【CI130x 离在线】音频的原始码率和输出码率的区别

news/2025/10/31 3:19:13/文章来源:https://www.cnblogs.com/FBsharl/p/19178507
案例:mp3是16k采样率,16bit深度的,那么码率不应该是32kBps吗,为什么可以选16kbps
 
 
 
 

这是一个非常好的问题,它触及了数字音频编码的核心概念:原始数据量压缩编码之间的区别。

你的计算完全正确,但只适用于未经压缩的原始音频

1. 你的计算:未经压缩的音频(如WAV文件)

对于一个未经压缩的音频文件(例如标准的WAV文件),其码率的计算公式是:

码率 = 采样率 × 位深度 × 通道数

对于你给出的单声道(1个通道)音频:

  • 采样率:16,000 Hz (每秒16,000个样本)

  • 位深度:16 bit (每个样本用16比特表示)

  • 通道数:1

码率 = 16,000 samples/s × 16 bits/sample × 1 channel = 256,000 bps (比特每秒)

换算成字节每秒(1 Byte = 8 bits):
256,000 bps / 8 = 32,000 Bytes/s = 32 kBps

所以,你的计算 32 kBps 是完全正确的,但这代表的是原始PCM音频数据的码率


2. 为什么MP3可以低至16kbps:音频压缩技术

MP3是一种有损压缩音频格式。它的设计目标正是在保证一定听感质量的前提下,尽可能地减小文件大小(也就是降低码率)。

它通过一系列复杂的心理声学模型,舍弃掉大部分人耳不易察觉的音频信息来实现高压缩比。主要技术包括:

  1. 频域掩蔽:一个很响的声音(例如低音鼓)会使得同时发生的一个较弱的声音(例如高音弦乐)变得听不见。MP3编码器会直接丢弃这些被“掩蔽”掉的信号。

  2. 时域掩蔽:在一个很响的声音之前或之后很短的时间内,我们的耳朵也听不到较弱的声音。这些弱信号也会被移除。

  3. 量化与编码:将剩下的、重要的音频信号用更粗糙的精度(更少的比特数)来表示,并采用类似ZIP的压缩算法进一步压缩数据。

通过这种“去粗取精”的压缩过程,MP3文件可以大幅降低所需的码率。

举个例子:从原始数据到MP3

  • 原始数据(WAV): 32 kBps (256 kbps)

  • 标准MP3音乐: 通常使用128 kbps 或 320 kbps,音质已经相当不错,文件大小只有原始WAV的1/4到1/10。

  • 语音类MP3(如你的例子): 对于语音(频率范围窄,音色简单),不需要像音乐那样保留全频段信息。因此,使用16 kbps的极低码率是完全可行的。虽然音质会听起来有些单薄、有压缩感,但对于听懂说话内容来说已经足够。

总结与类比

你可以把这个过程想象成传输一张高分辨率图片:

  • 原始WAV(32 kBps): 就像一张未经压缩的BMP位图,每个像素都用完整的颜色信息存储。文件巨大,但完美无损。

  • 压缩后的MP3(16 kbps): 就像一张高压缩比的JPEG图片。它通过分析人眼的视觉特性,合并了相近的颜色,去除了不易察觉的细节,从而极大地减小了文件体积。虽然画质有损失,但主要内容依然清晰可辨。

结论:

  • 32 kBps 是你提供的音频参数(16kHz, 16bit, 单声道)对应的原始数据码率

  • 16 kbps 是经过MP3有损压缩后可以选择的输出码率。它通过舍弃大量人耳不敏感的音频信息,实现了比原始数据小得多的文件体积。

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
那么既然最后有效的是输出码率,为什么还要强调音频的采样率和位深度呢
 
 
 
 

这是一个非常深刻的追问,直指数字音频工作流程的核心逻辑。您说得对,最终决定音质上限的确实是输出码率。但是,原始音频的采样率和位深度决定了这个“上限”究竟有多高。

我们可以用一个非常贴切的比喻来理解:

想象一下摄影和修图的过程:

