hd08复刻能不能实战:MP3文件编码结构

MP3文件编码结构

转载▼

mp3

id3

软件

编程

编码

it

一．概述：

MP3 文件是由帧(frame)构成的，帧是MP3 文件最小的组成单位。MP3 的全称应为MPEG1 Layer-3 音频
文件，MPEG(Moving Picture ExpertsGroup)在汉语中译为活动图像专家组，特指活动影音压缩标准，MPEG
音频文件是MPEG1 标准中的声音部分，也叫MPEG 音频层，它根据压缩质量和编码复杂程度划分为三层，即
Layer-1、Layer2、Layer3，且分别对应MP1、MP2、MP3 这三种声音文件，并根据不同的用途，使用不同层
次的编码。MPEG 音频编码的层次越高，编码器越复杂，压缩率也越高，MP1 和MP2 的压缩率分别为4：1 和
6：1-8：1，而MP3 的压缩率则高达10：1-12：1，也就是说，一分钟CD 音质的音乐，未经压缩需要10MB
的存储空间，而经过MP3 压缩编码后只有1MB 左右。不过MP3 对音频信号采用的是有损压缩方式，为了降
低声音失真度，MP3 采取了“感官编码技术”，即编码时先对音频文件进行频谱分析，然后用过滤器滤掉
噪音电平，接着通过量化的方式将剩下的每一位打散排列，最后形成具有较高压缩比的MP3 文件，并使压
缩后的文件在回放时能够达到比较接近原音源的声音效果。

二．整个MP3 文件结构：

MP3 文件大体分为三部分：TAG_V2(ID3V2)，Frame, TAG_V1(ID3V1)

三．MP3 的FRAME 格式：

每个FRAME 都有一个帧头FRAMEHEADER，长度是4BYTE（32bit）,帧头后面可能有两个字节的CRC 校
验，这两个字节的是否存在决定于FRAMEHEADER 信息的第16bit，为0 则帧头后面无校验，为1 则有校验,
校验值长度为2 个字节，紧跟在FRAMEHEADER 后面，接着就是帧的实体数据了，格式如下：

1．帧头FRAMEHEADER 格式如下：

1）  每帧的播放时间：无论帧长是多少，每帧的播放时间都是26ms；

2）  数据帧大小:
FrameSize = (((MpegVersion == MPEG1 ? 144 : 72) * Bitrate) /SamplingRate) + PaddingBit
例如: Bitrate ＝ 128000, a SamplingRate ＝44100, and PaddingBit ＝1
FrameSize = (144 * 128000) / 44100 + 1 = 417 bytes

2．MAIN_DATA：
MAIN_DATA 部分长度是否变化决定于FRAMEHEADER 的bitrate 是否变化，一首MP3 歌曲，它有三个版
本：96Kbps（96 千比特位每秒）、128Kbps 和192Kbps。Kbps（比特位速率），表明了音乐每秒的数据量，
Kbps 值越高，音质越好，文件也越大，MP3 标准规定，不变的bitrate 的MP3 文件称作CBR，大多数MP3
文件都是CBR 的，而变化的bitrate 的MP3 文件称作VBR，每个FRAME 的长度都可能是变化的。下面是CBR
和VBR 的不同点：
1）CBR：固定位率的FRAME 的大小也是固定的（公式如上所述），只要知道文件总长度，和帧长即可由播
放每帧需26ms 计算得出mp3 播放的总时间，也可通过计数帧的个数控制快进、快退慢放等操作。
2）VBR：VBR 是XING 公司推出的算法，所以在MP3 的FRAME 里会有“XING"这个关键字（现在很多流行的
小软件也可以进行VBR 压缩，它们是否遵守这个约定，那就不得而知了），它存放在MP3 文件中的第一个
有效FRAME 里，它标识了这个MP3 文件是VBR 的。同时第一个FRAME 里存放了MP3 文件的FRAME的总个数，
这就很容易获得了播放总时间，同时还有100 个字节存放了播放总时间的100 个时间分段的FRAME 的INDEX，
假设4 分钟的MP3 歌曲，240S，分成100 段，每两个相邻INDEX 的时间差就是2.4S，所以通过这个INDEX，
只要前后处理少数的FRAME，就能快速找出我们需要快进的FRAME 头，可参考下文：

