Mac OS X 與 iOS 的 Audio API

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1. Mac OS X 與 iOS 的
   Audio API
   楊維中 a.k.a zonble
   zonble@gmail.com
   Thursday, August 15,
   

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2. 與 Audio 有關的 API
   • AVFoundation
   • Audio Service
   • OpenAL
   • Audio Queue
   • Audio Unit
   • Audio Session
   • MPNowPlayingCenter
   • Background Task
   • Remote Control Events
   • …
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3. 任務：
   播放網站上的⾳音檔
   ⽽而且，抓到了多少資料
   就⾺馬上播放多少資料
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4. 這就不會是我們要的
   • Audio Service：⽤用來處理簡短的⾳音效，例
   如按到虛擬鍵盤上的喀嚓聲
   • OpenAL：製作遊戲中的3D⾳音效，可以設
   定⾳音效是從哪個⽅方向傳來的
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5. AVAudioPlayer
   • ⾼高階的 Audio Player
   • iOS 2.2
   • ⽀支援多種格式
   • 可以從 file URL 或是 NSData 建⽴立 player
   播放，但只能夠播放 local file
   • 適合製作遊戲背景⾳音樂
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6. AVPlayer
   • ⾼高階的 Audio Player
   • iOS 4.0
   • ⽀支援本機檔案與遠端檔案
   • 適合網路廣播
   •無法知道檔案總⻑⾧長度
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7. 我們的服務需要…
   • 可以直接讀多少資料就播放多少資料
   • 可以⼀一邊下載⼀一邊 cache ⽇日後離線播放
   • 知道載⼊入進度
   • 檔案可能加密過，必須解密…
   • 對，有些公司就是會做這種事
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8. 我們需要了解底層 API
   CoreAudio
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9. 因為太難了
   所以先講簡單的…
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10. Audio Session
    • ⽤用來表⽰示⺫⽬目前的 Audio 屬於哪⼀一種類
    • 設定 Audio Session Category
    • ⼀一般背景、Media Playback…etc
    • 然後呼叫 Audio Session Start
    • 有 C 與 Objective-C API
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11. Audio Session
    • 還要處理 Interrupt 與 Resume
    • 實作 delegate，更新 UI
    • Interrupt 的場合：
    • 別的 app 播放⾳音樂
    • 來電
    • 鬧鐘…
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12. 回到 Core Audio
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13. 說實在
    這種 code 寫過⼀一次
    不會想寫第⼆二次
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14. 請忘記 OO
    忘記Objective-C
    Audio 串流就是快速處理⼀一堆
    連續的 Binary 資料
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15. 基本觀念
    • Audio 資料是連續的 binary 資料
    • 資料中包含的是連續的sample/frame，⼀一
    秒鐘會有 44100 個 sample
    • MP3/AAC等⺫⽬目前通⽤用的壓縮⾳音檔格式，
    會將若干⼤大⼩小的frame變成⼀一個packet
    • 如果是VBR（變動碼率）的⾳音檔，每個
    packet裡頭的資料量不⼀一樣⼤大
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16. ⼀一些術語
    • Sample Rate：每秒鐘有多少 sample
    • Packet Size：每個 Packet 有多少 sample
    • Bit Rate：每秒鐘有多少 bit
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17. 完整流程
    • 建⽴立網路連線，從連線 callback 讀取資料
    • 解密，並將解密過的資料放⼊入記憶體
    • 建⽴立 Audio Queue 或是 Audio Unit
    Graph，收取系統通知需要下⼀一段資料的
    callback
    • 提供資料
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18. 我們專注在
    • 將資料讀⼊入記憶體
    • Parse 出 packet 並保存
    • 將資料餵給 Audio API
    • 註冊 callback
    • 在 callback 中回傳下⼀一段資料
    • 資料要轉換成 Linear PCM 格式
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19. Audio Unit 與 Audio
    Queue 兩組 API 的差別？
    • 在上⾴頁的流程中，最⼤大的差別在於Audio
    Queue API 不需要⼿手動將資料轉換成
    Linear PCM 格式
    • 不容易設定
    • 可以直接對Linear PCM資料做⼿手腳…
    • Audio Unit 中可以在 Audio Graph 中增加
    mixer 與 EQ effect node
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20. Packet
    ID3 data
    MP3 Header
    MP3 Data
    MP3 Header
    MP3 Data
    MP3 Header
    MP3 Data
    Packet
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21. 辨識 MP3 header
    • MP3 Header 共 4 個 bytes
    • 其中前11個bit是sync word（都是1），看
    到 sync word就可以知道是⼀一個packet的
    開頭
    • sync word之後描述這個packet的格式
    • http://www.mp3-tech.org/programmer/
    frame_header.html
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22. Sample Packet Parser
    def parse(content):
    
