音訊編碼是將音訊訊號轉換成數字資料的過程，使其能夠在計算機系統中儲存、處理和傳輸。音訊編碼的目的是在保持音質的同時，儘可能地減少資料量。以下是音訊編碼的詳細講解：
音訊編碼的基本原理
取樣：
將連續的模擬音訊訊號轉換成離散的數字訊號。每秒鐘對音訊訊號進行的取樣次數稱為取樣率。
取樣率的選擇決定了能夠捕捉到的最高頻率。根據奈奎斯特定理，取樣率必須是最高頻率的兩倍。
量化：
將每個取樣點的幅度值轉換為最接近的離散數值。
量化位數（位深度）決定了每個取樣點的精度，位深度越高，音質越好，但資料量也越大。
編碼：
將量化後的數值轉換為二進位制資料，便於儲存和傳輸。
無損音訊編碼
無損音訊編碼是指在不丟失任何音訊資訊的情況下對音訊資料進行壓縮。無損編碼能夠完全重建原始音訊資料，適用於高質量音訊儲存和專業音訊處理。
PCM（Pulse Code Modulation）：
原理：直接記錄每個取樣點的幅度值，未經過任何壓縮處理。
優點：音質高，無損失。
缺點：檔案大，儲存和傳輸成本高。
FLAC（Free Lossless Audio Codec）：
原理：透過去除冗餘資料和壓縮音訊樣本之間的相似性來減少檔案大小。
優點：檔案相對較小，無損音質，廣泛相容。
缺點：比有損編碼稍大。
ALAC（Apple Lossless Audio Codec）：
原理：類似於FLAC，但由Apple開發，專為其生態系統最佳化。
優點：與Apple裝置和軟體高度相容。
缺點：不如FLAC在非Apple裝置上普及。
有損音訊編碼
有損音訊編碼透過有選擇地丟棄一些音訊資訊來減少資料量。這種方法基於人類聽覺的特點，丟棄人耳不易察覺的資訊，從而在大幅度壓縮檔案的同時，保持可接受的音質。
MP3（MPEG Audio Layer III）：
原理：使用心理聲學模型去除不可聽的聲音，壓縮頻譜資料。
優點：檔案小，音質好，廣泛相容。
缺點：音質較無損編碼略差，老舊編碼效率低。
AAC（Advanced Audio Coding）：
原理：改進的心理聲學模型和更高效的壓縮演算法。
優點：比MP3音質更好，檔案更小，廣泛用於流媒體。
缺點：編碼複雜，某些裝置相容性不如MP3。
OGG Vorbis：
原理：類似於AAC，但為開源格式，使用靈活的位元率控制。
優點：自由開源，音質好，檔案小。
缺點：普及度不如MP3和AAC。
Opus：
原理：基於線性預測和變換編碼，適應性強，適用於語音和音樂。
優點：高音質，低延遲，適用於實時通訊。
缺點：新興格式，普及度逐漸提高。
音訊編碼流程
預處理：
除噪、均衡、增益調整等，以確保輸入訊號的質量。
取樣與量化：
根據所需的音質選擇適當的取樣率和量化位數。
編碼：
根據選擇的編碼格式進行編碼，如MP3、AAC、FLAC等。
壓縮：
對編碼後的資料進行壓縮，減少冗餘資訊。
封裝：
將編碼後的資料封裝成特定格式的檔案，如WAV、MP3、FLAC等。
常見音訊編碼器與解碼器
LAME：
常用於MP3編碼，開源且效能優良。
FAAC/FAAD：
用於AAC編碼和解碼。
FLAC編碼器：
用於FLAC格式的無損音訊編碼。
Oggenc/Vorbis：
用於OGG Vorbis格式的編碼。
Opus編碼器：
用於Opus格式的編碼，適用於實時通訊和高質量音訊。
選擇音訊編碼的考慮因素
音質要求：無損編碼適用於高音質需求的場合，有損編碼適用於檔案大小和傳輸速率有限的場合。
檔案大小：有損編碼顯著減少檔案大小，適合移動裝置和流媒體傳輸。
相容性：MP3和AAC具有廣泛的裝置相容性，FLAC和ALAC適用於高保真音訊儲存。
用途：實時通訊適合Opus編碼，音樂儲存適合FLAC或AAC。
總結
音訊編碼是將音訊訊號轉換成數字資料的過程，有多種方法和格式可以選擇。無損編碼如PCM和FLAC保留了所有音訊資訊，適合高質量音訊儲存。有損編碼如MP3和AAC透過有選擇地丟棄一些音訊資訊來減少檔案大小，適合在儲存空間有限或需要流媒體傳輸的場合。瞭解不同編碼方式的優缺點及其應用場景，能夠幫助我們選擇最合適的音訊編碼方式。