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AudioUnit

2018-05-15 17:02 出处:清屏网 人气: 评论(0

声音的渲染在iOS平台上回直接使用 AudioUnit 的API来完成.用来实现一些类似 大叔 , KTV , 耳返等效果 ….

今天带领大家深入了解和学习一下这些音效.

实现iOS变声的背景

声音变声一般都是发生在 一端采集录制另一端播放音频, 忽略中间的转码过程,在输入输出的中间过程中进行相应的音频参数就实现了变声.

下图是AVAudioSession的工作流

大家常用的变声方案有很多:

  1. FFMpeg提供内部效果器 eg:EQ均衡器
  2. AVFoundation底层的 Audio Unit eg: 混响reverb
  3. SoundTouch
  4. 其它方案…

这里我们选用iOS AVFoundation本身提供的音频处理单元 Audio Unit .

Audio Unit 提供如下功能:

  • 低延迟的音频I/O eg:voip
  • 多路声音的合成并回放 eg:游戏中的音乐合成器
  • Audio Unit 自身提供 eg:回声消除、Mix两轨音频、均衡器、压缩器、混响效果器等.
  • 需要图状的结构来处理音频. eg: 有点类似PC时代的主播经常用的一种叫KX 驱动.

AudioUnit介绍

iOS层级架构图

声音的处理过程, 首先需要认识一下 AUGraph

audio processing graph: A representation of a signal chain comprising an interconnection of audio units. Also called an AUGraph or graph. Core Audio represents such an interconnected network as a software object of typeAUGraph. Audio processing graphs must end in an output unit. See also audio unit.

一种信号链的表示,包括音频单元的互连。也称为AUGraph或graph。Core Audio代表着这样一个相互连接的网络,它是一个 AUGraph 类型的对象。

audio unit 结构图(工作流)

Audio Unit 构成图

Unit 一般 分为 Element0 和 Element1

下面我们举Remote I/O Unit为例:

RemoteIO 这个Unit是和硬件IO相关的Unit,它分为输入端和输出端, 输入端一般指麦克风,输出端一般指扬声器.

Element0 控制输出

Element1 控制输入

图中Element 也叫 bus;

音频流从输入域(input scope)输入, 从输出域(output scope)输出

整个Render过程就是一次RenderCycle

同时每个Element分为Input Scope 和 Output Scope.如果我们想使用扬声器的声音播放功能,必须需将这个Unit的 Element0OutputScope 和Speak进行连接. 如果想使用麦克风录音功能,那么必须将这个Unit的 Element1InputScope 和麦克风进行连接.

构建Audio Unit

首先需要启用音频会话 这些大家自己配置就好 了

//配置会话相关伪代码
[[AVAudioSession sharedInstance].xxxxx xxxxx];

如何用代码构建一个Audio Unit? 这里我们以Remote I/O Unit 为例:

创建AudioUnit有两种方式

  1. 直接使用AudioUnit裸创建
  2. 使用AUGraph和AUNode来构建
  • 第一种 裸创建
#import "ViewController.h"
#import <AudioUnit/AudioUnit.h>
@interface ViewController ()
{
 AudioUnit ioUnitInstance; //声明一变量
}

@end

@implementation ViewController

- (void)viewDidLoad {
 [super viewDidLoad];
 //首先构造出要用到创建Unit的结构体
 AudioComponentDescription ioUnitDescription;
 ioUnitDescription.componentType = kAudioUnitType_Output;
 ioUnitDescription.componentSubType = kAudioUnitSubType_RemoteIO;
 ioUnitDescription.componentManufacturer = kAudioUnitManufacturer_Apple;
 ioUnitDescription.componentFlags = 0;
 ioUnitDescription.componentFlagsMask = 0;
 
