Android音频开发之AudioTrack播放PCM音频

作者: ZebraWei | 来源:发表于2019-11-06 17:33 被阅读0次

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音频播放方式分别是SoudPool、MediaPlayer、AudioTrack。

MediaPlayer能够播放多种格式的声音文件，比如MP3，AAC，WAV，OGG，MIDI等。MediaPlayer包含了AudioTrack。
AudioTrack仅仅能播放已经解码的PCM流。假设是文件的话仅仅支持wav格式的音频文件，由于wav格式的音频文件大部分都是PCM流。AudioTrack不创建解码器。所以仅仅能播放不须要解码的wav文件。
SoundPool适合短促且对反应速度比较高的情况(游戏音效或按键声等)

AudioTrack有两种数据加载模式(MODE_STREAM和MODE_STATIC)，对应的数据加载模式和音频流类型，对应着两种完全不同得使用场景。

MODE_STREAM:在这种模式下，通过write一次次把音频数据写到AudioTrack中，这中平时通过write系统调用往文件中写数据类似，但这种工作方式每次都需要把数据从用户提供得Buffer中拷贝到AudioTrack内部的Buffer中，在一定程度上会使引入延时。为了解决这个问题，AudioTrack就引入第二种模式。
MODE_STATIC:这种模式下，在play之前只需要把所有数据通过一次write调用传递到AudioTrack中的内部缓冲区，后续就不必再传递数据了。这种模式适用于像铃声这种内存占用量较小，延时要求较高的文件。但它也有一个缺点，就是一次write的数据不能太多，否则系统无法分配足够的内存来存储全部数据。

1.MODE_STATIC模式
MODE_STATIC模式输出音频的方式如下（注意：如果采用STATIC模式，须先调用write写数据，然后再调用play。）：

public class AudioTrackPlayerDemoActivity extends Activity implements
    OnClickListener {

private static final String TAG = "AudioTrackPlayerDemoActivity";
private Button button;
private byte[] audioData;
private AudioTrack audioTrack;

@Override
public void onCreate(Bundle savedInstanceState) {
    super.onCreate(savedInstanceState);
    super.setContentView(R.layout.main);
    this.button = (Button) super.findViewById(R.id.play);
    this.button.setOnClickListener(this);
    this.button.setEnabled(false);
    new AsyncTask<Void, Void, Void>() {
        @Override
        protected Void doInBackground(Void... params) {
            try {
                InputStream in = getResources().openRawResource(R.raw.ding);
                try {
                    ByteArrayOutputStream out = new ByteArrayOutputStream(
                            264848);
                    for (int b; (b = in.read()) != -1;) {
                        out.write(b);
                    }
                    Log.d(TAG, "Got the data");
                    audioData = out.toByteArray();
                } finally {
                    in.close();
                }
            } catch (IOException e) {
                Log.wtf(TAG, "Failed to read", e);
            }
            return null;
        }

        @Override
        protected void onPostExecute(Void v) {
            Log.d(TAG, "Creating track...");
            button.setEnabled(true);
            Log.d(TAG, "Enabled button");
        }
    }.execute();
}

public void onClick(View view) {
    this.button.setEnabled(false);
    this.releaseAudioTrack();
    this.audioTrack = new AudioTrack(AudioManager.STREAM_MUSIC, 44100,
            AudioFormat.CHANNEL_OUT_STEREO, AudioFormat.ENCODING_PCM_16BIT,
            audioData.length, AudioTrack.MODE_STATIC);
    Log.d(TAG, "Writing audio data...");
    this.audioTrack.write(audioData, 0, audioData.length);
    Log.d(TAG, "Starting playback");
    audioTrack.play();
    Log.d(TAG, "Playing");
    this.button.setEnabled(true);
}

private void releaseAudioTrack() {
    if (this.audioTrack != null) {
        Log.d(TAG, "Stopping");
        audioTrack.stop();
        Log.d(TAG, "Releasing");
        audioTrack.release();
        Log.d(TAG, "Nulling");
    }
}

public void onPause() {
    super.onPause();
    this.releaseAudioTrack();
}

2.MODE_STREAM模式
MODE_STREAM 模式输出音频的方式如下：

private void doPlay(File audioFile) {
    if(audioFile != null) {
        Log.i("Tag8","go there");
        //配置播放器
        //音乐类型,扬声器播放
        int streamType = AudioManager.STREAM_MUSIC;
        //录音时采用的采样频率,所有播放时同样的采样频率
        int sampleRate = 44100;
        //单声道,和录音时设置的一样
        int channelConfig = AudioFormat.CHANNEL_OUT_MONO;
        // 录音使用16bit,所有播放时同样采用该方式
        int audioFormat = AudioFormat.ENCODING_PCM_16BIT;
        //流模式
        int mode = AudioTrack.MODE_STREAM;
        
        //计算最小buffer大小
        int minBufferSize=AudioTrack.getMinBufferSize(sampleRate,channelConfig,audioFormat);
        
        //构造AudioTrack  不能小于AudioTrack的最低要求，也不能小于我们每次读的大小
        AudioTrack audioTrack=new AudioTrack(streamType,sampleRate,channelConfig,audioFormat,
                Math.max(minBufferSize,BUFFER_SIZE),mode);
        audioTrack.setVolume(16f);
        //从文件流读数据
        FileInputStream inputStream = null;
        
        try {
            //循环读数据,写到播放器去播放
            inputStream = new FileInputStream(audioFile);
            
