SDL2音频开发实践

这篇具有很好参考价值的文章主要介绍了SDL2音频开发实践。希望对大家有所帮助。如果存在错误或未考虑完全的地方,请大家不吝赐教,您也可以点击"举报违法"按钮提交疑问。

前言

SDL2 做音频编程,这里写一个 demo ,该 demo 的目标是播放一个固定的频率的声音,这里我们不借助任何音频文件,而是直接通过写 buffer 的方式播放声音。

基础的声音知识

声音的传播是通过介质的震动,这个介质大多数时候是空气,其本质就是声波,通过的频率变化,使人听到了各种各样的声音。

声音有两个重要的属性,一个是频率,即单位时间内震动的次数,其单位为赫兹(Hz)。另一个是振幅,即震动的幅度。从人的感受上,频率影响了声音的音调,振幅影响了声音的大小。

人的耳朵接收的波的频率是有限的,其范围约在 20Hz20000Hz 之间,最敏感的范围在 1000Hz3000Hz 之间。

如以下频率对应的音高表:

频率(Hz) 音高
261.63
293.66
329.63

回到编程的视角,对于计算机来说,只要通过编程命令硬件播放一段频率为261.63Hz,并且振幅(音量)合适的声音,那么理所当然的,人的耳朵就能听到音高为“哆”的声音。

采样率

虽然描述波相关的时间是个连续的概念,但是计算机的数据确实通过一个个比特位组成的,如何用离散的数据描述波这个连续的概念,这就需要用到“采样率”这个术语。

采样频率,也称为采样速度或者采样率,定义了单位时间内从连续信号中提取并组成离散信号的采样个数,它用赫兹(Hz)来表示。

例如,主流音频文件的采样频率为 44100Hz,它的意思是,音频数据会采集一秒内共计 44100 个采样点,对于每个采样点均提供音频的样本数据。

位深度

对于采样点的每一个数据是一个二进制数,其二进制位数被称之为位深度。不难得出结论,位深度越大,其精度也越高。但同时也会导致音频数据变大。一般而言 16 位深度已经足够。

正弦波与正弦音

正弦波定义如下:

正弦波是频率成分最为单一的一种信号,因这种信号的波形是数学上的正弦曲线而得名。任何复杂信号——例如光谱信号,都可以看成由许许多多频率不同、大小不等的正弦波复合而成。 — 百度百科

正弦音定义如下:

正弦音是最纯的音响,它只由一个力度水平均匀的单一频率构成,即只有一个基频,也就是它自己本身,而没有其他泛音。之所以称作“正弦”音,是因为在图表显示中,正弦波波形振动曲线是随三角函数正弦曲线的规律来变化的。其它波形的音,如三角波、方波等,均可以分解为若干正弦音,即可视为一个基频和若干泛音的组合。 – 网络

用正弦函数描述声音

用一个正弦函数描述一个频率固定的声波,可以很简单的用 sin(t) 来描述。这里 t 代表的是时间。那么很容易可以得出,当 t=2π 时,刚好完成了一个正弦周期。

我们规定 t 的单位为秒,如果我们希望一秒内完成一个正弦周期,也就是说振动频率刚好是 1Hz ,那么正弦函数的参数应该改为 sin(2πt)

以上基础知识,即 sin(2πt) 非常重要,通过以上知识,我们可以进一步得出,如果想要设计一个表达式,使得正弦函数的频率为 n,那么显然可以通过 sin(2πtn) 获得,这就构成了编写一个固定频率的正弦函数的数学基础。

用 C/C++ 描述给定采样率下的正弦波

以采样率 44100Hz ,声音频率为 261.63Hz 为例,那么我们以此获得一个一秒的正弦采样数据,可以通过如下代码示例:

const int SamplingRate = 44100;
const double Lag = 1.0 / SamplingRate; // 每一个采样点的时间间隔
const double Freq = 261.63; // 声音的固定频率
double buf[SamplingRate] = { 0 };
for (int i = 0; i < SamplingRate; ++i) {
    buf[i] = sin(M_PI * 2.0 * i * Lag * Freq);
}

以上示例用的采样数据 buf 的数组元素是 double 类型,其数值范围显然在 [-1, 1] 之间,这样该浮点数可以表示震动的频率变化,而不依赖于具体的位深度。

