iOS AVDemo（2）：音频编码，采集 PCM 数据编码为

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毕加索《法落利炊烟》像素版

这个公众号会路线图 式的遍历分享音视频技术：音视频基础(完成) → 音视频工具(完成) → 音视频工程示例(进行中) → 音视频工业实战(准备)。

iOS/Android 客户端开发同学如果想要开始学习音视频开发，最丝滑的方式是对音视频基础概念知识有一定了解后，再借助 iOS 平台的音视频能力上手去实践音视频的采集 → 编码 → 封装 → 解封装 → 解码 → 渲染过程，并借助音视频工具来分析和理解对应的音视频数据。

在音视频工程示例这个栏目，我们将通过拆解采集 → 编码 → 封装 → 解封装 → 解码 → 渲染流程并实现 Demo 来向大家介绍如何在 iOS/Android 平台上手音视频开发。

这里是第二篇：iOS 音频编码 Demo。这个 Demo 里包含以下内容：

• 1）实现一个音频采集模块；
• 2）实现一个音频编码模块；
• 3）串联音频采集和编码模块，将采集到的音频数据输入给 AAC 编码模块进行编码和存储；
• 4）详尽的代码注释，帮你理解代码逻辑和原理。

你可以在关注微信公众号后，在公众号发送消息『AVDemo』来获取 Demo 的全部源码。

想要了解 AAC 编码，可以看看《音频编码：PCM 和 AAC 编码》。

1、音频采集模块

在这个 Demo 中，音频采集模块 KFAudioCapture 的实现与 《iOS 音频采集 Demo》 中一样，这里就不再重复介绍了，其接口如下：

KFAudioCapture.h

#import <Foundation/Foundation.h>
#import <CoreMedia/CoreMedia.h>
#import "KFAudioConfig.h"

NS_ASSUME_NONNULL_BEGIN

@interface KFAudioCapture : NSObject
+ (instancetype)new NS_UNAVAILABLE;
- (instancetype)init NS_UNAVAILABLE;
- (instancetype)initWithConfig:(KFAudioConfig *)config;

@property (nonatomic, strong, readonly) KFAudioConfig *config;
@property (nonatomic, copy) void (^sampleBufferOutputCallBack)(CMSampleBufferRef sample); // 音频采集数据回调。
@property (nonatomic, copy) void (^errorCallBack)(NSError *error); // 音频采集错误回调。

- (void)startRunning; // 开始采集音频数据。
- (void)stopRunning; // 停止采集音频数据。
@end

NS_ASSUME_NONNULL_END

2、音频编码模块

接下来，我们来实现一个音频编码模块 KFAudioEncoder，在这里输入采集后的数据，输出编码后的数据。

KFAudioEncoder.h

#import <Foundation/Foundation.h>
#import <CoreMedia/CoreMedia.h>

NS_ASSUME_NONNULL_BEGIN

@interface KFAudioEncoder : NSObject
+ (instancetype)new NS_UNAVAILABLE;
- (instancetype)init NS_UNAVAILABLE;
- (instancetype)initWithAudioBitrate:(NSInteger)audioBitrate;

@property (nonatomic, assign, readonly) NSInteger audioBitrate; // 音频编码码率。
@property (nonatomic, copy) void (^sampleBufferOutputCallBack)(CMSampleBufferRef sample); // 音频编码数据回调。
@property (nonatomic, copy) void (^errorCallBack)(NSError *error); // 音频编码错误回调。

- (void)encodeSampleBuffer:(CMSampleBufferRef)buffer; // 编码。
@end

NS_ASSUME_NONNULL_END

上面是 KFAudioEncoder 接口的设计，除了初始化方法，主要是有获取音频编码码率以及音频编码数据回调和错误回调的接口，另外就是编码的接口。

其中编码接口对应着音频编码模块输入，数据回调接口则对应着输出。可以看到这里输入输出的参数都是 CMSampleBufferRef[1] 这个数据结构。它是对 CMSampleBuffer 的一个引用。

