OpenGL ES 实现可视化实时音频
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音频数据的采集
OpenGL 实现可视化实时音频的思路比较清晰，可以利用 Java 层的 API AudioRecorder 采集到未编码的音频裸数据（PCM 数据），也可以利用 OpenSLES 接口在 Native 层采集，然后将采集到的音频数据看作一组音频的强度（Level）值，再根据这组强度值生成网格，最后进行实时绘制。
本文为方便展示，直接采用 Android 的 API AudioRecorder 采集音频裸数据，然后通过 JNI 传入 Native 层，最后生成网格进行绘制。
在使用 AudioRecorder 采集格式为 ENCODING_PCM_16BIT 音频数据需要了解：所采集到的音频数据在内存中字节的存放模式是小端模式（小端序）（Little-Endian），即低地址存放低位、高地址存放高位，所以如果用 2 个字节转换为 short 型的数据需要特别注意。另外，大端序与小端序相反，即低地址存放高位、高地址存放低位。
在 Java 中小端序存储的 byte 数据转为 short 型数值可以采用如下方式：
byte firstByte = 0x10, secondByte = 0x01; //0x0110
ByteBuffer bb = ByteBuffer.allocate(2);
bb.order(ByteOrder.LITTLE_ENDIAN);
bb.put(firstByte);
bb.put(secondByte);
short shortVal = bb.getShort(0);
为了避免数据转换的麻烦，Android 的 AudioRecorder 类也提供了直接可以输出 short 型数组音频数据的 API ，我是踩了坑之后才发现的。
public int read(short[] audioData, int offsetInShorts, int sizeInShorts, int readMode)
Android 使用 AudioRecorder 采集音频的大致流程，在 Java 层对其进行一个简单的封装：
public class AudioCollector implements AudioRecord.OnRecordPositionUpdateListener{
private static final String TAG = "AudioRecorderWrapper";
private static final int RECORDER_SAMPLE_RATE = 44100; //采样率
private static final int RECORDER_CHANNELS = 1; //通道数
private static final int RECORDER_AUDIO_ENCODING = AudioFormat.ENCODING_PCM_16BIT; //音频格式
private static final int RECORDER_ENCODING_BIT = 16;
private AudioRecord mAudioRecord;
private Thread mThread;
private short[] mAudioBuffer;
private Handler mHandler;
private int mBufferSize;
private Callback mCallback;
public AudioCollector() {
//计算 buffer 大小
mBufferSize = 2 * AudioRecord.getMinBufferSize(RECORDER_SAMPLE_RATE,
RECORDER_CHANNELS, RECORDER_AUDIO_ENCODING);
}
public void init() {
mAudioRecord = new AudioRecord(MediaRecorder.AudioSource.MIC, RECORDER_SAMPLE_RATE,
RECORDER_CHANNELS, RECORDER_AUDIO_ENCODING, mBufferSize);
mAudioRecord.startRecording();
//在一个新的工作线程里不停地采集音频数据
mThread = new Thread("Audio-Recorder") {
@Override
public void run() {
super.run();
mAudioBuffer = new short[mBufferSize];
Looper.prepare();
mHandler = new Handler(Looper.myLooper());
//通过 AudioRecord.OnRecordPositionUpdateListener 不停地采集音频数据
mAudioRecord.setRecordPositionUpdateListener(AudioCollector.this, mHandler);
int bytePerSample = RECORDER_ENCODING_BIT / 8;
float samplesToDraw = mBufferSize / bytePerSample;
mAudioRecord.setPositionNotificationPeriod((int) samplesToDraw);
mAudioRecord.read(mAudioBuffer, 0, mBufferSize);
Looper.loop();
}
};
mThread.start();
}
public void unInit() {
if(mAudioRecord != null) {
mAudioRecord.stop();
mAudioRecord.release();
