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無損音頻格式 APE 與 FLAC

01-31

昨天，學霸胖問了我們一個問題，「APE」格式是什麼？我也一時想不起來全稱，只知道屬於一種無損的音頻格式。回來之後，覺得有必要查一查資料，然後做一次科普，同諸位分享。

查閱資料，當今廣泛存在的無損壓縮格式（音頻）有 APE、 FLAC、 WavPack、 LPAC、 WMALossless、 AppleLossless、 La、 OptimFROG 和 Shorten。而常見的、主流的無損壓縮格式是 APE、FLAC、WMALossless 和 AppleLossless。那我們今天就來聊聊這些無損音頻格式當中的兩個：APE 和 FLAC。

引入—— WAV 音頻格式與音頻壓縮

WAV 音頻格式是最接近無損的一種音樂格式，是微軟開發的一種符合 RIFF(Resource Interchange File Format) 文件規範的聲音文件格式。如果你使用過 Adobe Audition 系列軟體，會發現它們使用的默認存儲格式就是 WAV。WAV 文件通常都比較大，根據其大小計算公式：

文件大小（Byte） = （取樣頻率 * 取樣位數 * 聲道） * 時間 / 8n

一個10分鐘 44.1k 採樣頻率、16位立體聲音頻，根據計算式：

filesize = (44.1 * 1000 * 16 * 2) * 60 * 10 / 8n = 105,840,000 Byten = 100.93689 MBn

可見其實 WAV 文件是非常佔用空間的，如果是一場音樂會，時長90分鐘，使用24位深度，那麼文件大小約為 1.31GB，故而人們嘗試使用壓縮演算法來減小文件體積。

那麼重點來了，如何壓縮文件來獲得更小的體積佔用呢？軟體演算法把人耳不敏感的音頻信號全部濾除，從而只留下人耳敏感的部分，這樣會直接導致使用高還原度的音頻播放設備時，聲音出現明顯的失真！

簡單說來，此類演算法的目的就是要去掉不必要的音頻信號。所以，這一類壓縮演算法往往都是不可逆的，即通過壓縮之後的音頻文件，絕對不可能通過逆向演算法還原原來的文件。

APE 音頻格式

經過剛才的分析，我們已經知道了為什麼音頻格式會出現無損和有損之分，它指的是文件壓縮的時候是否會丟失精細程度，而不是相對原始聲音而言（因為真實聲音信號向數字信號轉換時，必然有一部分信息丟失，丟失的多少，與採樣率有直接關係）。那麼如何證明 APE 文件格式是無損的呢？以下進行一個實驗：

實驗工具：

  • Adobe Auditon CC 2017 release

  • Windows 10 Pro

  • 一段 WAV 音頻文件

實驗過程：

  • 第一步：生成 WAV 音頻文件

  • 第二步：生成 APE 文件

    可見 APE 文件相對 WAV 文件，產生了一定的壓縮。

  • 第三步：使用生成的 APE 文件還原 WAV 文件

所以我們說 APE 是一種無損壓縮。

FLAC 音頻格式

知道了 APE 格式，我們再來看看 FLAC 格式。

同樣的工具和步驟：

  • 第一步：生成 FLAC 文件

  • 第二步：還原 WAV 文件

FLAC 格式因起強大的信息保全特性和較好的跨平台支持特性，廣受人們的歡迎，如今不如智能化時代，設備的運算能力提升，故市面常見的播放器廠商都會對這種格式作支持。

但是值得注意的是，FLAC 格式的壓縮比不高，使得文件存儲時仍然需要較大的空間。同時，低圧縮比也是其相對 APE 的另一優勢。APE 文件因其高壓縮比而往往需要設備更強大的解碼能力，在軟硬體能力不足時，其流暢性會受到損傷。

多平台支持

FLAC 相比 APE 的解碼複雜程度要較低（解碼運算量小、只需要整數運算），解碼速度快，對計算硬體要求很低，在很普通的硬體上就可以輕鬆實現實時解碼播放。所以 FLAC 是目前唯一獲得廣泛硬體支持的無損壓縮編碼，在消費領域，已經有很多移動多媒體播放器、汽車、家用音響設備支持 FLAC 格式了。

目前，APE 格式官方只提供 Windows 支持。雖然也有提供 GNU/Linux 和 macOS 平台的官方支持的討論，但是沒有結果。目前只有一位名為 SuperMMX 的開發者於2003年7月發布了一個非官方移植版本。它包括了供 XMMS 與 Beep Media Player 回放 Monkeys Audio (APE) 使用的插件。該移植支持 GNU/Linux，後續逐漸支持Mac OS X和基於 PowerPC、SPARC 平台的 GNU/Linux。但是這個非官方移植計劃沒有得到官方的承認，受制於官方發行許可證的限制，其未來並不明朗。不過據稱 Monkeys Audio 的Win32庫可以藉助 wine 在 GNU/Linux 平台運行。而硬體支持方面，由於採用了浮點運算，編碼解碼速度慢，對硬體的要求較高，硬體支持度不如FLAC。

容錯能力

APE 文件的容錯性很差，只要在傳輸過程中出現一點差錯，就會讓整首 APE 音樂作廢。而 FLAC 文件因為每幀數據之間無關聯。因此當 FLAC 文件在傳播過程中受損，導致某幀數據損壞缺失的話，只會損失該幀的音頻信息，不會影響到前後的數據。這是 FLAC 的優勢，但也因此 FLAC 的壓縮率略低。

下面附上 FLAC 官方網站的網址：Free Lossless Audio Codec

【說明】使用 APE 和 FLAC 還原 WAV 文件時，會發現文件大小有幾kb的差別，這一點產生的原因目前還不能確定。所以還需對二進位文件比較來查證。

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