Android LAME原生音频

news2024/7/6 19:55:14

前言

我想大家都做过录音的功能吧，首先想到的是不是MediaRecorder？今天我们不用MediaRecorder，而是使用LAME库自己编译音频编码模块，很明显，这个需要用到NDK。凡是涉及到音视频编解码这块的，都需要用到Android NDK(Native Development Kit)，原生开发工具包。即使用C/C++代码实现音频的采样和编码，然后使用Java去调用原生模块实现录音功能。

音视频相关基础知识

我来简单过一下基础的音视频相关知识。

Audio Sample：音频采样，通常指录制音频采样文件PCM的过程，PCM（脉冲编码调制）是一种音频流，称为裸流。人耳听到的是模拟信号，PCM是把声音从模拟信号转化为数字信号的技术。

Audio Track：音轨，封装格式的音频文件通常由多个音轨组成，比如MP3文件就是一种封装格式的音频文件，与之相对的就是音频原始采样数据PCM。比如一首歌，歌声是一个音轨，吉他声、鼓声等一些混合在其中的声音各自也是一个音轨。

Audio Channel：声道，比如左声道、右声道和环绕立体声。

Bitrate：比特率，俗称码率。它直接决定声音的清晰度即声音特征的详细程度，SQ、HQ音质是通过它来判断的，码率越高，音频文件越大，质量也越高。

Sample Rate：采样率，大多数沿用国际通用的标准采样率，即44.100kHZ或者48.000kHZ，肯定是不能录制超声波和次声波的，因为人耳感知不到。

录音和播放声音的详细过程。

录音：音频采样编码->音频封装

播放声音：音频解封装->音频解码播放

录音首先采样并编码得到PCM文件，然后封装PCM文件为MP3、WAV、FLAC等文件，播放声音首先也要解封装成PCM文件，然后对PCM文件解码播放。

编译共享库so

编译共享库so的过程有两种方式，一种是使用ndk-build+Android.mk+Application.mk，一种是CMake+CMakeLists.txt。今天我们采用最原始的方式，mk文件。其实Android.mk和CMakeLists.txt很多东西是一一对应的。

Android.mkCMakeLists.txt
LOCAL_MODULE、LOCAL_SRC_FILESadd_library
LOCAL_CFLAGSadd_definitions
LOCAL_C_INCLUDESinclude_directories
LOCAL_STATIC_LIBRARIES、LOCAL_SHARED_LIBRARIESadd_library + set_target_properties
LOCAL_LDLIBSfind_library
C文件

截屏2023-09-13 14.40.51.png

Android.mk
LOCAL_PATH := $(call my-dir)

include $(CLEAR_VARS)

LAME_LIBMP3_DIR := lame-3.100_libmp3lame

LOCAL_MODULE    := mp3lame

LOCAL_SRC_FILES :=\
$(LAME_LIBMP3_DIR)/bitstream.c \
$(LAME_LIBMP3_DIR)/fft.c \
$(LAME_LIBMP3_DIR)/id3tag.c \
$(LAME_LIBMP3_DIR)/mpglib_interface.c \
$(LAME_LIBMP3_DIR)/presets.c \
$(LAME_LIBMP3_DIR)/quantize.c \
$(LAME_LIBMP3_DIR)/reservoir.c \
$(LAME_LIBMP3_DIR)/tables.c  \
$(LAME_LIBMP3_DIR)/util.c \
$(LAME_LIBMP3_DIR)/VbrTag.c \
$(LAME_LIBMP3_DIR)/encoder.c \
$(LAME_LIBMP3_DIR)/gain_analysis.c \
$(LAME_LIBMP3_DIR)/lame.c \
$(LAME_LIBMP3_DIR)/newmdct.c \
$(LAME_LIBMP3_DIR)/psymodel.c \
$(LAME_LIBMP3_DIR)/quantize_pvt.c \
$(LAME_LIBMP3_DIR)/set_get.c \
$(LAME_LIBMP3_DIR)/takehiro.c \
$(LAME_LIBMP3_DIR)/vbrquantize.c \
$(LAME_LIBMP3_DIR)/version.c \
MP3Encoder.c

