Android 平台语音通话及回音消除、噪音消除研究(转)

一 Android操作系统由来

Android是一种基于Linux的自由及开放源代码的操作系统，主要使用于移动设备，如智能手机和平
板电脑，由Google公司和开放手机联盟领导及开发。尚未有统一中文名称，中国大陆地区较多人使用“安
卓”或“安致”。Android操作系统最初由Andy Rubin开发，主要支持手机。2005年8月由Google收购注资。
2007年11月，Google与84家硬件制造商、软件开发商及电信营运商组建开放手机联盟共同研发改良Androi
d系统。随后Google以Apache开源许可证的授权方式，发布了Android的源代码。第一部Android智能手机发
布于2008年10月。Android逐渐扩展到平板电脑及其他领域上，如电视、数码相机、游戏机等。2011年第
一季度，Android在全球的市场份额首次超过塞班系统，跃居全球第一。 2012年11月数据显示，Android
占据全球智能手机操作系统市场76%的份额，中国市场占有率为90%。2013年09月24日谷歌开发的操作系
统Android在迎来了5岁生日，全世界采用这款系统的设备数量已经达到10亿台。

二 Android平台语音通讯

正因为Android平台优越的性能、美观的界面，越来越多人使用Android手机，从而在Android平台上的
语音通话越来越多。语音通话大概流程如下：我认为一个语音通话系统至少有四个模块。分别是PCM(Pulse
Code Modulation，即 脉码编码调制）语音采集，编解码，网络传输以及语音播放。如果算上UI交互的话，
就是五个模块了。整体流程大概是：A打电话给B，A声音通过MIC被采集成PCM原始数据，然后经过编码压缩，
再通过网络（建立P2P连接）将编码后的数据传输出去；B端通过网络收到数据后进行解码处理，然后调用播
放模块，进行播放数据。如果想通话音质提供些，可以在编码前加入 噪音消除，回音消除。

三 录音、放音、编码、解码、网络发送、接收

1、语音采集模块
　Android平台上的实现是通过AudioRecord接口来实现PCM数据的采集，这一步比较容易的。但需要注意的是
AudioRecord接口的使用方法。构造AudioRecord 实例需要参数 public AudioRecord (int audioSource, int
sampleRateInHz, int channelConfig, int audioFormat, int bufferSizeInBytes)
比如录音代码如下：

    static final int frequency = 8000;   
    static final int channelConfiguration = AudioFormat.CHANNEL_CONFIGURATION_MONO;     
    static final int audioEncoding = AudioFormat.ENCODING_PCM_16BIT;    
    int recBufSize,playBufSize; 
    AudioRecord audioRecord;    
 
     recBufSize =  AudioRecord.getMinBufferSize(frequency,     
              channelConfiguration, audioEncoding);      
     audioRecord = new AudioRecord(MediaRecorder.AudioSource.MIC, frequency,     
      AudioFormat.CHANNEL_CONFIGURATION_MONO, AudioFormat.ENCODING_PCM_16BIT, recBufSize);

2、语音播放

当语音数据采集好了之后，接着可以实现语音播放模块。Android上实现PCM数据的播放也很简单，直接
使用AudioTrack这个接口就行了。同样需要注意该接口
的使用方法。AudioTrack的构造方式跟AudioRecord是对应的

    static final int frequency = 8000;   
    static final int channelConfiguration = AudioFormat.CHANNEL_CONFIGURATION_MONO;     
    static final int audioEncoding = AudioFormat.ENCODING_PCM_16BIT;    
    int recBufSize,playBufSize; 
    AudioTrack  audioPlayer ;
    
  playBufSize =  AudioTrack.getMinBufferSize(frequency,     
             channelConfiguration, audioEncoding);        
  audioPlayer = new AudioTrack(AudioManager.STREAM_MUSIC,frequency,AudioFormat.CHANNEL_OUT_MONO,
  AudioFormat.ENCODING_PCM_16BIT,playBufSize,
               AudioTrack.MODE_STREAM) ;

3、语音编解码

采集到的PCM数据是原始的语音数据，如果我们直接进行网络传输，那是不可取的。因此，要进行打包编码。
编码我们需要第三方的库，目前我使用的库是speex（http://www.speex.org）。我看到许多SIP语音电话都
使用到了这个库进行编解码。当然也有对这个库评 价不好的说法，但我觉得作为学习还是可取的，因为speex
使用起来很方便。把speex源码下载下来，写好JNI接口，在NDK环境编译一下，即可在java环境调用。
例如下面一个接口函数

jint 
Java_com_audiocodec_talkdemo_AudioCodec_InitAudioEncodec( JNIEnv* env,
                                              jobject thiz,jint sampling_rate,jint audioLevel)
{
if(nInitAudioCodecEncodeFlag == 1 || audioLevel < 3 || audioLevel > 8 )
return 0 ;

int  frame_size ;