This system was created to minimize file lengths and to preservesound quality. Higher frequencies generally needs more space forencoding (thats why many codecs cut all frequencies above cca16kHz) and lower tones requires less. So if some part of songdoesnt consist of higher tones then using eg. 192kbps is wasting ofspace. It should be enough to use only eg. 96kbps. And it is theprinciple of VBR. Codec looks over frame and then choose bitratesuitable for its sound quality.
It sounds perfect but it brings some problems:
If you want to jump over 2 minutes in song, it is not a problemwith CBR because you are able simply count amount of Bytes which isnecessary to skip. But it is impossible with VBR. Frame lengthsshould be arbitrary so you have to either go frame by frame andcounts (time consuming and very unpractical) or use anothermechanism for approximate count. If you want to cut 5 minutes fromthe middle of VBR file (all we know CDs where last song takes 10minutes but 5 minutes is a pure silence, HELL!) problems are thesame.

Result? VBR files are more difficult for controlling and adjusting.And I dont like feeling that sound quality changes in every moment.And AFAIK many codecs have problems with creation VBR in goodquality. Personally I cant see any reason why to use VBR - I dontgive a fuck if size of one CD in MP3 is 55 MB with CBR or 51 MBwith VBR. But everybody has a different taste... some people preferVBR.

VBR File Structure
is the same as for CBR. But the first frame doesnt contain audiodata and it is used for special
information about VBR file.

四．ID3v1

ID3V1 比较简单，它是存放在MP3 文件的末尾，用16 进制的编辑器打开一个MP3 文件，查看其末尾
的128 个顺序存放字节，数据结构定义如下：
typedef struct tagID3V1
{
char Header[3];
char Title[30];
char Artist[30];
char Album[30];
char Year[4];
char Comment[28];
char reserve;
char track;;
char Genre;
}ID3V1,*pID3V1;
ID3V1 的各项信息都是顺序存放，没有任何标识将其分开，比如标题信息不足30 个字节，则使用'\0'
补足，否则将造成信息错误。Genre 使用原码表示，对照表如下：

0="Blues";
1="ClassicRock";
2="Country";
3="Dance";
4="Disco";
5="Funk";
6="Grunge";
7="Hip-Hop";
8="Jazz";
9="Metal";
10="NewAge";
11="Oldies";
12="Other";
13="Pop";
14="R&B";
15="Rap";
16="Reggae";
17="Rock";
18="Techno";
19="Industrial";
20="Alternative";
21="Ska";
22="DeathMetal";
23="Pranks";
24="Soundtrack";
25="Euro-Techno";
26="Ambient";
27="Trip-Hop";
28="Vocal";
29="Jazz+Funk";
30="Fusion";
31="Trance";
32="Classical";
33="Instrumental";
34="Acid";
35="House";
36="Game";
37="SoundClip";
38="Gospel";
39="Noise";
40="AlternRock";
41="Bass";
42="Soul";
43="Punk";
44="Space";
45="Meditative";
46="InstrumentalPop";
47="InstrumentalRock";
48="Ethnic";
49="Gothic";
50="Darkwave";
51="Techno-Industrial";
52="Electronic";
53="Pop-Folk";
54="Eurodance";
55="Dream";
56="SouthernRock";
57="Comedy";
58="Cult";
59="Gangsta";
60="Top40";
61="ChristianRap";
62="Pop/Funk";
63="Jungle";
64="NativeAmerican";
65="Cabaret";
66="NewWave";
67="Psychadelic";
68="Rave";
69="Showtunes";
70="Trailer";
71="Lo-Fi";
72="Tribal";
73="AcidPunk";
74="AcidJazz";
75="Polka";
76="Retro";
77="Musical";
78="Rock&Roll";
79="HardRock";

