音频编解码器 - Opus

简介

Opus是一款完全开放、免版税、功能多样的音频编解码器。它适用于互联网上的交互式语音和音乐传输，但也适用于存储和流媒体应用。

Opus的前身是celt编码器。在当今的有损音频格式争夺上，拥有众多不同编码器的AAC格式打败了同样颇有潜力的Musepack、Vorbis等格式，而在Opus格式诞生后，情况似乎不同了。通过诸多的对比测试，低码率下Opus完胜曾经优势明显的HE AAC，中码率就已经可以媲敌码率高出30%左右的AAC格式，而高码率下更接近原始音频。

Opus可以处理各种音频应用，包括IP语音，视频会议，游戏内聊天，甚至远程现场音乐表演。它可以从低比特率窄带语音扩展到非常高质量的立体声音乐。支持的特性包括：

比特率从 6kb/s 到 510 kb/s
采样率从 8kHz（窄带）到 48kHz（全频段）
帧大小从 2.5ms 到 60ms
支持恒定比特率（CBR）和可变比特率（VBR）
从窄带到全频带的音频带宽
支持语音和音乐
支持单声道和立体声
支持多达255个通道（多流帧）
动态可调比特率，音频带宽和帧大小
良好的稳健性和隐蔽性
浮点和定点实现

可以在RFC 6716中阅读完整说明书，包括参考实现。下载页面还提供了最新的Opus标准实现。

编译opus静态库

从GitHub下载Opus-iOS编译工程
在Opus-iOS编译工程根目录下创建Opus-iOS/build/src目录。
下载opus稳定版，得到opus-xx.tar文件。
将opus-xx.tar放到Opus-iOS/build/src目录下。
如果你下载的opus版本和build-libopus.sh中的opus版本信息不一样，你要修改以下版本信息。

VERSION="1.2"       #这是opus版本
SDKVERSION="11.4"   #这是SDK版本
MINIOSVERSION="9.0" #这是最低iOS版本

在命令行中执行编译:

$ ./build-libopus.sh

编译完成后在Opus-iOS/dependencies中会看到include和lib

关于编译Static Library 和 Framework 的详细步骤请看Opus-iOS/README.md

集成opus到Xcode工程

用Xcode新建OpusDemo，将include 和 lib一同拷贝到工程中即可。
这一步就不细说了，新手请自行搜索Xcode集成静态库的方法。
不想往下看的话请直接看示例OpusDemo

opus主要接口

opus的接口声明在include/opus.h中，下面是四个主要的函数：

// 创建编码器
OpusEncoder *opus_encoder_create(
    opus_int32 Fs,
    int channels,
    int application,
    int *error
)

// 修改编码器参数
int opus_encoder_ctl(
    OpusEncoder *st, 
    int request, ...
)

// 创建解码器
OpusDecoder *opus_decoder_create(
    opus_int32 Fs,
    int channels,
    int *error
)

// 将PCM编码成opus
opus_int32 opus_encode(
    OpusEncoder *st,
    const opus_int16 *pcm,
    int frame_size,
    unsigned char *data,
    opus_int32 max_data_bytes
) 

// 从opus中译码出PCM
int opus_decode(
    OpusDecoder *st,
    const unsigned char *data,
    opus_int32 len,
    opus_int16 *pcm,
    int frame_size,
    int decode_fec
)

Tips

使用动态码率？

编码器默认使用动态码率，因此需要记录每一个帧编码之后的大小。我的demo使用2字节的头来记录每一块opus数据的大小，具体请看我的demo。

静态码率需要设置编码器的初始化参数如下，编码后产生固定的大小的opus块。

opus_encoder_ctl(_encoder, OPUS_SET_VBR(0));  // 0固定码率，1动态码率

指定码率？

你可以指定opus编码的码率大小，比特率从 6kb/s 到 510 kb/s，想要压缩比大一些就设置码率小一点，但是相应的也会使声音失真多一些。

#define BITRATE 16000 
opus_encoder_ctl(_encoder, OPUS_SET_BITRATE(BITRATE));

语音信号优化？

如果你用于语音而不是音乐，那你完全可以设置如下，以使编码器针对语音模式做优化处理。

opus_encoder_ctl(_encoder, 
OPUS_SET_APPLICATION(OPUS_APPLICATION_VOIP));

opus_encoder_ctl(_encoder, OPUS_SET_SIGNAL(OPUS_SIGNAL_VOICE));

一组测试数据

（以下结果只在本例参数条件下有效）

15:47:17.948335 WAV => PCM: 39584
15:47:17.958745 encodedBytes: 97
15:47:17.961646 encodedBytes: 116
15:47:17.964055 encodedBytes: 121
15:47:17.966504 encodedBytes: 112
15:47:17.969272 encodedBytes: 104
15:47:17.972323 encodedBytes: 118
15:47:17.975030 encodedBytes: 116
15:47:17.977766 encodedBytes: 115
15:47:17.980185 encodedBytes: 116
15:47:17.982257 encodedBytes: 101
15:47:17.984174 encodedBytes: 143
15:47:17.986285 encodedBytes: 147
15:47:17.988596 encodedBytes: 134
15:47:17.990366 encodedBytes: 112
15:47:17.991779 encodedBytes: 97
15:47:17.993259 encodedBytes: 93
15:47:17.994783 encodedBytes: 100
15:47:17.996292 encodedBytes: 105
15:47:17.997766 encodedBytes: 110
15:47:17.999361 encodedBytes: 94
15:47:17.999390 PCM => OPUS: 2291
15:47:17.999658 decodedSamples:960
15:47:17.999843 decodedSamples:960
15:47:17.999992 decodedSamples:960
15:47:18.000191 decodedSamples:960
15:47:18.000347 decodedSamples:960
15:47:18.000585 decodedSamples:960
15:47:18.000696 decodedSamples:960
15:47:18.000807 decodedSamples:960
15:47:18.000893 decodedSamples:960
15:47:18.001011 decodedSamples:960
15:47:18.001111 decodedSamples:960
15:47:18.001216 decodedSamples:960
15:47:18.001486 decodedSamples:960
15:47:18.001615 decodedSamples:960
15:47:18.002240 decodedSamples:960
15:47:18.002357 decodedSamples:960
15:47:18.002445 decodedSamples:960
15:47:18.002570 decodedSamples:960
15:47:18.002729 decodedSamples:960
15:47:18.002813 decodedSamples:960
15:47:18.002877 OPUS => PCM: 38400

采样率 16000
码率 16000
通道数 1
帧大小 960

压缩比: 13.4
编码耗时: 大约60ms
译码耗时: 大约10ms

示例

更多代码示例信息请移步OpusDemo