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文档简介
目录
-:音频入门.....................................................................1
(-)声音三要素.............................................................1
1.音调(音频)..........................................................1
2.音量(振幅)..........................................................1
3.音色(谐波)..........................................................2
(-)模数转换...............................................................2
(三)音频原始数据...........................................................2
(四)音频帧大小的计算(采样率和时间间隔的区别)...........................3
(五)PCM存储格式..........................................................3
(六)WAVheader......................................................................................................................4
二:音频处理流程.................................................................5
(-)直播客户端的处理流程..................................................5
1.音视频采集:.........................................................5
2.音视频编码:..........................................................5
3.音视频传输:..........................................................6
4.音视频解码:..........................................................6
5.音视频渲染:..........................................................6
(-)音频数据的流转(格式的转换)..........................................6
三:音频采集.....................................................................6
(-)各平台音频采集方式.....................................................6
l.Android端音频采集:..................................................6
2.ios端音频采集:.......................................................7
(-)FFMpeg采集音频方式(集成上面所有平台)..............................7
L通过命令方式(不同平台可能不同)......................................7
2.通过API方式.........................................................8
(三)FFmpeg编程采集音频..................................................8
1.打开输入设备..........................................................8
2.从音频设备中读取音频数据.............................................9
3.录制成为音频文件....................................................11
四:音频压缩....................................................................12
(-)音频有损压缩技术(消除冗余信息)....................................12
(-)音频无损压缩技术.....................................................13
(三)音频编码过程..........................................................13
(四)常见的音频编码器.....................................................13
五:AAC编码....................................................................14
(-)AAC编码器介绍.......................................................14
(-)ADTS格式.............................................................15
l.adts_fixed_header();.........................................................................................................16
2.adts_variable_header();...............................................................................................17
3.代码实现头部的添加:................................................17
4.AAC首部分析:......................................................18
5.命令行提取AAC文件..................................................19
六:音频重采样..................................................................19
(-)什么是音频重采样.....................................................19
1.为什么需要重采样2.如何知道是否需要进行重采样?....................................19
3.重采样的步骤4.重采样相关API.........................................................................20
(-)编程实现音频重采样....................................................20
1.音频处理基本概念及音频重采样.......................................20
2.代码实现.............................................................21
七:创建AAC编码器.............................................................24
(——)FFmpeg编石马过程......................................................25
L创建并打开编码器......................................................25
2.获取输入输出数据......................................................25
(-)FFmpeg代码实现(重采样+编码为AAC)..........................................................25
音频入门
一:音频入门
(-)声音三要素
声音三要素
♦音调:就是音频,男生♦女生一儿童
♦音量:振动的幅度
♦音色:它与材质有很大关系,本质是谐波
2,音量(振幅)
音频入门
量化基本概念码率计算
♦要声一个PCM解澹的码塞是一件很轻松的事情,
♦采样大小:T采样用多少bit存放.常用的是16bit采样率X采择大小X声道数
♦采样率:采样频率8k、16k.32k、44.1K、48k跳:采牌吐IKHz.
秘大小为16bit,
双声道的PCM编码的WAVX件,
♦声道数:单声道、双声道、多声道em率为44.1K*16*2=1411.2Kb/s
采样率48000,位深度16tit通道数2
知道这三个参数,那么基本我们就知道了
设备1秒内可以采集到多少音频数据是:
48000*16*2=1536000位
48000*16*2/8=192000字节.
也就是我的设备在一秒内可以采集192000
这么大的码流显然无法在我们的网络中传输!!!(不能带宽全给音视频传输吧),所以要进行
音频数据压缩!!!
(四)音频帧大小的计算(采样率和时间间隔的区另IJ)
采样率是指在1秒中的采样次数,而时间间隔是指每采取一帧音频数据所要时间间隔!!!
假设音频采样率=8000,采样通道二2,位深度二16,采样间隔=20ms
首先我们计算一秒钟总的数据量,采样间隔采用20ms的话,说明每秒钟需采集50次,这
个计算大家应该都懂,那么总的数据量计算为
一秒钟总的数据量=8000*2*16/8=32000
所以每帧音频数据大小二32000/50=640
每个通道样本数二640/2=320
解析:#defineMAX_AUDIO_FRAME_SIZE192000
是指双通道下,采用48k采样率.位深为16位,采样时间为1s
48000x2x16/8=192000字节
(五)PCM存储格式
PCM存储格式大体分为两种Planner和Packed
我们以双声道为例,L表示左声道,R表示右声道,如下为两种格式的存储方式:
Planner
LLLLLLLL-RRRRRRRR-
Packed
LRLRLRLRLR...
