Java實(shí)現(xiàn)音頻播放--JavaSound API編寫音頻處理程序

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1、一、JavaSound的體系結(jié)構(gòu)二、JavaSound混頻原理三、音頻數(shù)據(jù)與存儲(chǔ)格式四、設(shè)計(jì)音樂播放器五、播放音樂六、支持更多的音頻格式桌面PC的性能日益提高，Java虛擬機(jī)的優(yōu)化技術(shù)也不斷獲得突破，這一切使得用Java處理實(shí)時(shí)信號(hào)成為可能。本文將通過設(shè)計(jì)和構(gòu)造一個(gè)支持實(shí)時(shí)MP3、WAV和Ogg音頻格式解碼/回放的Java音樂播放器，闡述用JavaSound API編寫音頻處理程序的思路和一般過程。JavaSound是一個(gè)小巧的低層API，支持?jǐn)?shù)字音頻和MIDI數(shù)據(jù)的記錄/回放。在JDK 1.3.0之前，JavaSound是一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的Java擴(kuò)展API，但從Java 2的1.3.0版開始，Ja

2、vaSound就被包含到JDK之中。由于Java有著跨平臺(tái)（操作系統(tǒng)、硬件平臺(tái)）的特點(diǎn)，基于JavaSound的音頻處理程序（包括本文的程序）能夠在任何實(shí)現(xiàn)了Java 1.3+的系統(tǒng)上運(yùn)行，無需加裝任何支持軟件。一、JavaSound的體系結(jié)構(gòu)當(dāng)前JDK的JavaSound API隨同Java媒體框架（JMF，Java Media Framework）一起發(fā)布，主頁在 1.1以及更高的版本。除了JDK實(shí)現(xiàn)的JavaSound API之外，還有一個(gè)源代碼開放的JavaSound實(shí)現(xiàn)是Tritonus，主頁在http:/www.tritonus.org/。圖一描述了JavaSound API的體系

3、結(jié)構(gòu)，虛線表示Sun的JavaSound標(biāo)準(zhǔn)定義的API調(diào)用。上面一根虛線表示我們編寫音頻處理程序要調(diào)用的API，JavaSound API包含在javax.sound.sampled和javax.sound.midi包中。兩根虛線之間的部分就是JavaSound API的具體實(shí)現(xiàn)。圖一：JavaSound體系結(jié)構(gòu)就象上面一根虛線表示的API具有統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)一樣，在所有的JavaSound實(shí)現(xiàn)中，圖一下面一根虛線表示的SPI（服務(wù)提供者接口， Service Provider Interface）也是統(tǒng)一的。SPI的作用是以插件（Plug-In）的形式提供自定義的擴(kuò)展模塊，我們只要提供與SPI兼容

4、的插件擴(kuò)展模塊，就可以在不改變API的情況下擴(kuò)展音頻處理程序的能力。SPI包含在java.sound.sampled.spi和javax.sound.midi.spi包中。例如，假設(shè)有一個(gè)只能播放WAV文件的程序，我們只要增加一個(gè)支持MP3文件解碼的插件模塊，就可以在不改動(dòng)播放程序的任何一行代碼的前提下，為這個(gè)播放程序添加播放MP3的能力。二、JavaSound混頻原理圖二闡述了JavaSound的混頻器原理。在處理輸入音頻的應(yīng)用中，對(duì)于來自各種音頻輸入端口的信號(hào)，例如麥克風(fēng)、CD播放器、磁帶播放器，等等，我們可以在它們到達(dá)TargetDataLine之前，利用混頻器控制輸入混頻，最后在程序中

5、通過TargetDataLine獲得數(shù)字化的音頻輸入流。圖二：JavaSound混頻器類似地，在處理輸出音頻的應(yīng)用中，混頻器用來對(duì)一系列來自SourceDataLine的數(shù)據(jù)進(jìn)行混頻處理，經(jīng)處理后的信號(hào)可輸出到各種輸出端口，例如揚(yáng)聲器、耳機(jī)等。SourceDataLine是一個(gè)可寫入音頻信號(hào)數(shù)字流的設(shè)備，例如，我們可以從一個(gè)WAV文件讀取內(nèi)容寫入到SourceDataLine，然后再通過揚(yáng)聲器輸出。輸入到混頻器的信號(hào)可以來源于剪輯。剪輯（Clip）是一個(gè)包含一段完整音頻數(shù)據(jù)流的設(shè)備，或者說，剪輯就是一個(gè)緩沖在內(nèi)存中的完整音頻數(shù)據(jù)流。在一些要求反復(fù)播放音樂片段的場(chǎng)合，例如游戲的背景音樂，剪輯是很