CMSampleBuffer 是 iOS 系统用来在音视频处理的 pipeline 中使用和传递媒体采样数据的核心数据结构。你可以认为它是 iOS 音视频处理 pipeline 中的流通货币，摄像头采集的视频数据接口、麦克风采集的音频数据接口、编码和解码数据接口、读取和存储视频接口、视频渲染接口等等，都以它作为参数。我们在 《iOS 音频采集 Demo》 一文中介绍音频采集接口的时候详细介绍过 CMSampleBuffer，可以去看看回顾一下。

所以，在这里我们也以 CMSampleBufferRef 作为编码模块输入和输出的接口参数。

KFAudioEncoder.m

#import "KFAudioEncoder.h"
#import <AudioToolbox/AudioToolbox.h>

@interface KFAudioEncoder () {
    char *_leftBuffer; // 待编码缓冲区。
    NSInteger _leftLength; // 待编码缓冲区的长度，动态。
    char *_aacBuffer; // 编码缓冲区。
    NSInteger _bufferLength; // 每次送给编码器的数据长度。
}
@property (nonatomic, assign) AudioConverterRef audioEncoderInstance; // 音频编码器实例。
@property (nonatomic, assign) CMFormatDescriptionRef aacFormat; // 音频编码参数。
@property (nonatomic, assign, readwrite) NSInteger audioBitrate; // 音频编码码率。
@property (nonatomic, assign) BOOL isError;
@property (nonatomic, strong) dispatch_queue_t encoderQueue;
@end

@implementation KFAudioEncoder

#pragma mark - Lifecycle
- (instancetype)initWithAudioBitrate:(NSInteger)audioBitrate {
    self = [super init];
    if (self) {
        _audioBitrate = audioBitrate;
        _encoderQueue = dispatch_queue_create("com.KeyFrameKit.audioEncoder", DISPATCH_QUEUE_SERIAL);
    }

    return self;
}

- (void)dealloc {
    // 清理编码器。
    if (_audioEncoderInstance) {
        AudioConverterDispose(_audioEncoderInstance);
        _audioEncoderInstance = nil;
    }
    if (_aacFormat) {
        CFRelease(_aacFormat);
        _aacFormat = NULL;
    }
    
    // 清理缓冲区。
    if (_aacBuffer) {
        free(_aacBuffer);
        _aacBuffer = NULL;
    }
    if (_leftBuffer) {
        free(_leftBuffer);
        _leftBuffer = NULL;
    }
}

#pragma mark - Utility
- (void)setupAudioEncoderInstanceWithInputAudioFormat:(AudioStreamBasicDescription)inputFormat error:(NSError **)error {
    // 1、设置音频编码器输出参数。其中一些参数与输入的音频数据参数一致。
    AudioStreamBasicDescription outputFormat = {0};
    outputFormat.mSampleRate = inputFormat.mSampleRate; // 输出采样率与输入一致。
    outputFormat.mFormatID = kAudioFormatMPEG4AAC; // AAC 编码格式。常用的 AAC 编码格式：kAudioFormatMPEG4AAC、kAudioFormatMPEG4AAC_HE_V2。
    outputFormat.mChannelsPerFrame = (UInt32) inputFormat.mChannelsPerFrame; // 输出声道数与输入一致。
    outputFormat.mFramesPerPacket = 1024; // 每个包的帧数。AAC 固定是 1024，这个是由 AAC 编码规范规定的。对于未压缩数据设置为 1。
    outputFormat.mBytesPerPacket = 0; // 每个包的大小。动态大小设置为 0。
    outputFormat.mBytesPerFrame = 0; // 每帧的大小。压缩格式设置为 0。
    outputFormat.mBitsPerChannel = 0; // 压缩格式设置为 0。
    
    // 2、基于音频输入和输出参数创建音频编码器。
    OSStatus result = AudioConverterNew(&inputFormat, &outputFormat, &_audioEncoderInstance);
    if (result != noErr) {
        *error = [NSError errorWithDomain:NSStringFromClass(self.class) code:result userInfo:nil];
        return;
    }
    
