音频文件格式 Vorbis 编解码

上一篇介绍了OGG音频文件格式，其中涉及到Vorbis编解码，有网友反馈需要介绍一下，所以就查找了一些资料，本文做一下相关内容介绍。

Vorbis 介绍

Ogg Vorbis 是由 Xiph.Org 基金会开发的一种音频压缩格式，该基金会是一家致力于互联网多媒体技术领域的非营利组织。Ogg 本身是多个多媒体项目的大型框架，包括 Vorbis（音频）和 Tarkin（视频）。Vorbis 是 Ogg 系列中第一个针对音频压缩/解压缩的项目。

Ogg Vorbis的编码和解码可以分为6大阶段。Vorbis 编码器将原始音频数据视为重叠但连续的短时间段，并分析音频数据以找到最佳的小表示。这个阶段称为分析。之后，它将音频数据编码为上一步中确定的更小的数据表示形式。这个阶段称为编码。然后原始数据包将被打包成流，称为流式传输。在另一端，解码器从流中提取原始数据包序列；该阶段称为流式分解。然后，它尝试从这些数据包中重建声音信号表示，称为解码。最后，音频信号将从合成阶段的解码表示中重新生成。

解码

在我们的项目中，只有解码器部分令人感兴趣（见图 1）。解码比编码简单且简单。解码器将 Ogg 流中的 Vorbis 数据包分解出来。然后，Vorbis 数据包在解码阶段进行处理，以提取底数、残差并进行通道解耦。频域中的音频信号被恢复、逆MDCT变换回时域并去重叠以形成输出音频信号。

在过去一段时间中，ogg vorbis 解码器被设计和实现为针对不同软核处理器的嵌入式系统。例如网上资料用于 Motorola DSP56002的Ogg Vorbis 解码器、用于 DSP 处理器的嵌入式系统中的 Ogg/Vorbis 以及用于 LEON SoC 平台的片上系统音频播放器设计，以及microblaze 处理器（实现具有特定硬件的 ogg vorbis 解码器）。

下图显示了某公司提出的 ogg vorbis 解码器的架构，主要由 Microblaze 处理器、AC97 声音设备控制器和作为 IMDCT 硬件实现的 ogg vorbis 解码器部分组成。称为 Tremor 的定点解码器（由 Vorbis I 规范的创建者 Xiph.Org 开发）将被移植到 MicroBlaze 处理器，并且将开发 Ogg Vorbis 播放器。

提到Vorbis编码，就不得不说一下MDCT了。

MDCT

MDCT (Modified Discrete Cosine Transform) 变换是一种在信号处理和音频编码领域广泛应用的数学变换方法，是从DCT（离散余弦变换）演化而来，旨在提供更好的频谱分辨率。

核心原理：

MDCT变换通过将输入信号分割成重叠的时间段，并对每个时间段应用DCT变换来获得频域表示。其关键特点之一是窗函数的使用，常用的窗函数包括长短序列窗（Long-Short Sequence Window）或者加权平滑窗（Weighted Overlapped Segmental Averaging）。这些窗函数有助于减小频率泄露，并保持频谱的平滑性。

主要作用：

音频压缩：MDCT变换在音频编码中被广泛应用，如MPEG音频编码标准（如MP3、AAC）中的核心算法之一。它能够将音频信号从时域转换到频域，实现高效的数据压缩，并且保留了人耳对声音的感知特性，以达到高质量的音频重建。

语音和音乐分析：MDCT变换也用于语音和音乐信号的分析。通过将信号分解为频域表示，可以提取关键的频谱特征，如音高、音色、谐波结构等。这对于语音识别、音乐信息检索和音频信号处理等应用具有重要意义。

MDCT是线性正交重叠变换，由princen在论文中引入。到目前为止，MDCT广泛应用于最先进的音频编解码器中，例如MP3、AAC、Ogg vorbis。令x(k)为时域中的样本，n为块的大小。xt(k), k = 0..n-1 是用于计算块编号 t 的频域样本 Xt(k)k = 0..n/2-1 的样本。MDCT的方程为：

IMDCT公式如下：

具体内容参考https://media.taricorp.net/eusipco_corrected.pdf

MDCT 的详细描述可参见T. Sporer、K. Brandenburg 和 B. Edler 撰写的论文《使用多速率滤波器组进行高质量数字音频编码》。

应用

Vorbis 是一种通用感知音频编解码器，旨在实现编码器的最大灵活性，从而使其能够在极其广泛的比特率范围内进行竞争性扩展。在高质量/比特率端（CD 或 DAT 速率立体声，16/24 位），它与 MPEG-2 和 MPC 处于同一联盟。同样，1.0 编码器可以以低于 48kpbs 的速率对高质量 CD 和 DAT 速率立体声进行编码，而无需重新采样到更低的速率。Vorbis 还适用于更低和更高的采样率（从 8kHz 电话到 192kHz 数字母带）和一系列通道表示（单声道、和弦、立体声、四声道、5.1、Ambisonic 或最多 255 个离散通道）。

解码器配置

解码器设置由多个独立组件抽象的配置组成，这些组件抽象在解码管道中执行特定功能。特定类型的每个不同组件实例在语义上是可以互换的；解码器配置包括内部组件配置以及将特定实例安排到解码管道中。组件排列大致如下：