6、有用的。圖三描述了JavaSound API中一些常用的類、接口及其關(guān)系，所有圖三顯示的類、接口都通過Line這個(gè)基本接口統(tǒng)一起來。Line接口用來關(guān)閉/打開設(shè)備、注冊(cè)事件監(jiān)聽器，以及提供一些用來調(diào)整聲音效果的對(duì)象，例如調(diào)整音量大小的對(duì)象。AudioSystem在JavaSound體系中起著一個(gè)工廠（Factory）類的作用，提供了一系列的靜態(tài)方法，我們通過這些靜態(tài)方法來獲取JavaSound系統(tǒng)默認(rèn)配置的資源（所謂靜態(tài)方法，就是可以在不創(chuàng)建AudioSystem實(shí)例的情況下直接調(diào)用的方法）。圖三：常用的JavaSound類順便說明一下，在當(dāng)前（JDK 1.4）實(shí)現(xiàn)的JavaSound的默認(rèn)配

7、置中，輸入聲音來自本地聲卡的麥克風(fēng)，輸出聲音到本地聲卡的揚(yáng)聲器。應(yīng)當(dāng)說當(dāng)前實(shí)現(xiàn)的JavaSound對(duì)端口和混頻器的支持還不完善，但對(duì)于包括本文音樂播放器在內(nèi)的許多應(yīng)用來說，默認(rèn)實(shí)現(xiàn)的JavaSound配置已經(jīng)足夠了。三、音頻數(shù)據(jù)與存儲(chǔ)格式取樣得到的音頻數(shù)據(jù)也就是從TargetDataLine輸入或從SourceDataLine輸出的數(shù)據(jù)，必須符合音頻格式的標(biāo)準(zhǔn)。音頻數(shù)據(jù)的格式選項(xiàng)由AudioFormat類封裝，主要選項(xiàng)包括：編碼方式，可以是PCM（Pulse Code Modulation，脈沖編碼調(diào)制）、MP3等；通道數(shù)量；取樣率；幀速率；等等。音頻數(shù)據(jù)可以用多種格式保存到磁盤上。在Java

8、Sound參考實(shí)現(xiàn)中，直接支持的文件格式包括WAV（Windows）、AIFF（主要用于Apple的Macintosh）以及AU（主要用于UNIX），音頻文件的格式由AudioFileFormat類指定。并非所有音頻數(shù)據(jù)格式都可以保存到任意音頻文件格式（或從音頻文件回放），具體由平臺(tái)和操作系統(tǒng)的類型決定。為簡單計(jì)，本文的播放器只考慮包含PCM Mono或Stereo數(shù)據(jù)的WAV文件，這是當(dāng)前流行的音頻數(shù)據(jù)/文件格式組合，常用于CD音質(zhì)的音頻數(shù)據(jù)。壓縮的音頻數(shù)據(jù)（例如MP3和Ogg Vorbis）通常有各自特殊的存儲(chǔ)格式（如.MP3和.OGG），通常不以WAV/AIFF/AU格式存儲(chǔ)。四、設(shè)計(jì)音

9、樂播放器我們要編寫的音樂播放器（圖四）由表一所示的幾個(gè)類構(gòu)成。鑒于構(gòu)造用戶界面往往需要大量的代碼，且這些代碼通?？梢杂肐DE自動(dòng)生成，所以下文只對(duì)一些關(guān)鍵的GUI元素略作介紹，不再給出完整的代碼。圖四：播放器的用戶界面播放器的用戶界面主要由一個(gè)帶菜單的JFrame框架、一個(gè)名稱為filenamesList的JList和幾個(gè)JButton構(gòu)成?？蚣苡幸粋€(gè)私有的TestBase成員，其實(shí)例在GUIInit()方法的末尾通過pBase = new TestBase()語句初始化。表一用戶界面中的按鈕用類似下面的代碼創(chuàng)建，其中addBttnIconText()是一個(gè)私有方法，它把一個(gè)圖標(biāo)放到按鈕的文字

