Android 音视频开发(三)：使用 AudioTrack 播放PCM音频

一、AudioTrack 基本使用

AudioTrack 类可以完成Android平台上音频数据的输出任务。AudioTrack有两种数据加载模式（MODE_STREAM和MODE_STATIC），对应的是数据加载模式和音频流类型， 对应着两种完全不同的使用场景。

• MODE_STREAM：在这种模式下，通过write一次次把音频数据写到AudioTrack中。这和平时通过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的Buffer中拷贝到AudioTrack内部的Buffer中，这在一定程度上会使引入延时。为解决这一问题，AudioTrack就引入了第二种模式。
• 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。

1.1 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();
    }
}

1.2 MODE_STREAM模式

MODE_STREAM 模式输出音频的方式如下：

byte[] tempBuffer = new byte[bufferSize];
int readCount = 0;
while (dis.available() > 0) {
    readCount = dis.read(tempBuffer);
    if (readCount == AudioTrack.ERROR_INVALID_OPERATION || readCount == AudioTrack.ERROR_BAD_VALUE) {
        continue;
    }
    if (readCount != 0 && readCount != -1) {
        audioTrack.play();
        audioTrack.write(tempBuffer, 0, readCount);
    }
} 

二、AudioTrack 详解

 2.1  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

注意：上面这些类型的划分和音频数据本身并没有关系。例如MUSIC和RING类型都可以是某首MP3歌曲。另外，声音流类型的选择没有固定的标准，例如，铃声预览中的铃声可以设置为MUSIC类型。音频流类型的划分和Audio系统对音频的管理策略有关。

2.2 Buffer分配和Frame的概念

在计算Buffer分配的大小的时候，我们经常用到的一个方法就是：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，也就引出了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用Frame作为单位来分配和管理的。

下面是追溯到的native层的方法：

 // 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。

2.3 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 AudioFlinger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。 

三、 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。

3.1 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。

3.2 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。

3.3 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。

四、源码 

https://github.com/renhui/AudioDemo