    // 3、设置编码器参数：音频编码码率。
    UInt32 outputBitrate = (UInt32) self.audioBitrate;
    result = AudioConverterSetProperty(_audioEncoderInstance, kAudioConverterEncodeBitRate, sizeof(outputBitrate), &outputBitrate);
    if (result != noErr) {
        *error = [NSError errorWithDomain:NSStringFromClass(self.class) code:result userInfo:nil];
        return;
    }
    
    // 4、创建编码格式信息。
    result = CMAudioFormatDescriptionCreate(kCFAllocatorDefault, &outputFormat, 0, NULL, 0, NULL, nil, &_aacFormat);
    if (result != noErr) {
        *error = [NSError errorWithDomain:NSStringFromClass(self.class) code:result userInfo:nil];
        return;
    }
    
    // 5、设置每次送给编码器的数据长度。
    // 这里设置每次送给编码器的数据长度为：1024 * 2(16 bit 采样深度) * 声道数量，这个长度为什么要这么计算呢？
    // 因为我们每次调用 AudioConverterFillComplexBuffer 编码时，是送进去一个包（packet），而对于 AAC 来讲，mFramesPerPacket 需要是 1024，即 1 个 packet 有 1024 帧，而每个音频帧的大小是：2(16 bit 采样深度) * 声道数量。
    _bufferLength = 1024 * 2 * inputFormat.mChannelsPerFrame;
    
    // 6、初始化待编码缓冲区和编码缓冲区。
    if (!_leftBuffer) {
        // 待编码缓冲区长度达到 _bufferLength，就会送一波给编码器，所以大小 _bufferLength 够用了。
        _leftBuffer = malloc(_bufferLength);
    }
    if (!_aacBuffer) {
        // AAC 编码缓冲区只要装得下 _bufferLength 长度的 PCM 数据编码后的数据就好了，编码是压缩，所以大小 _bufferLength 也够用了。
        _aacBuffer = malloc(_bufferLength);
    }
}

- (void)encodeSampleBuffer:(CMSampleBufferRef)buffer {
    if (!buffer || !CMSampleBufferGetDataBuffer(buffer) || self.isError) {
        return;
    }
    
    // 异步处理，防止主线程卡顿。
    __weak typeof(self) weakSelf = self;
    CFRetain(buffer);
    dispatch_async(_encoderQueue, ^{
        [weakSelf encodeSampleBufferInternal:buffer];
        CFRelease(buffer);
    });
}

- (void)encodeSampleBufferInternal:(CMSampleBufferRef)buffer {
    // 1、从输入数据中获取音频格式信息。
    CMAudioFormatDescriptionRef audioFormatRef = CMSampleBufferGetFormatDescription(buffer);
    if (!audioFormatRef) {
        return;
    }
    // 获取音频参数信息，AudioStreamBasicDescription 包含了音频的数据格式、声道数、采样位深、采样率等参数。
    AudioStreamBasicDescription audioFormat = *CMAudioFormatDescriptionGetStreamBasicDescription(audioFormatRef);

    // 2、根据音频参数创建编码器实例。
    NSError *error = nil;
    // 第一次编码时创建编码器。
    if (!_audioEncoderInstance) {
        [self setupAudioEncoderInstanceWithInputAudioFormat:audioFormat error:&error];
        if (error) {
            [self callBackError:error];
            return;
        }
        if (!_audioEncoderInstance) {
            return;
        }
    }
    
    // 3、获取输入数据中的 PCM 数据。
    CMBlockBufferRef blockBuffer = CMSampleBufferGetDataBuffer(buffer);
    size_t audioLength;
    char *dataPointer = NULL;
    CMBlockBufferGetDataPointer(blockBuffer, 0, NULL, &audioLength, &dataPointer);
    if (audioLength == 0 || !dataPointer) {
        return;
    }
    
    // 4、处理音频时间戳信息。
    CMSampleTimingInfo timingInfo = {CMTimeMake(CMSampleBufferGetNumSamples(buffer), audioFormat.mSampleRate), CMSampleBufferGetPresentationTimeStamp(buffer), kCMTimeInvalid};
    