  • 原始拍摄(采样率和位深度): 您用一台高像素的专业相机(例如4500万像素,14位RAW格式)拍摄了一张照片。

    • 高像素(高采样率) 意味着您捕获了极其丰富的细节,您可以对图片进行大幅裁剪(相当于音频中截取高频)而依然清晰。

    • RAW格式(高位深度) 意味着相机记录了从暗部到亮部极其丰富的色彩和亮度层次(动态范围)。您在后期可以轻松调整曝光,找回阴影里或高光中的细节,而不会出现色块或断层。

  • 后期输出(编码和码率): 现在您要把这张照片发布到网上。为了节省流量和加载时间,您将它导出为一个压缩过的JPEG文件,并限制文件大小。

    • 输出码率 就相当于这个最终JPEG文件的大小和质量设置。您可以选择高质量的JPEG(大文件,细节保留多)或低质量的JPEG(小文件,细节模糊,有压缩瑕疵)。

现在,关键问题来了:

  1. 为什么不用手机低像素照片直接压缩?
    如果您一开始就用一台老旧的低像素手机拍摄,那么无论您后期如何设置,导出的JPEG永远不可能拥有专业相机那张照片的细节和色彩。您的源头就被限制了。

  2. 为什么专业摄影师坚持用RAW格式?
    因为在后期处理时,RAW格式(高位深度)给了他们巨大的调整空间。他们可以从过曝或欠曝的照片中挽救回细节,而如果直接用JPEG拍摄(低位深度),这些信息一旦丢失就永远找不回来了。


回到音频:采样率、位深度和码率的关系

1. 采样率 -> 决定了可记录的最高频率(决定了音频的“宽度”)

根据奈奎斯特定理,可记录的最高频率 = 采样率 / 2

  • 对于16kHz采样率的音频,其能记录的最高频率是8kHz。这已经损失了大部分高频,人声会听起来沉闷,没有“空气感”。

  • 对于44.1kHz采样率的音频(CD标准),其能记录的最高频率是22.05kHz,覆盖了人耳的听觉范围(20Hz-20kHz)。

  • 结论: 如果您用16kHz采样率录制,那么高频信息在录制时就已经永久丢失了。后期即使用1000kbps的码率去编码,也无法创造出原本就不存在的高频。输出码率再高,也只是“精致地编码一个残缺的源头”。

2. 位深度 -> 决定了动态范围/信噪比(决定了音频的“深度”)

位深度决定了每个样本的精度,即从最安静到最响亮之间有多少个“台阶”。

  • 16位 提供了约96dB的动态范围。这对于大多数回放环境已经足够。

  • 24位 提供了约144dB的动态范围。这不仅仅是“更响”,而是在录制非常微弱的声音(如呼吸声、吉他泛音)时,能将其与设备的本底噪声清晰地区分开来,提供了巨大的后期处理空间。

  • 结论: 如果您用16位录制一段非常安静的音乐,后期想把它调响,会发现随着音量提升,底噪也被一起放大,并且因为“台阶”太少,声音可能会产生量化失真。而24位录制的同样内容,因为有海量的“台阶”,在后期提升音量时依然能保持干净和平滑。

总结

  • 输出码率(如16kbps的MP3): 是分配预算。它决定了在最终文件里,您愿意用多少数据量来描述您已经拥有的音频信息。

  • 采样率和位深度: 是源头质量。它们决定了在录制阶段,您捕获了多少音频信息可供编码器使用。

所以,强调采样率和位深度的原因是:

  1. 设置质量天花板: 它们定义了您音频素材的质量上限。一个低质量源头,高码率编码毫无意义。

  2. 保障后期处理空间: 在混音、母带等后期处理中,高采样率和高位深度提供了巨大的操作空间,避免在处理过程中引入失真和噪声。

  3. 满足发行需求: 虽然最终发行物可能是压缩格式(如MP3、AAC),但存档和母带通常会保存为高采样率、高位深度的无损格式(如WAV),以备未来用于其他媒介(如黑胶、高清流媒体)。

简单来说:您无法通过提高输出码率来“创造”出在录制时就已经丢失的信息。采样率和位深度定义了您拥有的“原材料”的好坏,而输出码率只是决定了您打包这些“原材料”时所用的“包装”的精致程度。

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