有了以上理论基础,就可以通过 SDL 编写音频相关的开发代码了。

什么是SDL

SDL(Simple DirectMedia Layer) 是一套开放源代码的跨平台多媒体开发库,使用 C 语言写成。SDL 提供了数种控制图像、声音、输出入的函数,让开发者只要用相同或是相似的代码就可以开发出跨多个平台(Linux、Windows、Mac OS X等)的应用软件。现 SDL 多用于开发游戏、模拟器、媒体播放器等多媒体应用领域。 — 百度百科

由于进行音频编程的时候还是希望尽可能跨平台,所以可以考虑用第三方库来编写音频代码,而 SDL 就是其中一个不错的选择。

SDL函数

SDL 做基础的音频编程,一般需要用到的 SDL 函数如下。(详细的 API 描述就不写了,可以自行查阅文档。)

函数名 用途 是否必要
SDL_Init 初始化SDL
SDL_OpenAudio 打开音频
SDL_PauseAudio 暂停音频
SDL_Delay 相当于sleep,按毫秒计
SDL_MixAudio 音频混合
SDL_CloseAudio 关闭音频模块
SDL_Quit 退出SDL

基本编程思路如下:

  1. 通过 SDL_Init 初始化 SDL
  2. 通过 SDL_OpenAudio 配置和打开音频模块。
  3. 实现音频模块的异步回调函数,用于填充固定的音频缓冲区。如需要混音,可通过 SDL_MixAudio 完成。
  4. 通过 SDL_PauseAudio 启动音频。
  5. 循环等待。直到满足自己设定的退出条件。
  6. 在退出前,通过 SDL_CloseAudio 关闭音频模块。
  7. 在退出前,通过 SDL_Quit 退出 SDL

Demo

首先,定义几个宏,全局变量和全局常量以备后用。

#define FREQ 44100 // 采样率
#define SAMPLES 2048 // 缓冲区大小
static const double SoundFreq = 261.63; // 希望播放的声音频率
static const double TimeLag = 1.0 / FREQ; // 每个采样点的时间间隔
static int g_callbackIndex = 0; // 回调次数统计

初始化 SDL,由于我们只用到了音频部分,所以初始化参数只添加 SDL_INIT_AUDIO

int sdlRetCode = SDL_Init(SDL_INIT_AUDIO);
if (sdlRetCode) {
    printf("SDL init error with code: %d\n", sdlRetCode);
    return -1;
}
printf("SDL init successful.\n");

配置和打开音频。这里回调函数 AudioCallback 最后来实现。

// 结构体 SDL_AudioSpec 用于配置音频模块的信息,包括回调函数
SDL_AudioSpec spec {};
spec.freq = FREQ; // 采样率,这里叫freq,即频率,因为采样率也是一种频率,请不要与声音频率混淆
spec.format = AUDIO_S16SYS; // 音频格式,即位深度,这里选择 16 位整形
spec.channels = 1; // 声道个数
spec.silence = 0; // 静音值,选 0 。
spec.samples = SAMPLES; // 这里 samples 的意思是每次采样时的缓冲区大小,以 format 选定的基本数据大小为单位
spec.callback = AudioCallback;
spec.userdata = NULL;

sdlRetCode = SDL_OpenAudio(&spec, NULL);
if (sdlRetCode) {
    printf("SDL Open Audio error with code: %d\n", sdlRetCode);
    return -1;
}
printf("SDL open audio successful.\n");

开始音频,以及循环逻辑。

SDL_PauseAudio(0); // 启动音频
int runtime = 10'000; // 这里设置 10 秒结束循环
while (runtime) {
    SDL_Delay(1); // sleep 1 毫秒
    runtime--;
}

关闭音频和 SDL

SDL_CloseAudio();
SDL_Quit();

最后,实现最重要的异步回调函数。
异步函数是由 SDL 的音频模块调用,而非开发者调用,每次回调都会提供音频缓冲区的指针已经缓冲区大小。

static void AudioCallback(void* userdata, Uint8* stream, int len) {
    int16_t* source = (int16_t*)stream; // 将缓冲区以 16 位数据看待
    int count = len / 2; // 由于是 16 位数据,所以缓冲区的数据个数应该是原来的二分之一
    double r = 0.0; // sin 函数的参数
    int startIndex = (g_callbackIndex * count) % (int)(FREQ/SoundFreq*10);
    for (int i = 0; i < count; ++i) {
        r = M_PI * 2.0 * SoundFreq * TimeLag * (startIndex + i);
        source[i] = INT16_MAX * sin(r);
    }
    g_callbackIndex++;
}

这是要重点解释的部分,首先解释下 sin 函数的参数,即 r 的计算。

r = M_PI * 2.0 * SoundFreq * TimeLag * (startIndex + i);

由于 SoundFreq 是我们期待的声音频率,那么每一个一秒,r 应等于 r = M_PI * 2.0 * SoundFreq。但是这个循环计算的并不是每一个一秒,而是每一个采样点,所以应该乘以采样点所占的比例,所以需要再乘以 TimeLag * (startIndex + i) 。这样拆分开理解就清晰了。

接下来还有一个需要解释的重点,就是 startIndexstartIndex 的值不应该直接是 g_callbackIndex * count 吗?