include $(BUILD_SHARED_LIBRARY)
  • LOCAL_PATH :=$(call my-dir)
    当前文件在系统中的路径，必须为Android.mk文件的第一行。
  • include $(CLEAR_VARS)
    清除上一次构建中的全局变量，开始一次新的编译。
  • LOCAL_MODULE
    生成的模块的名称，这里是动态库so文件的名称，so文件的名称拼接为lib「模块名」.so
    该模块的编译的目标名，用于区分各个模块，名字必须是唯一并不包含空格的，如果编译目标是 so 库，那么该 so 库的名称就是 lib 项目名 .so。
  • LOCAL_SRC_FILES
    要编译的.c或.cpp文件，.h和.hpp文件可以不用出现在这里，系统会自动包含。
  • include $(BUILD_SHARED_LIBRARY)
    include开头的是构建系统的内置变量，此行代码的意思是构建动态库，也称共享库，还有以下几种取值。
    BUILD_STATIC_LIBRARY: 构建静态库。
    PREBUILT_STATIC_LIBRARY: 将静态库包装成一个模块。
    PREBUILT_SHARED_LIBRARY: 将静态库包装成一个模块。
    BUILD_EXECUTABLE: 构建可执行文件。
Application.mk
APP_ABI := armeabi  armeabi-v7a  arm64-v8a  x86  x86_64  mips  mips64
APP_MODULES := mp3lame
APP_CFLAGS += -DSTDC_HEADERS
APP_PLATFORM := android-21
  • APP_ABI ABI（Application Binary Interface）应用二级制接口，这是一种计算机科学中的概念，用于描述软件库或操作系统与应用程序之间的二进制通信方式。它跟CPU指令集对应。
  • APP_MODULES 指定模块
  • APP_FLAGS 指定编译过程的flag，“DSTDC_HEADERS” 是一个编程中常见的宏定义，通常用于检查标准库头文件是否已经包含。这个宏定义通常在C/C++代码中使用，用于确保标准库的头文件已经正确包含，以便程序可以正常编译和运行。如果没有正确包含标准库头文件，编译器可能会报错或者出现未定义的行为。
  • APP_PLATFORM 指定创建的动态库的平台。

与JNI相关的文件

/* DO NOT EDIT THIS FILE - it is machine generated */
#include <jni.h>

#ifndef _Included_Mp3Encoder
#define _Included_Mp3Encoder
#ifdef __cplusplus
extern "C" {
#endif

JNIEXPORT void JNICALL Java_com_dorachat_dorachat_recorder_mp3_Mp3Encoder_init
  (JNIEnv *, jclass, jint, jint, jint, jint, jint);

JNIEXPORT jint JNICALL Java_com_dorachat_dorachat_recorder_mp3_Mp3Encoder_encode
  (JNIEnv *, jclass, jshortArray, jshortArray, jint, jbyteArray);

JNIEXPORT jint JNICALL Java_com_dorachat_dorachat_recorder_mp3_Mp3Encoder_flush
  (JNIEnv *, jclass, jbyteArray);

JNIEXPORT void JNICALL Java_com_dorachat_dorachat_recorder_mp3_Mp3Encoder_close
  (JNIEnv *, jclass);

#ifdef __cplusplus
}
#endif
#endif

lame的jni层主要定义4个方法init、encode、flush和close。

#include "lame-3.100_libmp3lame/lame.h"
#include "Mp3Encoder.h"

static lame_global_flags *glf = NULL;

JNIEXPORT void JNICALL Java_com_dorachat_dorachat_recorder_mp3_Mp3Encoder_init(
        JNIEnv *env, jclass cls, jint inSamplerate, jint outChannel,
        jint outSamplerate, jint outBitrate, jint quality) {
    if (glf != NULL) {
        lame_close(glf);
        glf = NULL;
    }
    glf = lame_init();
    lame_set_in_samplerate(glf, inSamplerate);
    lame_set_num_channels(glf, outChannel);
    lame_set_out_samplerate(glf, outSamplerate);
    lame_set_brate(glf, outBitrate);
    lame_set_quality(glf, quality);
    lame_init_params(glf);
}

JNIEXPORT jint JNICALL
Java_com_dorachat_dorachat_recorder_mp3_Mp3Encoder_encode(
        JNIEnv *env, jclass cls, jshortArray buffer_l, jshortArray buffer_r,
        jint samples, jbyteArray mp3buf) {
    jshort* j_buffer_l = (*env)->GetShortArrayElements(env, buffer_l, NULL);

    jshort* j_buffer_r = (*env)->GetShortArrayElements(env, buffer_r, NULL);

    const jsize mp3buf_size = (*env)->GetArrayLength(env, mp3buf);
    jbyte* j_mp3buf = (*env)->GetByteArrayElements(env, mp3buf, NULL);

    int result = lame_encode_buffer(glf, j_buffer_l, j_buffer_r,
            samples, j_mp3buf, mp3buf_size);

