用Java实现音频播放.docx
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用Java实现音频播放
用Java实现音频播放
一、JavaSound的体系结构
二、JavaSound混频原理
三、音频数据与存储格式
四、设计音乐播放器
五、播放音乐
六、支持更多的音频格式
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桌面PC的性能日益提高,Java虚拟机的优化技术也不断获得突破,这一切使得用Java处理实时信号成为可能。
本文将通过设计和构造一个支持实时MP3、WAV和Ogg音频格式解码/回放的Java音乐播放器,阐述用JavaSoundAPI编写音频处理程序的思路和一般过程。
JavaSound是一个小巧的低层API,支持数字音频和MIDI数据的记录/回放。
在JDK1.3.0之前,JavaSound是一个标准的Java扩展API,但从Java2的1.3.0版开始,JavaSound就被包含到JDK之中。
由于Java有着跨平台(操作系统、硬件平台)的特点,基于JavaSound的音频处理程序(包括本文的程序)能够在任何实现了Java1.3+的系统上运行,无需加装任何支持软件。
一、JavaSound的体系结构
当前JDK的JavaSoundAPI随同Java媒体框架(JMF,JavaMediaFramework)一起发布,主页在1.1以及更高的版本。
除了JDK实现的JavaSoundAPI之外,还有一个源代码开放的JavaSound实现是Tritonus,主页在http:
//www.tritonus.org/。
图一描述了JavaSoundAPI的体系结构,虚线表示Sun的JavaSound标准定义的API调用。
上面一根虚线表示我们编写音频处理程序要调用的API,JavaSoundAPI包含在javax.sound.sampled和javax.sound.midi包中。
两根虚线之间的部分就是JavaSoundAPI的具体实现。
图一:
JavaSound体系结构
就象上面一根虚线表示的API具有统一标准一样,在所有的JavaSound实现中,图一下面一根虚线表示的SPI(服务提供者接口,ServiceProviderInterface)也是统一的。
SPI的作用是以插件(Plug-In)的形式提供自定义的扩展模块,我们只要提供与SPI兼容的插件扩展模块,就可以在不改变API的情况下扩展音频处理程序的能力。
SPI包含在java.sound.sampled.spi和javax.sound.midi.spi包中。
例如,假设有一个只能播放WAV文件的程序,我们只要增加一个支持MP3文件解码的插件模块,就可以在不改动播放程序的任何一行代码的前提下,为这个播放程序添加播放MP3的能力。
二、JavaSound混频原理
图二阐述了JavaSound的混频器原理。
在处理输入音频的应用中,对于来自各种音频输入端口的信号,例如麦克风、CD播放器、磁带播放器,等等,我们可以在它们到达TargetDataLine之前,利用混频器控制输入混频,最后在程序中通过TargetDataLine获得数字化的音频输入流。
图二:
JavaSound混频器
类似地,在处理输出音频的应用中,混频器用来对一系列来自SourceDataLine的数据进行混频处理,经处理后的信号可输出到各种输出端口,例如扬声器、耳机等。
SourceDataLine是一个可写入音频信号数字流的设备,例如,我们可以从一个WAV文件读取内容写入到SourceDataLine,然后再通过扬声器输出。
输入到混频器的信号可以来源于剪辑。
剪辑(Clip)是一个包含一段完整音频数据流的设备,或者说,剪辑就是一个缓冲在内存中的完整音频数据流。
在一些要求反复播放音乐片段的场合,例如游戏的背景音乐,剪辑是很有用的。
图三描述了JavaSoundAPI中一些常用的类、接口及其关系,所有图三显示的类、接口都通过Line这个基本接口统一起来。
Line接口用来关闭/打开设备、注册事件监听器,以及提供一些用来调整声音效果的对象,例如调整音量大小的对象。
AudioSystem在JavaSound体系中起着一个工厂(Factory)类的作用,提供了一系列的静态方法,我们通过这些静态方法来获取JavaSound系统默认配置的资源(所谓静态方法,就是可以在不创建AudioSystem实例的情况下直接调用的方法)。
图三:
常用的JavaSound类
顺便说明一下,在当前(JDK1.4)实现的JavaSound的默认配置中,输入声音来自本地声卡的麦克风,输出声音到本地声卡的扬声器。
应当说当前实现的JavaSound对端口和混频器的支持还不完善,但对于包括本文音乐播放器在内的许多应用来说,默认实现的JavaSound配置已经足够了。
三、音频数据与存储格式
取样得到的音频数据——也就是从TargetDataLine输入或从SourceDataLine输出的数据,必须符合音频格式的标准。
音频数据的格式选项由AudioFormat类封装,主要选项包括:
编码方式,可以是PCM(PulseCodeModulation,脉冲编码调制)、MP3等;通道数量;取样率;帧速率;等等。
音频数据可以用多种格式保存到磁盘上。
在JavaSound参考实现中,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),音频文件的格式由AudioFileFormat类指定。
并非所有音频数据格式都可以保存到任意音频文件格式(或从音频文件回放),具体由平台和操作系统的类型决定。