10、標(biāo)簽之上。Java程序的用戶界面和Windows界面風(fēng)格迥異，建議讀者使用Java開發(fā)工具自帶的圖標(biāo)，或者從Java圖標(biāo)庫下載（例如JButton playBttn = new JButton();.addBttnIconText(playBttn, 播放, Play24.gif); playBttn.addActionListener(new java.awt.event.ActionListener() public void actionPerformed(ActionEvent e) playClick(e); );當(dāng)用戶點(diǎn)擊一個(gè)按鈕，與該按鈕對(duì)應(yīng)的xxxClick()事件句柄函數(shù)開始

11、執(zhí)行。播放器共有5個(gè)按鈕，相應(yīng)的事件句柄也有5個(gè)：playClick（“播放”按鈕），stopClick（“停止”按鈕），pauseClick（“暫?！卑粹o），prevClick（“后退”按鈕），nextClick（“前進(jìn)”按鈕）。例如，點(diǎn)擊“播放”按鈕時(shí)，playClick()句柄首先獲得JList中選中的文件，然后調(diào)用TestBase實(shí)例中的playFile()輔助方法播放文件。playClick()句柄的代碼如下所示，注意它把音樂文件及其所在目錄連接起來的方法是操作系統(tǒng)中立的。void playClick(ActionEvent e) String fileToPlay = (Strin

12、g) filenamesList.getSelectedValue(); if (fileToPlay != null) pBase.playFile(searchDir + System.getProperty(file.separator) + fileToPlay); stopClick()和pauseClick()方法分別調(diào)用TestBase中的stop()和pause()方法。prevClick()和nextClick()句柄的任務(wù)稍微復(fù)雜一點(diǎn)。首先，它們要調(diào)用TestBase中的stop()方法中止當(dāng)前的播放動(dòng)作，然后選中JList中當(dāng)前項(xiàng)目的前一項(xiàng)或后一項(xiàng)，最后調(diào)用playCli

13、ck()播放新選中的音樂文件，如下所示。void prevClick(ActionEvent e) pBase.stop(); filenamesList.setSelectedIndex( filenamesList.getSelectedIndex() - 1); playClick(e); void nextClick(ActionEvent e) pBase.stop(); filenamesList.setSelectedIndex(filenamesList.getSelectedIndex()+1) % curPlayListLength); playClick(e); 五、播放

14、音樂TestBase類包含主要的播放邏輯。例如，當(dāng)用戶點(diǎn)擊“播放”按鈕，TestBase類中的play()方法開始執(zhí)行。public void play() if (!stopped) | (paused) return; if (playerThread = null) playerThread = new Thread(this); playerThread.start(); try Thread.sleep(500); catch (Exception ex) synchronized(synch) stopped = false; synch.notifyAll(); play()方法

15、首先確認(rèn)播放器當(dāng)前已被終止播放，而不是暫停播放。然后它檢查這是不是第一次調(diào)用play()：如果是，則創(chuàng)建一個(gè)playerThread線程。我們用一個(gè)獨(dú)立的線程負(fù)責(zé)音樂播放，這樣，無論播放器正在讀取文件、解碼，還是正在把音頻數(shù)據(jù)輸出到揚(yáng)聲器，用戶界面總是可操作的。啟動(dòng)線程之后，play()方法鎖定靜態(tài)synch同步對(duì)象，將stopped標(biāo)記設(shè)置為false，然后通知正在等待的線程（playerThread線程在開始播放音樂文件之前，會(huì)等待靜態(tài)synch對(duì)象上的提醒通知）。playerThread線程啟動(dòng)后，它的run()方法開始運(yùn)行。這個(gè)線程一直執(zhí)行while循環(huán)，直到threadExit標(biāo)記變

16、成true為止。在while循環(huán)中，線程首先等待“開始播放”的信號(hào)（當(dāng)用戶點(diǎn)擊“播放”按鈕時(shí)），然后播放音樂。表二列出了描述播放器狀態(tài)的各個(gè)標(biāo)記及其含義。public void run() while (! threadExit) waitforSignal(); if (! stopped) playMusic(); 表二playMusic()方法利用JavaSound API播放當(dāng)前選中的文件。首先要通過AudioSystem類獲得一個(gè)AudioInputStream。然后，利用AudioInputStream的getFormat()獲知音頻數(shù)據(jù)的格式。在此基礎(chǔ)上，我們?cè)噲D通過getLin

