wav音频文件格式解析【个人笔记】(自用)

1. WAV格式

wav是微软开发的一种音频文件格式，注意，wav文件格式是无损音频文件格式，相对于其他音频格式文件数据是没有经过压缩的，通常文件也相对比较大些。、

支持多种音频数字，取样频率和声道，标准格式化的WAV文件和CD格式一样，也是44.1K的取样频率，16位量化数字，因此在声音文件质量和CD相差无几！ WAV打开工具是WINDOWS的媒体播放器。
通常使用三个参数来表示声音，量化位数，取样频率和采样点振幅。量化位数分为8位，16位，24位三种，声道有单声道和立体声之分，单声道振幅数据为n*1矩阵点，立体声为n*2矩阵点，取样频率一般有11025Hz(11kHz) ，22050Hz(22kHz)和44100Hz(44kHz) 三种，不过尽管音质出色，但在压缩后的文件体积过大！相对其他音频格式而言是一个缺点，其 文件大小的计算方式为：WAV格式文件所占容量（B) = （取样频率 X量化位数X 声道） X 时间 / 8 (字节= 8bit) 每一分钟WAV格式的音频文件的大小为10MB，其大小不随音量大小及清晰度的变化而变化。

注：专业名词（取样频率、量化位数、声道）解释：https://blog.csdn.net/eric88/article/details/17098603 

• 采样位数：也叫量化位数(单位:比特)，是存储每个采样值所用的二进制位数。采样值反应了声音的波动状态。采样位数决定了量化精度。采样位数越长,量化的精度就越高,还原的波形曲线越真实,产生的量化噪声越小,回放的效果就越逼真。常用的量化位数有4、8、12、16、24。量化位数与声卡的位数和编码有关。

• 采样频率：采样频率是指录音设备在一秒钟内对声音信号的采样次数，采样频率越高声音的还原就越真实越自然。越高所能描述的声波频率就越高。采样率决定声音频率的范围（相当于音调），可以用数字波形表示。以波形表示的频率范围通常被称为带宽。要正确理解音频采样可以分为采样的位数和采样的频率。 

• 声道数:  使用的声音通道的个数，也是采样时所产生的声音波形的个数。播放声音时,单声道的WAV一般使用一个喇叭发声,立体声的WAV可以使两个喇叭发声。记录声音时,单声道,每次产生一个波形的数据,双声道,每次产生两个波形的数据,所占的存储空间增加一倍。

• WAV格式大小：采样率一般是44.1K，16bit采样精度，存储成WAV格式大小 = 44.1KHz(采样率) X 16bit(采样位数) X 2(双声道) X  播放时间

• WAV格式是没有压缩无损的，MP3格式是按1:12压缩保存的，所以MP3格式大小等于上式的1/12。

为什么还要用wav来做示例呢？这是因为WAV本质上是无压缩的原始音频文件，而且他的文件结构不算非常复杂，因此可以作为我们初学者的学习示例格式。

2. WAV的二进制格式解析

WAV文件格式分析：https://blog.csdn.net/zhihu008/article/details/7854529

• 大部分的多媒体文件都依循着一种结构来存放信息，这种结构称为"资源互换文件格式"(Resources lnterchange File Format)，简称RIFF。例如声音的WAV文件

• RIFF：可以看做是一种树状结构，其基本构成单位为chunk，犹如树状结构中的节点，每个chunk由 "辨别码"、"数据大小"及"数据" 所组成。

2.1 WAV文件格式

• WAVE文件是非常简单的一种RIFF文件，它的格式类型为"WAVE"。RIFF块包含两个子块，这两个子块的ID分别是 "fmt" 和 "data",其中 "fmt" 子块由结构PcmWaveFormat所组成，其子块的大小就是sizeof(PcmWaveFormat),数据组成就是PcmWaveFormat结构中的数据。

图三、WAVE文件结构 

typedef struct WAV_RIFF {
    /* chunk "riff" */
    char ChunkID[4];     /* "RIFF" */
    /* sub-chunk-size */
    uint32_t ChunkSize;  /* 36 + Subchunk2Size */
    /* sub-chunk-data */
    char Format[4];      /* "WAVE" */
} RIFF_t;