if(sampling_rate == 8000)
{
audio_Leval = 0 ;          
capAudioLength = 160     ; 
capAudioBitrate = 8000  ; 
}else if(sampling_rate == 16000)
{
  audio_Leval = 1 ;  
  capAudioLength = 320     ;  
  capAudioBitrate = 16000  ;  
}else if(sampling_rate == 32000)
{
  audio_Leval = 2 ; 
  capAudioLength = 640     ;  
  capAudioBitrate = 32000  ;  
}else
 return 0 ; 

tmp_Level = audioLevel ; //设置等级 15kbit/s
speex_mode = speex_lib_get_mode(audio_Leval) ; 
                                           

enc_state = speex_encoder_init(speex_mode);
speex_encoder_ctl(enc_state,SPEEX_SET_QUALITY,&tmp_Level);

int tmp = 30 ;//丢包补偿
int nRet = speex_encoder_ctl(enc_state, SPEEX_SET_PLC_TUNING, &tmp);
nRet = speex_encoder_ctl(enc_state, SPEEX_GET_PLC_TUNING, &tmp);

speex_bits_init(&bits); 

nInitAudioCodecEncodeFlag = 1 ;

return 1 ;
}

//编码音频数据
/*
参数
 jbyteArray  szAudio   等待编码的音频数据
 jbyteArray  szOut     编码后的音频数据
返回值
 成功返回 编码后长度
 失败返回 0 
*/

jint Java_com_audiocodec_talkdemo_AudioCodec_AudioEncode( JNIEnv* env,
                         jobject thiz,jbyteArray szAudio,jbyteArray szOut)
{
if(nInitAudioCodecEncodeFlag == 0)
return 0 ;

jbyte* szAudioBuffer =  (jbyte *)(*env)->GetByteArrayElements(env,szAudio, 0);
jbyte* szOutBuffer   =  (jbyte *)(*env)->GetByteArrayElements(env,szOut, 0);

//清空bits ,以便编码
speex_bits_reset(&bits);

 //进行编码
int nRet = speex_encode_int(enc_state,(spx_int16_t*)szAudioBuffer, &bits);

//把编码后的bits 结构，拷贝到cbits_enc的数据可以从网络发送出去，长度为nByte_enc
int nByte_enc = speex_bits_write(&bits, szOutBuffer, 200);

(*env)->ReleaseByteArrayElements(env,szAudio,szAudioBuffer,0) ;
(*env)->ReleaseByteArrayElements(env,szOut,szOutBuffer,0) ;

return nByte_enc ;
}                                                 
      
/*
函数功能 初始化编码器
参数
 无参数
返回值
 成功返回 1
 失败返回 0 
*/
jint 
Java_com_audiocodec_talkdemo_AudioCodec_ExitAudioEncodec( JNIEnv* env,
                                              jobject thiz)
{
if(nInitAudioCodecEncodeFlag == 1)
{
nInitAudioCodecEncodeFlag = 0 ;

//销毁资源
speex_bits_destroy(&bits); 
speex_encoder_destroy(enc_state);
enc_state = NULL ;
}else
return 0 ;
}

4 网络发送、接收

   //定义
DatagramSocket udpSocket  ;  

//生成
      try {
udpSocket = new  DatagramSocket(6789);
  } catch (SocketException e1) {
   e1.printStackTrace();
 }
 
 //发送
   try {
udpSocket.send(sendPacket) ;
 } catch (IOException e) {
e.printStackTrace();
 }
 
  //接收
  udpSocket.receive(udpPackage); 
  
  //关闭
  udpSocket.close() ;

四、 回音消除

    从Speex 的介绍可以看出它提供了噪音消除，回音消除，测试比较过噪音消除这功能效果是非
 常棒的，回音消除这功能也很不错这一功能，现在开源的，比较完善的回音消除模块就是Speex了
 ，有许多中小公司也拿它作为回音消除功能 。经过测试，Speex的消除效果还是不错的。
 编写个jni文件，NDK 环境编译一下即可得到so 文件，在Android环境中调用即可。

      //初始化回音消除参数
      /*
       * jint frame_size        帧长      一般都是  80,160,320
       * jint filter_length     尾长      一般都是  80*25 ,160*25 ,320*25
       * jint sampling_rate     采样频率  一般都是  8000，16000，32000
       * 比如初始化 
       *  InitAudioAEC(80, 80*25,8000)   //8K，10毫秒采样一次
       *  InitAudioAEC(160,160*25,16000) //16K，10毫秒采样一次
       *  InitAudioAEC(320,320*25,32000) //32K，10毫秒采样一次
       */
jint Java_com_audioaec_talkdemo_AudioAEC_InitAudioAEC( JNIEnv* env,jobject thiz,
              jint frame_size,jint filter_length,jint sampling_rate)
{
if(nInitSuccessFlag == 1)
return 1 ;

m_nFrameSize  = frame_size; 
m_nFilterLen  = filter_length; 
m_nSampleRate = sampling_rate; 