mHandler.getLooper().quitSafely();
mHandler = null;
mAudioRecord = null;
}
}
public void addCallback(Callback callback) {
mCallback = callback;
}
@Override
public void onMarkerReached(AudioRecord recorder) {
}
@Override
public void onPeriodicNotification(AudioRecord recorder) {
if (mAudioRecord.getRecordingState() == AudioRecord.RECORDSTATE_RECORDING
&& mAudioRecord.read(mAudioBuffer, 0, mAudioBuffer.length) != -1)
{
if(mCallback != null)
//通过接口回调将音频数据传到 Native 层
mCallback.onAudioBufferCallback(mAudioBuffer);
}
}
public interface Callback {
void onAudioBufferCallback(short[] buffer);
}
}
音频可视化
在 Native 层获取到 AudioRecorder 所采集的 PCM 音频数据（short 类型数组），然后根据数组的长度将纹理坐标系的 S 轴进行等距离划分，再以数组中的数值（类似声音的强度值）为高度构建条状图，生成相应的纹理坐标和顶点坐标。
由于“一帧”音频数据对应的数组比较大，绘制出来的音频条状图成了一坨 shi ，要想直观性地表现时域上的音频，还需要在绘制之前对数据进行适当的采样。
float dx = 1.0f / m_RenderDataSize;
for (int i = 0; i < m_RenderDataSize; ++i) {
int index = i * RESAMPLE_LEVEL; //RESAMPLE_LEVEL 表示采样间隔
float y = m_pAudioData[index] * dy * -1;
y = y < 0 ? y : -y; //表示音频的数值转为正数
//构建条状矩形的 4 个点
vec2 p1(i * dx, 0 + 1.0f);
vec2 p2(i * dx, y + 1.0f);
vec2 p3((i + 1) * dx, y + 1.0f);
vec2 p4((i + 1) * dx, 0 + 1.0f);
//构建纹理坐标
m_pTextureCoords[i * 6 + 0] = p1;
m_pTextureCoords[i * 6 + 1] = p2;
m_pTextureCoords[i * 6 + 2] = p4;
m_pTextureCoords[i * 6 + 3] = p4;
m_pTextureCoords[i * 6 + 4] = p2;
m_pTextureCoords[i * 6 + 5] = p3;
//构建顶点坐标，将纹理坐标转为顶点坐标
m_pVerticesCoords[i * 6 + 0] = GLUtils::texCoordToVertexCoord(p1);
m_pVerticesCoords[i * 6 + 1] = GLUtils::texCoordToVertexCoord(p2);
m_pVerticesCoords[i * 6 + 2] = GLUtils::texCoordToVertexCoord(p4);
m_pVerticesCoords[i * 6 + 3] = GLUtils::texCoordToVertexCoord(p4);
m_pVerticesCoords[i * 6 + 4] = GLUtils::texCoordToVertexCoord(p2);
m_pVerticesCoords[i * 6 + 5] = GLUtils::texCoordToVertexCoord(p3);
}
Java 层输入“一帧”音频数据，Native 层绘制一帧：
void VisualizeAudioSample::Draw(int screenW, int screenH) {
LOGCATE("VisualizeAudioSample::Draw()");
if (m_ProgramObj == GL_NONE) return;
//加互斥锁，保证音频数据绘制与更新同步
std::unique_lock<std::mutex> lock(m_Mutex);
//根据音频数据更新纹理坐标和顶点坐标
UpdateMesh();
UpdateMVPMatrix(m_MVPMatrix, m_AngleX, m_AngleY, (float) screenW / screenH);
// Generate VBO Ids and load the VBOs with data
if(m_VboIds[0] == 0)
{
glGenBuffers(2, m_VboIds);
glBindBuffer(GL_ARRAY_BUFFER, m_VboIds[0]);
glBufferData(GL_ARRAY_BUFFER, sizeof(GLfloat) * m_RenderDataSize * 6 * 3, m_pVerticesCoords, GL_DYNAMIC_DRAW);
glBindBuffer(GL_ARRAY_BUFFER, m_VboIds[1]);
glBufferData(GL_ARRAY_BUFFER, sizeof(GLfloat) * m_RenderDataSize * 6 * 2, m_pTextureCoords, GL_DYNAMIC_DRAW);
}
else
{