FFMpeg中对音频Format定义如下:
enumAVSampleFormat{
AV_SAMPLE_FMT_NONE=-1,
AV_SAMPLE.FMT.U8,///<unsigned8bits
AV_SAMPLE_FMT_S16.///<signed16bits
AV_SAMPLE_FMT_S32.///<signed32bits
AVSAMPLEFMTFLT.///<float
音频入门
AV.SAMPLE_FMT.DBL.///<double
AV_SAMPLE_FMT_U8P.///<unsigned8bits,planar
AV_SAMPLE_FMT_S16P.///<signed16bits,planar
AV_SAMPLE_FMT_S32P.///<signed32bits,planar
AVSAMPLE_FMT_FLTP,///<float,planar
AV_SAMPLE_FMT_DBLP,///<double,planar
AV_SAMPLE_FMT_S64.///<signed64bits
AV_SAMPLE_FMT_S64P.///<signed64bits,planar
AV.SAMPIF_FMT_NB///<NumherofsamplefnrmarsDCMOTUSFiflinkingdynamically
):
我们这里以WASAPI为例,在windows中WASAPI捕获的数据格式总是FLT,即浮点
Packed格式,而新版的FFMpeg中仅仅支持FLTP格式压缩(应该是需要自行编译FFMpeg
库并附加其他压缩库,如有错请指正),目前网络中的大部分博客均是老版FFMpeg所以还
都在使用其他格式。因比我们需要对PCM数据进行重新采样。
(六)WAVheader
在查看音频数据压缩方式前,先了解WAVheader的数据结构:
加区块右目翱克£克与
TheCanonicalWAVEfileformat£l£tlMX
G0tAJOWMMWd—'VF.尹
44Z*5»昵虹小l小6(刻―rtl屿糠BL;建:Mtt刊L
8Faz”网由X*53fiW4i5M5JlftfiAMVF.it轴附•殁也氐-个wmi瘴于俺掰想银.TwrEn^的UHE.
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04SO3sM注第对')小JCEHX81纵心日(和曲rHWhUQSCH驻f"•我
&nNCtu小5»«!
WAV例子:
音频入门
因为是4字节对齐,所以每个sample大小4字节;而之所以是4字节,取决于blockAlign字
段二(幅度大小x通道数);
二:音频处理流程
音频处理流程
♦15播客户端的处理澹程
♦音频故据的硒专
(H直播客户端的处理流程
我们讲解的音视频都是基于娱乐直播进行讲解的,所以我们必须对整个流程非常清楚。
如下图,是一个基本的直播客户端的处理流程图:
直播客户端处理流程
直播客户端分为几个模块,我们需要对每个模块做的事情非常清楚。总的来说我们直播客户
端分为两个端:共享端和观看端。
共享端包含:音视频采集,音视频编码两个模块
观看端包含:音视频解码,音视频渲染两个模块。
1.音视频采集:
音频采集一般我们只需要简单调用一下api就能实现,每个操作系统都提供了相对应的api.
只是对于不同的平台各不相同。
如Android端有audioRecord,mediaRecord等,我们什么时候使用audioRecord,什么时候
使用MediaRecord,这个我们需要非常清楚它的应用场景。
同样在IOS端有苹果提供的AVFoundation框架提供了很多音视频采集的方法,具中有很常
用的底层方法AudioUnito
2.音视频编码:
我们采集到音视频之后并不能直接传输,因为这个数据太大了,超出了我们网路的设备的负
载。
如果我们直接传输这么大量的数据,很容易出现各种问题,因此我们必须对这些数据进行压
缩后再进行传输,这个压缩的过程就是对音视频的编码处理。
音频入门
编码后的数据就是非常小的数据了。
对于编码这块的知识也非常多,我们后续也会详细讲解.
