DAY5.1心理声学模型及音频压缩

fdk-aac编码原理
fdk-aac是一种开源的、高性能的AAC（Advanced Audio Coding）音频编码库。

以下是fdk-aac编码的基本原理：
1.AAC编码概述：AAC是一种先进的音频编码标准，旨在提供更高的音频质量和更低的比特率。

它采用了基于子带的编码技术，通过对音频信号进行频域分析和量化来实现高效的压缩。

2.Psychoacoustic Model（心理声学模型）：AAC编码使用心理声学模型分析音频信号，模拟人耳的感知特性。

这包括对音频信号的掩蔽效应进行建模，以便更有效地分配比特率给对人耳更敏感的信号部分。

3.MDCT（Modulated Discrete Cosine Transform）：AAC使用MDCT作为频域变换技术，将音频信号从时域变换到频域。

这种变换有助于提取信号的频域特征，为后续的量化和编码提供基础。

4.Quantization and Coding（量化和编码）：MDCT输出的频域系数经过量化和编码，以减少数据量。

AAC使用了一系列的编码技术，如Huffman编码和熵编码，来进一步压缩数据。

5.Bit Allocation（比特分配）：根据心理声学模型的分析结果，AAC对每个频带分配适当的比特率，以确保对人耳敏感的频段获得更多的比特，从而提高音质。

6.码率控制：AAC编码器通常具有码率控制功能，以确保生成的编码流满足指定的比特率要求。

这对于网络传输和存储空间的有效利用非常重要。

fdk-aac是一个高度优化的AAC编码库，它在实现这些基本原理的同时，通过一系列的技术手段和算法来提高编码效率和音频质量。

视频压缩编码和⾳频压缩编码的基本原理本⽂介绍⼀下视频压缩编码和⾳频压缩编码的基本原理。

事实上有关视频和⾳频编码的原理的资料很的多。

可是⾃⼰⼀直也没有去归纳和总结⼀下，在这⾥简单总结⼀下，以作备忘。

1.视频编码基本原理（1）视频信号的冗余信息以记录数字视频的YUV分量格式为例，YUV分别代表亮度与两个⾊差信号。

⽐如对于现有的PAL制电视系统。

其亮度信号採样频率为13.5MHz。

⾊度信号的频带通常为亮度信号的⼀半或更少，为6.75MHz或3.375MHz。

以4：2：2的採样频率为例，Y信号採⽤13.5MHz。

⾊度信号U和V採⽤6.75MHz採样，採样信号以8bit量化，则能够计算出数字视频的码率为：13.5*8 + 6.75*8 + 6.75*8= 216Mbit/s如此⼤的数据量假设直接进⾏存储或传输将会遇到⾮常⼤困难，因此必须採⽤压缩技术以降低码率。

