Java实现音频播放JavaSound API编写音频处理程序.docx
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Java实现音频播放JavaSoundAPI编写音频处理程序
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（
对于MP3支持，JavaZoom也提供了一个兼容JavaSound的纯Java解码器，称为JavaLayer（
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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