mpeg编码标准(MPEG标准制定方法)
mp3 编码
在MPEG文件中,没有主标头,因为MPEG的音频文件是由一系列被称为帧的较小部分组成的。每个帧都是一个具有自己标头和音频信息的数据块。
Layer II,II,III的音频帧头都是相同的,不同之处体现在音频数据的编码方式。帧本身是由slot组成的。Layer I的slot大小是4字节,其余情况是1字节。
除了Layer之外,MPEG音频本身也有3个版本,这个几个版本的不同之处体现在能处理的采样率不同(参考 表2.1.2)。MPEG 1 (ISO/IEC 13818-3) 和MPEG2(ISO/IEC 11172-3)是ISO标准. MPEG2.5对MPEG2进行的非官方的扩展,它是为了支持更低的采样率。MPEG2/2.5 也常被简称为LSF(Low SamplingFrequencies),既低采样率
对于Layer I和Layer II,帧是完全彼此独立的,因此您可以剪切MEPG音频文件的任何部分并正确的播放。然后,播放器将从发现的第一个完整有效的帧开始播放。但是,Layer III,帧不总是独立的,因为它可能使用了byte resevoir,这是一种内部缓冲区,因此帧之间通常是相互依赖的。在最坏的情况下,可能至少需要输入9个帧才能解码单个帧。
如果你需要检索有关MPEG的音频文件的信息,那么可以简单的找到第一帧,然后从它的header中获取信息。除比特率外,其他帧中的信息应该与第一个帧是一致的,因为可能当前是VBR的文件。在VBR的文件中,可以在每个帧中更改比特率。例如,为了在整个文件中保持音乐的高质量,当音乐比较复杂时就需要更多的位来做编码
帧头本身的长度是32位的(4字节)。帧头的前十二位(在MPEG2.5扩展的情况下为前十一位)始终设置为1,称为帧同步。帧还可能有可选的CRC校验和。它长16位,如果存在,则紧跟在帧头之后。CRC之后就是音频数据。通过重新计算CRC并将值与文件中的值进行比较,就可以检查比特流在传输期间是否已经被更改。
一个文件可以被编码成恒定比特率(CBR)或可变比特率(VBR),这意味着每帧可以有不同的比特率。可变比特率的质量往往比恒定比特率编码的文件更高,因为他们可以在需要的地方使用更高的比特率。
MP3文件的整体结构:
[ID3 V2] | [APE 头]: 可选
ID3 V2的头,大多数最新的MP3,都有这个头
用于APE格式的头,现在也用于MPEG
第一帧
MPEG 音频头, 通常大小为4字节.(当Protection bit==0时,帧头后会有16bit=2byte的CRC,此时帧头大小为6字节)
边信息,9/17/32 字节
[Xing 头]: 可选 8-120字节,如果是VBR,多数都有此Xing头,而且只有第一帧有
音频数据
第二帧
帧头
边信息
音频数据
第三帧
帧头
边信息
音频数据
最后一帧
帧头
边信息
音频数据
[TAG]: 可选。128字节的ID3 V1信息,如果没有前面的ID3 V2,多数都有这个ID3 V1的头
mp3帧头编码
起始位置0位高位开始
起始位置大小位置描述
01131-21帧同步标识,11个‘1’。用于定位帧头起始位置
11220-19MPEG音频版本
13218-17Layer序列号
15116Protection bit
16415,12比特率
20211-10采样率
2219Padding bit的定义
2318保护位
2427-6channel模式
2625-4只用于Joint stereo 模式扩展
2813版权位 0:无版权 1:有版权
2912原始位 0:原始媒体的副本 1:原始媒体
3021-0Emphasis
MPEG音频版本
设置值描述
00MPEG version2.5
01保留
10MPEG version2
11MPEG version1
Layer序列号
设置值描述
00保留
01Layer III
10Layer II
11Layer I
Protection-bit
设置值描述
0protected by 16 bit CRC following header
1no CRC
比特率
bitsV1,L1V1,L2V1,L3V2,L1V2, L2 & L3
0000freefreefreefreefree
0001323232328
00106448404816
00119656485624
010012864566432
010116080648040
011019296809648
01112241129611256
100025612811212864
100128816012814480
101032019216016096
1011352224192176112
1100384256224192128
1101416320256224144
1110448384320256160
1111badbadbadbadbad
NOTES: All values are in kbps
V1: MPEG Version 1
V2: MPEG Version 2 and Version 2.5
L1: Layer I
L2: Layer II
L3: Layer III
“free”:: free fromat. free bitrate必须保持恒定,并且必须小于允许的最大的比特率. 解码器不需要支持free bitrate的流
“bad”: 意思是这个值是不被允许的.
