数据存储之存储音频

今天一边听歌一边在看计算机科学导论(第二版)，看到第三章《数据存储》时，【存储音频】的部分引起了我对音频格式的兴趣，顺手查了一查音频格式的相关内容，就此总结记录下来。

QQ音乐上的音频格式

点击下载一首歌曲，会弹出下载页面,并且让用户选择下载哪种品质的音乐.如果一首歌的歌源比较广,它最多会有四种品质,以<孙燕姿-渴>来为例:(这首歌我觉得是stefanie新专辑Kepler最好听的一首...)

• 标准品质 4.31M/128kbps/MP3
• HQ(高品质) 10.7M/320kpbs/MP3
• SQ(超品质) 28.9M/SQ/FLAC
• SQ(超品质) 28.2M/SQ/APE 【绿钻专享】

下面我一个个解释一下这几个听起来高大上的品质都是干嘛的，什么来头

1. WAVE

首先的首先，介绍一下音频最原始的格式:WAVE,

[百度百科]中的定义是[1]:

WAVE是录音时用的标准的WINDOWS文件格式，文件的扩展名为“WAV”

[wiki百科]中补充[2]:

WAV（Waveform Audio Format），是微软与IBM公司所开发的一种声音编码格式，在Windows平台的应用软件受到广泛的支援。[2]由于此音频格式未经过压缩，所以在音质方面不会出现失真的情况，但文件的体积因而在众多音频格式中较为大.

接下来的介绍有关于压缩量的概念,终极参考物都是wave

2. MP3

MP3格式的全称是[3]:

动态影像专家压缩标准音频层面3（Moving Picture Experts Group Audio Layer III）

它是MPEG-1音频Layer 3部分.

MPEG-1是MPEG组织定制的一个视频和音频的有损压缩标准(也是第一个).这种技术被广泛用于VCD光盘.同时MPEG-1有Layer-1,2,3,4,7,21.那么这个3就是通常我们所说的MP3.贴一下Layer-1,2,3的属性[4]:

MPEG-1 audio layer 1
类型：Audio
制定者：MPEG
所需频宽：384kbps（压缩4倍）
特性：编码简单，用于数字盒式录音磁带，2声道，VCD中使用的音频压缩方案就是MPEG-1层Ⅰ。
优点：压缩方式相对时域压缩技术而言要复杂得多，同时编码效率、声音质量也大幅提高，编码延时相应增加。可以达到“完全透明”的声音质量（EBU音质标准）
缺点：频宽要求较高
应用领域：voip
版税方式：Free
备注：MPEG-1声音压缩编码是国际上第一个高保真声音数据压缩的国际标准，它分为三个层次：
--层1(Layer 1)：编码简单，用于数字盒式录音磁带
--层2(Layer 2)：算法复杂度中等，用于数字音频广播(DAB)和VCD等
--层3(Layer 3)：编码复杂，用于互联网上的高质量声音的传输，如MP3音乐压缩10倍
           

MUSICAM(MPEG-1 audio layer 2,即MP2)
类型：Audio
制定者：MPEG
所需频宽：256～192kbps（压缩6～8倍）
特性：算法复杂度中等，用于数字音频广播(DAB)和VCD等，2声道，而MUSICAM由于其适当的复杂程度和优秀的声音质量，在数字演播室、DAB、DVB等数字节目的制作、交换、存储、传送中得到广泛应用。
优点：压缩方式相对时域压缩技术而言要复杂得多，同时编码效率、声音质量也大幅提高，编码延时相应增加。可以达到“完全透明”的声音质量（EBU音质标准）
缺点：
应用领域：voip
版税方式：Free
备注：同MPEG-1 audio layer 1
           

MP3(MPEG-1 audio layer 3)
类型：Audio
制定者：MPEG
所需频宽：128～112kbps（压缩10～12倍）
特性：编码复杂，用于互联网上的高质量声音的传输，如MP3音乐压缩10倍，2声道。MP3是在综合MUSICAM和ASPEC的优点的基础上提出的混合压缩技术，在当时的技术条件下，MP3的复杂度显得相对较高，编码不利于实时，但由于MP3在低码率条件下高水准的声音质量，使得它成为软解压及网络广播的宠儿。
优点：压缩比高，适合用于互联网上的传播
缺点：MP3在128KBitrate及以下时，会出现明显的高频丢失
应用领域：voip
版税方式：Free
备注：同MPEG-1 audio layer 1
           

QQ音乐中的标准和高品MP3压缩程度不一样,但都出自MP3的压缩技术.由上述引用所说"MP3在低码率条件下高水准的声音质量",现已广泛成为最受欢迎的音频格式.高品的音乐效果对于普通听者来说已经足够.由于现在移动网络听音乐方式的流行,如手机在线听音乐,若不刻意追求品质,标准版的压缩音频因为压缩率大占用空间小,会在一定程度上保证在线听歌的流畅性.

3. FLAC与APE[5]

• APE和FLAC是在中国最流行的两种无损压缩格式,音频以FLAC和APE方式编码压缩后不会丢失任何信息,将文件还原为wav文件后,与压缩前的wav文件内容相同.这里将两种无损压缩编码放在一起说,并进行一下对比.