 AudioComponent ioUnitRef = AudioComponentFindNext(NULL, &ioUnitDescription);
 //创建AudioUnit实例
 AudioComponentInstanceNew(ioUnitRef, &ioUnitInstance);
}
  • 第二种使用AUGraph和AUNode
#import "ViewController.h"
#import <AudioUnit/AudioUnit.h>
#import <AudioToolbox/AudioToolbox.h>
@interface ViewController ()
{
 AUGraph processingGraph;
 AUNode ioNode;
 AudioUnit ioUnit;
}

@end

@implementation ViewController

- (void)viewDidLoad {
 [super viewDidLoad];
 //首先构造出要用到创建Unit的结构体
 AudioComponentDescription ioUnitDescription;
 ioUnitDescription.componentType = kAudioUnitType_Output;
 ioUnitDescription.componentSubType = kAudioUnitSubType_RemoteIO;
 ioUnitDescription.componentManufacturer = kAudioUnitManufacturer_Apple;
 ioUnitDescription.componentFlags = 0;
 ioUnitDescription.componentFlagsMask = 0;
 
 //1 new
 NewAUGraph(&processingGraph);
 AUGraphAddNode(processingGraph, &ioUnitDescription, &ioNode);
 
 //2 open
 AUGraphOpen(processingGraph);
 
 //3 从相应的Node中获得AudioUnit
 AUGraphNodeInfo(processingGraph, ioNode, NULL, &ioUnit);
 
}

推荐使用第二种因为这种创建扩展性更高一些

注意: AUNode必须和AudioUnit成对出现

如下图 :Remote I/O Unit

麦克风或者扬声器在Audio Unit中有相应的枚举.

直播中的 耳返 就是用的这个把麦克风采集的数据直接扔给扬声器 这样就能做到 低延迟的实时听到麦克风的声音.

直播中一般使用 Remote I/O unit来进行采集工作

使用AudioUnit连接扬声器

OSStatus status = noErr;
UInt32 onFlag = 1;
UInt32 busZero = 0; //Element0 就是bus0
status = AudioUnitSetProperty(remoteIOUnit, kAudioOutputUnitProperty_EnableIO, kAudioUnitScope_Output, busZero, &onFlag, sizeof(onFlag));
CheckStatus(status, @"不能连接扬声器", YES);

注意: kAudioUnitScope_Output 就是连接扬声器的key

连接麦克风

OSStatus status = noErr;
UInt32 busOne = 1; //Element1 就是bus1 接麦克风输入
UInt32 oneFlag = 1;
status = AudioUnitSetProperty(remoteIOUnit, kAudioOutputUnitProperty_EnableIO, kAudioUnitScope_Input, busOne, &oneFlag, sizeof(oneFlag));
CheckStatus(status, @"不能连接麦克风", YES);

可以使用如下代码检查每一步执行出错debug

static void CheckStatus(OSStatus status, NSString *message, BOOL fatal) {
 if (status != noErr) {
 char fourCC[16];
 *(UInt32 *)fourCC = CFSwapInt32HostToBig(status);
 fourCC[4] = '\0';
 if (isprint(fourCC[0]) && isprint(fourCC[1]) &&
 isprint(fourCC[2]) && isprint(fourCC[4])) {
 NSLog(@"%@:%s",message, fourCC);
 } else {
 NSLog(@"%@:%d",message, (int)status);
 }
 
 if (fatal) {
 exit(-1);
 }
 }
}

AVAudioMix

我们一般都在采集、录制或编辑音视频相应的类中使用AVAudioMixer.

举个例子:我们变声实现的流程大概是这个样子 AVAudioPlayer -> AVPlayerItem -> AVAudioMixer-> AUGraph -> AUNode + AudioUnit

AudioStreamBasicDescription 配置麦克风输入的参数

当我们控制Remote IO Unit的时候想告诉麦克风 各种input的参数 可以通过 一个叫ASBD 格式的结构体数据描述来设置给相应的Unit

Audio Stream Format 描述ASBD

UInt32 bytePerSample = sizeof(Float32);
AudioStreamBasicDescription asbd;
bzero(&asbd, sizeof(asbd));
asbd.mFormatID = kAudioFormatLinearPCM;
asbd.mSampleRate = 44100;
asbd.mChannelsPerFrame = channels;
asbd.mFramesPerPacket = 1;
asbd.mFormatFlags = kAudioFormatFlagsNativeFloatPacked | kAudioFormatFlagIsNonInterleaved;
asbd.mBitsPerChannel = 8 * bytePerSample;
asbd.mBytesPerFrame = bytePerSample;
asbd.mBytesPerPacket = bytePerSample;

上边代码展示了如何填充ASBD结构体,这个描述音视频的具体格式.

