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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)與存儲格式
四、設(shè)計音樂播放器
五、播放音樂
六、支持更多的音頻格式
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桌面PC的性能日益提高，Java虛擬機的優(yōu)化技術(shù)也不斷獲得突破，這一切使得用Java處理實時信號成為可能。本文將通過設(shè)計和構(gòu)造一個支持實時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是一個小巧的低層API，支持數(shù)字音頻和MIDI數(shù)據(jù)的記錄/
2、回放。在JDK 1.3.0之前，JavaSound是一個標準的Java擴展API，但從Java 2的1.3.0版開始，JavaSound就被包含到JDK之中。由于Java有著跨平臺（操作系統(tǒng)、硬件平臺）的特點，基于JavaSound的音頻處理程序（包括本文的程序）能夠在任何實現(xiàn)了Java 1.3+的系統(tǒng)上運行，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實現(xiàn)的JavaSound API之外，還有一個源代
3、碼開放的JavaSound實現(xiàn)是Tritonus，主頁在http://www.tritonus.org/。
圖一描述了JavaSound API的體系結(jié)構(gòu)，虛線表示Sun的JavaSound標準定義的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)一標準一樣，在所有的JavaSound實現(xiàn)中，圖一下面一根
4、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展模塊，我們只要提供與SPI兼容的插件擴展模塊，就可以在不改變API的情況下擴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)有一個只能播放WAV文件的程序，我們只要增加一個支持MP3文件解碼的插件模塊，就可以在不改動播放程序的任何一行代碼的前提下，為這個播放程序添加播放MP3的能力。
二、JavaSound混頻原理
5、圖二闡述了JavaSound的混頻器原理。在處理輸入音頻的應(yīng)用中，對于來自各種音頻輸入端口的信號，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TargetDataLine之前，利用混頻器控制輸入混頻，最后在程序中通過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，混頻器用來對一系列來自SourceDataLine的數(shù)據(jù)進行混頻處理，經(jīng)處理后的信號可輸出到各種輸出端口，例如揚聲器、耳機等。SourceDataLine是一個可寫入音頻信號數(shù)字流的設(shè)備，例如，我們可以從一個WAV文件讀取
6、內(nèi)容寫入到SourceDataLine，然后再通過揚聲器輸出。
輸入到混頻器的信號可以來源于剪輯。剪輯（Clip）是一個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)播放音樂片段的場合，例如游戲的背景音樂，剪輯是很有用的。
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這個基本接口統(tǒng)一起來。Line接口用來關(guān)閉/打開設(shè)備、注冊事件監(jiān)聽器，以及提供一些用來調(diào)整聲音效果的對象，例如調(diào)整音量大小的對象。AudioSystem在JavaSound體系中起著一個工廠（Factory
7、）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)默認配置的資源（所謂靜態(tài)方法，就是可以在不創(chuàng)建AudioSystem實例的情況下直接調(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）實現(xiàn)的JavaSound的默認配置中，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聲器。應(yīng)當(dāng)說當(dāng)前實現(xiàn)的JavaSound對端口和混頻器的支持還不完善，但對于包括本文音樂播放器在內(nèi)的許多應(yīng)用來說，默認實現(xiàn)的JavaSound配置已經(jīng)足夠了。
三、音頻數(shù)據(jù)與存儲格式
取樣得到的音頻數(shù)據(jù)——
8、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準。音頻數(shù)據(jù)的格式選項由AudioFormat類封裝，主要選項包括：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JavaSound參考實現(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
9、存到任意音頻文件格式（或從音頻文件回放），具體由平臺和操作系統(tǒng)的類型決定。為簡單計，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格式（如.MP3和.OGG），通常不以WAV/AIFF/AU格式存儲。
四、設(shè)計音樂播放器
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自動生成，所以下文只對一些關(guān)鍵的GUI元素略作介紹，不再給出完整的代碼。
10、
圖四：播放器的用戶界面
播放器的用戶界面主要由一個帶菜單的JFrame框架、一個名稱為filenamesList的JList和幾個JButton構(gòu)成。框架有一個私有的TestBase成員，其實例在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()是一個私有方法，它把一個圖標放到按鈕的文字標簽之上。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，或者從Java圖標庫下載（例如
11、
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)用戶點擊一個按鈕，與該按鈕對應(yīng)的xxxClick()事件句柄函數(shù)開始執(zhí)行。播放器共有5個按鈕，
12、相應(yīng)的事件句柄也有5個：playClick（“播放”按鈕），stopClick（“停止”按鈕），pauseClick（“暫停”按鈕），prevClick（“后退”按鈕），nextClick（“前進”按鈕）。