APE即Monkey's Audio，是一种常见的无损音频压缩编码格式，扩展名为.ape。与有损音频压缩（如MP3、Ogg Vorbis或者AAC等）不同的是，Monkey's Audio压缩时不会丢失数据。一个压缩为Monkey's Audio的音频文件听起来与原文件完全一样。Monkey's Audio文件的播放列表使用.apl（也支持cue）。同时它提供的开源开发包使得播放器开发者们可以较容易的让播放器产品支持APE格式。在现有不少无损压缩方案中，APE是一种有着优势并不突出的压缩比以及较慢的解码速度。由于推出时间较FLAC早，APE格式占据了大多数PC-HIFI友的心，在国内很快流行，应用非常广泛，成为了国内许多无损音乐爱好者的首选格式。

FLAC是Free Lossless Audio Codec的简称，是一种非常成熟的无损压缩格式，名气不在APE之下。该格式的源码完全开放，而且支持所有的操作系统平台。它的编码算法相当成熟，已经通过了严格的测试，当FLAC文件受损时依然能正常播放。另外，该格式是最先得到广泛硬件支持的无损格式。

FLAC前面已经说明，无损压缩是在保证不损失源文件所有码率的前提下，将音频文件压缩的更小，也就是说这两种音频格式都能保证源文件码率的无损。但两种压缩格式毕竟为两种压缩算法，下面比较一下这两种压缩格式的特点：

一、压缩比决定无损压缩文件所占存储空间

所有的无损压缩编码的压缩比都较为相近，但在这些无损压缩编码之中，APE具有较好的压缩率，FLAC的压缩率略有不如。以一首49784KB的“5 Star Grave In Bed With The Dead.wav”为例，转换为flac后大小为37006KB，转换为ape后大小为36460KB，两者的压缩率分别为74.33%和73.24%。大多数情况下，一个WAV音频文件经压缩后得到的APE文件，一般会比压缩为FLAC文件稍微小一些。由于不同的WAV文件信息量不同，以上数据仅供参考。（注：flac.exe为1.3.0版，MAC.exe为4.11版）

二、编码速度考验用户的耐心，速度快者优

FLAC的压缩和解码速度均显著优于APE，APE只有在FAST的编码强度下，速度才能和FLAC一拼。但相应的，APE的压缩率一直高于FLAC，APE的FAST压缩下得到的文件体积已经可以和FLAC最高压缩比的文件体积媲美（经测试，一首49784KB的“5 Star Grave In Bed With The Dead.wav”文件，经FAST压缩后得的APE文件和最高压缩比Level 8下得到的FLAC文件大小分别为36854KB、36960KB）。也就是说，如果以速度为基准比较的话，在相同压缩速度的设定下，两者的压缩比差不多。

三、平台的支持决定普及度

FLAC相比APE的解码复杂程度要较低（解码运算量小、只需要整数运算），解码速度快，对计算硬件要求很低，在很普通的硬件上就可以轻松实现实时解码播放。FLAC是目前唯一获得广泛硬件支持的无损压缩编码，在消费领域，已经有很多移动多媒体播放器、汽车、家用音响设备支持FLAC格式了。

APE格式，目前官方只提供Windows支持。虽然也有提供GNU/Linux和Macintosh平台的官方支持的讨论，但是没有结果。目前只有一位名为SuperMMX的开发者于2003年7月释出了一个非官方移植版本。它包括了供XMMS与Beep Media Player回放Monkey's Audio使用的插件。该移植本来只支持GNU/Linux，但从3.99 update 4 build 4版本开始支持Mac OS X和基于PowerPC、SPARC平台的GNU/Linux。但是这个非官方移植计划没有得到官方的承认，受制于官方发行许可证的限制，其未来并不明朗。不过据称Monkey's Audio的Win32库可以借助Wine在GNU/Linux平台运行。硬件支持方面，由于采用了浮点运算，编码解码速度慢，对硬件的要求较高，硬件支持度不如FLAC。

四、两者的开源特性

APE属于个人作品，未来不排除出现版权问题；技术水平和支持方面逊色于国际通用标准格式的FLAC。

FLAC是一个开放源代码并且完全免费的无损音频编码压缩格式，是国际通用标准，这种与CD质量相同的音乐格式在音质上一样是无可挑剔的，以FLAC方式压缩不会丢失PCM音频的任何信息。而且你永远不必担心惹上版权官司。受益于此，目前有很多音频处理软件默认都可以输入、输出FLAC格式文件，这给音频的后期处理带来了方便。

两者的开源或部分开源，对音频软硬件的设计们提供了很大的便利，目前不但几乎所有主流播放软件都支持二者，硬件方面也有很多播放器支持了FLAC和APE。只不过因为APE解码的运算量太大的问题，导致并不是每一个APE文件都可以被硬件播放器流畅播放，也更耗电。

五、容错能力

APE文件的容错性差，只要在传输过程中出现一点差错，就会让整首APE音乐作废。而FLAC文件因为每帧数据之间无关联。因此当FLAC文件在传播过程中受损，导致某帧数据损坏缺失的话，只会损失该帧的音频信息，不会影响到前后的数据。这是FLAC的优势，但也因此FLAC的压缩率略低。

总结：

无论FLAC还是APE，因为所占空间都比有损音乐大很多，所以都不是主流的音频格式，所以我们在网络上很难获取到FLAC和APE格式的音乐资源。但通过上面的对比，相信很多用户对FLAC和APE的认识更深了一些，单从技术角度讲，FLAC要比APE更有优势，因为FLAC完全开源，许多播放器可以自由地将FLAC解码功能内建在自己的解码器中。同时，FLAC有广泛的硬件平台的支持，几乎所有采用便携式设计的高端解码芯片都能够支持FLAC格式的音乐，FLAC第三个优势在于：优秀的编码使得硬件在解码时只需采用简单的整数运算即可，这将大大降低所占用的硬件资源，解码速度极快，这也是硬件播放器对FLAC支持更好的原因。

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[1] wave 百度百科

[2] wav 维基百科

[2] mp3 百度百科

[4] 音频编解码标准

[5] FLAC与APE 百度百科