    // 5、基于编码缓冲区对 PCM 数据进行编码。
    if (_leftLength + audioLength >= _bufferLength) {
        // 当待编码缓冲区遗留数据加上新来的数据长度(_leftLength + audioLength)大于每次给编码器的数据长度(_bufferLength)时，则进行循环编码，每次送给编码器长度为 _bufferLength 的数据量。
        
        // 拷贝待编码的数据到缓冲区 totalBuffer。
        NSInteger totalSize = _leftLength + audioLength; // 当前总数据长度。
        NSInteger encodeCount = totalSize / _bufferLength; // 计算给编码器送数据的次数。
        char *totalBuffer = malloc(totalSize);
        char *p = totalBuffer;
        memset(totalBuffer, 0, (int) totalSize);
        memcpy(totalBuffer, _leftBuffer, _leftLength); // 拷贝上次遗留的数据。
        memcpy(totalBuffer + _leftLength, dataPointer, audioLength); // 拷贝这次新来的数据。
        
        // 分 encodeCount 次给编码器送数据。
        for (NSInteger index = 0; index < encodeCount; index++) {
            [self encodeBuffer:p timing:timingInfo]; // 调用编码方法。
            p += _bufferLength;
        }
        
        // 处理不够 _bufferLength 长度的剩余数据，先存在 _leftBuffer 中，等下次凑足一次编码需要的数据再编码。
        _leftLength = totalSize % _bufferLength;
        memset(_leftBuffer, 0, _bufferLength);
        memcpy(_leftBuffer, totalBuffer + (totalSize - _leftLength), _leftLength);
        
        // 清理。
        free(totalBuffer);
    } else {
        // 否则，就先存到待编码缓冲区，等下一次数据够了再送给编码器。
        memcpy(_leftBuffer + _leftLength, dataPointer, audioLength);
        _leftLength = _leftLength + audioLength;
    }
}

- (void)encodeBuffer:(char *)buffer timing:(CMSampleTimingInfo)timing {
    // 1、创建编码器接口对应的待编码缓冲区 AudioBufferList，填充待编码的数据。
    AudioBuffer inBuffer;
    AudioStreamBasicDescription audioFormat = *CMAudioFormatDescriptionGetStreamBasicDescription(_aacFormat);
    inBuffer.mNumberChannels = (UInt32) audioFormat.mChannelsPerFrame;
    inBuffer.mData = buffer; // 填充待编码数据。
    inBuffer.mDataByteSize = (UInt32) _bufferLength; // 设置待编码数据长度。
    AudioBufferList inBufferList;
    inBufferList.mNumberBuffers = 1;
    inBufferList.mBuffers[0] = inBuffer;
    
    //  2、创建编码输出缓冲区 AudioBufferList 接收编码后的数据。
    AudioBufferList outBufferList;
    outBufferList.mNumberBuffers = 1;
    outBufferList.mBuffers[0].mNumberChannels = inBuffer.mNumberChannels;
    outBufferList.mBuffers[0].mDataByteSize = inBuffer.mDataByteSize; // 设置编码缓冲区大小。
    outBufferList.mBuffers[0].mData = _aacBuffer; // 绑定缓冲区空间。
    
    // 3、编码。
    UInt32 outputDataPacketSize = 1; // 每次编码 1 个包。1 个包有 1024 个帧，这个对应创建编码器实例时设置的 mFramesPerPacket。
    // 需要在回调方法 inputDataProcess 中将待编码的数据拷贝到编码器的缓冲区的对应位置。这里把我们自己创建的待编码缓冲区 AudioBufferList 作为 inInputDataProcUserData 传入，在回调方法中直接拷贝它。
    OSStatus status = AudioConverterFillComplexBuffer(_audioEncoderInstance, inputDataProcess, &inBufferList, &outputDataPacketSize, &outBufferList, NULL);
    if (status != noErr) {
        [self callBackError:[NSError errorWithDomain:NSStringFromClass(self.class) code:status userInfo:nil]];
        return;
    }
    
