Volume

WAV 文件波形

要解决的问题

WAV 文件是一种表示音频的常见文件格式。WAV 文件将音频存储为一系列”样本”：即在特定时间点表示某个音频信号值的数字。WAV 文件以一个 44 字节的”头部”开始，其中包含关于文件本身的信息，包括文件大小、每秒样本数以及每个样本的大小。在头部之后，WAV 文件包含一系列样本，每个样本是一个 2 字节（16 位）整数，表示特定时间点的音频信号。

将每个样本值按给定的因子缩放，会改变音频的音量。例如，将每个样本值乘以 2.0 会将原音频的音量加倍。而将每个样本乘以 0.5 则会将音量减半。

在名为 volume 的文件夹中的 volume.c 文件中，编写一个程序来修改音频文件的音量。

演示

Distribution Code

对于这个问题，你将扩展由 CS50 工作人员提供的代码功能。

下载分发代码

登录 cs50.dev，点击你的终端窗口，然后执行 cd 本身。你应该会发现你的终端窗口的提示符类似于下面所示：

$

接下来执行

wget https://cdn.cs50.net/2026/x/psets/4/volume.zip

以便将一个名为 volume.zip 的 ZIP 文件下载到你的 codespace 中。

然后执行

unzip volume.zip

来创建一个名为 volume 的文件夹。你不再需要这个 ZIP 文件，因此你可以执行

rm volume.zip

在提示符处回复”y”然后按回车键，删除你刚下载的 ZIP 文件。

现在输入

cd volume

然后按回车键，进入（即打开）该目录。你的提示符现在应类似于以下内容。

volume/ $

如果一切顺利，你应该执行

ls

并看到一个名为 volume.c 的文件。执行 code volume.c 应该会打开你需要为本习题输入代码的文件。如果没有，请回溯你的步骤，看看是否能确定哪里出了错！

实现细节

完成 volume.c 的实现，使其能按给定的因子修改声音文件的音量。

  • 程序应接受三个命令行参数。第一个是 input，代表原始音频文件的名称。第二个是 output，代表应生成的新音频文件的名称。第三个是 factor，即原始音频文件的音量应缩放的倍数。
    • 例如，如果 factor 为 2.0，那么你的程序应该将 input 中的音频文件的音量加倍，并将新生成的音频文件保存在 output 中。
  • 你的程序应首先从输入文件中读取头部并将其写入输出文件。
  • 你的程序应然后从 WAV 文件中读取剩余数据，每次读取一个 16 位（2 字节）样本。你的程序应将每个样本乘以 factor，并将新样本写入输出文件。
    • 你可以假设 WAV 文件将使用 16 位有符号值作为样本。在实践中，WAV 文件可能有不同的每个样本的比特数，但对于本题，我们假设使用 16 位样本。
  • 你的程序如果使用 malloc，则不得泄漏任何内存。

提示

理解 volume.c 中的代码

首先请注意，volume.c 已经设置为接受三个命令行参数：input、output 和 factor。

  • main 接受一个 int 类型的 argc 和一个 char *（字符串！）数组 argv。
  • 如果 argc（命令行参数的数量，包括程序本身）不等于 4，程序将打印其正确用法并以状态码 1 退出。
int main(int argc, char *argv[])
{
    // Check 命令行参数s
    if (argc != 4)
    {
        printf("Usage: ./volume input.wav output.wav factor\n");
        return 1;
    }

    // ...
}

接下来，volume.c 使用 fopen 打开作为命令行参数提供的两个文件。

  • 最佳做法是检查调用 fopen 的结果是否为 NULL。如果是，则文件未找到或无法打开。
// Open files and determine scaling factor
FILE *input = fopen(argv[1], "r");
if (input == NULL)
{
    printf("Could not open file.\n");
    return 1;
}

FILE *output = fopen(argv[2], "w");
if (output == NULL)
{
    printf("Could not open file.\n");
    return 1;
}

稍后，这些文件会用 fclose 关闭。每当你调用 fopen 时，你都应该稍后调用 fclose！

// Close files
fclose(input);
fclose(output);

不过在关闭文件之前，请注意我们有几个 TODO 需要完成。

// TODO: Copy header from input file to output file

// TODO: Read samples from input file and write updated data to output file

你很可能需要知道缩放音量的因子，这就是为什么 volume.c 已经为你将第三个命令行参数转换为 float 类型！

float factor = atof(argv[3]);
将 WAV 头部从输入文件复制到输出文件

你的第一个 TODO 是将 WAV 文件头部从 input 复制并写入 output。不过，首先你需要了解一些特殊的数据类型。

到目前为止，我们已经在 C 中看到了许多不同类型，包括 int、bool、char、double、float 和 long。然而，在一个名为 stdint.h 的头文件中声明了许多其他类型，这些类型允许我们非常精确地定义整数的大小（以比特为单位）和符号（有符号或无符号）。在处理 WAV 文件时，有两种类型对我们特别有用：

