Python實現簡單音頻數據壓縮與解壓算法

更新時間：2025年06月06日 10:48:09 作者：東方佑

在數字信號處理中,壓縮技術被廣泛應用于減少文件大小或傳輸帶寬,對于音頻數據而言,通常會使用復雜的壓縮算法如MP3、AAC等,但這些算法往往需要專門的庫和對底層原理的理解,在這篇博客中,我們將探索一種簡單的自定義壓縮方法,并用Python實現它,需要的朋友可以參考下

簡介

我們所要介紹的壓縮算法基于兩種模式：“range”模式和“hold”模式。“range”模式用于連續(xù)遞增的序列，“hold”模式則適用于重復值序列。通過識別這兩種模式，我們可以將原始數據集壓縮成更緊湊的形式，從而節(jié)省存儲空間或提高傳輸效率。

壓縮算法實現

首先，我們定義了一個compress_audio函數來執(zhí)行實際的壓縮操作。該函數接受一個整數列表作為輸入，這個列表可以看作是未經壓縮的音頻樣本數據。然后，它遍歷整個列表，嘗試找到最長的“range”或“hold”模式，并將匹配的結果以字符串形式添加到新的列表中。如果既不符合“range”也不符合“hold”，那么就直接添加原始數值。

def compress_audio(data):
    compressed = []
    i = 0
    
    while i < len(data):
        # 嘗試匹配range模式（連續(xù)遞增序列）
        range_start = i
        while i+1 < len(data) and data[i+1] == data[i] + 1:
            i += 1
        range_len = i - range_start + 1
        
        # 嘗試匹配hold模式（重復值序列）
        hold_start = range_start
        while hold_start+1 < len(data) and data[hold_start+1] == data[hold_start]:
            hold_start += 1
        hold_len = hold_start - range_start + 1

        # 選擇更長的壓縮模式
        if range_len >= hold_len and range_len > 1:
            compressed.append(f"range({data[range_start]}, {data[i]})")
            i += 1
        elif hold_len > 1:
            compressed.append(f"hold({data[range_start]}, {hold_len})")
            i = range_start + hold_len
        else:
            compressed.append(str(data[range_start]))
            i = range_start + 1

    return compressed

解壓縮算法實現

為了能夠還原原始的數據，我們需要相應的解壓縮邏輯。這里，decompress_audio函數根據之前保存的模式信息重新生成原始的音頻樣本數據。

def decompress_audio(compressed):
    data = []
    for token in compressed:
        if token.startswith("range"):
            _, params = token.split("(")
            start, end = map(int, params[:-1].split(","))
            data.extend(range(start, end+1))  # 包含結束值
        elif token.startswith("hold"):
            _, params = token.split("(")
            val, count = map(int, params[:-1].split(","))
            data.extend([val]*count)
        else:
            data.append(int(token))
    return data

示例演示

讓我們來看一下如何使用這兩個函數：

original = [1,23,24,25,0,0,0,2,3,7,5,6]
compressed = compress_audio(original)
print("壓縮結果:", compressed)
# 輸出：['1', 'range(23, 25)', 'hold(0, 3)', 'range(2, 3)', '7', 'range(5, 6)']

decompressed = decompress_audio(compressed)
print("解壓驗證:", decompressed == original)  # 輸出：True

這段代碼展示了我們的壓縮算法是如何工作的，并且證明了它可以正確地壓縮和解壓縮數據。

結論

雖然這種簡單的壓縮方法可能不適用于高保真的音頻文件，但它提供了一種基礎的思路，幫助理解數據壓縮的基本概念。如果你有興趣進一步探索，可以考慮研究諸如pydub這樣的Python庫，它們提供了更加復雜和高效的音頻處理功能。此外，了解像量化和編碼這樣的基本音頻壓縮原理也是非常有幫助的。希望這篇博客能激發(fā)你對音頻處理領域的興趣，并鼓勵你進行更深入的學習。

完整代碼

def compress_audio(data):
    compressed = []
    i = 0
    
    while i < len(data):
        # 嘗試匹配range模式（連續(xù)遞增序列）
        range_start = i
        while i+1 < len(data) and data[i+1] == data[i] + 1:
            i += 1
        range_len = i - range_start + 1
        
        # 嘗試匹配hold模式（重復值序列）
        hold_start = range_start
        while hold_start+1 < len(data) and data[hold_start+1] == data[hold_start]:
            hold_start += 1
        hold_len = hold_start - range_start + 1

        # 選擇更長的壓縮模式
        if range_len >= hold_len and range_len > 1:
            compressed.append(f"range({data[range_start]}, {data[i]})")
            i += 1
        elif hold_len > 1:
            compressed.append(f"hold({data[range_start]}, {hold_len})")
            i = range_start + hold_len
        else:
            compressed.append(str(data[range_start]))
            i = range_start + 1

    return compressed

def decompress_audio(compressed):
    data = []
    for token in compressed:
        if token.startswith("range"):
            _, params = token.split("(")
            start, end = map(int, params[:-1].split(","))
            data.extend(range(start, end+1))  # 包含結束值
        elif token.startswith("hold"):
            _, params = token.split("(")
            val, count = map(int, params[:-1].split(","))
            data.extend([val]*count)
        else:
            data.append(int(token))
    return data

# 使用示例
original = [1,23,24,25,0,0,0,2,3,7,5,6]
compressed = compress_audio(original)
print("壓縮結果:", compressed)
# 輸出：['1', 'range(23, 25)', 'hold(0, 3)', 'range(2, 3)', '7', 'range(5, 6)']

decompressed = decompress_audio(compressed)
print("解壓驗證:", decompressed == original)  # 輸出：True

以上就是Python實現簡單音頻數據壓縮與解壓算法的詳細內容，更多關于Python音頻數據解壓縮的資料請關注腳本之家其它相關文章！

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