    // 4、获取编码后的 AAC 数据并进行封装。
    size_t aacEncoderSize = outBufferList.mBuffers[0].mDataByteSize;
    char *blockBufferDataPoter = malloc(aacEncoderSize);
    memcpy(blockBufferDataPoter, _aacBuffer, aacEncoderSize);
    // 编码数据封装到 CMBlockBuffer 中。
    CMBlockBufferRef blockBuffer = NULL;
    status = CMBlockBufferCreateWithMemoryBlock(kCFAllocatorDefault,
                                                 blockBufferDataPoter,
                                                 aacEncoderSize,
                                                 NULL,
                                                 NULL,
                                                 0,
                                                 aacEncoderSize,
                                                 0,
                                                 &blockBuffer);
    if (status != kCMBlockBufferNoErr) {
        return;
    }
    // 编码数据 CMBlockBuffer 再封装到 CMSampleBuffer 中。
    CMSampleBufferRef sampleBuffer = NULL;
    const size_t sampleSizeArray[] = {aacEncoderSize};
    status = CMSampleBufferCreateReady(kCFAllocatorDefault,
                                       blockBuffer,
                                       _aacFormat,
                                       1,
                                       1,
                                       &timing,
                                       1,
                                       sampleSizeArray,
                                       &sampleBuffer);
    CFRelease(blockBuffer);
    
    // 5、回调编码数据。
    if (self.sampleBufferOutputCallBack) {
        self.sampleBufferOutputCallBack(sampleBuffer);
    }
    if (sampleBuffer) {
        CFRelease(sampleBuffer);
    }
}

- (void)callBackError:(NSError*)error {
    self.isError = YES;
    if(error && self.errorCallBack){
        dispatch_async(dispatch_get_main_queue(), ^{
            self.errorCallBack(error);
        });
    }
}

#pragma mark - Encoder CallBack
static OSStatus inputDataProcess(AudioConverterRef inConverter,
                                 UInt32 *ioNumberDataPackets,
                                 AudioBufferList *ioData,
                                 AudioStreamPacketDescription **outDataPacketDescription,
                                 void *inUserData) {
    // 将待编码的数据拷贝到编码器的缓冲区的对应位置进行编码。
    AudioBufferList bufferList = *(AudioBufferList *) inUserData;
    ioData->mBuffers[0].mNumberChannels = 1;
    ioData->mBuffers[0].mData = bufferList.mBuffers[0].mData;
    ioData->mBuffers[0].mDataByteSize = bufferList.mBuffers[0].mDataByteSize;
    
    return noErr;
}

@end

上面是 KFAudioEncoder 的实现，从代码上可以看到主要有这几个部分：

• 1）创建音频编码实例。第一次调用 -encodeSampleBuffer: → -encodeSampleBufferInternal: 才会创建音频编码实例。
• • 在 -setupAudioEncoderInstanceWithInputAudioFormat: 方法中实现。
• 2）实现音频编码逻辑，并在将数据封装到 CMSampleBufferRef 结构中，抛给 KFAudioEncoder 的对外数据回调接口。
• • 在 -encodeSampleBuffer: → -encodeSampleBufferInternal: → -encodeBuffer:timing: 中实现编码流程，其中涉及到待编码缓冲区、编码缓冲区的管理，并最终在 inputDataProcess(...) 回调中将待编码的数据拷贝到编码器的缓冲区进行编码。
• 3）捕捉音频编码过程中的错误，抛给 KFAudioEncoder 的对外错误回调接口。
• • 在 -encodeSampleBufferInternal:、-encodeBuffer:timing: 等方法中捕捉错误，在 -callBackError: 方法向外回调。
• 4）清理音频编码器实例、待编码缓冲区、编码缓冲区。
• • 在 -dealloc 方法中实现。