//计算采样时长，即是10毫秒，还是20毫秒，还是30毫秒
nSampleTimeLong = (frame_size / (sampling_rate / 100)) * 10 ;

m_pState = speex_echo_state_init(m_nFrameSize, m_nFilterLen); 
if(m_pState == NULL)
return -1 ;

m_pPreprocessorState = speex_preprocess_state_init(m_nFrameSize, m_nSampleRate); 
if(m_pPreprocessorState == NULL)
return -2 ;

iArg = m_nSampleRate;
speex_echo_ctl(m_pState, SPEEX_SET_SAMPLING_RATE, &iArg);
speex_preprocess_ctl(m_pPreprocessorState, SPEEX_PREPROCESS_SET_ECHO_STATE, m_pState);

 nInitSuccessFlag = 1 ;
 
 return 1 ;
}

/*
 参数：
  jbyteArray recordArray  录音数据
  jbyteArray playArray    放音数据 
  jbyteArray szOutArray
*/
jint Java_com_audioaec_talkdemo_AudioAEC_AudioAECProc(JNIEnv* env,jobject thiz,
           jbyteArray recordArray,jbyteArray playArray,jbyteArray szOutArray  )
{
if(nInitSuccessFlag == 0)
return 0 ;

 jbyte* recordBuffer = (jbyte *)(*env)->GetByteArrayElements(env,recordArray, 0);
 jbyte* playBuffer = (jbyte *)(*env)->GetByteArrayElements(env,playArray, 0);
 jbyte* szOutBuffer = (jbyte *)(*env)->GetByteArrayElements(env,szOutArray, 0);

speex_echo_cancellation(m_pState,(spx_int16_t *)recordBuffer,
       (spx_int16_t *)playBuffer,(spx_int16_t *)szOutBuffer); 
int flag=speex_preprocess_run(m_pPreprocessorState,(spx_int16_t *)szOutBuffer);  

 (*env)->ReleaseByteArrayElements(env,recordArray,recordBuffer,0) ;
 (*env)->ReleaseByteArrayElements(env,playArray,playBuffer,0) ;
 (*env)->ReleaseByteArrayElements(env,szOutArray,szOutBuffer,0) ;

 return 1 ;
}

    //退出
jint Java_com_sosea_xmeeting_SpeexAEC_ExitSpeexDsp( JNIEnv* env,jobject thiz)
{
if(nInitSuccessFlag == 0)
return 0 ;

if (m_pState != NULL) 
{ 
speex_echo_state_destroy(m_pState); 
m_pState = NULL; 
} 
if (m_pPreprocessorState != NULL) 
{ 
speex_preprocess_state_destroy(m_pPreprocessorState); 
m_pPreprocessorState = NULL; 
} 

 nInitSuccessFlag = 0 ;
 
 return 1 ;
}   

五 、 噪音消除处理

// 初始化 降噪
Java_com_audioaec_talkdemo_AudioAEC_InitAudioDeNose( JNIEnv* env,
                                                 jobject thiz)
{
 int denoise_enabled = 1 ;
if(nInitDeNoseFlag == 1)
return 0 ;
 
 nInitDeNoseFlag = 1 ;
 
 //8K降噪
audioProcNose8K = speex_preprocess_state_init(80 * (nSampleTimeLong / 10),8000);  
speex_preprocess_ctl(audioProcNose8K, SPEEX_PREPROCESS_SET_DENOISE, &denoise_enabled);

//16K降噪
audioProcNose16K = speex_preprocess_state_init(160 * (nSampleTimeLong / 10),16000);  
speex_preprocess_ctl(audioProcNose16K, SPEEX_PREPROCESS_SET_DENOISE, &denoise_enabled);
 
 return 1 ;
}

//8K降噪 
jint Java_com_audioaec_talkdemo_AudioAEC_AudioDeNose8K(JNIEnv* env,jobject thiz,jbyteArray recordArray)
{
if(nInitDeNoseFlag == 0)
return 0 ;

  jbyte* recordBuffer = (jbyte *)(*env)->GetByteArrayElements(env,recordArray, 0);

  speex_preprocess(audioProcNose8K,(spx_int16_t*)recordBuffer, NULL);
 
 (*env)->ReleaseByteArrayElements(env,recordArray,recordBuffer,0) ;

 return 1 ;
}

//16K降噪 
jint Java_com_audioaec_talkdemo_AudioAEC_AudioDeNose16K(JNIEnv* env,jobject thiz,jbyteArray recordArray)
{
if(nInitDeNoseFlag == 0)
return 0 ;

  jbyte* recordBuffer = (jbyte *)(*env)->GetByteArrayElements(env,recordArray, 0);

  speex_preprocess(audioProcNose16K,(spx_int16_t*)recordBuffer, NULL);
 
 (*env)->ReleaseByteArrayElements(env,recordArray,recordBuffer,0) ;

 return 1 ;
}

// 释放降噪
jint 
Java_com_audioaec_talkdemo_AudioAEC_ExitAudioDeNose( JNIEnv* env,
                                                 jobject thiz)
{
if(nInitDeNoseFlag == 0)
return 0 ;
 
 nInitDeNoseFlag = 0 ;

speex_preprocess_state_destroy(audioProcNose8K); 
speex_preprocess_state_destroy(audioProcNose16K); 
 
 return 1 ;
}

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