80="Folk";
81="Folk-Rock";
82="NationalFolk";
83="Swing";
84="FastFusion";
85="Bebob";
86="Latin";
87="Revival";
88="Celtic";
89="Bluegrass";
90="Avantgarde";
91="GothicRock";
92="ProgessiveRock";
93="PsychedelicRock";
94="SymphonicRock";
95="SlowRock";
96="BigBand";
97="Chorus";
98="EasyListening";
99="Acoustic";
100="Humour";
101="Speech";
102="Chanson";
103="Opera";
104="ChamberMusic";
105="Sonata";
106="Symphony";
107="BootyBass";
108="Primus";
109="PornGroove";
110="Satire";
111="SlowJam";
112="Club";
113="Tango";
114="Samba";
115="Folklore";
116="Ballad";
117="PowerBallad";
118="RhythmicSoul";
119="Freestyle";
120="Duet";
121="PunkRock";
122="DrumSolo";
123="Acapella";
124="Euro-House";
125="DanceHall";
126="Goa";
127="Drum&Bass";
128="Club-House";
129="Hardcore";
130="Terror";
131="Indie";
132="BritPop";
133="Negerpunk";
134="PolskPunk";
135="Beat";
136="ChristianGangstaRap";
137="HeavyMetal";
138="BlackMetal";
139="Crossover";
140="ContemporaryChristian";
141="ChristianRock";
142="Merengue";
143="Salsa";
144="TrashMetal";
145="Anime";
146="JPop";
147="Synthpop";

五．ID3V2

ID3V2 到现在一共有4 个版本，但流行的播放软件一般只支持第3 版，既ID3v2.3。由于ID3V1 记录
在MP3 文件的末尾，ID3V2 就只好记录在MP3 文件的首部了(如果有一天发布ID3V3，真不知道该记录在哪
里)。也正是由于这个原因，对ID3V2 的操作比ID3V1 要慢。而且ID3V2 结构比ID3V1 的结构要复杂得多，
但比前者全面且可以伸缩和扩展。
下面就介绍一下ID3V2.3。
每个ID3V2.3 的标签都一个标签头和若干个标签帧或一个扩展标签头组成。关于曲目的信息如标题、作者
等都存放在不同的标签帧中，扩展标签头和标签帧并不是必要的，但每个标签至少要有一个标签帧。标签
头和标签帧一起顺序存放在MP3 文件的首部。

1、标签头

在文件的首部顺序记录10 个字节的ID3V2.3 的头部。数据结构如下：
char Header[3];
char Ver;
char Revision;
char Flag;
char Size[4];
1）.标志字节
标志字节一般为0，定义如下：
abc00000
a -- 表示是否使用Unsynchronisation(这个单词不知道是什么意思，字典里也没有找到，一般不设置)
b -- 表示是否有扩展头部，一般没有(至少Winamp 没有记录)，所以一般也不设置
c -- 表示是否为测试标签(99.99%的标签都不是测试用的啦，所以一般也不设置)
2）.标签大小
一共四个字节，但每个字节只用7 位，最高位不使用恒为0。所以格式如下
0xxxxxxx 0xxxxxxx 0xxxxxxx 0xxxxxxx
计算大小时要将0 去掉，得到一个28 位的二进制数，就是标签大小(不懂为什么要这样做)，计算公式如
下：
int total_size;
total_size = (Size[0]&0x7F)*0x200000
+(Size[1]&0x7F)*0x400
+(Size[2]&0x7F)*0x80
+(Size[3]&0x7F)

2、标签帧

每个标签帧都有一个10 个字节的帧头和至少一个字节的不固定长度的内容组成。它们也是顺序存放在文件
中，和标签头和其他的标签帧也没有特殊的字符分隔。得到一个完整的帧的内容只有从帧头中的到内容大
小后才能读出，读取时要注意大小，不要将其他帧的内容或帧头读入。
帧头的定义如下：
char FrameID[4];
char Size[4];
char Flags[2];