  • uint8_t 是一个存储 8 比特无符号（即非负）整数的类型。我们可以将 WAV 文件头部的每个字节视为 uint8_t 值。
  • int16_t 是一个存储 16 比特有符号（即可正可负）整数的类型。我们可以将 WAV 文件中的每个音频样本视为一个 int16_t 值。

你可能想要创建一个字节数组来存储你将从输入文件中读取的 WAV 文件头部数据。使用 uint8_t 类型来表示一个字节，你可以用如下语法创建一个包含 n 个字节的数组用于你的头部：

uint8_t header[n];

将 n 替换为字节数。然后你可以将 header 作为参数传递给 fread 或 fwrite 来读取或写入头部。

回想一下，WAV 文件的头部始终恰好为 44 字节长。请注意，volume.c 已经为你定义了一个名为 HEADER_SIZE 的变量，等于头部中的字节数。

下面是一个相当大的提示，但这是你可以完成这个 TODO 的方法！

// Copy header from input file to output file
uint8_t header[HEADER_SIZE];
fread(header, HEADER_SIZE, 1, input);
fwrite(header, HEADER_SIZE, 1, output);
将更新后的数据写入输出文件

你的下一个 TODO 是从 input 读取样本，更新这些样本，并将更新后的样本写入 output。在读取文件时，通常创建一个”缓冲区”来临时存储数据。在缓冲区中，你可以修改数据，一旦数据准备好，就将缓冲区的数据写入新文件。

回想一下，我们可以使用 int16_t 类型来表示 WAV 文件的样本。为了存储音频样本，你可以用如下语法创建一个缓冲区变量：

// Create a buffer for a single sample
int16_t buffer;

有了样本缓冲区，你现在可以一次一个样本地将数据读入其中。尝试使用 fread 来完成这个任务！你可以使用 &buffer（即 buffer 的地址）作为 fread 或 fwrite 的参数，以从缓冲区读取或写入。（回想一下，& 运算符用于获取变量的地址。）

// Create a buffer for a single sample
int16_t buffer;

// Read single sample into buffer
fread(&buffer, sizeof(int16_t), 1, input);

现在，要增加（或减少）样本的音量，你只需要将其乘以某个因子即可。

// Create a buffer for a single sample
int16_t buffer;

// Read single sample into buffer
fread(&buffer, sizeof(int16_t), 1, input);

// Update volume of sample
buffer *= factor;

最后，你可以将该更新后的样本写入 output：

// Create a buffer for a single sample
int16_t buffer;

// Read single sample from input into buffer
fread(&buffer, sizeof(int16_t), 1, input);

// Update volume of sample
buffer *= factor;

// Write updated sample to new file
fwrite(&buffer, sizeof(int16_t), 1, output);

只有一个问题：你需要持续将样本读入缓冲区，更新其音量，并将更新后的样本写入输出文件，直到没有样本可读为止。

  • 值得庆幸的是，根据其文档，fread 将返回成功读取的数据项数。你可能会发现这对于检查何时到达文件末尾很有用！
  • 请记住，你完全可以在 while 循环的条件下调用 fread。例如，你可以像下面这样调用 fread： 
    while (fread(...))
{

}

这是一个相当大的提示，但请参阅下面一种高效解决此问题的方法：

// Create a buffer for a single sample
int16_t buffer;

// Read single sample from input into buffer while there are samples left to read
while (fread(&buffer, sizeof(int16_t), 1, input) != 0)
{
    // Update volume of sample
    buffer *= factor;

    // Write updated sample to new file
    fwrite(&buffer, sizeof(int16_t), 1, output);
}

因为你使用的 C 版本将非零值视为 true，将零值视为 false，因此你可以将上述语法简化为以下形式：

// Create a buffer for a single sample
int16_t buffer;

// Read single sample from input into buffer while there are samples left to read
while (fread(&buffer, sizeof(int16_t), 1, input))
{
    // Update volume of sample
    buffer *= factor;

    // Write updated sample to new file
    fwrite(&buffer, sizeof(int16_t), 1, output);
}

讲解视频

不确定如何解决？

如何测试

你的程序应按以下示例方式运行。

$ ./volume input.wav output.wav 2.0

当你收听 output.wav（在文件浏览器中按住 Ctrl 键单击 output.wav，选择下载，然后在电脑的音频播放器中打开该文件）时，它的音量应该是 input.wav 的两倍！

$ ./volume input.wav output.wav 0.5

当你收听 output.wav 时，它的音量应该是 input.wav 的一半！

正确性

check50 cs50/problems/2026/x/volume

代码风格

style50 volume.c

如何提交

在终端中执行以下命令提交你的作业，并按提示完成操作。

submit50 cs50/problems/2026/x/volume