更具体细节见上述代码及其注释。

3、采集音频数据进行 AAC 编码和存储

我们在一个 ViewController 中来实现音频采集及编码逻辑，并将编码后的数据加上 ADTS[2] 头信息存储为 AAC 数据。

关于 ADTS，在《音频编码：PCM 和 AAC 编码》中也有介绍，可以去看看了解一下。

#import "KFAudioEncoderViewController.h"
#import <AVFoundation/AVFoundation.h>
#import "KFAudioCapture.h"
#import "KFAudioEncoder.h"
#import "KFAudioTools.h"

@interface KFAudioEncoderViewController ()
@property (nonatomic, strong) KFAudioConfig *audioConfig;
@property (nonatomic, strong) KFAudioCapture *audioCapture;
@property (nonatomic, strong) KFAudioEncoder *audioEncoder;
@property (nonatomic, strong) NSFileHandle *fileHandle;
@end

@implementation KFAudioEncoderViewController
#pragma mark - Property
- (KFAudioConfig *)audioConfig {
    if (!_audioConfig) {
        _audioConfig = [KFAudioConfig defaultConfig];
    }
    
    return _audioConfig;
}

- (KFAudioCapture *)audioCapture {
    if (!_audioCapture) {
        __weak typeof(self) weakSelf = self;
        _audioCapture = [[KFAudioCapture alloc] initWithConfig:self.audioConfig];
        _audioCapture.errorCallBack = ^(NSError* error) {
            NSLog(@"KFAudioCapture error:%zi %@", error.code, error.localizedDescription);
        };
        // 音频采集数据回调。在这里采集的 PCM 数据送给编码器。
        _audioCapture.sampleBufferOutputCallBack = ^(CMSampleBufferRef sampleBuffer) {
            [weakSelf.audioEncoder encodeSampleBuffer:sampleBuffer];
        };
    }
    
    return _audioCapture;
}

- (KFAudioEncoder *)audioEncoder {
    if (!_audioEncoder) {
        __weak typeof(self) weakSelf = self;
        _audioEncoder = [[KFAudioEncoder alloc] initWithAudioBitrate:96000];
        _audioEncoder.errorCallBack = ^(NSError* error) {
            NSLog(@"KFAudioEncoder error:%zi %@", error.code, error.localizedDescription);
        };
        // 音频编码数据回调。在这里将 AAC 数据写入文件。
        _audioEncoder.sampleBufferOutputCallBack = ^(CMSampleBufferRef sampleBuffer) {
            if (sampleBuffer) {
                // 1、获取音频编码参数信息。
                AudioStreamBasicDescription audioFormat = *CMAudioFormatDescriptionGetStreamBasicDescription(CMSampleBufferGetFormatDescription(sampleBuffer));
                
                // 2、获取音频编码数据。AAC 裸数据。
                CMBlockBufferRef blockBuffer = CMSampleBufferGetDataBuffer(sampleBuffer);
                size_t totolLength;
                char *dataPointer = NULL;
                CMBlockBufferGetDataPointer(blockBuffer, 0, NULL, &totolLength, &dataPointer);
                if (totolLength == 0 || !dataPointer) {
                    return;
                }
                
                // 3、在每个 AAC packet 前先写入 ADTS 头数据。
                // 由于 AAC 数据存储文件时需要在每个包（packet）前添加 ADTS 头来用于解码器解码音频流，所以这里添加一下 ADTS 头。
                [weakSelf.fileHandle writeData:[KFAudioTools adtsDataWithChannels:audioFormat.mChannelsPerFrame sampleRate:audioFormat.mSampleRate rawDataLength:totolLength]];
                
                // 4、写入 AAC packet 数据。
                [weakSelf.fileHandle writeData:[NSData dataWithBytes:dataPointer length:totolLength]];
            }
        };
    }
    
    return _audioEncoder;
}

- (NSFileHandle *)fileHandle {
    if (!_fileHandle) {
        NSString *audioPath = [[NSSearchPathForDirectoriesInDomains(NSDocumentDirectory, NSUserDomainMask, YES) lastObject] stringByAppendingPathComponent:@"test.aac"];
        NSLog(@"AAC file path: %@", audioPath);
        [[NSFileManager defaultManager] removeItemAtPath:audioPath error:nil];
        [[NSFileManager defaultManager] createFileAtPath:audioPath contents:nil attributes:nil];
        _fileHandle = [NSFileHandle fileHandleForWritingAtPath:audioPath];
    }

    return _fileHandle;
}

#pragma mark - Lifecycle
- (void)viewDidLoad {
    [super viewDidLoad];
    