    (*env)->ReleaseShortArrayElements(env, buffer_l, j_buffer_l, 0);
    (*env)->ReleaseShortArrayElements(env, buffer_r, j_buffer_r, 0);
    (*env)->ReleaseByteArrayElements(env, mp3buf, j_mp3buf, 0);

    return result;
}

JNIEXPORT jint JNICALL
Java_com_dorachat_dorachat_recorder_mp3_Mp3Encoder_flush(
        JNIEnv *env, jclass cls, jbyteArray mp3buf) {
    const jsize mp3buf_size = (*env)->GetArrayLength(env, mp3buf);
    jbyte* j_mp3buf = (*env)->GetByteArrayElements(env, mp3buf, NULL);

    int result = lame_encode_flush(glf, j_mp3buf, mp3buf_size);

    (*env)->ReleaseByteArrayElements(env, mp3buf, j_mp3buf, 0);

    return result;
}

JNIEXPORT void JNICALL Java_com_dorachat_dorachat_recorder_mp3_Mp3Encoder_close(
        JNIEnv *env, jclass cls) {
    lame_close(glf);
    glf = NULL;
}

这个需要你会一点C语言的基础，然后就可以轻松调用lame库的函数了。

package com.dorachat.dorachat.recorder.mp3;

public class Mp3Encoder {

    static {
        System.loadLibrary("mp3lame");
    }

    public native static void close();

    public native static int encode(short[] buffer_l, short[] buffer_r, int samples, byte[] mp3buf);

    public native static int flush(byte[] mp3buf);

    public native static void init(int inSampleRate, int outChannel, int outSampleRate, int outBitrate, int quality);

    public static void init(int inSampleRate, int outChannel, int outSampleRate, int outBitrate) {
        init(inSampleRate, outChannel, outSampleRate, outBitrate, 7);
    }
}

我们再看一下java层。

Java层大致实现

我们录音肯定是要在后台Service中进行的，可以使用onStartCommand进行调用，这里只是一个简单的功能，就不使用aidl跨进程了。开始录音时我们需要开一个线程去采样音频数据。

public void start(String filePath, RecordConfig config) {
    this.currentConfig = config;
    if (state != RecordState.IDLE && state != RecordState.STOP) {
        Logger.e(TAG, "状态异常当前状态： %s", state.name());
        return;
    }
    resultFile = new File(filePath);
    String tempFilePath = getTempFilePath();

    LogUtils.dformat(TAG, "----------------开始录制 %s------------------------", currentConfig.getFormat().name());
    LogUtils.dformat(TAG, "参数： %s", currentConfig.toString());
    LogUtils.iformat(TAG, "pcm缓存 tmpFile: %s", tempFilePath);
    LogUtils.iformat(TAG, "录音文件 resultFile: %s", filePath);


    tmpFile = new File(tempFilePath);
    audioRecordThread = new AudioRecordThread();
    audioRecordThread.start();
}


private class AudioRecordThread extends Thread {
    private AudioRecord audioRecord;
    private int bufferSize;

    AudioRecordThread() {
        bufferSize = AudioRecord.getMinBufferSize(currentConfig.getSampleRate(),
                currentConfig.getChannelConfig(), currentConfig.getEncodingConfig()) * RECORD_AUDIO_BUFFER_TIMES;
        Logger.d(TAG, "record buffer size = %s", bufferSize);
        audioRecord = new AudioRecord(MediaRecorder.AudioSource.MIC, currentConfig.getSampleRate(),
                currentConfig.getChannelConfig(), currentConfig.getEncodingConfig(), bufferSize);
        if (currentConfig.getFormat() == RecordConfig.RecordFormat.MP3) {
            if (mp3EncodeThread == null) {
                initMp3EncoderThread(bufferSize);
            } else {
                LogUtils.e("mp3EncodeThread != null, 请检查代码");
            }
        }
    }

    @Override
    public void run() {
        super.run();
        switch (currentConfig.getFormat()) {
            case MP3:
                startMp3Recorder();
                break;
            default:
                startPcmRecorder();
                break;
        }
    }

    private void startPcmRecorder() {
        state = RecordState.RECORDING;
        notifyState();
        LogUtils.d("开始录制PCM");
        FileOutputStream fos = null;
        try {
            fos = new FileOutputStream(tmpFile);
            audioRecord.startRecording();
            byte[] byteBuffer = new byte[bufferSize];