理论上确实如此,但是我们必须考虑到一个事实,如果 startIndex 不断增长下去,那么最终计算 r 的时候会导致数据计算溢出。

而本 demo 的实现是始终播放固定频率的声音,所以我们完全可以通过取模的方式,让 startIndex 在某个时候回到 0 。但是怎么取模呢?首先我们考虑采样点的个数是 44100 ,即 FREQ , 而声音的频率为 261.63 ,即 SoundFreq ,由此可以得出,在每一个频率周期,将得到 FREQ/SoundFreq 个采样点。也就是说 FREQ/SoundFreq 个采样点后,频率周期完成一轮回到原点,那么 理论上 可以这么写:

int startIndex = (g_callbackIndex * count) % (int)(FREQ/SoundFreq);

然而实际上如果这么写,播放出来的声音会出现明显的撕裂感,这是为什么?因为 FREQ/SoundFreq 并不能整除,那么这个取模计算的结果会出现比较大的误差,解决的办法是将误差缩小到人耳朵无法分辨的范围,这里通过乘以 10 来解决。

最终才得出

r = M_PI * 2.0 * SoundFreq * TimeLag * (startIndex + i);

最后,送上完整的代码:

#include <iostream>
#include <cmath>
#include <SDL2/SDL.h>


#define FREQ 44100
#define SAMPLES 2048
static const double SoundFreq = 261.63;
static const double TimeLag = 1.0 / FREQ;
static int g_callbackIndex = 0;

static void AudioCallback(void* userdata, Uint8* stream, int len) {
    int16_t* source = (int16_t*)stream;
    int count = len / 2;
    double r = 0.0;
    int startIndex = (g_callbackIndex * count) % (int)(FREQ/SoundFreq*10);
    for (int i = 0; i < count; ++i) {
        r = M_PI * 2.0 * SoundFreq * TimeLag * (startIndex + i);
        source[i] = INT16_MAX * sin(r);
    }
    g_callbackIndex++;
}

int main(int argc, const char * argv[]) {
    int sdlRetCode = SDL_Init(SDL_INIT_AUDIO);
    if (sdlRetCode) {
        printf("SDL init error with code: %d\n", sdlRetCode);
        return -1;
    }
    printf("SDL init successful.\n");
    
    // 结构体 SDL_AudioSpec 用于配置音频模块的信息,包括回调函数
    SDL_AudioSpec spec {};
    spec.freq = FREQ; // 采样率,这里叫freq,即频率,因为采样率也是一种频率,请不要与声音频率混淆
    spec.format = AUDIO_S16SYS; // 音频格式,即位深度,这里选择 16 位整形
    spec.channels = 1; // 声道个数
    spec.silence = 0; // 静音值,选 0
    spec.samples = SAMPLES; // 这里 samples 的意思是每次采样时的缓冲区大小,以 format 选定的基本数据大小为单位
    spec.callback = AudioCallback;
    spec.userdata = NULL;
    
    sdlRetCode = SDL_OpenAudio(&spec, NULL);
    if (sdlRetCode) {
        printf("SDL Open Audio error with code: %d\n", sdlRetCode);
        return -1;
    }
    printf("SDL open audio successful.\n");
    
    SDL_PauseAudio(0); // 启动音频
    int runtime = 10'000; // 这里设置 10 秒结束循环
    while (runtime) {
        SDL_Delay(1); // sleep 1 毫秒
        runtime--;
    }
    
    SDL_CloseAudio();
    SDL_Quit();
    
    return 0;
}

参考文章

NES APU

音视频开发系列(15)使用SDL播放音频

建议收藏 | 音频属性相关:声道、采样率、采样位数、样本格式、比特率

百度百科 正弦波

附,关于参数配置 silence,具体含义暂不明确,只知道填 0 即可,这里有个 相关讨论帖 。

移动开发者群加入指引文章来源地址https://www.toymoban.com/news/detail-401878.html

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