    [self setupAudioSession];
    [self setupUI];
    
    // 完成音频编码后，可以将 App Document 文件夹下面的 test.aac 文件拷贝到电脑上，使用 ffplay 播放：
    // ffplay -I test.aac
}

- (void)dealloc {
    if (_fileHandle) {
        [_fileHandle closeFile];
    }
}

#pragma mark - Setup
- (void)setupUI {
    self.edgesForExtendedLayout = UIRectEdgeAll;
    self.extendedLayoutIncludesOpaqueBars = YES;
    self.title = @"Audio Encoder";
    self.view.backgroundColor = [UIColor whiteColor];
    
    // Navigation item.
    UIBarButtonItem *startBarButton = [[UIBarButtonItem alloc] initWithTitle:@"Start" style:UIBarButtonItemStylePlain target:self action:@selector(start)];
    UIBarButtonItem *stopBarButton = [[UIBarButtonItem alloc] initWithTitle:@"Stop" style:UIBarButtonItemStylePlain target:self action:@selector(stop)];
    self.navigationItem.rightBarButtonItems = @[startBarButton, stopBarButton];
}

- (void)setupAudioSession {
    NSError *error = nil;
    
    // 1、获取音频会话实例。
    AVAudioSession *session = [AVAudioSession sharedInstance];

    // 2、设置分类和选项。
    [session setCategory:AVAudioSessionCategoryPlayAndRecord withOptions:AVAudioSessionCategoryOptionMixWithOthers | AVAudioSessionCategoryOptionDefaultToSpeaker error:&error];
    if (error) {
        NSLog(@"AVAudioSession setCategory error.");
        error = nil;
        return;
    }
    
    // 3、设置模式。
    [session setMode:AVAudioSessionModeVideoRecording error:&error];
    if (error) {
        NSLog(@"AVAudioSession setMode error.");
        error = nil;
        return;
    }

    // 4、激活会话。
    [session setActive:YES error:&error];
    if (error) {
        NSLog(@"AVAudioSession setActive error.");
        error = nil;
        return;
    }
}

#pragma mark - Action
- (void)start {
    [self.audioCapture startRunning];
}

- (void)stop {
    [self.audioCapture stopRunning];
}

@end

上面是 KFAudioEncoderViewController 的实现，其中主要包含这几个部分：

• 1）在采集音频前需要设置 AVAudioSession[3] 为正确的采集模式。

• • 在 -setupAudioSession 中实现。

• 2）通过启动和停止音频采集来驱动整个采集和编码流程。

• • 分别在 -start 和 -stop 中实现开始和停止动作。

• 3）在采集模块 KFAudioCapture 的数据回调中将数据交给编码模块 KFAudioEncoder 进行编码。

• • 在 KFAudioCapture 的 sampleBufferOutputCallBack 回调中实现。

• 4）在编码模块 KFAudioEncoder 的数据回调中获取编码后的 AAC 裸流数据，并在每个 AAC packet 前写入 ADTS 头数据，存储到文件中。

• • 在 KFAudioEncoder 的 sampleBufferOutputCallBack 回调中实现。
  • 其中生成一个 AAC packet 对应的 ADTS 头数据在 KFAudioTools 类的工具方法 +adtsDataWithChannels:sampleRate:rawDataLength: 中实现。

  KFAudioTools.m

#import "KFAudioTools.h"

