AAC音频格式分析

男娘i 2021-09-24 07:46 667阅读 0赞

# **AAC概述 ** #

AAC是高级音频编码（Advanced Audio Coding）的缩写，出现于1997年，最初是基于MPEG-2的音频编码技术。由Fraunhofer IIS、Dolby Laboratories、AT&T、Sony等公司共同开发，目的是取代MP3格式。2000年，MPEG-4标准出台，AAC重新集成了其它技术（PS,SBR），为区别于传统的MPEG-2 AAC，故含有SBR或PS特性的AAC又称为MPEG-4 AAC。

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-AACv2三种主要的编码，LC-AAC就是比较传统的AAC，相对而言，主要用于中高码率(>=80Kbps)，HE-AAC(相当于AAC+SBR)主要用于中低码(<=80Kbps)，而新近推出的HE-AACv2(相当于AAC+SBR+PS)主要用于低码率(<=48Kbps）,事实上大部分编码器设成<=48Kbps自动启用PS技术，而>48Kbps就不加PS,就相当于普通的HE-AAC。

# **AAC规格简述 ** #

AAC共有9种规格，以适应不同的场合的需要：

MPEG-2 AAC LC 低复杂度规格（Low Complexity）--比较简单，没有增益控制，但提高了

编码效率，在中等码率的编码效率以及音质方面，都能找到平衡点

MPEG-2 AAC Main 主规格

MPEG-2 AAC SSR 可变采样率规格（Scaleable Sample Rate）

**  MPEG-4 AAC LC****低复杂度规格（Low Complexity）**\------现在的手机比较常见的MP4文件中

的音频部份就包括了该规格音频文件

MPEG-4 AAC Main 主规格 ------包含了除增益控制之外的全部功能，其音质最好

MPEG-4 AAC SSR 可变采样率规格（Scaleable Sample Rate）

MPEG-4 AAC LTP 长时期预测规格（Long Term Predicition）

MPEG-4 AAC LD 低延迟规格（Low Delay）

**MPEG-4 AAC HE 高效率规格**（High Efficiency）-----这种规格适合用于低码率编码，有Nero ACC 编码器支持

目前使用最多的是**LC和HE(适合低码率)**。流行的Nero AAC编码程序只支持LC，HE，HEv2这三种规格，编码后的AAC音频，规格显示都是LC。HE其实就是AAC（LC）+SBR技术，HEv2就是AAC（LC）+SBR+PS技术**；**

![20200523211246884.jpeg][]

**              Hev1和HEv2用此图简单表示：**

**            (图中AAC即指的是原来的AAC-LC)**

**      HE：“High Efficiency”（高效性）。**HE-AAC v1（又称AACPlusV1，SBR)，用容器的方法实现了AAC（LC）+SBR技术。SBR其实代表的是Spectral Band Replication(频段复制)。简要叙述一下，**音乐的主要频谱集中在低频段，高频段幅度很小，但很重要，决定了音质**。如果对整个频段编码，若是为了保护高频就会造成低频段编码过细以致文件巨大；若是保存了低频的主要成分而失去高频成分就会丧失音质。SBR把频谱切割开来，低频单独编码保存主要成分，高频单独放大编码保存音质，“统筹兼顾”了，在减少文件大小的情况下还保存了音质，完美的化解这一矛盾。

**      HEv2：**用**容器**的方法包含了HE-AAC v1和PS技术。PS指“parametric stereo”（参数立体声）。原来的立体声文件文件大小是一个声道的两倍。但是两个声道的声音存在某种相似性，根据香农信息熵编码定理，相关性应该被去掉才能减小文件大小。所以PS技术存储了一个声道的全部信息，然后，花很少的字节用参数描述另一个声道和它不同的地方。

**频段复制（SBR）**

简要叙述，音乐的主要频谱集中在低频段，高频段幅度很小，但很重要，决定了音质。如果对整个频段编码，若是为了保护高频就会造成低频段编码过细以致文件巨大；若是保存了低频的主要成分而失去高频成分就会丧失音质。SBR把频谱切割开来，低频单独编码保存主要成分，高频单独放大编码保存音质，“统筹兼顾”了，在减少文件大小的情况下还保存了音质，完美的化解这一矛盾。