17、e()方法獲得一個(gè)支持該種格式的SourceDataLine。如果要播放的是WAV文件，現(xiàn)在我們已經(jīng)有了非壓縮的PCM格式的音頻數(shù)據(jù)，可以用line對(duì)象開始播放音頻。ais= AudioSystem.getAudioInputStream(new File(fileToPlay);if (ais != null) baseFormat = ais.getFormat(); line = getLine(baseFormat); . 如果音頻數(shù)據(jù)是壓縮格式的，如MP3或Ogg，必須先進(jìn)行一次轉(zhuǎn)換把MP3/Ogg解碼成PCM。解碼主要包括三個(gè)步驟：1、創(chuàng)建一個(gè)解壓縮結(jié)果的定制AudioFormat

18、（PCM編碼），但保留和原壓縮流一樣的取樣率、通道信息等。2、創(chuàng)建一個(gè)AudioInputStream把原來的AudioInputStream轉(zhuǎn)換成新的AudioFormat格式。3、獲得一個(gè)處理解碼后格式的SourceDataLine。如下所示：AudioFormat decodedFormat = new AudioFormat( AudioFormat.Encoding.PCM_SIGNED, baseFormat.getSampleRate(), 16, baseFormat.getChannels(), baseFormat.getChannels() * 2, baseFormat

19、.getSampleRate(), false);ais = AudioSystem.getAudioInputStream(decodedFormat, ais);line = getLine(decodedFormat);getLine()方法的返回值是一個(gè)與參數(shù)中指定的AudioFormat兼容的SourceDataLine。如果不能獲得兼容的SourceDataLine，getLine()返回null。在getLine()方法中，我們首先創(chuàng)建和填充一個(gè)DataLine.Info結(jié)構(gòu)，調(diào)用AudioSystem.getLine()方法，將info結(jié)構(gòu)傳遞給AudioSystem類工廠。p

20、rivate SourceDataLine getLine(AudioFormat audioFormat) SourceDataLine res = null; DataLine.Info info = new DataLine.Info(SourceDataLine.class, audioFormat); try res = (SourceDataLine) AudioSystem.getLine(info); res.open(audioFormat); catch (Exception e) return res; 準(zhǔn)備好AudioInputStream和SourceDataLine

21、之后，playMusic()剩余的任務(wù)已經(jīng)很簡單：用一個(gè)循環(huán)從AudioInputStream讀取數(shù)據(jù)，然后寫入到SourceDataLine。int inBytes = 0; while (inBytes != -1) & (!stopped) & (!threadExit) try inBytes = ais.read(audioData, 0, BUFFER_SIZE);catch (IOException e) e.printStackTrace(); if (inBytes = 0) intoutBytes = line.write(audioData, 0, inBytes); i

22、f (paused) waitforSignal();六、支持更多的音頻格式假設(shè)已經(jīng)在test目錄下準(zhǔn)備好了所有的.java文件，執(zhí)行javac *.java即可順利編譯，執(zhí)行java test.TestPlayer就可以啟動(dòng)圖一的播放器。但現(xiàn)在播放器只能播放有限的文件，因?yàn)镴DK實(shí)現(xiàn)的JavaSound只支持WAV、AIFF和AU。但是，我們可以用JavaSound SPI為播放器增加對(duì)MP3和Ogg Vorbis的支持，只要下載和安裝相應(yīng)的插件Jar文件即可。Java版的Vorbis解碼器可以從JavaCraft（對(duì)于MP3支持，JavaZoom也提供了一個(gè)兼容JavaSound的純Java解碼器，稱為JavaLayer（解開下載得到的文件，把所有Jar文件放到播放器所在目錄。用下面的命令啟動(dòng)播放器：java -classpath .;.jogg-0.0.5.jar;.jorbis-0.0.12.jar;.jl020.jar;.mp3sp.jar;.vorbisspi0.6.jar test.TestPlayer。如果你下載的解碼器版本不同，啟動(dòng)命令也要作相應(yīng)地改動(dòng)。把SPI擴(kuò)展插件加入到了播放器的classpath之后，JavaSound就會(huì)在運(yùn)行時(shí)自動(dòng)使用它們。