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FLAC 格式（无损压缩）

FLAC（Free Lossless Audio Codec）是一种开源无损音频压缩格式，由 Xiph.Org 基金会于 2001 年开发。其通过预测编码和熵编码技术，可将音频文件体积压缩至原始大小的 50%-70% 且完全保留音质，支持流式传输与快速定位采样点，常用于音乐母带存档和高保真音频播放，但文件体积仍显著大于有损格式。

格式简介​

FLAC 是一种无损音频压缩格式，可以在不损失任何音质的情况下减小文件体积。FLAC 格式是完全开源的，没有任何专利限制，被广泛用于音乐收藏、高保真音频播放和专业音频制作。

FLAC 文件扩展名为 .flac，MIME 类型为 audio/flac。FLAC 格式是 Xiph.Org 基金会开发的开放标准，是开源音频格式的代表。

技术特点​

压缩算法​

FLAC 使用以下技术实现无损压缩：

  1. 线性预测编码（LPC）：预测音频样本值
  2. 残差编码：存储预测误差
  3. 熵编码：使用 Rice 编码或 Golomb 编码进一步压缩
  4. 块级压缩：将音频分成块进行独立压缩

核心特性​

  • 完全无损：解压后与原始音频完全相同
  • 压缩比：通常可压缩至原始大小的 50%-70%
  • 快速解码：解码速度快，适合实时播放
  • 流式支持：支持流式传输和播放
  • 快速定位：支持快速定位到任意采样点
  • 错误检测：内置 CRC 校验，可检测数据损坏

支持的参数​

  • 采样率：1Hz 到 655350Hz
  • 位深度：4 位到 32 位
  • 声道数：1 到 8 个声道（标准），最多 255 个（扩展）
  • 压缩级别：0-8（0 最快，8 最小体积）

文件结构​

FLAC 文件由以下部分组成：

[fLaC 标识]              # "fLaC" 标识（4 字节）
[元数据块]               # 可选的元数据块
  - STREAMINFO          # 流信息（必需）
  - PADDING             # 填充块
  - APPLICATION         # 应用数据
  - SEEKTABLE           # 查找表
  - VORBIS_COMMENT      # Vorbis 注释
  - CUESHEET            # 提示表
  - PICTURE             # 封面图片
[音频帧]                 # 压缩的音频数据帧

关键块说明​

  • STREAMINFO：包含采样率、声道数、总样本数等（必需）
  • SEEKTABLE：用于快速定位的查找表
  • VORBIS_COMMENT：元数据（标题、艺术家等）
  • PICTURE：封面图片（PNG、JPEG 等）

使用场景​

适用场景​

  • 音乐收藏：高质量音乐文件存储
  • 音乐母带存档：专业音频制作和存档
  • 高保真音频播放：Hi-Fi 音频系统
  • 音频分发：需要无损音质的场景
  • 开源项目：需要开源音频格式的项目

优缺点​

优点：

  • 完全无损，音质完美
  • 开源免费，无专利限制
  • 压缩比好，节省存储空间
  • 解码速度快，适合实时播放
  • 支持丰富的元数据
  • 广泛支持，主流播放器都支持

缺点：

  • 文件体积仍比有损格式大
  • 某些旧设备可能不支持
  • 编码速度相对较慢（高压缩级别）

代码示例​

Python 读取 FLAC​

import soundfile as sf

# 读取 FLAC 文件
data, sample_rate = sf.read('audio.flac')
print(f"采样率: {sample_rate} Hz")
print(f"数据形状: {data.shape}")
print(f"时长: {len(data) / sample_rate:.2f} 秒")

Python 写入 FLAC​

import soundfile as sf
import numpy as np

# 生成音频数据
sample_rate = 44100
duration = 2.0
t = np.linspace(0, duration, int(sample_rate * duration), False)
audio_data = np.sin(2 * np.pi * 440 * t)

# 保存为 FLAC
sf.write('output.flac', audio_data, sample_rate, format='FLAC')

Python 使用 pydub​

from pydub import AudioSegment

# 读取 FLAC
audio = AudioSegment.from_file("audio.flac", format="flac")
print(f"时长: {len(audio) / 1000} 秒")
print(f"采样率: {audio.frame_rate} Hz")

# 转换为其他格式
audio.export("output.mp3", format="mp3", bitrate="192k")

命令行工具​

# 使用 flac 命令行工具
flac audio.wav -o audio.flac              # 压缩
flac -d audio.flac -o audio.wav           # 解压
flac audio.wav -8 -o audio.flac           # 最高压缩级别

# 使用 ffmpeg
ffmpeg -i input.wav -c:a flac output.flac
ffmpeg -i input.flac output.wav

相关工具​

  • 播放器：
    • VLC Media Player：跨平台播放器
    • Foobar2000：Windows 音频播放器
    • Audacious：Linux 音频播放器
  • 编码工具：
    • FLAC 命令行工具：官方编码工具
    • FFmpeg：支持 FLAC 编码
  • 音频编辑器：
    • Audacity：支持 FLAC 导入导出
    • Adobe Audition：支持 FLAC
  • 编程库：
    • Python: soundfile、pydub、librosa
    • C/C++: libFLAC
    • JavaScript: flac.js

相关链接​

参考​