**参数立体声(PS）**

对于之前的立体声文件来说，其文件大小是单声道的两倍，但是两个声道的声音存在某种相似性，根据香农信息熵编码定理，相关性应该被去掉才能减小文件大小。所以PS技术存储了一个声道的全部信息，之后，用很少的字节当作参数来描述另一个声道和它不同的地方。

# **AAC特点 ** #

(1)  AAC是一种高压缩比的音频压缩[算法][Link 1]，但它的压缩比要远超过较老的音频压缩算法， 如AC-3、MP3等。并且其质量可以同未压缩的CD音质相媲美。

(2)  同其他类似的音频编码算法一样，AAC也是采用了变换编码算法，但AAC使用了分辨率 更高的滤波器组，因此它可以达到更高的压缩比。

(3)  AAC使用了临时噪声重整、后向自适应线性预测、联合立体声技术和量化哈夫曼编码等最新技术，这些新技术的使用都使压缩比得到进一步的提高。

（4)  AAC支持更多种采样率和比特率、支持1个到48个音轨、支持多达15个低频音轨、具有多种语言的兼容能力、还有多达15个内嵌数据流。

（5）AAC支持更宽的声音频率范围，最高可达到96kHz，最低可达8KHz，远宽于MP3的16KHz-48kHz的范围。

（6）不同于MP3及WMA，AAC几乎不损失声音频率中的甚高、甚低频率成分，并且比WMA在频谱结构上更接近于原始音频，因而声音的保真度更好。专业评测中表明，AAC比WMA声音更清晰，而且更接近原音。

（7）AAC采用优化的算法达到了更高的解码效率，解码时只需较少的处理能力。

# **AAC音频文件格式 ** #

1. AAC的音频文件格式有**ADIF ＆ ADTS：**

**       ADIF**：Audio Data Interchange Format **音频数据交换格式**。这种格式的特征是可以确定的找到这个音频数据的开始，不需进行在音频数据流中间开始的解码，即它的解码必须在明确定义的开始处进行。故这种格式常用在磁盘文件中。

AAC的ADIF格式见下图：

![20200523211246898.jpeg][]

**       ADTS**：Audio Data Transport Stream **音频数据传输流**。这种格式的特征是它是一个有同步字的比特流，解码可以在这个流中任何位置开始。它的特征类似于mp3数据流格式。

![20200523211246915.jpeg][]

图中表示出了ADTS一帧的简明结构，**其两边的空白矩形表示一帧前后的数据**。

简单说，ADTS可以在任意帧解码，也就是说它每一帧都有头信息。ADIF只有一个统一的头，所以必须得到所有的数据后解码。且这两种的header的格式也是不同的，**目前一般编码后的和抽取出的都是****ADTS格式的音频流**。

**ADIF和ADTS的header**

ADIF 的头信息：

![watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L2d1b3l1bmZlaTEyMw_size_16_color_FFFFFF_t_70][]

ADIF头信息位于AAC文件的起始处，接下来就是连续的 raw data blocks。

组成ADIF头信息的各个域如下所示：

![watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L2d1b3l1bmZlaTEyMw_size_16_color_FFFFFF_t_70 1][]

**ADTS 的固定头信息：**

![watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L2d1b3l1bmZlaTEyMw_size_16_color_FFFFFF_t_70 2][]

·  syncword：帧同步标识一个帧的开始，固定为0xFFF

·  ID：MPEG 标示符。0表示MPEG-4，1表示MPEG-2

·  layer：固定为'00'

·  protection\_absent：标识是否进行误码校验。0表示有CRC校验，1表示没有CRC校验

·  profile：标识使用哪个级别的AAC。1: AAC Main 2:AAC LC (Low Complexity) 3:AAC SSR (Scalable Sample Rate) 4:AAC LTP (Long Term Prediction)

·  sampling\_frequency\_index：标识使用的采样率的下标

·  private\_bit：私有位，编码时设置为0，解码时忽略

·  channel\_configuration：标识声道数

·  original\_copy：编码时设置为0，解码时忽略

·  home：编码时设置为0，解码时忽略

**  ADTS的可变头信息：**

![20200523211246920.png][]