            //循环读数据,写到播放器去播放
            int read;
            //只要没读完,循环播放
            while((read=inputStream.read(mBuffer)) > 0) {
                Log.i("Tag8","read:"+read);
                audioTrack.play();
                int ret = audioTrack.write(mBuffer, 0, read);
                Log.i("Tag8","ret ==="+ret);
                //检查write的返回值,处理错误
                switch(ret) {
                case AudioTrack.ERROR_INVALID_OPERATION:
                case AudioTrack.ERROR_BAD_VALUE:
                case AudioManager.ERROR_DEAD_OBJECT:
                    playFail();
                    return;
                default:
                    break;
                }
            }
            Log.i("Tag8","播放成功。。。。");
        } catch (Exception e) {
            e.printStackTrace();
            Log.i("Tag8","e =" +e.toString());
            //读取失败
            playFail();
        } finally {
            mIsPlaying = false;
            Log.i("Tag8","播放完毕");
             //关闭文件输入流
            if(inputStream !=null){
                closeStream(inputStream);
            }
            //播放器释放
            resetQuietly(audioTrack);
        }
    }
}

3.AudioTrack详解
音频流的类型
在AudioTrack构造函数中，会接触到AudioManager.STREAM_MUSIC这个参数。它的含义与Android系统对音频流的管理和分类有关。
Android将系统的声音分为好几种流类型，下面是几个常见的:
STREAM_ALARM:警告声
STREAM_MUSIC:音乐声，例如music等
STREAM_RING:铃声
STREAM_SYSTEM:系统声音，例如低电提示音，锁屏音等
STREAM_VOCIE_CALL:通话声
4.Buffer分配和Frame的概念
在计算Buffer分配的大小的时候，用到getMinBufferSize.这个函数决定了应用层分配多大的数据Buffer。

AudioTrack.getMinBufferSize(8000,     // /每秒8K个采样点          　             
    AudioFormat.CHANNEL_CONFIGURATION_STEREO,//双声道                  
    AudioFormat.ENCODING_PCM_16BIT);

从AudioTrack.getMinBufferSize开始追溯代码，可以发现在底层的代码中有一个很重要的概念:Frame(帧)。Frame是一个单位，用来描述数据量的多少。1单位的Frame等于1个采样点的字节数声道数（比如PCM16，双声道的1个Frame等于2×2=4字节）。1个采样点只针对一个声道，而实际上可能会有一或多个声道。由于不能用一个独立的单位来表示全部声道一次采样的数据量，也就引用了Frame的概念。Frame的大小，就是一个采样点的字节数声道数。另外，在目前的声卡驱动程序中，其内部缓冲区也是采样Frame作为单位来分配和管理的。

 // minBufCount表示缓冲区的最少个数，它以Frame作为单位
uint32_t minBufCount = afLatency / ((1000 *afFrameCount)/afSamplingRate);
if(minBufCount < 2) minBufCount = 2;//至少要两个缓冲

//计算最小帧个数
 uint32_tminFrameCount =               
     (afFrameCount*sampleRateInHertz*minBufCount)/afSamplingRate;
//下面根据最小的FrameCount计算最小的缓冲大小   
 intminBuffSize = minFrameCount //计算方法完全符合我们前面关于Frame的介绍
       * (audioFormat == javaAudioTrackFields.PCM16 ? 2 : 1)
       * nbChannels;

returnminBuffSize;

getMinBufSize会综合考虑硬件的情况（诸如是否支持采样率，硬件本身的延迟情况等）后，得出一个最小缓冲区的大小。一般我们分配的缓冲大小会是它的整数倍。
3.AudioTrack构造过程
每一个音频流对应着一个AudioTrack类的一个实例，每个AudioTrack会在创建时注册到AudioFinger中，由AudioFlinger把所有的AudioTrack进行混合(Mixer)，然后输送到AudioHardware中进行播放，目前Android同时最多可以创建32个音频流，也就是说，Mixer最多会同时处理32个AudioTrack的数据流。

4.AudioTrack与MediaPlayer的对比
播放声音可以用MediaPlayer和AudioTrack，两者都提供了Java API供应用开发者使用。虽然都可以播放声音，但两者还是有很大的区别的。
4.1区别
其中最大的区别是MediaPlayer可以播放多种格式的声音文件，例如MP3,AAC,WAV,OGG,MIDI等。MediaPlayer会在framework层创建对应的音频解码器。而AudioTrack只能播放已经解码的PCM流，如果对比支持的文件格式的话则是AudioTrack只支持wav格式的音频文件，因为wav格式的音频文件大部分都是PCM流。AudioTrack不创建解码器，所以只能播放不需要解码的wav文件。
4.2联系
MediaPlayer在framework层还是会创建AudioTrack，把解码后的PCM数流传递给AudioTrack，AudioTrack再传递给AudioFlinger进行混音，然后才传递给硬件播放,所以是MediaPlayer包含了AudioTrack。
4.3 SoundPool
在接触Android音频播放API的时候，发现SoundPool也可以用于播放音频。下面是三者的使用场景：MediaPlayer 更加适合在后台长时间播放本地音乐文件或者在线的流式资源; SoundPool 则适合播放比较短的音频片段，比如游戏声音、按键声、铃声片段等等，它可以同时播放多个音频; 而 AudioTrack 则更接近底层，提供了非常强大的控制能力，支持低延迟播放，适合流媒体和VoIP语音电话等场景。

Android音频开发之AudioTrack播放PCM音频

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