MPEG文件可能具有可变的比特率(VBR)。每一个帧可以用不同的比特率来创建。这是可以在所有的layer中使用。Layer III必须这个方式,Layer I 和 Layer II 解码器可以选择支持 针对Layer II,不允许使用比特率和模式的一些组合。下面是一些允许的组合
bitrate单通道立体声intensity stereodual channe
freeyesyesyesyes
32yesnonono
48yesnonono
56yesnonono
64yesyesyesyes
80yesnonono
96yesyesyesyes
112yesyesyesyes
128yesyesyesyes
160yesyesyesyes
192yesyesyesyes
224noyesyesyes
256noyesyesyes
320noyesyesyes
384noyesyesyes
采样率
抽样速率指定每秒钟有多少个样本被记录。每个MPEG版本可以处理不同的samplingrates。
采样率索引MPEG-1 (Hz)MPEG-2 (Hz)MPEG-2.5 (Hz)
00441002205011025
01480002400012000
1032000160008000
11reservedreservedreserved
Padding-bit
如果设置了,则用一个slot填充数据(slot对框架大小的计算很重要) Layer I的slot大小是4字节,其余情况是1字节。
设置值描述
0没有填充
1使用一个额外的slot填充数据
channel模式
设置值描述
00立体声
01Joint stereo
10Dual channel(2 mono channels)
11Single channel(mono)
注意:双通道文件由两个独立的单声道组成。每一个都只使用了文件的一半比特率。大多数解码器将其输出为立体声,但情况并非总是如此。使用一个例子是在相同的比特流中承载了两个不同语言的语音,那么解码器需要仅解码所选择的语言进行播放
模式扩展
扩展模式被用来增加了一些没有在立体声效果使用的信息,从而减少了所需的位。这些位由在Joint stereo模式下的编码器动态的确定,每一个帧的Joint stereo都可以改变,甚至可以打开或者关闭
MPEG文件的整个的频率范围分为了多个子带,共有32个子带。对于Layer I和Layer II来说两个位确定了当应用intensity stereo时的频率范围(频带)。针对Layer III,这两个位决定了使用哪一种类型的joint stereo(intensity stereo或者m/s stereo). 频率范围由解压缩算法来确定
设置值Layer I & II
00bands 4 to 31
01bands 8 to 31
10bands 12 to 31
11bands 16 to 31
Layer III:
Intensity stereoMS stereo
offoff
onoff
offon
onon
Emphasis
设置值描述
00none
0150/15 ms
10reserved
11CCIT J.17
MP3边信息
边信息紧接着帧头。它包含了一些解码器会用到的一些信息,用于解码器控制音频流的播放,但不包含实际的音频数据。下表显示了所有Layer III文件的边信息的大小
模式MPEG 1MPEG 2/2.5 (LSF)
立体声,联合立体声,双通道3217
Mono179
对于Layer I的文件,你必须考虑到扩展模式(见表2.1.6)。然后你可以以下公式计算出用于计算CRC的比特位的数量:
4 * ( 声道数 * bound of intensity stereo + (32 – bound of intensity stereo) );
这可以被读成两倍的立体声子带加上单子带的数量和结果乘以4。对于简单的mono帧,这等于128,因为通道的数目是1,而强度立体声的边界是32,这意味着没有强度立体声。对于立体帧,这是256。有关更多信息,请查看类CMPAFrame中的rc代码。
MP3解析的解析
基于MPG123库
核心数据结构
typedef struct mpstr_tag {
struct buf *head, *tail; /* buffer linked list pointers, tail points to oldest buffer */
int vbr_header; /* 1 if valid Xing vbr header detected */
int num_frames; /* set if vbr header present */
int enc_delay; /* set if vbr header present */
int enc_padding; /* set if vbr header present */
/* header_parsed, side_parsed and data_parsed must be all set 1
before the full frame has been parsed */
int header_parsed; /* 1 = header of current frame has been parsed */
int side_parsed; /* 1 = header of sideinfo of current frame has been parsed */
int data_parsed;
int free_format; /* 1 = free format frame */
int old_free_format; /* 1 = last frame was free format */
int bsize;
int framesize;
int ssize; /* number of bytes used for side information, including 2 bytes for CRC-16 if present */
int dsize;
int fsizeold; /* size of previous frame, -1 for first */
int fsizeold_nopadding;
struct frame fr; /* holds the parameters decoded from the header */
struct III_sideinfo sideinfo;
unsigned char bsspace[2][MAXFRAMESIZE + 1024]; /* bit stream space used ???? */ /* MAXFRAMESIZE */
real hybrid_block[2][2][SBLIMIT * SSLIMIT];
int hybrid_blc[2];
unsigned long header;
int bsnum;
real synth_buffs[2][2][0x110];
int synth_bo;
int sync_bitstream; /* 1 = bitstream is yet to be synchronized */
int bitindex;
unsigned char *wordpointer;
plotting_data *pinfo;
lame_report_function report_msg;
lame_report_function report_dbg;
lame_report_function report_err;
} MPSTR, *PMPSTR;
数据结构关键字段说明:
struct buf *head, *tail
这是一个字符串双向链表
head 是外部请求输入的buffer
tail 是获取的之前的buffer,解析的时候从tail开始。解析后会更新pos位置
wordpointer是指向bsspace的指针
decodeMP3_clipchoice中每次计算出头的大小,side info的大小,data的大小,都会复制到这个指针的内存里面,使用copy_mp来复制,复制的源是tail中的数据
消费者在commong.c中的一系列的getbits函数,这些函数会更新bitindex以及wordpointer的指向getbitsgetbits_fastget_leq_8_bitsget_leq_16_bits
bsspace是位流的空间
decodeMP3_clipchoice是核心的入口函数
关键的流程解析:
addbuf
将输入的需要解码的数据,插入到head的buffer中
-
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