为简单计,本文的播放器只考虑包含PCMMono或Stereo数据的WAV文件,这是当前流行的音频数据/文件格式组合,常用于CD音质的音频数据。
压缩的音频数据(例如MP3和OggVorbis)通常有各自特殊的存储格式(如.MP3和.OGG),通常不以WAV/AIFF/AU格式存储。
四、设计音乐播放器
我们要编写的音乐播放器(图四)由表一所示的几个类构成。
鉴于构造用户界面往往需要大量的代码,且这些代码通常可以用IDE自动生成,所以下文只对一些关键的GUI元素略作介绍,不再给出完整的代码。
图四:
播放器的用户界面
播放器的用户界面主要由一个带菜单的JFrame框架、一个名称为filenamesList的JList和几个JButton构成。
框架有一个私有的TestBase成员,其实例在GUIInit()方法的末尾通过pBase=newTestBase()语句初始化。
表一
用户界面中的按钮用类似下面的代码创建,其中addBttnIconText()是一个私有方法,它把一个图标放到按钮的文字标签之上。
Java程序的用户界面和Windows界面风格迥异,建议读者使用Java开发工具自带的图标,或者从Java图标库下载(例如
JButtonplayBttn=newJButton();
...
addBttnIconText(playBttn,"播放","Play24.gif");
playBttn.addActionListener(newjava.awt.event.ActionListener(){
publicvoidactionPerformed(ActionEvente){
playClick(e);
}
});
当用户点击一个按钮,与该按钮对应的xxxClick()事件句柄函数开始执行。
播放器共有5个按钮,相应的事件句柄也有5个:
playClick(“播放”按钮),stopClick(“停止”按钮),pauseClick(“暂停”按钮),prevClick(“后退”按钮),nextClick(“前进”按钮)。
例如,点击“播放”按钮时,playClick()句柄首先获得JList中选中的文件,然后调用TestBase实例中的playFile()辅助方法播放文件。
playClick()句柄的代码如下所示,注意它把音乐文件及其所在目录连接起来的方法是操作系统中立的。
voidplayClick(ActionEvente){
StringfileToPlay=(String)filenamesList.getSelectedValue();
if(fileToPlay!
=null){
pBase.playFile(searchDir+
System.getProperty("file.separator")+fileToPlay);
}
}
stopClick()和pauseClick()方法分别调用TestBase中的stop()和pause()方法。
prevClick()和nextClick()句柄的任务稍微复杂一点。
首先,它们要调用TestBase中的stop()方法中止当前的播放动作,然后选中JList中当前项目的前一项或后一项,最后调用playClick()播放新选中的音乐文件,如下所示。
voidprevClick(ActionEvente){
pBase.stop();
filenamesList.setSelectedIndex(filenamesList.getSelectedIndex()-1);
playClick(e);
}
voidnextClick(ActionEvente){
pBase.stop();
filenamesList.setSelectedIndex((filenamesList.getSelectedIndex()+1)
%curPlayListLength);
playClick(e);
}
五、播放音乐
TestBase类包含主要的播放逻辑。
例如,当用户点击“播放”按钮,TestBase类中的play()方法开始执行。
publicvoidplay(){
if((!
stopped)||(paused))return;
if(playerThread==null){
playerThread=newThread(this);
playerThread.start();
try{Thread.sleep(500);
}catch(Exceptionex){}
}
synchronized(synch){
stopped=false;
synch.notifyAll();
}
}
play()方法首先确认播放器当前已被终止播放,而不是暂停播放。
然后它检查这是不是第一次调用play():
如果是,则创建一个playerThread线程。
我们用一个独立的线程负责音乐播放,这样,无论播放器正在读取文件、解码,还是正在把音频数据输出到扬声器,用户界面总是可操作的。
启动线程之后,play()方法锁定静态synch同步对象,将stopped标记设置为false,然后通知正在等待的线程(playerThread线程在开始播放音乐文件之前,会等待静态synch对象上的提醒通知)。
playerThread线程启动后,它的run()方法开始运行。
这个线程一直执行while循环,直到threadExit标记变成true为止。
在while循环中,线程首先等待“开始播放”的信号(当用户点击“播放”按钮时),然后播放音乐。
表二列出了描述播放器状态的各个标记及其含义。
publicvoidrun(){
while(!