@implementation KFAudioTools

// 按音频参数生产 AAC packet 对应的 ADTS 头数据。
// 当编码器编码的是 AAC 裸流数据时，需要在每个 AAC packet 前添加一个 ADTS 头用于解码器解码音频流。
// 参考文档：
// ADTS 格式参考：http://wiki.multimedia.cx/index.php?title=ADTS
// MPEG-4 Audio 格式参考：http://wiki.multimedia.cx/index.php?title=MPEG-4_Audio#Channel_Configurations
+ (NSData *)adtsDataWithChannels:(NSInteger)channels sampleRate:(NSInteger)sampleRate rawDataLength:(NSInteger)rawDataLength {
    // 1、创建数据缓冲区。
    int adtsLength = 7; // ADTS 头固定 7 字节。
    char *packet = malloc(sizeof(char) * adtsLength);
    
    // 2、设置各数据字段。
    int profile = 2; // 2 表示 AAC LC。
    NSInteger sampleRateIndex = [self.class sampleRateIndex:sampleRate]; // 取得采样率对应的 index。
    int channelCfg = (int) channels; // MPEG-4 Audio Channel Configuration。
    NSUInteger fullLength = adtsLength + rawDataLength; // 这里的长度字段是：ADTS 头数据和 AAC packet 数据的总长度。
    
    //  3、填充 ADTS 数据。
    packet[0] = (char) 0xFF; // 11111111     = syncword
    packet[1] = (char) 0xF9; // 1111 1 00 1  = syncword MPEG-2 Layer CRC
    packet[2] = (char) (((profile - 1) << 6) + (sampleRateIndex << 2) + (channelCfg >> 2));
    packet[3] = (char) (((channelCfg & 3) << 6) + (fullLength >> 11));
    packet[4] = (char) ((fullLength & 0x7FF) >> 3);
    packet[5] = (char) (((fullLength & 7) << 5) + 0x1F);
    packet[6] = (char) 0xFC;
    NSData *data = [NSData dataWithBytesNoCopy:packet length:adtsLength freeWhenDone:YES];
    
    return data;
}

// 音频采样率对应的 index。
+ (NSInteger)sampleRateIndex:(NSInteger)frequencyInHz {
    NSInteger sampleRateIndex = 0;
    switch (frequencyInHz) {
        case 96000:
            sampleRateIndex = 0;
            break;
        case 88200:
            sampleRateIndex = 1;
            break;
        case 64000:
            sampleRateIndex = 2;
            break;
        case 48000:
            sampleRateIndex = 3;
            break;
        case 44100:
            sampleRateIndex = 4;
            break;
        case 32000:
            sampleRateIndex = 5;
            break;
        case 24000:
            sampleRateIndex = 6;
            break;
        case 22050:
            sampleRateIndex = 7;
            break;
        case 16000:
            sampleRateIndex = 8;
            break;
        case 12000:
            sampleRateIndex = 9;
            break;
        case 11025:
            sampleRateIndex = 10;
            break;
        case 8000:
            sampleRateIndex = 11;
            break;
        case 7350:
            sampleRateIndex = 12;
            break;
        default:
            sampleRateIndex = 15;
    }
    
    return sampleRateIndex;
}

@end

4、用工具播放 AAC 文件

完成音频采集和编码后，可以将 App Document 文件夹下面的 test.aac 文件拷贝到电脑上，使用 ffplay 播放来验证一下音频采集是效果是否符合预期：

$ ffplay -I test.aac

这里在播放 AAC 文件时不必像播放 PCM 文件那样设置音频参数，这正是因为我们已经将对应的参数信息编码到 ADTS 头部数据中去了，播放解码时可以从中解析出这些信息从而正确的解码 AAC。

关于播放 AAC 文件的工具，可以参考《FFmpeg 工具》第 2 节 ffplay 命令行工具和《可视化音视频分析工具》第 1.1 节 Adobe Audition。

参考资料

[1]CMSampleBufferRef: https://developer.apple.com/documentation/coremedia/cmsamplebufferref/

[2]ADTS 格式: http://wiki.multimedia.cx/index.php?title=ADTS

[3]AVAudioSession: https://developer.apple.com/documentation/avfaudio/avaudiosession/

推荐阅读

《iOS AVDemo（1）：音频采集》