使用FAAC实现PCM转AAC

一、前言

AAC全称为Advanced Audio Coding，目前比较主流的AAC开源编码器主要有Nero和Faac。接下来我们将使用Faac实现音频PCM至AAC的音频格式转换，并使用Emscripten编译成WebAssembly模块。

二、实现步骤

使用Faac实现音频编码，主要有以下步骤：

2.1 主要函数

• faacEncOpen

faacEncHandle FAACAPI faacEncOpen(unsigned long sampleRate,
    unsigned int numChannels,
    unsigned long *inputSamples,
    unsigned long *maxOutputBytes
);

变量名	变量含义
sampleRate	输入PCM的采样率。
numChannels	输入PCM的通道数。
inputSamples	编码一帧AAC所需要的字节数，打开编码器后获取，故声明时不需赋值。
maxOutputBytes	编码后的数据输出的最大长度。

• faacEncEncode

int FAACAPI faacEncEncode(faacEncHandle hEncoder,
    int32_t * inputBuffer,
    unsigned int samplesInput,
    unsigned char *outputBuffer,
    unsigned int bufferSize
);

变量名	变量含义
hEncoder	faacEncOpen返回的编码器句柄
inputBuffer	PCM缓冲区
samplesInput	faacEncOpen编码后的数据长度inputSamples，即PCM缓冲区长度
outputBuffer	编码后输出数据
bufferSize	输出数据的长度，对应faacEncOpen的maxOutputBytes

2.2 编码器参数

与Faac编码器相关的配置在faaccfg.h中声明。主要参数的含义如下：

// 生成的mpeg版本，如果需要录制MP4则设置为MPEG4，如果希望得到未封装的AAC裸流，则设置为MPEG2
// 0-MPEG4 1-MPEG2
unsigned int mpegVersion;

// AAC编码类型
// 1-MAIN 2-LOW 3-SSR 4-LTP
unsigned int aacObjectType;

// 是否允许一个通道为低频通道
// 0-NO 1-YES
unsigned int useLfe;

// 是否使用瞬时噪声定形(temporal noise shaping，TNS)滤波器
// 0-NO 1-YES
unsigned int useTns;

// AAC码率，可参考常见AAC码率，单位bps
unsigned long bitRate;

// AAC频宽
unsigned int bandWidth;

// AAC编码质量
// lower<100 default=100 higher>100
unsigned long quantqual;

// 输出的数据类型，RAW不带adts头部
// 0-RAW 1-ADTS
unsigned int outputFormat;

// 输入PCM数据类型
// PCM Sample Input Format
// 0	FAAC_INPUT_NULL			invalid, signifies a misconfigured config
// 1	FAAC_INPUT_16BIT		native endian 16bit
// 2	FAAC_INPUT_24BIT		native endian 24bit in 24 bits		(not implemented)
// 3	FAAC_INPUT_32BIT		native endian 24bit in 32 bits		(DEFAULT)
// 4	FAAC_INPUT_FLOAT		32bit floating point
unsigned int inputFormat;

2.3 编码器初始化

unsigned long inputSample = 0;
unsigned long maxOutputBytes = 0;
faacEncHandle encoder;

EM_PORT_API(void) turn_on_encoder() {
	unsigned int numChannels = 1;
	unsigned long sampleRate = 8000;
	
	faacEncConfigurationPtr config;

	encoder = faacEncOpen(sampleRate, numChannels, &inputSample, &maxOutputBytes);

	// EM_ASM_({
	// 	console.log('inputSample', $0);
	// 	console.log('maxOutputBytes', $1)
	// }, (unsigned int)inputSample, (unsigned int)maxOutputBytes);

	config = faacEncGetCurrentConfiguration(encoder);

	config->aacObjectType = LOW;
	config->useTns = 1;
	config->allowMidside = 1;
	config->bitRate = 8000;
	config->outputFormat = 1;
	config->inputFormat = FAAC_INPUT_16BIT;

	faacEncSetConfiguration(encoder, config);
}

在之前的Emscripten的介绍中，已经给出宏EM_PORT_API的定义。值得注意的是，因为inputSample、maxOutputBytes的数据类型是unsigned long，使用64位存储，为了避免C与JS进行数据交互时，发生内存不对齐的情况，此处将数据类型转为32位的unsigned int类型。

2.4 编码

EM_PORT_API(unsigned char*) pcm_2_aac(unsigned char* inputBuffer) {

	byteLength = 0;
	
	unsigned char* outputBuffer = (unsigned char*)malloc(maxOutputBytes);
	
	do {
		byteLength = faacEncEncode(encoder, (int32_t*)inputBuffer, inputSample, outputBuffer, maxOutputBytes);
		if (byteLength > 0) break;
	} while (byteLength <= 0);

	return outputBuffer;
}

在这个函数中，使用了malloc为编码后的数据缓冲区outputBuffer动态分配内存空间，为了避免内存泄漏，在不需要outputBuffer时，需要手动将内存释放。因而增加以下函数，可在JS中调用函数进行释放。

EM_PORT_API(void) free_buf(void* buf) {
	free(buf);
}

三、如何在JS中使用

使用Emscripten编译生成WebAssembly模块和胶水代码，假设为faac.wasm与faac.js，加入到JS项目中。
下面是我自己写的一个由PCM转AAC的例子：

/**
 * PCM转AAC
 * @param {ArrayBuffer} buffer PCM数据，有符号16位
 */
pcm_2_aac(buffer) {
    var pcmBuf = new Uint8Array(buffer);
    
    // 创建PCM数据在HEAP中的指针变量
    var pcmPtr = Faac._malloc(pcmBuf.byteLength);
    Faac.HEAPU8.set(Array.from(pcmBuf), pcmPtr);

    /**
     * Faac._pcm_2_aac(inputBuffer)
     * @param {Number} inputBuffer PCM数组在HEAP中的首地址
     */
    var aacPtr = Faac._pcm_2_aac(pcmPtr);
    var byteLen = Faac._getByteLen();
    var arrBuf = Uint8Array.from(Faac.HEAPU8.subarray(aacPtr, aacPtr + byteLen));

    // 清除缓存
    Faac._free(pcmPtr);
    Faac._free_buf(aacPtr);

    return arrBuf;
}

注意到我们是从HEAPU8中取出编码后的AAC数据的，此处的HEAP事实上是指C环境的整个内存空间。在调用该函数进行编码时，需要将大块的数据送入C环境下，此时我们可以在JS中分配内存并装入数据，然后将数据指针传入，调用C函数进行处理。这种做法借助了C的导出函数_malloc/_free实现的。

另外，HEAPU8实际上对应的数据类型是Uint8Array。

以上是关于在Web项目中，如何使用Faac将PCM转成AAC的分享。