threadExit){
waitforSignal();
if(!
stopped)
playMusic();
}
}
表二
playMusic()方法利用JavaSoundAPI播放当前选中的文件。
首先要通过AudioSystem类获得一个AudioInputStream。
然后,利用AudioInputStream的getFormat()获知音频数据的格式。
在此基础上,我们试图通过getLine()方法获得一个支持该种格式的SourceDataLine。
如果要播放的是WAV文件,现在我们已经有了非压缩的PCM格式的音频数据,可以用line对象开始播放音频。
ais=AudioSystem.getAudioInputStream(newFile(fileToPlay));
…
if(ais!
=null){
baseFormat=ais.getFormat();
line=getLine(baseFormat);
...
}
如果音频数据是压缩格式的,如MP3或Ogg,必须先进行一次转换——把MP3/Ogg解码成PCM。
解码主要包括三个步骤:
1、创建一个解压缩结果的定制AudioFormat(PCM编码),但保留和原压缩流一样的取样率、通道信息等。
2、创建一个AudioInputStream把原来的AudioInputStream转换成新的AudioFormat格式。
3、获得一个处理解码后格式的SourceDataLine。
如下所示:
AudioFormatdecodedFormat=newAudioFormat(
AudioFormat.Encoding.PCM_SIGNED,
baseFormat.getSampleRate(),
16,
baseFormat.getChannels(),
baseFormat.getChannels()*2,
baseFormat.getSampleRate(),
false);
ais=AudioSystem.getAudioInputStream(decodedFormat,ais);
line=getLine(decodedFormat);
getLine()方法的返回值是一个与参数中指定的AudioFormat兼容的SourceDataLine。
如果不能获得兼容的SourceDataLine,getLine()返回null。
在getLine()方法中,我们首先创建和填充一个DataLine.Info结构,调用AudioSystem.getLine()方法,将info结构传递给AudioSystem类工厂。
privateSourceDataLinegetLine(AudioFormataudioFormat){
SourceDataLineres=null;
DataLine.Infoinfo=newDataLine.Info(SourceDataLine.class,
audioFormat);
try{
res=(SourceDataLine)AudioSystem.getLine(info);
res.open(audioFormat);
}
catch(Exceptione){
}
returnres;
}
准备好AudioInputStream和SourceDataLine之后,playMusic()剩余的任务已经很简单:
用一个循环从AudioInputStream读取数据,然后写入到SourceDataLine。
intinBytes=0;
while((inBytes!
=-1)&&(!
stopped)&&(!
threadExit)){
try{
inBytes=ais.read(audioData,0,BUFFER_SIZE);
}
catch(IOExceptione){e.printStackTrace();}
if(inBytes>=0){
intoutBytes=line.write(audioData,0,inBytes);
}
if(paused)waitforSignal();
}
六、支持更多的音频格式
假设已经在test目录下准备好了所有的.java文件,执行javac*.java即可顺利编译,执行javatest.TestPlayer就可以启动图一的播放器。
但现在播放器只能播放有限的文件,因为JDK实现的JavaSound只支持WAV、AIFF和AU。
但是,我们可以用JavaSoundSPI为播放器增加对MP3和OggVorbis的支持,只要下载和安装相应的插件Jar文件即可。
Java版的Vorbis解码器可以从JavaCraft(0.0.12。
另外还要有一个JOrbis解码器的SPI封装器,这是使解码器在JavaSound下透明地运行所必需的,可以从
对于MP3支持,JavaZoom也提供了一个兼容JavaSound的纯Java解码器,称为JavaLayer(注意要下载的是JavaLayer的J2SE版,不要下载J2ME版。
解开下载得到的文件,把所有Jar文件放到播放器所在目录。
用下面的命令启动播放器:
java-classpath.;.\jogg-0.0.5.jar;.\jorbis-0.0.12.jar;.\jl020.jar;.\mp3sp.jar;.\vorbisspi0.6.jartest.TestPlayer。
如果你下载的解码器版本不同,启动命令也要作相应地改动。
把SPI扩展插件加入到了播放器的classpath之后,JavaSound就会在运行时自动使用它们。
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