            while (state == RecordState.RECORDING) {
                int end = audioRecord.read(byteBuffer, 0, byteBuffer.length);
                notifyData(byteBuffer);
                fos.write(byteBuffer, 0, end);
                fos.flush();
            }
            audioRecord.stop();
            files.add(tmpFile);
            if (state == RecordState.STOP) {
                makeFile();
            } else {
                LogUtils.i("暂停");
            }
        } catch (Exception e) {
            LogUtils.e(e.getMessage());
            notifyError("录音失败");
        } finally {
            try {
                if (fos != null) {
                    fos.close();
                }
            } catch (IOException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }
        if (state != RecordState.PAUSE) {
            state = RecordState.IDLE;
            notifyState();
            LogUtils.d("录音结束");
        }
    }

    private void startMp3Recorder() {
        state = RecordState.RECORDING;
        notifyState();

        try {
            audioRecord.startRecording();
            short[] byteBuffer = new short[bufferSize];

            while (state == RecordState.RECORDING) {
                int end = audioRecord.read(byteBuffer, 0, byteBuffer.length);
                if (mp3EncodeThread != null) {
                    mp3EncodeThread.addChangeBuffer(new Mp3EncodeThread.ChangeBuffer(byteBuffer, end));
                }
                notifyData(ByteUtils.toBytes(byteBuffer));
            }
            audioRecord.stop();
        } catch (Exception e) {
            LogUtils.e(e.getMessage());
            notifyError("录音失败");
        }
        if (state != RecordState.PAUSE) {
            state = RecordState.IDLE;
            notifyState();
            stopMp3Encoded();
        } else {
            LogUtils.d("暂停");
        }
    }
}

private void stopMp3Encoded() {
    if (mp3EncodeThread != null) {
        mp3EncodeThread.stopSafe(new Mp3EncodeThread.EncordFinishListener() {
            @Override
            public void onFinish() {
                notifyFinish();
                mp3EncodeThread = null;
            }
        });
    } else {
        LogUtils.e("mp3EncodeThread is null, 代码业务流程有误，请检查！");
    }
}

private void makeFile() {
    switch (currentConfig.getFormat()) {
        case MP3:
            return;
        case WAV:
            mergePcmFile();
            makeWav();
            break;
        case PCM:
            mergePcmFile();
            break;
        default:
            break;
    }
    notifyFinish();
    LogUtils.i("录音完成！ path: %s ； 大小：%s", resultFile.getAbsoluteFile(), resultFile.length());
}

/**
 * 添加Wav头文件。
 */
private void makeWav() {
    if (!FileUtils.isFile(resultFile) || resultFile.length() == 0) {
        return;
    }
    byte[] header = WavUtils.generateWavFileHeader((int) resultFile.length(), currentConfig.getSampleRate(), currentConfig.getChannelCount(), currentConfig.getEncoding());
    WavUtils.writeHeader(resultFile, header);
}

/**
 * 合并文件。
 */
private void mergePcmFile() {
    boolean mergeSuccess = mergePcmFiles(resultFile, files);
    if (!mergeSuccess) {
        notifyError("合并失败");
    }
}

/**
 * 合并PCM文件。
 *
 * @param recordFile 输出文件
 * @param files      多个文件源
 * @return 是否成功
 */
private boolean mergePcmFiles(File recordFile, List<File> files) {
    if (recordFile == null || files == null || files.size() <= 0) {
        return false;
    }

    FileOutputStream fos = null;
    BufferedOutputStream outputStream = null;
    byte[] buffer = new byte[1024];
    try {
        fos = new FileOutputStream(recordFile);
        outputStream = new BufferedOutputStream(fos);

        for (int i = 0; i < files.size(); i++) {
            BufferedInputStream inputStream = new BufferedInputStream(new FileInputStream(files.get(i)));
            int readCount;
            while ((readCount = inputStream.read(buffer)) > 0) {
                outputStream.write(buffer, 0, readCount);
            }
            inputStream.close();
        }
    } catch (Exception e) {
        LogUtils.e(e.getMessage());
        return false;
    } finally {
        try {
            if (outputStream != null) {
                outputStream.close();
            }
            if (fos != null) {
                fos.close();
            }
        } catch (IOException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
    for (int i = 0; i < files.size(); i++) {
        files.get(i).delete();
    }
    files.clear();
    return true;
}

/**
 * 根据当前的时间生成相应的文件名。
 */
private String getTempFilePath() {
    String fileDir = String.format(Locale.getDefault(), "%s/Record/", Environment.getExternalStoragePublicDirectory(Environment.DIRECTORY_MUSIC).getAbsolutePath());
    if (!FileUtils.createOrExistsDir(fileDir)) {
        LogUtils.e("文件夹创建失败：" + fileDir);
    }
    String fileName = String.format(Locale.getDefault(), "record_tmp_%s", FileUtils.getNowString(new SimpleDateFormat("yyyyMMdd_HH_mm_ss", Locale.SIMPLIFIED_CHINESE)));
    return String.format(Locale.getDefault(), "%s%s.pcm", fileDir, fileName);
}

