Mac OS X 與 iOS 的 Audio API

Mac OS X 與 iOS 的 Audio API楊維中 a.k.a zonblezonble@gmail.com

Friday, August 16, 13

與 Audio 有關的 API• AVFoundation

• Audio Service

• OpenAL

• Audio Queue

• Audio Unit

• Audio Session

• MPNowPlayingCenter

• Background Task

• Remote Control Events

• …

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任務：播放網站上的⾳音檔⽽而且，抓到了多少資料就⾺馬上播放多少資料

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這就不會是我們要的

• Audio Service：⽤用來處理簡短的⾳音效，例如按到虛擬鍵盤上的喀嚓聲

• OpenAL：製作遊戲中的3D⾳音效，可以設定⾳音效是從哪個⽅方向傳來的

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AVAudioPlayer

• ⾼高階的 Audio Player

• iOS 2.2

• ⽀支援多種格式• 可以從 file URL 或是 NSData 建⽴立 player 播放，但只能夠播放 local file

• 適合製作遊戲背景⾳音樂

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AVPlayer

• ⾼高階的 Audio Player

• iOS 4.0

• ⽀支援本機檔案與遠端檔案• 適合網路廣播•無法知道檔案總⻑⾧長度

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我們的服務需要…

• 可以直接讀多少資料就播放多少資料• 可以⼀一邊下載⼀一邊 cache ⽇日後離線播放

• 知道載⼊入進度• 檔案可能加密過，必須解密…

• 對，有些公司就是會做這種事

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我們需要了解底層 APICoreAudio

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因為太難了所以先講簡單的…

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Audio Session

• ⽤用來表⽰示⺫⽬目前的 Audio 屬於哪⼀一種類

• 設定 Audio Session Category

• ⼀一般背景、Media Playback…etc

• 然後呼叫 Audio Session Start

• 有 C 與 Objective-C API

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Audio Session

• 還要處理 Interrupt 與 Resume

• 實作 delegate，更新 UI

• Interrupt 的場合：

• 別的 app 播放⾳音樂

• 來電• 鬧鐘…

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回到 Core Audio

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說實在這種 code 寫過⼀一次不會想寫第⼆二次

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請忘記 OO忘記Objective-C

Audio 串流就是快速處理⼀一堆連續的 Binary 資料

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基本觀念• Audio 資料是連續的 binary 資料

• 資料中包含的是連續的sample/frame，⼀一秒鐘會有 44100 個 sample

• MP3/AAC等⺫⽬目前通⽤用的壓縮⾳音檔格式，會將若干⼤大⼩小的frame變成⼀一個packet

• 如果是VBR（變動碼率）的⾳音檔，每個packet裡頭的資料量不⼀一樣⼤大

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⼀一些術語

• Sample Rate：每秒鐘有多少 sample

• Packet Size：每個 Packet 有多少 sample

• Bit Rate：每秒鐘有多少 bit

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完整流程

• 建⽴立網路連線，從連線 callback 讀取資料

• 解密，並將解密過的資料放⼊入記憶體• 建⽴立 Audio Queue 或是 Audio Unit

Graph，收取系統通知需要下⼀一段資料的 callback

• 提供資料

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我們專注在• 將資料讀⼊入記憶體• Parse 出 packet 並保存

• 將資料餵給 Audio API

• 註冊 callback

• 在 callback 中回傳下⼀一段資料

• 資料要轉換成 Linear PCM 格式

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Audio Unit 與 Audio Queue 兩組 API 的差別？• 在上⾴頁的流程中，最⼤大的差別在於Audio

Queue API 不需要⼿手動將資料轉換成 Linear PCM 格式

• 不容易設定• 可以直接對Linear PCM資料做⼿手腳…

• Audio Unit 中可以在 Audio Graph 中增加 mixer 與 EQ effect node

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PacketID3 data

MP3 Header

MP3 Data

MP3 Header

MP3 Data

MP3 Header

MP3 Data

Packet

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辨識 MP3 header

• MP3 Header 共 4 個 bytes

• 其中前11個bit是sync word（都是1），看到 sync word就可以知道是⼀一個packet的開頭

• sync word之後描述這個packet的格式

• http://www.mp3-tech.org/programmer/frame_header.html

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Sample Packet Parserdef parse(content): i = 0 while i + 2 < len(content): frameSync = (content[i] << 8) | (content[i + 1] & (0x80 | 0x40 | 0x20)) if frameSync != 0xffe0: if foundFirstFrame: pass i += 1; continue if not foundFirstFrame: foundFirstFrame = True audioVersion = (content[i + 1] >> 3) & 0x03; layer = (content[i + 1] >> 1) & 0x03 hasCRC = not(content[i + 1] & 0x01) bitrateIndex = content[i + 2] >> 4; sampleRateIndex = content[i + 2] >> 2 & 0x03; bitrate = [0, 32000, 40000, 48000, 56000, 64000, 80000, 96000, 112000, 128000, 160000, 192000, 224000, 256000, 320000, 0][bitrateIndex]; hasPadding = not(not((content[i + 2] >> 1) & 0x01)) frameLength = 144 * bitrate / 44100 + \ (1 if hasPadding else 0) + \ (2 if hasCRC else 0) i += frameLength