1）.帧标识
用四个字符标识一个帧，说明一个帧的内容含义，常用的对照如下：
TIT2=标题 表示内容为这首歌的标题，下同
TPE1=作者
TALB=专集
TRCK=音轨 格式：N/M 其中N 为专集中的第N 首，M 为专集中共M 首，N 和M 为ASCII 码表示的数字
TYER=年代 是用ASCII 码表示的数字
TCON=类型 直接用字符串表示
COMM=备注 格式："eng\0 备注内容"，其中eng 表示备注所使用的自然语言

2）.大小
这个可没有标签头的算法那么麻烦，每个字节的8 位全用，格式如下
xxxxxxxx xxxxxxxx xxxxxxxx xxxxxxxx
算法如下：
int FSize;
FSize = Size[0]*0x100000000
+Size[1]*0x10000
+Size[2]*0x100
+Size[3];

3）.标志
只定义了6 位，另外的10 位为0，但大部分的情况下16 位都为0 就可以了。格式如下：
abc00000 ijk00000
a -- 标签保护标志，设置时认为此帧作废
b -- 文件保护标志，设置时认为此帧作废
c -- 只读标志，设置时认为此帧不能修改(但我没有找到一个软件理会这个标志)
i -- 压缩标志，设置时一个字节存放两个BCD 码表示数字
j -- 加密标志(没有见过哪个MP3 文件的标签用了加密)
k -- 组标志，设置时说明此帧和其他的某帧是一组
值得一提的是winamp 在保存和读取帧内容的时候会在内容前面加个'\0'，并把这个字节计算在帧内容的
大小中。
附：帧标识的含义

4）. Declared ID3v2 frames
The following frames are declared in this draft.
AENC Audio encryption
APIC Attached picture
COMM Comments
COMR Commercial frame
ENCR Encryption method registration
EQUA Equalization
ETCO Event timing codes
GEOB General encapsulated object
GRID Group identification registration
IPLS Involved people list
LINK Linked information
MCDI Music CD identifier
MLLT MPEG location lookup table
OWNE Ownership frame
PRIV Private frame
PCNT Play counter
POPM Popularimeter
POSS Position synchronisation frame
RBUF Recommended buffer size
RVAD Relative volume adjustment
RVRB Reverb
SYLT Synchronized lyric/text
SYTC Synchronized tempo codes
TALB Album/Movie/Show title
TBPM BPM (beats per minute)
TCOM Composer
TCON Content type
TCOP Copyright message
TDAT Date
TDLY Playlist delay
TENC Encoded by
TEXT Lyricist/Text writer
TFLT File type
TIME Time
TIT1 Content group description
TIT2 Title/songname/content description
TIT3 Subtitle/Description refinement
TKEY Initial key
TLAN Language(s)
TLEN Length
TMED Media type
TOAL Original album/movie/show title
TOFN Original filename
TOLY Original lyricist(s)/text writer(s)
TOPE Original artist(s)/performer(s)
TORY Original release year
TOWN File owner/licensee
TPE1 Lead performer(s)/Soloist(s)
TPE2 Band/orchestra/accompaniment
TPE3 Conductor/performer refinement
TPE4 Interpreted, remixed, or otherwise modified by
TPOS Part of a set
TPUB Publisher
TRCK Track number/Position in set
TRDA Recording dates
TRSN Internet radio station name
TRSO Internet radio station owner
TSIZ Size
TSRC ISRC (international standard recording code)
TSSE Software/Hardware and settings used for encoding
TYER Year
TXXX User defined text information frame
UFID Unique file identifier
USER Terms of use
USLT Unsychronized lyric/text transcription
WCOM Commercial information
WCOP Copyright/Legal information
WOAF Official audio file webpage
WOAR Official artist/performer webpage
WOAS Official audio source webpage
WORS Official internet radio station homepage
WPAY Payment
WPUB Publishers official webpage
WXXX User defined URL link frame