    i = 0
    
    while i + 2 < len(content):
    
    
    frameSync = (content[i] << 8) | (content[i + 1] & (0x80 | 0x40 | 0x20))
    
    
    if frameSync != 0xffe0:
    
    
    
    if foundFirstFrame: pass
    
    
    
    i += 1; continue
    
    
    if not foundFirstFrame: foundFirstFrame = True
    
    
    audioVersion = (content[i + 1] >> 3) & 0x03;
    
    
    layer = (content[i + 1] >> 1) & 0x03
    
    
    hasCRC = not(content[i + 1] & 0x01)
    
    
    bitrateIndex = content[i + 2] >> 4;
    
    
    sampleRateIndex = content[i + 2] >> 2 & 0x03;
    
    
    bitrate = [0, 32000, 40000, 48000, 56000, 64000, 80000, 96000, 112000,
    128000, 160000, 192000, 224000, 256000, 320000, 0][bitrateIndex];
    
    
    hasPadding = not(not((content[i + 2] >> 1) & 0x01))
    
    
    frameLength = 144 * bitrate / 44100 + \
    
    
    
    
    
    (1 if hasPadding else 0) + \
    
    
    
    
    
    (2 if hasCRC else 0)
    
    
    i += frameLength
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23. MPEG 4 Audio/Video
    MOOV
    MDAT
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24. CoreAudio 提供我們
    ⼀一組 Audio Parser
    • ⽤用途是找出 Packet，並分析出檔案格式
    • C API
    • iOS 2/Mac OS X 10.5
    • 本機檔案可以呼叫 AudioFileOpenURL
    • 串流資料可以呼叫AudioFileStreamOpen
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25. AudioFileStreamOpen
    • AudioFileStreamOpen(self,
    ZBAudioFileStreamPropertyListener,
    ZBAudioFileStreamPacketsCallback, kAudioFileMP3Type,
    &audioFileStreamID);
    • self ：傳遞⼀一個callback可以使⽤用的物件
    • ZBAudioFileStreamPropertyListener 檔案格式 callback
    • ZBAudioFileStreamPacketsCallback parse 出 packet 的 callback
    • kAudioFileMP3Type 給 parser 的 hint
    • audioFileStreamID 產⽣生 audio file stream ID
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26. 在記憶體中保存
    packet？
    • 其實我們只要⽤用個簡單的 structure 就可以
    保存
    typedef struct {
    size_t length; // packet ⻑⾧長度
    void *data; // packet 資料的指標
    }
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27. 保存檔案格式
    void ZBAudioFileStreamPropertyListener(void * inClientData,
    AudioFileStreamID inAudioFileStream, AudioFileStreamPropertyID
    inPropertyID, UInt32 * ioFlags)
    {
    ZBSimplePlayer *self = (ZBSimplePlayer *)inClientData;
    if (inPropertyID == kAudioFileStreamProperty_DataFormat) {
    UInt32 dataSize
    = 0;
    OSStatus status = 0;
    AudioStreamBasicDescription audioStreamDescription;
    Boolean writable = false;
    status = AudioFileStreamGetPropertyInfo(inAudioFileStream,
    kAudioFileStreamProperty_DataFormat, &dataSize, &writable);
    status = AudioFileStreamGetProperty(inAudioFileStream,
    kAudioFileStreamProperty_DataFormat, &dataSize,
    &audioStreamDescription);
    // 然後把 audioStreamDescription 存起來
    }
    }
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28. 保存 Packet
    static void ZBAudioQueueOutputCallback(void * inUserData,
    AudioQueueRef inAQ,AudioQueueBufferRef inBuffer)
    {
    ZBSimplePlayer *self = (ZBSimplePlayer *)inClientData;
    for (int i = 0; i < inNumberPackets; ++i) {
    SInt64 packetStart = inPacketDescriptions[i].mStartOffset;
    UInt32 packetSize = inPacketDescriptions[i].mDataByteSize;
    assert(packetSize > 0);
    self->packetData[self->packetCount].length =
    (size_t)packetSize;
    self->packetData[self->packetCount].data =
    malloc(packetSize);
    memcpy(packetData[self->packetCount].data, inInputData +
    packetStart, packetSize);
    self->packetCount++;
    }
    }
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29. 下⼀一步
    • 為了要播放順利，我們會在有⼀一定數量
    的 packet 之後，才會開始呼叫 Audio API
    開始播放。資料不夠會產⽣生爆⾳音
    • 等待 packet 的過程叫buffering…緩衝處理
    • 資料換算成時間的⽅方式：packet 數量 *
    frames per packet / sample rate
    • 100 * 1152 / 44100 = 2.61...
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30. 播放
    