编码分为有损编码和无损编码。我们什么时候用有损编码,什么时候使用无损编码?有损
编码去掉的是哪些数据?这些原理我们都需要很清楚明白。
3.音视频传输:
编码时候,我们就需要把数据传输到对端,这个传输的过程也是非常复杂的,需要对网络知
识有个较好的理解。后续我也讲到这些。
4.音视频解码:
对端收到传输的数据后,需要对编码的数据进行解码,把压缩的数据还原后才能进行播放渲
染。解码这块是跟编码相对应的,用什么方式编码,就需要用对应的方式解码。
5.音视频渲染:
解码获取得到原始数据之后,音频交给扬声器播放(实际是交给驱动,驱动交给驱动硬件模
块进行处理),视频交给渲染器进行渲染。
(-)音频数据的流转(格式的转换)
音频数据流我们需要知道我们采集数据后,采集的是什
么数据,是PCM数据(模拟数据转数字信号,数
PCM]aac/mp3[mp4/flv
字信号就是PCM)O然后经过编码之后,编码出
的是什么格式的数据(aac/mp3)。这都是我们需
PCM][aac/mp3mp4/flv要理解的。
对于录制的视频,我们最后将音视频保存入
容器中;对于直播来说,我们并不需要最后一步,不需要将他存入容器中!!!
如下图是音频数据流的流转过程:
三:音频采集
(-)各平台音频采集方式
l.Android端音频采集:
/u010029439/article/details/85056757
音频入门
android平台上的音频采集一般就两种方式:
(1)使用MediaRecorde「进行音频采集。
MediaRecorder是基于AudioRecorder的API(最终还是会创建AudioRecord用来
与AudioFlinger进行交互),它可以直接将采集到的音频数据转化为执行的编码格式,并保
存"
这种方案相较于调用系统内置的用用程序,便于开发者在UI界面上布局,而且系统封
装的很好,便于使用,唯一的缺点是使用它录下来的音频是经过编码的,没有办法的得到原
始的音频。
同时MediaRecorder即可用于音频的捕获也可以用于视频的捕获相当的强大。实际开
发中没有特殊需求的话,用的是比较多的!
(2)使用AudioRecord进行音频采集。
AudioRecord是一个比较偏底层的API,它可以获取到一帧帧PCM数据,之后可以对
这些数据进行处理。
AudioRecord这种方式采集最为灵活,使开发者最大限度的处理采集的音频,同时它捕
获到的音频是原始音频PCM格式的!
像做变声处理的需要就必须要用它收集音频。
在实际开发中,它也是最常用来采集音频的手段。如直播技术采用的就是
AudioRecorder采集音频数据。
2.ios端音频采集:
https:〃/u13505575/2057075
3.Windows音频采集:
https:〃/machh/article/details/83546258
(-)FFMp6g采集音频方式(集成上面所有平台)
L通过命令方式(不同平台可能不同)
https:〃blogs.eom/ssyfj/p/14576359.html
先查看可用设备:
ld@ld-Lenovo-Productaplay-I
1****ListofPLAYBACKHardwareDevices****
card0:PCH[HDAIntelPCH],device0:ALC662rev3Analog[ALC662rev3Analog]
Subdevtces:1/1
Subdevtce#0:subdevtce#0
card1:NVidia[HDANVidia],devtce3:HDMI0[HDMI6]
Subdevtces:1/1
Subdevice#0:subdevice#0
card1:NVidia[HDANVidia],device7:HDMI1[HDMI1]
Subdevices:1/1
Subdevtce#0:subdevtce#0
其中card中:PCH与NVidia是声卡类型,可以通过查看cat/proc/asound/cards文件查看
所有在主机中注册的声卡列表:
音频入门
ld01d-Lenovo-Product:~/ryu/ryu/app$cat/proc/asound/cards
0[PCH]:HDA-Intel-HDAIntelPCH
HDAIntelPCHat0xf713O000irq31
1[NVidia]:HDA-Intel-HDANVidia
HDANVidiaatOxf7080000irq17
其中device设备中:
HDMI:是高清多媒体接口(HighDefinitionMultimediaInterface,HDMI)是一种全数字化
视频和声音发送接口,可以发送未压缩的音频及视频信号。
alc662是声卡:声卡(SoundCard)也叫音频卡(港台称之为声效卡),是计算机多媒体系统
中最基本的组成部分,是实现声波/数字信号相互转换的一种硬件。声卡的基本功能是把来
自话筒、磁带、光盘的原始声音信号加以转换,输出到耳机、扬声器、扩音机、录音机等声
响设备,或通过音乐设备数字接口(MIDI)发出合成乐器的声音
所以:想要录取声音,我们必须选取card。其他的device与subdevice可以任意
选取对应设备获取输入:
ffmpeg-falsa-ihw:0alseout.wav
49l4-le»ovo*Pro4uct:"/FFRpe9/crvO$alsaovt.iMV
•IMOVC.WW
2.通过API方式:
如下(三)
(三)FFmpeg编程采集音频