下面具体介绍一下各个参数的意思

  • mFormatID 可用来指定编码格式 eg:PCM
  • mSampleRate 采样率
  • mChannelsPerFrame 每个Frame有几个channel
  • mFramesPerPacket 每个Packet有几Frame
  • mFormatFlags 这个是用来描述声音格式表示格式的参数,上面代码我们指定的是每个sample的表示格式为Float格式,有点类似SInt16,如果后边是NonInterleaved代表非交错的,对于这个音频来讲就是左右声道的是非交错存放的,实际的音频数据会存储在一个AudioBufferList结构中的变量mBuffers中,如果mFormatFlags指定的是NonInterleaved,那么左声道就在会在mBuffers[0]里面,右声道就在mBuffers[1]里面.
  • mBitsPerChannel 表示一个声道的音频数据用多少位来表示,上面我们用的是Float来表示, 所以这里使用的是 8 乘以 每个采样的字节数来赋值.
  • mBytesPerFrame 和 mBytesPerPacket 这两个的赋值需要根据mFormatFlags 的值来进行分配,如果是NonInterleaved非交错的情况下, 就赋值bytePerSample(因为左右声道是分开的).但如果是Interleaved的话,那就应该是 bytePerSample * channels (因为左右声道是交错存放),这样才能表示一个Frame里面到底有多少byte.

讲了这么多 那我们怎么把这个ASDB给 Unit?

如下代码 设置ASBD给相应的Audio Unit

AudioUnitSetProperty(remoteIOUnit, kAudioUnitProperty_StreamFormat, kAudioUnitScope_Output, 1, &asbd, sizeof(asbd));

完整的代码如下

//设置ASBD
AudioStreamBasicDescription inputFormat;
inputFormat.mSampleRate = 44100;
inputFormat.mFormatID = kAudioFormatLinearPCM;
inputFormat.mFormatFlags = kAudioFormatFlagIsSignedInteger | kAudioFormatFlagIsNonInterleaved;
inputFormat.mFramesPerPacket = 1;
inputFormat.mChannelsPerFrame = 1;
inputFormat.mBytesPerPacket = 2;
inputFormat.mBytesPerFrame = 2;
inputFormat.mBitsPerChannel = 16;
//设置给输入端 配置麦克风输出的数据是什么格式
OSStatus status = noErr;
status = AudioUnitSetProperty(audioUnit,
 kAudioUnitProperty_StreamFormat,
 kAudioUnitScope_Output,
 InputBus,
 &inputFormat,
 sizeof(inputFormat));
CheckStatus(status, @"AudioUnitGetProperty bus1 output ASBD error", YES);