    
    
    Callback
    Callback
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31. Audio Queue 的播放
    • 每次 callback，提供⼀一個新的buffer struct
    • buffer物件包含
    • packet 數量
    • 指向 packet 資料的指標
    • packet格式
    • 將 buffer 送⼊入 queue 中
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32. AudioUnit 的播放
    • Audio Unit API 會給你⼀一個 struct 的指，
    標，叫做IOData，並傳⼊入⼀一定⼤大⼩小的
    frame 數量
    • 對IOData指定所需要⼤大⼩小的Linear PCM
    資料
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33. iOS 上的 Audio Unit
    • ⼀一般模式與畫⾯面鎖定時，要求的frame數
    量不⼀一樣⼤大
    • 平時要求1024，但畫⾯面鎖定時要求4096
    • 主要考量是節電
    • 如果資料量不夠，會停⽌止播放
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34. Audio Queue
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35. 建⽴立 Audio Queue
    OSStatus status =
    AudioQueueNewOutput(audioStreamBasicDes
    cription, ZBAudioQueueOutputCallback, self,
    CFRunLoopGetCurrent(),
    kCFRunLoopCommonModes, 0,
    &outputQueue);
    assert(status == noErr);
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36. Enqueue Data
    
    AudioQueueBufferRef buffer;
    
    status = AudioQueueAllocateBuffer(outputQueue, totalSize, &buffer);
    
    assert(status == noErr);
    
    buffer->mAudioDataByteSize = totalSize;
    
    buffer->mUserData = self;
    
    AudioStreamPacketDescription *packetDescs = calloc(inPacketCount, sizeof(AudioStreamPacketDescription));
    
    totalSize = 0;
    
    for (index = 0 ; index < inPacketCount ; index++) {
    
    
    size_t readIndex = index + readHead;
    
    
    memcpy(buffer->mAudioData + totalSize, packetData[readIndex].data, packetData[readIndex].length);
    
    
    AudioStreamPacketDescription description;
    
    
    description.mStartOffset = totalSize;
    
    
    description.mDataByteSize = (UInt32)packetData[readIndex].length;
    
    
    description.mVariableFramesInPacket = 0;
    
    
    totalSize += packetData[readIndex].length;
    
    
    memcpy(&(packetDescs[index]), &description, sizeof(AudioStreamPacketDescription));
    
