java - 如何将字节数组中的pcm样本转换为-1.0到1.0范围内的 float 并返回？

Question

我使用的重采样算法期望 float 数组，其中包含 -1.0到1.0 范围内的输入样本。音频数据为 16位 PCM，采样率为 22khz 。

我想将音频从22khz下采样到8khz，如何将字节数组中的样本表示为浮点数> = -1和<= 1 并返回字节数组？

Answer 1

您问两个问题:

如何将采样率从22kHz下调至8kHz？

如何从float [-1,1]转换为16位int并返回？

请注意，该问题已更新，以指示＃1已在其他地方处理，但我将保留我的回答的那一部分，以防它对其他人有帮助。
1.如何将采样率从22kHz下调至8kHz？
一个评论者暗示这可以通过FFT解决。这是不正确的(重新采样的第一步是过滤。如果您感兴趣，我在这里提到为什么不使用FFT进行过滤:http://blog.bjornroche.com/2012/08/when-to-not-use-fft.html)。
对信号重新采样的一种非常好的方法是使用polyphase filter。但是，即使对于有信号处理经验的人来说，这也相当复杂。您还有其他几种选择:

使用实现高质量重采样的库，例如libsamplerate

快速又肮脏地做些事

听起来您已经采用第一种方法，这很棒。
快速而肮脏的解决方案听起来不那么好，但是由于您将频率降至8 kHz，因此我认为音质不是您的首要任务。一种快速而肮脏的选择是:

对信号应用低通滤波器。尝试消除4 kHz以上的音频。您可以使用描述为here的过滤器(尽管理想情况下，您想要比这些过滤器更陡峭的东西，但它们至少总比没有要好)。

从原始信号中每隔2.75个采样中选择一个，以产生新的，重新采样的信号。当需要非整数样本时，请使用线性插值。如果您需要线性插值方面的帮助，请尝试here。

对于语音应用来说，这种技术应该已经足够好了。但是，我还没有尝试过，所以我不确定，因此我强烈建议您使用其他人的库。
如果您确实想实现自己的高质量采样率转换(例如多相滤波器)，则应该对其进行研究，然后再对https://dsp.stackexchange.com/提出任何问题，而不是此处。
2.如何从float [-1,1]转换为16位int并返回？
这已经由c.fogelklou开始，但是让我修饰一下。
首先，16位整数的范围是-32768到32767(通常对16位音频进行签名)。要将int转换为float，请执行以下操作:

float f;
int16 i = ...;
f = ((float) i) / (float) 32768
if( f > 1 ) f = 1;
if( f < -1 ) f = -1;

通常，您不需要执行额外的“边界”操作(实际上，如果确实使用的是16位整数，则不需要这样做)，但是如果您出于某些原因拥有一些> 16位整数，就可以使用它。
要转换回去，您可以执行以下操作:

float f = ...;
int16 i;
f = f * 32768 ;
if( f > 32767 ) f = 32767;
if( f < -32768 ) f = -32768;
i = (int16) f;

在这种情况下，通常需要注意超出范围的值，尤其是大于32767的值。您可能会提示说，这会导致f = 1产生一些失真。有关此问题的一些(不完整的)讨论，请参见this blog post。
这不仅仅是“足以胜任政府工作”。换句话说，除非您担心最终的声音质量，否则它将正常工作。由于您要达到8kHz，因此我认为事实并非如此，因此此答案很好。
但是，为了完整起见，我必须添加以下内容:如果您要使事情绝对原始，请记住，这种转换会导致失真。为什么？因为从float转换为int时的误差与信号相关。事实证明，该错误的相关性非常糟糕，即使它很小，您实际上也可以听到。 (幸运的是，它足够小，对于语音和低动态范围的音乐来说，无关紧要)。要消除此错误，必须在从float到int的转换中使用称为dither的东西。同样，如果您对此很在意，请对其进行研究并在https://dsp.stackexchange.com/上询问相关的特定问题，而不是在此处。
您可能也对我在数字音频编程基础上的幻灯片中的幻灯片感兴趣，该幻灯片也有关于此主题的幻灯片，尽管它基本上说的是同一件事(甚至比我刚才说的还要少):http://blog.bjornroche.com/2011/11/slides-from-fundamentals-of-audio.html