Audio Unit 分类

CF_ENUM(UInt32) {
 kAudioUnitType_Output = 'auou',
 kAudioUnitType_MusicDevice = 'aumu',
 kAudioUnitType_MusicEffect = 'aumf',
 kAudioUnitType_FormatConverter = 'aufc',
 kAudioUnitType_Effect = 'aufx',
 kAudioUnitType_Mixer = 'aumx',
 kAudioUnitType_Panner = 'aupn',
 kAudioUnitType_Generator = 'augn',
 kAudioUnitType_OfflineEffect = 'auol',
 kAudioUnitType_MIDIProcessor = 'aumi'
};
分类 功能/作用 类型
Effect Unit 提供声音特效处理 kAudioUnitType_Effect
Mixer Units 提供Mix多路声音的功能 kAudioUnitType_Mixer
I/O Units I/O 采集音频与播放音频功能 kAudioUnitType_Output
AUConverter Units 格式转换 eg:采样格式Float转SInt16、交错或平铺、单双声道的转换 kAudioUnitType_FormatConverter
Generator Units 提供播放器功能 kAudioUnitType_Generator
CF_ENUM(UInt32) {
 kAudioUnitSubType_PeakLimiter = 'lmtr',
 kAudioUnitSubType_DynamicsProcessor = 'dcmp',
 kAudioUnitSubType_LowPassFilter = 'lpas',
 kAudioUnitSubType_HighPassFilter = 'hpas',
 kAudioUnitSubType_BandPassFilter = 'bpas',
 kAudioUnitSubType_HighShelfFilter = 'hshf',
 kAudioUnitSubType_LowShelfFilter = 'lshf',
 kAudioUnitSubType_ParametricEQ = 'pmeq',
 kAudioUnitSubType_Distortion = 'dist',
 kAudioUnitSubType_Delay = 'dely',
 kAudioUnitSubType_SampleDelay = 'sdly',
 kAudioUnitSubType_NBandEQ = 'nbeq'
};


CF_ENUM(UInt32) {
 kAudioUnitSubType_Reverb2 = 'rvb2',
 kAudioUnitSubType_AUiPodEQ = 'ipeq'
};

Effect Unit 子类型及用途说明

子类型 用途说明 子枚举类型
均衡效果器 为声音的某些 频带 增强或衰减能量,效果器需要指定多个频带,然后为各频带设置增益最终改变声音在音域上的能量分布 kAudioUnitSubType_NBandEQ
压缩效果器 当声音较小或较大通过设置阀值来提高或降低声音能量 eg:作用时间、释放时间、以及触发值从而最终控制声音在时域上的能量范围 kAudioUnitSubType_DynamicsProcessor
混响效果器 通过声音反射的延迟控制声音效果 kAudioUnitSubType_Reverb2

Effect Unit 下最常用的效果器就上边这三种, 像高通(High Pass)、低通(Low Pass)、带通(Band Pass)、延迟(Delay)、压限(Limiter) 等这些不是很常用,如果大家对这个很熟悉可以试试使用一下.

Mixer Units 子类型及用途说明

子类型 用途说明 子枚举类型
3D Mixer 仅支持 macOS  
MultiChannelMixer 多路声音混音效果器,可以接受多路音频输入,还可以分别调整每一路的音频增益和开关,并将多路音频合成一路 kAudioUnitSubType_MultiChannelMixer

I/O Units 子类型及用途说明

子类型 用途说明 子枚举类型
Remote I/O 采集音频与播放音频,在Audio Unit中使用麦克风和扬声器的时候会用到这个Unit kAudioUnitType_Output
Generic Output 进行离线处理,或者说AUGraph中不使用扬声器来驱动整个数据流,而希望使用一个输出(可以放入内存队列或者磁盘I/O操作)来驱动数据流时 kAudioUnitSubType_GenericOutput

AUConverter Units 子类型及用途说明

子类型 用途说明 子枚举类型
AUConverter 格式转换,当某些效果器对输入的音频格式有明确要求时,或者我们将音频数据输入给一些其它的编码器进行编码。。。 kAudioUnitSubType_AUConverter
Time Pitch 变速变调效果器,调整声音音高. eg:会说话的Tom猫 kAudioUnitSubType_NewTimePitch

注意: AUConverter 如果由FFMpeg解码出来的PCM 是SInt16格式 如果要用格式转换效果器unit必须转成Float32格式表示的数据.

Generator Units 子类型及用途说明

子类型 用途说明 子枚举类型
AudioFilePlayer 接收裸PCM 播放 一般大家可以用这个配合Remote I/O 做播放器 kAudioUnitSubType_AudioFilePlayer

相关shell命令 将音频文件转成pcm

ffmpeg -i test.mp3 -acodec pcm_s16le -f s16le output.pcm
brew install ffmpeg

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