FFmpeg采集音猱流程
打开林入设目般露包抬出文件
L打开输入设备
采集音频的步骤
♦注册设保
♦设置采集avfoundation/dshow/alsa
♦打开醐设备
/include<libavutil/log.h>
音频入门
#include<libavcodec/avcodec.h>
#include<Iibavdevice/avdevice.h>
#include<libavformat/avformat.h>
intmain(intargc.char*argv)
(
char*devicename="hw:3";
charerrors[1024];
intrpr:
av_register_allO;
av_log_set_level(AV_LOG_DEBUG);
〃注册所有的设备,包括我们需要的音频设备
avdevice_register_all():
〃获取输入(采集)格式
AVInputFormat«iformat=av_find_input_format("alsa");
〃打开输入设备
AVFormatContext*fmt_ctx=NULL;
AVDictionary*options=NULL;
ret=avformat_openjnput(&fmt_ctx,devicename,iformat,&options);
if(ret<0){
av_strerror(ret,errors1024):
avJog(NULL,AV_LOG_ERROR,"Failedtoopenaudiodevice,[56d]fe\n",ret,errors);
}
av,iog(NULL,Av_LCK5JN►o,successtoopenaudiodevices)
return0;
}
gcc-oodOlOpenDevicec-I/usr/local/ffmpeg/include/-L/usr/local/ffmpeg/lib/-lavutil-
lavformat-lavcodec-lavdevice
ld@ld-Lenovo-Product:-/FFmpeg/develop/charpter_0/audio$./od
Successtoopenaudiodevice
2.从音频设备中读取音频数据
include<libavutil/log.h>
#include<libavcodec/avcodec.h>
#include<libavdevice/avdevice.h>
Winclude<libavformat/avforrrat.h>
inimaln(lniargc,char*argv)
音频入门
char*devicename="hw.T;
charerrors[1024];
intret,count=0;
AVFormatContext*fmt_ctx=NULL;
AVDictionary*options=NULL;
AVInputFormat«iformat=NULL;
AVPackPtpackpr:〃包结构
av_register_allO;
av_log_set_level(AV_LOG_DEBUG);
〃注册所有的设备,包括我们需要的音频设备
avdevice_registerall();
〃获取输入(采集)格式
iformat=av_find_input_formatC'alsa"):
〃打开输入设备
ret=avformat_open_input(&fmt_ctx,devicename,iformat,&options);
if(ret<0){
av_strerror(ret,errors1024);
av_log(NULL.AV_LOG_ERROR,"Failedtoopenaudiodevice.pW]fe\n".ret.errors):
)
av_log(NUH,AV_lOG」NF。,"Successtoopenaudiodevice\n");
〃开始从设备中读取数据
wmle((ret=av_read_trame(tm(_ctx,<s£paeke。)==u&&count++<bUUH
avlog(NULL,AV_LOGINFO,"Packetsize:16d(Mp).cout:?(>d\n",packet,si2e.packet.data.count);
〃释放空间
av_packet_unref(&packet);
)
〃关闭设备、稗放上下文空间
avformatclosejnput(&fnt_ctx);
return0;
)
gcc-ogap02GetAucioPacket.c-I/usr/local/ffmpeg/include/-L/usr/local/ffmpeg/lib/-
lavutil-lavformat-lavcodec-lavdevice
Idgld-Lenovo-Product:-/FFr)peg/develop/charpter_0/audto$./gap
Successtoopenaudiodevice
Packetsize:2048(0x96lc4e)(cout:1
Packetsize:2O48(0x961c46),cout:2
Packetstze:2048(6x961c4e),cout:3
Packetsize:2048(0x961049),cout:4
iPacketsize:2048(ex961c49),cout:5
〔Packetstze:2e48(ex961c49),cout:6
音频入门