    }
    
    status = AudioQueueEnqueueBuffer(outputQueue, buffer, (UInt32)inPacketCount, packetDescs);
    
    free(packetDescs);
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37. Audio Unit
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38. Audio Unit
    Output Node
    Effect Node
    Mixer Node
    Render
    Callback
    Audio Unit Graph
    Mixer Unit
    Effect Unit
    Output Unit
    Get Info
    Get Info
    Get Info
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39. 建⽴立 audio converter
    AudioConverterRef converter;
    AudioStreamBasicDescription fromFormat=…⋯;
    
    AudioStreamBasicDescription destFormat=…⋯;
    
    AudioConverterNew(&fromFormat, &destFormat,
    &converter);
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40. 使⽤用 audio converter
    AudioBufferList *list;
    UInt32 packetSize = 1024;
    AudioConverterFillComplexBuffer(conve
    rter, ZBPlayerConverterFiller, self,
    &packetSize, list, NULL);
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41. audio converter
    callback
    OSStatus ZBPlayerConverterFiller (AudioConverterRef inAudioConverter,
    UInt32* ioNumberDataPackets, AudioBufferList* ioData,
    AudioStreamPacketDescription** outDataPacketDescription, void*
    inUserData) {
    ZBSimpleAUPlayer *self = (ZBSimpleAUPlayer *)inUserData;
    *ioNumberDataPackets = 1;
    static AudioStreamPacketDescription aspdesc;
    ioData->mNumberBuffers = 1;
    void *data = self->packetData[readHead].data;
    UInt32 length = self->packetData[readHead].length;
    ioData->mBuffers[0].mData = data;
    ioData->mBuffers[0].mDataByteSize = length;
    *outDataPacketDescription = &aspdesc;
    aspdesc.mDataByteSize = length;
    aspdesc.mStartOffset = 0;
    aspdesc.mVariableFramesInPacket = 1;
    readHead++;
    return noErr;
    }
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42. NewAUGraph(&audioGraph); // 建立 audio grapg
    AudioComponentDescription cdesc;
    bzero(&cdesc, sizeof(AudioComponentDescription));
    cdesc.componentType = kAudioUnitType_Output;
    cdesc.componentSubType = kAudioUnitSubType_DefaultOutput;
    cdesc.componentManufacturer = kAudioUnitManufacturer_Apple;
    cdesc.componentFlags = 0;
    cdesc.componentFlagsMask = 0;
    AUGraphAddNode(audioGraph, &cdesc, &outputNode); // 建立 output node
    AUGraphOpen(audioGraph);
    AUGraphNodeInfo(audioGraph, outputNode, &cdesc, &outputUnit); // 建立 output unit
    AudioStreamBasicDescription destFormat = LFPCMStreamDescription(); // 設定輸出格式
    AudioUnitSetProperty(outputUnit, kAudioUnitProperty_StreamFormat,
    kAudioUnitScope_Input, 0, &destFormat, sizeof(destFormat));
    AURenderCallbackStruct callbackStruct;
    callbackStruct.inputProc = ZBPlayerAURenderCallback;
    callbackStruct.inputProcRefCon = self;
    AudioUnitSetProperty(outputUnit, kAudioUnitProperty_SetRenderCallback,
    kAudioUnitScope_Input, 0, &callbackStruct, sizeof(callbackStruct)); // 建立 render
    callback
    AUGraphInitialize(audioGraph); // Init audio graph
    CAShow(audioGraph); // 開始 audio graph
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43. 播放
    • AUGraphStart(audioGraph);
    • AUGraphStop(audioGraph);
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44. Sample Code
    • https://github.com/zonble/ZBSimplePlayer
    Thursday, August 15,
    

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45. 因為 Audio Unit API 需
    要直接使⽤用 Linear
    PCM 資料，我們也可
    以直接修改資料產⽣生
    效果
    Thursday, August 15,
    

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46. Thanks!
    Thursday, August 15,
    

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