typedef struct WAV_FMT {
    /* sub-chunk "fmt" */
    char Subchunk1ID[4];    /* "fmt " */
    /* sub-chunk-size */
    uint32_t Subchunk1Size; /* 16 for PCM */
    /* sub-chunk-data */
    uint16_t AudioFormat;   /* PCM = 1*/
    uint16_t NumChannels;   /* Mono = 1, Stereo = 2, etc. */
    uint32_t SampleRate;    /* 8000, 44100, etc. */
    uint32_t ByteRate;      /* = SampleRate * NumChannels * BitsPerSample/8 */
    uint16_t BlockAlign;    /* = NumChannels * BitsPerSample/8 */
    uint16_t BitsPerSample; /* 8bits, 16bits, etc. */
} FMT_t;

typedef struct WAV_data {
    /* sub-chunk "data" */
    char Subchunk2ID[4];    /* "data" */
    /* sub-chunk-size */
    uint32_t Subchunk2Size; /* data size */
    /* sub-chunk-data */
//    Data_block_t block;
} Data_t;

//typedef struct WAV_data_block {
//} Data_block_t;

typedef struct WAV_fotmat {
    RIFF_t riff;
    FMT_t fmt;
    Data_t data;
} Wav;

• "data"子块包含WAVE文件的数字化波形声音数据，其存放格式依赖于"fmt"子块中SubchunkID,  SubchunkSize ,AudioFormat 成员指定的格式种类，在多声道WAVE文件中，样本是交替出现的。如16bit的单声道WAVE文件和双声道WAVE文件的数据采样格式分别如图四所示： 

 图四、WAVE文件数据采样格式

2.2 C语言解析wav文件

wave.h

//
// Created by douzi on 19-3-26.
//

#ifndef RESOLVE_WAV_WAVE_H
#define RESOLVE_WAV_WAVE_H

#include <cstdint>

typedef struct WAV_RIFF {
    /* chunk "riff" */
    char ChunkID[4];     /* "RIFF" */
    /* sub-chunk-size */
    uint32_t ChunkSize;  /* 36 + Subchunk2Size */
    /* sub-chunk-data */
    char Format[4];      /* "WAVE" */
} RIFF_t;

typedef struct WAV_FMT {
    /* sub-chunk "fmt" */
    char Subchunk1ID[4];    /* "fmt " */
    /* sub-chunk-size */
    uint32_t Subchunk1Size; /* 16 for PCM */
    /* sub-chunk-data */
    uint16_t AudioFormat;   /* PCM = 1*/
    uint16_t NumChannels;   /* Mono = 1, Stereo = 2, etc. */
    uint32_t SampleRate;    /* 8000, 44100, etc. */
    uint32_t ByteRate;      /* = SampleRate * NumChannels * BitsPerSample/8 */
    uint16_t BlockAlign;    /* = NumChannels * BitsPerSample/8 */
    uint16_t BitsPerSample; /* 8bits, 16bits, etc. */
} FMT_t;

typedef struct WAV_data {
    /* sub-chunk "data" */
    char Subchunk2ID[4];    /* "data" */
    /* sub-chunk-size */
    uint32_t Subchunk2Size; /* data size */
    /* sub-chunk-data */
//    Data_block_t block;
} Data_t;

//typedef struct WAV_data_block {
//} Data_block_t;

typedef struct WAV_fotmat {
    RIFF_t riff;
    FMT_t fmt;
    Data_t data;
} Wav;


#endif //RESOLVE_WAV_WAVE_H

• uint8_t:  unsigned char

• uint16_t：unsigned short int

• uint32_t：unsigned int

• uint64_t: unsigned long int

wave.cpp

#include <stdio.h>
#include <stdint.h>
#include <stdlib.h>
#include "wave.h"

int main()
{
    FILE *fp = NULL;

    Wav wav;
    RIFF_t riff;
    FMT_t fmt;
    Data_t data;

    fp = fopen("/home/douzi/Douzi_qdreamer/resolve_wav/mbfio_mic3.wav", "rb");
    if (!fp) {
        printf("can't open audio file
");
        exit(1);
    }

    fread(&wav, 1, sizeof(wav), fp);

    riff = wav.riff;
    fmt = wav.fmt;
    data = wav.data;

    /**
     *  RIFF
     */
    printf("ChunkID 		%c%c%c%c
", riff.ChunkID[0], riff.ChunkID[1], riff.ChunkID[2], riff.ChunkID[3]);
    printf("ChunkSize 		%d
", riff.ChunkSize);
    printf("Format 			%c%c%c%c
", riff.Format[0], riff.Format[1], riff.Format[2], riff.Format[3]);

    printf("
");