包的大小同码率/8二字节数
3,录制成为音频文件
创建文件-->将音频数据写入到文件中-->关闭文件
#include<stdio.h>
#include<libavutil/log.h>
#include<libavcodec/avcodec.h>
#include<libavdevice/avdevice.h>
//include<libavformat/avformat.h>
intmain(intargc.char*argv)
(
char*devicename="hw.O";
charerrors[1024];
intret,count=0,len;
FILE*fp=NULL:
AVFormatContext*fmt_ctx=NULL:
AVDictionary*options=NULL;
AVInputFormat*iformat=NULL;
AVPacketpacket;〃包结构
av_register_allO;
av_log_set_level(AV_LOG_DEBUG);
〃注册所有如设缶.包括我们需要的音频设备
avdevice_register_all();
〃获取输入(采集)格式
iformat=av_find_input_forma(("alsa");
〃打开输入设备
ret=avformat_openjnput(&fmt_ctx,devicename.iformat.&options);
if(ret<0){
ov_Gtrcrror(rct.crrorG1024);
3v_log(NULL,AV_LOG_ERROR,"Failedtoopenaudiodevice,[%d]te\n".ret.errors);
)
av」og(NULLAV_LOG」NFO,"Successtoopenaudiodevice\n");
〃打开文件
fp=fopen("./audio.pcm""wb");
if(fp==NULLX
av_log(NULL,AV_LOG_ERROR,"Failedtoopenoutfile,p4d]Hs\n",ret,errors);
gotoran:
音频入门
)
〃开始从设备中读取数据
while((ret=av_readJrame(fmt_ctx1&packet))==0&&count++<500X
avlog(NULL.AVLOGINFO,"Packetsize:H<J(Hp).cout:?6d\n".packet.size.packet.data.count):
len=fwnte(packet.data.packet.size,l,fp);
fflush(fp);
if(len!=packet.size){
av_lno(NUIIAV_1OG_WARNING,"Warnino.Packetsize:Sdrntpqualwrifpnsi7R:%d\n".len.packetsi7A).
}else{
av_log(NULL.AV_LOG_INFO.-SuccesswritePackettofile");
)
〃释放空间
avpacket_unref(&packet);
)
fail:
if(fp)
fclose(fp);
〃关闭设备、稗放上下文空间
avformaLcloseinput(&fnt_ctx);
return0;
}
gcc-owad03WriteAudioData.c-I/usr/local/ffmpeg/include/-L/usr/local/ffmpeg/lib/-
lavutil-lavformat-lavcodec-lavdevice
注意:播放时需要指定格式,通过查看配置文件获取采样率等信息
sudogedit/etc/pulse/daemon.conf
;default-sample-format=sl6le
;default-sample-rate=44100
;alternate-sanple-rate=48060
;default-sample-channels=2
;default-channel-map«front-left,front-right
ffplay-ar44100-ac2-fsl6leaudio.pcm
Ui:音频压缩
(-)音频有损压缩技术(消除冗余信息)
音频冗余信息
注意:频域遮蔽效应和时域遮蔽效应的纵轴都是声
音频压缩技术是在保证信号在听觉方面不产生失氏的前提下,音强度;
对音爆她:信号进行尽可能大的压缩.
频域遮蔽的横轴是频率,是指在频率相近的声音,
压缩的主要方法《去除采集到的音蹂冗余信息.所谓冗余信息
包括人耳听觉的圉外的音频信号以及被搦破掉的音频信号.在一定的范围内(遮蔽门槛下的声音),声音强度大
信号的遮蔽可以分为频域遮蔽和时域遮蔽'
的会遮蔽声音强度小的声音。
音频入门
时域遮蔽的横轴是时间,是指在时间相近的声音,声音强度大的会遮蔽声音强度小的声音,
而且在发声前的部分较弱的声音(前遮蔽)和发声后的部分较弱的声音都会被屏蔽掉(后遮
蔽)。
频域遮蔽效应
时域遮蔽效应
(二)音频无损压缩技术
哈夫曼编码
算术编码
香农编码
(三)音频编码过程
原始数据--->传入给两个模块进行处理将两种数据(真正需要编码的数据)汇总,进行
量化,编码-------->形成比特流
1.时域转频域变换(将一段长时间的数据,转换为多种频段的数据,从而获取我任需要
的频段数据)
2.心理声学模型(前面的有损压缩过程)
(四)常见的音频编码器
♦常见的音频编码器包括OPUS、AAC.Vorbis.
