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AAC 格式（流媒体优化）

AAC（Advanced Audio Coding，高级音频编码）是一种有损压缩音频格式，诞生于1997年，由 Fraunhofer IIS、杜比实验室、索尼等公司联合开发，现为 MPEG-2/MPEG-4 标准的核心组成部分。其设计目标是替代 MP3，在相同比特率下提供更高音质，或在更低比特率下保持同等音质，是当今流媒体与移动设备的主流音频格式。

技术原理与核心特性​

编码技术演进​

AAC 在 MP3 基础上进行了多项技术革新：

  • MDCT（修正离散余弦变换）：采用更长的时域信号块（1024点）与短块（128点）动态切换，减少频谱泄露，提升频域分辨率。
  • 心理声学模型优化：更精准的掩蔽效应计算，去除人耳不敏感的冗余信息。
  • 分块策略：支持可变块长（KBD 窗口），动态适配瞬态信号与稳态信号。
  • 多声道编码：支持最高48声道，支持声道耦合（如5.1环绕声的联合编码）。

文件结构与封装​

可以使用 ADTS（Audio Data Transport Stream）面向流媒体的封装格式，含帧头（同步字、采样率、声道数等）和原始数据块。

// ADTS帧头结构示例（7字节）
typedef struct {
    uint16_t syncword;          // 同步字0xFFF
    uint8_t  protection_absent; // 是否含CRC校验
    uint8_t  profile;           // 编码配置（LC/HE/HEv2）
    uint8_t  sampling_freq_idx; // 采样率索引（如44.1kHz=4）
    uint8_t  private_bit;
    uint8_t  channel_config;    // 声道配置（单声道/立体声等）
    uint16_t frame_length;      // 帧长度
} ADTSHeader;

也可以使用 原始 AAC 流（Raw AAC） 无封装头，依赖外部元数据（如 MP4 容器中的 moov 原子）。

技术对比​

下表对比了 AAC 和 MP3 音频格式的优势和劣势。

特性AACMP3
频域分辨率最高支持 20k Hz以上（采样率 48kHz）通常限制在 16kHz（采样率 44.1kHz）
压缩效率相同码率下音质提升约 30%低码率下易出现“金属感”失真
多声道支持原生支持 5.1/7.1 声道需通过扩展（如 MP3 Surround）
专利状态专利已部分过期（部分编码器免费）专利已全面过期

使用场景​

适用场景​

  • 流媒体服务：Spotify、Apple Music、YouTube Music
  • 移动设备：手机、平板电脑音频播放
  • 数字广播：数字电台和广播
  • 视频音频：MP4 视频的音频轨道
  • 播客：播客音频文件

优缺点​

优点：

  • 相同码率下音质优于 MP3
  • 支持多声道（5.1、7.1）
  • 广泛支持，主流设备都支持
  • 文件体积相对较小
  • 适合流媒体传输

缺点：

  • 有损压缩，会丢失音频信息
  • 某些编码器需要授权费用
  • 编码延迟相对较高
  • 高频细节可能损失

代码示例​

Python 转换 AAC​

from pydub import AudioSegment

# 转换为 AAC
audio = AudioSegment.from_file("input.wav", format="wav")
audio.export("output.m4a", format="ipod", bitrate="192k")  # M4A 使用 AAC

命令行工具​

# 使用 ffmpeg 编码 AAC
ffmpeg -i input.wav -c:a libfdk_aac -b:a 128k output.aac
ffmpeg -i input.wav -c:a aac -b:a 192k output.m4a

# 使用 faac 编码器
faac -b 128 input.wav -o output.aac

# 解码 AAC
ffmpeg -i input.aac output.wav

使用 ffmpeg-python​

import ffmpeg

# 编码为 AAC
stream = ffmpeg.input('input.wav')
stream = ffmpeg.output(stream, 'output.aac', acodec='libfdk_aac', audio_bitrate='128k')
ffmpeg.run(stream)

相关工具​

  • 播放器：
    • iTunes：Apple 官方播放器
    • VLC Media Player：跨平台播放器
    • Windows Media Player：Windows 播放器
  • 编码工具：
    • FFmpeg：支持多种 AAC 编码器
    • faac：开源 AAC 编码器
    • iTunes：可以转换音频格式
  • 音频编辑器：
    • Audacity：支持 AAC 导入导出
    • Adobe Audition：专业音频编辑
  • 编程库：
    • Python: pydub、ffmpeg-python
    • C/C++: libfdk-aac、faac、libavcodec（FFmpeg）

相关链接​

参考​