音频能量计算：RMS和dB
麦克风采集时，界面上经常有个麦克风能量条，用来实时显示采集的音频能量大小。
而一般采集到的音频数据都是PCM格式，也就是说我们需要将PCM的赋值转换成 dB。
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1. RMS：均方根（Root Mean Square）
即：将N个项的平方和除以N后开平方的结果，即均方根的结果。
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2. dB：分贝
定义：为两个数值的对数比率，这两个数值分别是测量值和参考值（也称为基准值）。存在两种定义情况。
一种为功率之比：
dB = 10lg(Wn/W0)
一种为幅值之比：
dB = 10lg(Xn/X0)^2 = 20lg(Xn/X0)
PS:下标为0的数值均为幅值和功率的参考值。
功率量的例子如：声功率(W)，声强(W/m^2)，电功率，电强等。
幅值量的例子如：声压(Pa)，电压(V)，加速度(m/s^2)，温度等。
但有一点要注意对于场量的幅值应该是 RMS 值，如声压场。
因为分贝值完全依赖于测量值与参考值之比，因此，计算时选择合适的参考值尤为关键。
当测量结果相互比较时，这一点非常重要，选择的参考值不同，计算结果肯定不一样。
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3. PCM的幅值转dB
n个样本：x1、x2、...、xn
参考值：x0 (一般是幅值范围的极限值:比如 s16_LE 的参考值就是 32768.0 = 2^15)
理解一：
RMS = { (x1^2+x2^2+...+xn^2)/(n * x0^2) }^0.5
(除 x0^2 原因：Normalize by the max level.归一化)
dB = 20lg(RMS) = 10lg{(x1^2+x2^2+...+xn^2)/(n * x0^2)}
理解二：
RMS = { (x1^2+x2^2+...+xn^2)/n }^0.5
dB = 20lg(RMS/x0) = 10lg{(x1^2+x2^2+...+xn^2)/(n * x0^2)}
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4. dB转界面上麦克风能量条数值
映射dB ——————————> power
[-127,0] [0~31] (或 [0,100])
dB: 前面第3步计算出的响度
power: 能量条数值
power = A + B*dB
(一把采用线性映射，且保证二者是正相关关系，即 dB越大，power就越大)
dB取值范围一般限制为[-127,0]，而能量条的取值范围是[0~31] (或 [0,100])
因此需要一个映射关系将 dB 映射成 能量条数值
例如下面的映射关系：
u32 DBtoPower(double dB){
if (dB > 0)
{
dB = 0;
}
else if (dB < -127)
{
dB = -127;
}
u32 dwRmsPower = static_cast
s32 dwPower = 42 - (dwRmsPower * 2 / 3); //此处的 42 和 2/3 就是映射参数
if(dwPower > 31)
{
dwPower = 31;
}
else if(dwPower < 0)
{
dwPower = 0;
}
return dwPower;
}
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5. 如果采集声音过小，可以增加一个固定的线性增益来放大声音
比如说，麦克风采集的声音过小，那么就增加一个固定的线性增益值 GaindB
raw-dB = 20lg(Xn/X0) //原始采集样本的响度：raw-dB
GaindB = 20lg(Gain) //用户设置的已知固定增益值：GaindB
根据上面两个公式，推导出：
new-dB = GaindB + raw-dB = 20lg{(Gain*Xn)/X0}
所以我们只要将 采集样本的幅值 Xn 放大 Gain 倍，就能实现增益 GaindB
所以我们需要根据固定增益值 GaindB 计算出样本幅值放大倍数 Gain
Gain = 10^( GaindB / 20 )
/** 固定增益处理（输入输出buf可以相同）（适用 S16_LE）* 参数1：增益值 dB
* 参数2：样点数
* 参数3：输入buf
* 参数4：输出buf
* 返回值：错误码
*/
int LinearGain(float GaindB, int FrameLen, short *InFrameData, short *OutFrameData)
{
int j;
float Gain;
float Data;
GaindB = (GaindB < 0 ? 0 : (GaindB > 50? 50 : GaindB)); //限制设置的固定增益值范围[0,50]
Gain = powf(10.0, (GaindB / 20.0)); //将固定增益GaindB 转换成样本幅值的放大倍数Gain
for (j = 0; j < FrameLen; j++)
{
Data = InFrameData[j] * Gain; // 通过放大幅值来实现 固定线性增益
Data = (Data < -32767.5f ? -32768 : (Data > 32766.5f ? 32767 : Data));
OutFrameData[j] = (short)Data;
}
return 0;
}
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