/**
 * 表示当前录制状态。
 */
public enum RecordState {
    /**
     * 空闲状态。
     */
    IDLE,
    /**
     * 录音中。
     */
    RECORDING,
    /**
     * 暂停中。
     */
    PAUSE,
    /**
     * 正在停止。
     */
    STOP,
    /**
     * 录音流程结束（转换结束）。
     */
    FINISH
}

在Mp3EncodeThread中init初始化录制参数，然后调用encode进行编码录制，录制完成调用flush把缓冲区冲一下水，清洗一下。最后调用一下close，完美。
最后附上录制流程细节的代码。

package com.dorachat.dorachat.recorder.mp3;

import com.dorachat.dorachat.recorder.RecordConfig;
import com.dorachat.dorachat.recorder.RecordService;

import java.io.File;
import java.io.FileNotFoundException;
import java.io.FileOutputStream;
import java.io.IOException;
import java.util.Collections;
import java.util.LinkedList;
import java.util.List;

public class Mp3EncodeThread extends Thread {

    private static final String TAG = Mp3EncodeThread.class.getSimpleName();
    private List<ChangeBuffer> cacheBufferList = Collections.synchronizedList(new LinkedList<ChangeBuffer>());
    private File file;
    private FileOutputStream os;
    private byte[] mp3Buffer;
    private EncodeFinishListener encodeFinishListener;

    /**
     * 是否已停止录音。
     */
    private volatile boolean isOver = false;

    /**
     * 是否继续轮询数据队列。
     */
    private volatile boolean start = true;

    public Mp3EncodeThread(File file, int bufferSize) {
        this.file = file;
        mp3Buffer = new byte[(int) (7200 + (bufferSize * 2 * 1.25))];
        RecordConfig currentConfig = RecordService.getCurrentConfig();
        int sampleRate = currentConfig.getSampleRate();

        Mp3Encoder.init(sampleRate, currentConfig.getChannelCount(), sampleRate, currentConfig.getRealEncoding());
    }

    @Override
    public void run() {
        try {
            this.os = new FileOutputStream(file);
        } catch (FileNotFoundException e) {
            return;
        }

        while (start) {
            ChangeBuffer next = next();
            lameData(next);
        }
    }

    public void addChangeBuffer(ChangeBuffer changeBuffer) {
        if (changeBuffer != null) {
            cacheBufferList.add(changeBuffer);
            synchronized (this) {
                notify();
            }
        }
    }

    public void stopSafe(EncodeFinishListener encodeFinishListener) {
        this.encodeFinishListener = encodeFinishListener;
        isOver = true;
        synchronized (this) {
            notify();
        }
    }

    private ChangeBuffer next() {
        for (;;) {
            if (cacheBufferList == null || cacheBufferList.size() == 0) {
                try {
                    if (isOver) {
                        finish();
                    }
                    synchronized (this) {
                        wait();
                    }
                } catch (Exception e) {
                }
            } else {
                return cacheBufferList.remove(0);
            }
        }
    }

    private void lameData(ChangeBuffer changeBuffer) {
        if (changeBuffer == null) {
            return;
        }
        short[] buffer = changeBuffer.getData();
        int readSize = changeBuffer.getReadSize();
        if (readSize > 0) {
            int encodedSize = Mp3Encoder.encode(buffer, buffer, readSize, mp3Buffer);
            try {
                os.write(mp3Buffer, 0, encodedSize);
            } catch (IOException e) {
            }
        }
    }

    private void finish() {
        start = false;
        final int flushResult = Mp3Encoder.flush(mp3Buffer);
        if (flushResult > 0) {
            try {
                os.write(mp3Buffer, 0, flushResult);
                os.close();
            } catch (final IOException e) {
            }
        }
        if (encodeFinishListener != null) {
            encodeFinishListener.onFinish();
        }
    }

    public static class ChangeBuffer {
        private short[] rawData;
        private int readSize;

        public ChangeBuffer(short[] rawData, int readSize) {
            this.rawData = rawData.clone();
            this.readSize = readSize;
        }

        short[] getData() {
            return rawData;
        }

        int getReadSize() {
            return readSize;
        }
    }

    public interface EncodeFinishListener {
    
        /**
         * 格式转换完毕。
         */
        void onFinish();
    }
}

总结

这只是Android音视频开发的冰山一角，主要是为了演示大概的开发流程，如果需要深入研究Android NDK，一定需要先把C/C++语言学好，这样才能走得更远。

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