数字化后的视频信号能进⾏压缩主要根据两个基本条件：l 数据冗余。

⽐如如空间冗余、时间冗余、结构冗余、信息熵冗余等，即图像的各像素之间存在着⾮常强的相关性。

消除这些冗余并不会导致信息损失，属于⽆损压缩。

l 视觉冗余。

⼈眼的⼀些特性⽐⽅亮度辨别阈值，视觉阈值，对亮度和⾊度的敏感度不同，使得在编码的时候引⼊适量的误差，也不会被察觉出来。

能够利⽤⼈眼的视觉特性。

以⼀定的客观失真换取数据压缩。

这样的压缩属于有损压缩。

数字视频信号的压缩正是基于上述两种条件，使得视频数据量得以极⼤的压缩，有利于传输和存储。

⼀般的数字视频压缩编码⽅法都是混合编码，即将变换编码，运动预计和运动补偿。

以及熵编码三种⽅式相结合来进⾏压缩编码。

通常使⽤变换编码来消去除图像的帧内冗余，⽤运动预计和运动补偿来去除图像的帧间冗余。

⽤熵编码来进⼀步提⾼压缩的效率。

下⽂简介这三种压缩编码⽅法。

（2）压缩编码的⽅法（a）变换编码变换编码的作⽤是将空间域描写叙述的图像信号变换到频率域。

然后对变换后的系数进⾏编码处理。

心理声学原理时间：2016年10月22日星期六来源：百度心理声学模型是对人听感的统计性质的数学表述模型，它解释人各种听感的生理原理。

心理声学模型可以在主观听感劣化不多的条件下，大大降低数字音频信号传输的带宽。

它主要基于人的听觉器官的生理结构和感知模式，通过对数字音频信号的相应处理，去除不可闻的信号成分及引入不可闻的畸变，达到普通熵编码无法达到的压缩比率。

由于人耳听觉系统复杂，人类迄今为止对它的机理和听觉特性的某些问题总是还不能从生理解剖角度完全解释清楚。

所以，对人耳听觉特性的研究仅限于在心理声学和语言声学内进行。

人耳对不同强度和不同频率声音的一定听觉范围称为声域。

在人耳的声域范围内，声音听觉心理的主观感受主要有响度、音高、音色等特征和掩蔽效应、高频定位等特性。

其中响度、音度、音色可以在主观上用来描述具有振幅、频率和相位三个物理是的任何复杂的声音，故又称为声音“三要素”；而对于多种音源场合的人的耳掩蔽效应等特性尤为重要，它是心理声学的基础。

研究声音和它引起的听觉之间关系的一门边缘学科。

它既是声学的一个分支，也是心理物理学的一个分支。

心理声学本可包括言语和音乐这样一些复合声和它们的知觉。

这些可见语言声学、音乐声学等条，本条只限于较基础和简单的心理声学现象，即①刚刚能引起听觉的声音──听阈；②声音的强度、频率、频谱和时长这些参量所决定的声音的主观属性──响度、音调、音色和音长；③某些和复合声音有关的特殊的心理声学效应──余音、掩蔽、非线性、双耳效应。

分类听阈分强度阈和差阈。

声音不够一定强度不能引起听觉。

在多次作用中能有50%的次数引起听觉的最小声压级称为强度阈（也称听阈）。

听阈有个体差异，因而所谓正常听阈只能是一些听力正常的年轻人的听阈的统计平均值。

听阈随频率而变化。

500～4000Hz之间阈值最低，在它们之上和之下的高频声和低频声的阈值都较高，如20Hz纯音的阈值比1000Hz纯音的阈值约高70dB，10000Hz纯音的阈值也比 1000Hz纯音的阈值约高10dB。