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MPEG 4 Audio/Video

MOOV

MDAT

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CoreAudio 提供我們⼀一組 Audio Parser• ⽤用途是找出 Packet，並分析出檔案格式

• C API

• iOS 2/Mac OS X 10.5

• 本機檔案可以呼叫 AudioFileOpenURL

• 串流資料可以呼叫AudioFileStreamOpen

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AudioFileStreamOpen

• AudioFileStreamOpen(self, ZBAudioFileStreamPropertyListener, ZBAudioFileStreamPacketsCallback, kAudioFileMP3Type, &audioFileStreamID);

• self ：傳遞⼀一個callback可以使⽤用的物件

• ZBAudioFileStreamPropertyListener 檔案格式 callback

• ZBAudioFileStreamPacketsCallback parse 出 packet 的 callback

• kAudioFileMP3Type 給 parser 的 hint

• audioFileStreamID 產⽣生 audio file stream ID

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在記憶體中保存 packet？

• 其實我們只要⽤用個簡單的 structure 就可以保存typedef struct { size_t length; // packet ⻑⾧長度 void *data; // packet 資料的指標}

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保存檔案格式void ZBAudioFileStreamPropertyListener(void * inClientData, AudioFileStreamID inAudioFileStream, AudioFileStreamPropertyID inPropertyID, UInt32 * ioFlags){ ZBSimplePlayer *self = (ZBSimplePlayer *)inClientData; if (inPropertyID == kAudioFileStreamProperty_DataFormat) { UInt32 dataSize = 0; OSStatus status = 0; AudioStreamBasicDescription audioStreamDescription; Boolean writable = false; status = AudioFileStreamGetPropertyInfo(inAudioFileStream, kAudioFileStreamProperty_DataFormat, &dataSize, &writable); status = AudioFileStreamGetProperty(inAudioFileStream, kAudioFileStreamProperty_DataFormat, &dataSize, &audioStreamDescription); // 然後把 audioStreamDescription 存起來 }}

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保存 Packetstatic void ZBAudioQueueOutputCallback(void * inUserData, AudioQueueRef inAQ,AudioQueueBufferRef inBuffer){ ZBSimplePlayer *self = (ZBSimplePlayer *)inClientData; for (int i = 0; i < inNumberPackets; ++i) { SInt64 packetStart = inPacketDescriptions[i].mStartOffset; UInt32 packetSize = inPacketDescriptions[i].mDataByteSize; assert(packetSize > 0); self->packetData[self->packetCount].length = (size_t)packetSize; self->packetData[self->packetCount].data = malloc(packetSize); memcpy(packetData[self->packetCount].data, inInputData + packetStart, packetSize); self->packetCount++; }}

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下⼀一步• 為了要播放順利，我們會在有⼀一定數量的 packet 之後，才會開始呼叫 Audio API 開始播放。資料不夠會產⽣生爆⾳音

• 等待 packet 的過程叫buffering…緩衝處理

• 資料換算成時間的⽅方式：packet 數量 * frames per packet / sample rate

• 100 * 1152 / 44100 = 2.61...

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播放���� ����

���� ����

���� ����

Callback

Callback

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Audio Queue 的播放• 每次 callback，提供⼀一個新的buffer struct

• buffer物件包含

• packet 數量

• 指向 packet 資料的指標

• packet格式

• 將 buffer 送⼊入 queue 中

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AudioUnit 的播放

• Audio Unit API 會給你⼀一個 struct 的指，標，叫做IOData，並傳⼊入⼀一定⼤大⼩小的frame 數量

• 對IOData指定所需要⼤大⼩小的Linear PCM資料

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iOS 上的 Audio Unit

• ⼀一般模式與畫⾯面鎖定時，要求的frame數量不⼀一樣⼤大

• 平時要求1024，但畫⾯面鎖定時要求4096

• 主要考量是節電• 如果資料量不夠，會停⽌止播放

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Audio Queue

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建⽴立 Audio Queue

OSStatus status = AudioQueueNewOutput(audioStreamBasicDescription, ZBAudioQueueOutputCallback, self, CFRunLoopGetCurrent(), kCFRunLoopCommonModes, 0, &outputQueue);assert(status == noErr);