·  copyrighted\_id\_bit：编码时设置为0，解码时忽略

·  copyrighted\_id\_start：编码时设置为0，解码时忽略

·  aac\_frame\_length：ADTS帧长度包括ADTS长度和AAC声音数据长度的和。即 aac\_frame\_length = (protection\_absent == 0 ? 9 : 7) + audio\_data\_length

·  adts\_buffer\_fullness：固定为0x7FF。表示是码率可变的码流

·  number\_of\_raw\_data\_blocks\_in\_frame：表示当前帧有number\_of\_raw\_data\_blocks\_in\_frame + 1 个原始帧(一个AAC原始帧包含一段时间内1024个采样及相关数据)。

（1）帧同步目的在于找出帧头在比特流中的位置，13818-7规定，aac ADTS格式的**帧头同步字**为**12比特**的“1111 1111 1111”.

（2）ADTS的头信息为两部分组成，其一为固定头信息，紧接着是可变头信息。**固定头信息中的数据每一帧都相同**，而可变头信息则在**帧与帧之间可变**。

3.AAC元素信息

在AAC中，**原始数据块**的**组成**可能有**六种不同的元素**：

SCE: Single Channel Element单通道元素。单通道元素基本上只由一个ICS组成。一个

原始数据块最可能由16个SCE组成。

CPE: Channel Pair Element 双通道元素，由两个可能共享边信息的ICS和一些联合立体

声编码信息组成。一个原始数据块最多可能由16个SCE组成。

CCE: Coupling Channel Element 藕合通道元素。代表一个块的多通道联合立体声信息

或者多语种程序的对话信息。

LFE: Low Frequency Element 低频元素。包含了一个加强低采样频率的通道。

DSE: Data Stream Element 数据流元素，包含了一些并不属于音频的附加信息。

PCE: Program Config Element 程序配置元素。包含了声道的配置信息。它可能出现在

ADIF 头部信息中。

FIL: Fill Element 填充元素。包含了一些扩展信息。如SBR，动态范围控制信息等。

4.AAC文件处理流程

(1)　判断文件格式，确定为ADIF或ADTS

(2)　若为ADIF，解ADIF头信息，跳至第6步。

(3)　若为ADTS，寻找同步头。

(4)   解ADTS帧头信息。

(5)   若有错误检测，进行错误检测。

(6)   解块信息。

(7)   解元素信息。

# **术语说明** #

AAC: Advanced Audio Coding 高级音频编码

AAC LC: AAC with Low Complexity AAC的低复杂度配置

AAC plus: 也叫HE-AAC, AAC+,MPEG4 AAC LC加入SBR模块后形成的一个AAC版本

MPEG：Motion Picture Expert Group

IMDCT：反离散余弦变换

**ADIF：Audio Data Interchange Format 音频数据交换格式**

**ADTS：Audio Data Transport Stream 音频数据传输流**

SCE: Single Channel Element单通道元素

CPE: Channel Pair Element 双通道元素

CCE: Coupling Channel Element 藕合通道元素

DSE: Data Stream Element 数据流元素

PCE: Program Config Element 程序配置元素

FIL: Fill Element 填充元素

ICS: Individual Channel Stream 独立通道流

PNS: Perceptual Noise Substitution 知觉噪声替换

SBR: Spectral Band Replication 频段复制

TNS: Temporal Noise Shaping 瞬时噪声整形

ch：channel 通道

PS：parametric stereo 参数立体声

SBR：Spectral Band Replication 频段复制

# 参考 #

[AAC 文件解析及解码流程][AAC]

[AAC的ADTS头解析][AAC_ADTS]

[20200523211246884.jpeg]: /images/20210923/54ae4165658a4ad08ceea9cee186480d.png
[Link 1]: http://lib.csdn.net/base/datastructure
[20200523211246898.jpeg]: /images/20210923/bc79436eb2fb41b2b0bcbacd08be5093.png
[20200523211246915.jpeg]: /images/20210923/f9403ee0b05c42a99069c93f0e0dae82.png
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[20200523211246920.png]: /images/20210923/f3f2a64076494817ba97b8fe786f64b4.png
[AAC]: https://blog.csdn.net/wlsfling/article/details/5876016
[AAC_ADTS]: https://www.jianshu.com/p/b5ca697535bd