Speex、iLBC、AMR、G.711等
♦网上评测结果:OPUS>AAC>Vorbis
其中最常见的是OPUS和AAC:延迟小,压缩率高
实时互动系统可以用。pus(在线教育、会议),其中WebRTC默认使用OPUS
泛娱乐化直播一般使用AAC(最广泛),opus一般不支持,推广上有些困难
两个系统融合,需要将opus与AAC互转
speex:回音消除,降噪模块等可实现。
G.711:有些会与固话相联系,固话用的就是G.711,或者G722(声音损失严重,但是
音频入门
可以在窄宽带下传输)
音频编码器性能质量对比:
音频编码器性能对比
横轴:比特率越大(质量越好),但是传输速度可能
较低;所以对于实时性要求高的,如OPus,在窄带
时,会降低质量,从而提高传输速度
纵轴:带宽质量(窄带、宽带、全带),硬件设施有
关
音频编码码率对比:(结合上面性能图)
音频编码码率
纵轴是延迟(0-200ms),横轴是码率。延迟越低,
Bitrate(kbps/channeQ
40BO.码率越小:
OpusOpus延迟较低,所以在20ms内,码率从0~20kb/s
D
c・
USpoox(NB.WB)AACLD
y而在码率较小时(0-20kb/s),AAC延迟则较大,在
《m40・V22.1C
M
>80G.729.1200ms附近,所以AAC不适用于实时性直播,适合
AMR-WB>于有一定延迟的直播。如果使用AAC于实时通信,
那么可以选择AAC-LD低延迟类型。
Vortis,AAC,UP3
•narrowtMMMl0wideband•>wideband
五:AAC编码
(-)AAC编码器介绍
AAC介绍
MP3相对来说存储的压缩比较低,压缩后的文件还是
AAC(AdvancedAudioCoding)由FraunhoferUS、4比我
验室.AI&I,Sony等公司共同开发,目的是取代MP3格式比较大。而AAC压缩率高,压缩后文件较小,并且保
最开始是基于MR3J的合解码技术.准出现后,
AAC重新侬了.JQA了年术.真性能好,还原数据后,与原始数据相似性高.
目前常用的规格有AACLC.AACHEVI.AACHEV2AAC常川规格中:AACHEVI使用较少,因为被V2
取代。通过下面AAC规格可以了解:
AACLC最基础
AACHEVI=AACLC+SBR
AACHEV2=AACHEVI+PS
音频入门
AAC规格AACLC:码流越大(AACLC,128k),存储信息量越大,
音质越好,保真性高。码流越小,压缩比越高,去除的冗
□AACLC
口senISp*:tr«l
LJK(earmtrtcSm>)余信息多,会对重要的数据造成一定的损失。
AACHE:按频谱分别保存;低频(基频)保存主要成分,
高频(谐频)和音色有很大关系,将高频单独放大去保证
音质。实现进一步压缩,
AACHEV2:参数化,俣存差异,进一步减少码流大小
♦AACLC:(LowComplexity)3ftSft格,码演128k.80i».
♦AACHE:等于AACLC♦SBR(SptctnlBandReplication).只
德心网相sw锚曲分保存.如成分.点喉中晚钝大埠码
保存音质.码流在64kfi右.
♦AACHEV2:等于AACLC♦SBR♦PS(Param♦tricStereo).其核
心思相是双声遒中的声舍存在臬种相似性.只高存储一个声道的全部信
息,然后,花很少的我用性整描述另f声道和它不同的地方.
对于AAC格式:ADTS相对于ADIF而言,虽AAC格式
然每一帧前面都有heade^信息,但是却可以ADIF(AudioDataInterchangeFormat)
实现随时拖动播放,不必每次从头播放。这种格式的特征是可以确定的找到这个音频数据的开始,只矫从头
开始版码,不能在吉领数空流中间开始.这种棺式常用在磁盘文件
中
ADTS(AudioDataTransportStream)
这南8式的特征是每f都有f同步字,所以可以在音频流的土
何位.开始解码.它类1以于数据流格式.
补充:音频一帧数据计算---假设音频采样率=8000,采样通道=
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