心理声学模型在音频质量评估中的应用音频质量评估是指对音频信号的感知质量进行评估和分析的过程。

在过去，人们主要依靠主观评价来判断音频质量，但这种方法存在主观性强、耗时长等问题。

随着科技的发展，心理声学模型逐渐应用于音频质量评估中，为我们提供了一种更为客观、高效的评估手段。

心理声学模型是一种模拟人类听觉系统的数学模型，通过模拟人耳的听觉特性和心理感知过程，来预测人们对音频质量的感知。

它可以将音频信号转化为与人耳听觉特性相关的特征参数，进而通过这些参数来评估音频质量。

心理声学模型的应用使得音频质量评估更加客观、准确。

心理声学模型主要包括两个方面的内容：听觉特性建模和心理感知建模。

听觉特性建模主要研究人耳对音频信号的感知特性，包括音频信号频谱、响度、韵律等方面。

心理感知建模则研究人们对音频信号的主观感知，包括音频质量、清晰度、舒适度等方面。

通过对这两个方面的建模，心理声学模型可以较为准确地预测人们对音频质量的感知。

在音频质量评估中，心理声学模型可以应用于多个方面。

首先，它可以用于音频编码算法的优化。

音频编码算法是将音频信号压缩以减小文件大小的过程，但压缩会导致音频质量的损失。

通过心理声学模型，我们可以评估不同编码算法对音频质量的影响，从而选择最优的编码算法。

其次，心理声学模型可以用于音频设备的优化。

不同的音频设备对音频信号的处理方式不同，如均衡器、压缩器等。

通过心理声学模型，我们可以评估不同设备对音频质量的影响，从而选择最适合的设备。

此外，心理声学模型还可以用于音频场景的优化。

音频场景是指音频信号在特定环境中的传播和感知过程。

不同的场景会对音频质量产生不同的影响，如噪声、混响等。

通过心理声学模型，我们可以评估不同场景对音频质量的影响，并采取相应的措施进行优化。

心理声学模型在音频质量评估中的应用不仅提高了评估的客观性和准确性，还大大提高了评估的效率。

传统的主观评价需要耗费大量的时间和人力，而心理声学模型可以在短时间内自动完成评估，极大地节省了成本。

心理声学：事实和模型第一章 刺激和过程在这一章中，简要回顾了声音的光谱特性和时间之间一些基本的相关性。

对扬声器和耳机将电信号转换成声音进行了阐述。

此外，还提到一些心理物理学方法和程序。

最后，对刺激和一般听觉感受之间的关系和心理声学中的原始数据的处理进行了讨论。

1.1声音的时间和频谱特性在心理声学经常使用的声音的一些时间和频谱特性如图1.1。

声音很容易通过声压随时间的变化P （t ）进行描述。

和大气压力的大小相比，声源所造成的声压的时空变化是非常小的。

声压的单位是帕斯卡（Pa ）。

在心理声学中，经常涉及声压值10-5帕（绝对阈值）到102帕（痛阈）。

为了解决涉及范围很大的量值的处理，通常使用声压级L ，声压和声压级有关方程20log()p L dB p = （1.1） 式中，基准声压020p Pa μ=。

除了声压和声压级，声强I 和声强级在心理声学中也很重要。

在平面行波，声压级及声强级相关方程如下：0020log()10log()p I L dB p I == （1.2） 式中，基准声级-122010 W/m I =。

特别是在处理噪声时，与直接使用声强相比，使用声强密度更方便。

例如，虽然定义不是很确切，但“1 Hz 带宽的声音强度”也可用来表达“噪声功率密度”。

对声强密度取对数即为声强密度级，通常缩短密度级l 。

对于密度级与频率无关的白噪声，L 和L 相关方程如下：[10log(/)]L l f Hz dB =+∆ （1.3）其中，f ∆表示赫兹（Hz ）衡量问题的声音带宽。

图1.1 心理声学常用刺激的时间功能和相关的频谱在图1.1中，图“1-KHz tone”显示了连续正弦振荡的声压p的时间函数，和1ms时间内的最大值，对应频谱只用一个中心频率1 kHz时的谱线。

“beats”图是最容易解释的谱域，显示了两个振幅相同的纯音的组合。

相应的时间功能清楚地显示一个包络的强烈变化。

“AM tone”图，描绘了一个正弦调幅中心频率为2 kHz的音调的时间功能和频谱。

MP3的工作原理随着科技的不断发展，MP3已经成为我们日常生活中不可或缺的娱乐设备之一。

它的小巧便携和高保真音质让我们能够随时随地享受音乐，但是你知道它是如何工作的吗？本文将介绍MP3的工作原理，让我们一起来了解吧。

一、音频压缩算法MP3的核心技术之一就是音频压缩算法，它是将原始无损音频信号进行压缩，以减小文件大小，提高存储和传输效率。

音频信号包含了大量的冗余信息，比如人耳无法察觉到的高频部分和静音部分，通过对信号进行压缩，可以去除这些冗余信息，而不影响听觉感知。

MP3使用的压缩算法主要是基于人耳听觉特性的心理声学模型，通过分析并提取音频信号的主要频谱成分，将其存储为更紧凑的数据表示形式。

常见的压缩算法有源编码和无损编码两种形式，其中无损编码可保持音质不变，而源编码则存在一定的音质损失。

二、编码与解码在播放器中，音频文件首先需要经过编码器进行编码，生成MP3格式的文件。

编码器将音频信号按照压缩算法进行处理，将其转化为一种数据格式，以便于存储和传输。

这种数据格式通常由震荡频率、相位和幅度等参数组成。

编码后的MP3文件可以大大减小原始音频文件的大小，一首原始CD音质的歌曲通常需要几十兆甚至几百兆的空间，而经过编码后的MP3文件则只需要几兆的存储空间。

这就是为什么MP3在当时的存储介质有限的情况下能够迅速流行起来的原因之一。

当我们将MP3文件导入到MP3播放器中并选择播放时，播放器会首先对MP3文件进行解码。

解码器通过读取文件中的压缩数据，并利用相应的解码算法将其还原成原始的音频信号。

解码后的信号将经由扬声器输出，我们才能够听到清晰的音乐声音。

三、存储与传输MP3播放器通常使用闪存芯片作为存储介质，这种芯片具有高速读写、低功耗和抗震抗摔等特点。

闪存存储器将经过编码和解码处理的音频数据进行存储，以便我们在需要时能够随时播放音乐。

播放器不仅可以将音频信号存储在内部闪存中，还可以通过USB 接口连接到计算机或其他设备上，以实现音频文件的传输。