"44.1k_s16le" ofType:@"pcm"];
    NSString *halveLeftPcm = [[NSBundle mainBundle] pathForResource:@"output_8bit" ofType:@"pcm"];
    if (!halveLeftPcm) {
        NSString *resourcePath = [[NSBundle mainBundle] resourcePath];
        NSString *fileName = @"output_8bit.pcm";
        halveLeftPcm = [NSString stringWithFormat:@"%@/%@", resourcePath, fileName];
    }
    
    BOOL fileExist =  [[NSFileManager defaultManager] fileExistsAtPath:halveLeftPcm];
    
    if (!fileExist) {
        BOOL ret =  [[NSFileManager defaultManager] createFileAtPath:halveLeftPcm contents:nil attributes:nil];
    }
    const char *filePath = [fileName cStringUsingEncoding:NSUTF8StringEncoding];
    const char *outputLeftFilePath = [halveLeftPcm cStringUsingEncoding:NSUTF8StringEncoding];
    NSLog(@"ret: %@", halveLeftPcm);
    int ret =  simplest_pcm16le_to_pcm8(filePath, outputLeftFilePath);
}

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。
上面输出的8bit的PCM双声道音频采样数据的波形图。
下面是为输入的16bit的PCM双声道音频采样数据的波形图。

但因为都是归一化，所以看不出图中纵坐标的取值范围变为0至255。如果仔细聆听声音的话，会发现8bit PCM的音质明显不如16 bit PCM的音质

image.png

参考

视音频数据处理入门：PCM音频采样数据处理
https://blog.csdn.net/leixiaohua1020/article/details/50534316

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PCM音频采样数据处理

1.分离PCM16LE双声道音频采样数据的左声道和右声道

2.将PCM16LE双声道音频采样数据中左声道的音量降一半

3.将PCM16LE双声道音频采样数据的声音速度提高一倍

4.将PCM16LE双声道音频采样数据转换为PCM8音频采样数据

参考

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