    /**
     *  fmt
     */
    printf("Subchunk1ID 	%c%c%c%c
", fmt.Subchunk1ID[0], fmt.Subchunk1ID[1], fmt.Subchunk1ID[2], fmt.Subchunk1ID[3]);
    printf("Subchunk1Size 	%d
", fmt.Subchunk1Size);
    printf("AudioFormat 	%d
", fmt.AudioFormat);
    printf("NumChannels 	%d
", fmt.NumChannels);
    printf("SampleRate 		%d
", fmt.SampleRate);
    printf("ByteRate 		%d
", fmt.ByteRate);
    printf("BlockAlign 		%d
", fmt.BlockAlign);
    printf("BitsPerSample 	%d
", fmt.BitsPerSample);

    printf("
");

    /**
     *  data
     */
    printf("blockID 		%c%c%c%c
", data.Subchunk2ID[0], data.Subchunk2ID[1], data.Subchunk2ID[2], data.Subchunk2ID[3]);
    printf("blockSize 		%d
", data.Subchunk2Size);

    printf("
");

//    duration = Subchunk2Size / ByteRate
    printf("duration 		%d
", data.Subchunk2Size / fmt.ByteRate);

}

3. WAV文件语音数据的组织结构

参考：https://www.cnblogs.com/ranson7zop/p/7657874.html

WAV文件的声音数据保存在数据块中。块标识符为“data”, 块长度值为声音数据的长度。

从数据块的第9个字符开始是声音波形采样数据。每个样本按采样的时间先后顺序写入。样本的字节数取决于采样位数。对于多字节样本, 低位字节数据 放在低地址单元,相邻的高位字节数据放在高地址单元。多声道样本数据采用交替方式存储。例如: 立体声(双声道)采样值的存储顺序为:

• 通道1第1采样值, 通道2第1采样值；通道1第2采样值, 通道2第2采样值;以此类推。基于PCM编码的样本数据排列方式。

（1）“52 49 46 46”这个是Ascii字符“RIFF”，这部分是固定格式，表明这是一个WAVE文件头。
（2）“22 60 28 00”，这个是我这个WAV文件的数据大小，这个大小包括除了前面4个字节的所有字节，也就等于文件总字节数减去8。16进制的“22 60 28 00”对应是十进制的“2646050”。
（3）“57 41 56 45 66 6D 74 20”，也是Ascii字符“WAVEfmt”，这部分是固定格式。
以后是PCMWAVEFORMAT部分

（4）“12 00 00 00”，这是一个DWORD，对应数字18，这个对应定义中的PCMWAVEFORMAT部分的大小，可以看到后面的这个段内容正好是18个字节。一般情况下大小为16，此时最后附加信息没有，上面这个文件多了两个字节的附加信息。
（5）“01 00”，这是一个WORD，对应定义为编码格式（WAVE_FORMAT_PCM格式一般用的是这个）。
（6）“01 00”，这是一个WORD，对应数字1，表示声道数为1，是个单声道Wav。
（7）“22 56 00 00”对应数字22050，代表的是采样频率22050，采样率（每秒样本数），表示每个通道的播放速度
（8）“44 AC 00 00”对应数字44100，代表的是每秒的数据量，波形音频数据传送速率，其值为：通道数×每秒样本数×每样本的数据位数／8（1*22050*16/8）。播放软件利用此值可以估计缓冲区的大小。
（9）“02 00”对应数字是2，表示块对齐的内容。数据块的调整数（按字节算的），其值为通道数×每样本的数据位值／8。播放软件需要一次处理多个该值大小的字节数据，以便将其值用于缓冲区的调整。
（10）“10 00”数值为16，采样大小为16Bits，每样本的数据位数，表示每个声道中各个样本的数据位数。如果有多个声道，对每个声道而言，样本大小都一样。
（11）“00 00”此处为附加信息（可选），和（4）中的size对应。

（12）“66 61 73 74” Fact是可选字段，一般当wav文件由某些软件转化而成，则包含该项，“04 00 00 00”Fact字段的大小为4字节，“F8 2F 14 00”是fact数据。

（13）“64 61 74 61”，这个是Ascii字符“data”，标示头结束，开始数据区域。
（14）“F0 5F 28 00”十六进制数是“0x285ff0”,对应十进制2646000，是数据区的开头，以后数据总数，看一下前面正好可以看到，文件大小是2646050，从（2）到（13）包括（13）正好是2646050-2646000=50字节。

4. 总结

对WAV格式影响最大的参数是编码格式。采用不同的编码的WAV格式是不同的,PCM是最常见的编码格式,其它的为压缩编码格式,一般很少使用,有的已经废弃。随着人们认识的进步可能还会有新的编码格式出现。今后对WAV文件格式的更多的研究是压缩编码格式。