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Enqueue Data AudioQueueBufferRef buffer; status = AudioQueueAllocateBuffer(outputQueue, totalSize, &buffer); assert(status == noErr); buffer->mAudioDataByteSize = totalSize; buffer->mUserData = self;

AudioStreamPacketDescription *packetDescs = calloc(inPacketCount, sizeof(AudioStreamPacketDescription));

totalSize = 0; for (index = 0 ; index < inPacketCount ; index++) { size_t readIndex = index + readHead; memcpy(buffer->mAudioData + totalSize, packetData[readIndex].data, packetData[readIndex].length); AudioStreamPacketDescription description; description.mStartOffset = totalSize; description.mDataByteSize = (UInt32)packetData[readIndex].length; description.mVariableFramesInPacket = 0; totalSize += packetData[readIndex].length; memcpy(&(packetDescs[index]), &description, sizeof(AudioStreamPacketDescription)); } status = AudioQueueEnqueueBuffer(outputQueue, buffer, (UInt32)inPacketCount, packetDescs); free(packetDescs);

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Audio Unit

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Audio Unit

Output Node

Effect Node

Mixer Node

Render Callback

Audio Unit Graph

Mixer Unit

Effect Unit

Output Unit

Get Info

Get Info

Get Info

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建⽴立 audio converter

AudioConverterRef converter;AudioStreamBasicDescription fromFormat=…⋯; AudioStreamBasicDescription destFormat=…⋯; AudioConverterNew(&fromFormat, &destFormat, &converter);

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使⽤用 audio converter

AudioBufferList *list;UInt32 packetSize = 1024;AudioConverterFillComplexBuffer(converter, ZBPlayerConverterFiller, self, &packetSize, list, NULL);

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audio converter callback

OSStatus ZBPlayerConverterFiller (AudioConverterRef inAudioConverter, UInt32* ioNumberDataPackets, AudioBufferList* ioData, AudioStreamPacketDescription** outDataPacketDescription, void* inUserData) { ZBSimpleAUPlayer *self = (ZBSimpleAUPlayer *)inUserData; *ioNumberDataPackets = 1; static AudioStreamPacketDescription aspdesc; ioData->mNumberBuffers = 1; void *data = self->packetData[readHead].data; UInt32 length = self->packetData[readHead].length; ioData->mBuffers[0].mData = data; ioData->mBuffers[0].mDataByteSize = length;

*outDataPacketDescription = &aspdesc; aspdesc.mDataByteSize = length; aspdesc.mStartOffset = 0; aspdesc.mVariableFramesInPacket = 1; readHead++; return noErr;}

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NewAUGraph(&audioGraph); // 建立 audio grapg

AudioComponentDescription cdesc;bzero(&cdesc, sizeof(AudioComponentDescription));cdesc.componentType = kAudioUnitType_Output;cdesc.componentSubType = kAudioUnitSubType_DefaultOutput;cdesc.componentManufacturer = kAudioUnitManufacturer_Apple;cdesc.componentFlags = 0;cdesc.componentFlagsMask = 0;AUGraphAddNode(audioGraph, &cdesc, &outputNode); // 建立 output node

AUGraphOpen(audioGraph);AUGraphNodeInfo(audioGraph, outputNode, &cdesc, &outputUnit); // 建立 output unit

AudioStreamBasicDescription destFormat = LFPCMStreamDescription(); // 設定輸出格式AudioUnitSetProperty(outputUnit, kAudioUnitProperty_StreamFormat, kAudioUnitScope_Input, 0, &destFormat, sizeof(destFormat));

AURenderCallbackStruct callbackStruct;callbackStruct.inputProc = ZBPlayerAURenderCallback;callbackStruct.inputProcRefCon = self;

AudioUnitSetProperty(outputUnit, kAudioUnitProperty_SetRenderCallback, kAudioUnitScope_Input, 0, &callbackStruct, sizeof(callbackStruct)); // 建立 render callback

AUGraphInitialize(audioGraph); // Init audio graphCAShow(audioGraph); // 開始 audio graph

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播放

• AUGraphStart(audioGraph);

• AUGraphStop(audioGraph);

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Sample Code

• https://github.com/zonble/ZBSimplePlayer

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因為 Audio Unit API 需要直接使⽤用 Linear

PCM 資料，我們也可以直接修改資料產⽣生

效果

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Thanks!Friday, August 16, 13