例如，點擊“播放”按鈕時，playClick()句柄首先獲得JList中選中的文件，然后調(diào)用TestBase實例中的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 =
13、 (String) 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。首先，它們要調(diào)用TestBa
14、se中的stop()方法中止當(dāng)前的播放動作，然后選中JList中當(dāng)前項目的前一項或后一項，最后調(diào)用playClick()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();
file
15、namesList.setSelectedIndex((filenamesList.getSelectedIndex()+1)
% curPlayListLength);
playClick(e);
}
五、播放音樂
TestBase類包含主要的播放邏輯。例如，當(dāng)用戶點擊“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
16、 == null) {
playerThread = new Thread(this);
playerThread.start();
try { Thread.sleep(500);
} catch (Exception ex) {}
}
synchronized(synch) {
stopped = false;
synch.notifyAll();
}
}
play()方法首先確認播放器當(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
17、次調(diào)用play()：如果是，則創(chuàng)建一個playerThread線程。我們用一個獨立的線程負責(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)輸出到揚聲器，用戶界面總是可操作的。
啟動線程之后，play()方法鎖定靜態(tài)synch同步對象，將stopped標記設(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，會等待靜態(tài)synch對象上的提醒通知）。
playerThread線程啟動后，它的run()方法開始運行。這個線程一直執(zhí)行while循環(huán)，直到threadExit標記變成true為止。在while循環(huán)中，線程首先等
18、待“開始播放”的信號（當(dāng)用戶點擊“播放”按鈕時），然后播放音樂。表二列出了描述播放器狀態(tài)的各個標記及其含義。
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AudioInputStream。然后，利用A
19、udioInputStream的getFormat()獲知音頻數(shù)據(jù)的格式。在此基礎(chǔ)上，我們試圖通過getLine()方法獲得一個支持該種格式的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對象開始播放音頻。
ais= AudioSystem.getAudioInputStream(new File(fileToPlay));
…
if (ais != null) {
baseFormat = ais.getFormat();
line = getLine(baseFormat);
...
20、
}
如果音頻數(shù)據(jù)是壓縮格式的，如MP3或Ogg，必須先進行一次轉(zhuǎn)換——把MP3/Ogg解碼成PCM。解碼主要包括三個步驟：
1、創(chuàng)建一個解壓縮結(jié)果的定制AudioFormat（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AudioInputStream把原來的AudioInputStream轉(zhuǎn)換成新的AudioFormat格式。
3、獲得一個處理解碼后格式的SourceDataLine。
如下所示：
AudioFormat decodedFormat = new AudioFormat(
21、 AudioFormat.Encoding.PCM_SIGNED,
baseFormat.getSampleRate(),
16,
baseFormat.getChannels(),
baseFormat.getChannels() * 2,
baseFormat.getSampleRate(),
false);
ais = AudioSystem.getAudioInputStream(decodedFormat, ais);
line = getLine(decodedFormat);
getLine()方
22、法的返回值是一個與參數(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。
private SourceDataLine getLine(AudioFormat audioFormat) {
SourceDataLine res = null;
DataLine.Inf
23、o info = new DataLine.Info(SourceDataLine.class,
audioFormat);
try {
res = (SourceDataLine) AudioSystem.getLine(info);
res.open(audioFormat);
}
catch (Exception e) {
}
return res;
}
準備好AudioInputStream和SourceDataLine之后，playMus
24、ic()剩余的任務(wù)已經(jīng)很簡單：用一個循環(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) {
int outBytes =
25、 line.write(audioData, 0, inBytes);
}
if (paused) waitforSignal();
}
六、支持更多的音頻格式
假設(shè)已經(jīng)在test目錄下準備好了所有的.java文件，執(zhí)行javac *.java即可順利編譯，執(zhí)行java test.TestPlayer就可以啟動圖一的播放器。但現(xiàn)在播放器只能播放有限的文件，因為JDK實現(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。
26、
Java版的Vorbis解碼器可以從JavaCraft（
對于MP3支持，JavaZoom也提供了一個兼容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，啟動命令也要作相應(yīng)地改動。把SPI擴展插件加入到了播放器的classpath之后，JavaSound就會在運行時自動使用它們。
Java實現(xiàn)音頻播放--JavaSound API編寫音頻處理程序