glBindBuffer(GL_ARRAY_BUFFER, m_VboIds[0]);
glBufferSubData(GL_ARRAY_BUFFER, 0, sizeof(GLfloat) * m_RenderDataSize * 6 * 3, m_pVerticesCoords);
glBindBuffer(GL_ARRAY_BUFFER, m_VboIds[1]);
glBufferSubData(GL_ARRAY_BUFFER, 0, sizeof(GLfloat) * m_RenderDataSize * 6 * 2, m_pTextureCoords);
}
if(m_VaoId == GL_NONE)
{
glGenVertexArrays(1, &m_VaoId);
glBindVertexArray(m_VaoId);
glBindBuffer(GL_ARRAY_BUFFER, m_VboIds[0]);
glEnableVertexAttribArray(0);
glVertexAttribPointer(0, 3, GL_FLOAT, GL_FALSE, 3 * sizeof(GLfloat), (const void *) 0);
glBindBuffer(GL_ARRAY_BUFFER, GL_NONE);
glBindBuffer(GL_ARRAY_BUFFER, m_VboIds[1]);
glEnableVertexAttribArray(1);
glVertexAttribPointer(1, 2, GL_FLOAT, GL_FALSE, 2 * sizeof(GLfloat), (const void *) 0);
glBindBuffer(GL_ARRAY_BUFFER, GL_NONE);
glBindVertexArray(GL_NONE);
}
// Use the program object
glUseProgram(m_ProgramObj);
glBindVertexArray(m_VaoId);
glUniformMatrix4fv(m_MVPMatLoc, 1, GL_FALSE, &m_MVPMatrix[0][0]);
GLUtils::setFloat(m_ProgramObj, "drawType", 1.0f);
glDrawArrays(GL_TRIANGLES, 0, m_RenderDataSize * 6);
GLUtils::setFloat(m_ProgramObj, "drawType", 0.0f);
glDrawArrays(GL_LINES, 0, m_RenderDataSize * 6);
}
实时音频的绘制结果如下：
但是，上面这个实时音频的绘制效果并不能给人时间流逝的感觉，就是单纯地绘制完一组接着绘制另外一组数据，中间没有任何过渡。
我们是在时域上（也可以通过傅立叶变换转换成频域）绘制音频数据，要想绘制出来的效果有时间流逝的感觉，那就需要在 Buffer 上进行偏移绘制，即逐步丢弃旧的数据，同时逐步添加新的数据，这样绘制出来的效果就有时间流逝的感觉。
首先我们的 Buffer 要扩大一倍（也可以是几倍），采集 2 帧音频数据填满 Buffer ，这个时候阻塞音频采集线程，然后通知渲染线程（数据准备好了）进行绘制，然后指向 Buffer 的指针按照特定的步长进行偏移，偏移一次绘制一次。
当指针偏移到上图所示的边界，这个时候 Buffer 中的数据都被绘制完毕，渲染线程暂停绘制，通知音频采集线程解除阻塞，将 Buffer2 中的数据拷贝的 Buffer1 中，并接收新的数据放到 Buffer2 中，这个时候再次阻塞音频采集线程，通知渲染线程数据更新完毕，可以进行绘制了。
void VisualizeAudioSample::UpdateMesh() {
//设置一个偏移步长
int step = m_AudioDataSize / 64;
//判断指针是否偏移到边界
if(m_pAudioBuffer + m_AudioDataSize - m_pCurAudioData >= step)
{
float dy = 0.5f / MAX_AUDIO_LEVEL;
float dx = 1.0f / m_RenderDataSize;
for (int i = 0; i < m_RenderDataSize; ++i) {
int index = i * RESAMPLE_LEVEL;
float y = m_pCurAudioData[index] * dy * -1;
y = y < 0 ? y : -y;
vec2 p1(i * dx, 0 + 1.0f);
vec2 p2(i * dx, y + 1.0f);
vec2 p3((i + 1) * dx, y + 1.0f);
vec2 p4((i + 1) * dx, 0 + 1.0f);
m_pTextureCoords[i * 6 + 0] = p1;
m_pTextureCoords[i * 6 + 1] = p2;
m_pTextureCoords[i * 6 + 2] = p4;
m_pTextureCoords[i * 6 + 3] = p4;
m_pTextureCoords[i * 6 + 4] = p2;
m_pTextureCoords[i * 6 + 5] = p3;
m_pVerticesCoords[i * 6 + 0] = GLUtils::texCoordToVertexCoord(p1);
m_pVerticesCoords[i * 6 + 1] = GLUtils::texCoordToVertexCoord(p2);
m_pVerticesCoords[i * 6 + 2] = GLUtils::texCoordToVertexCoord(p4);
m_pVerticesCoords[i * 6 + 3] = GLUtils::texCoordToVertexCoord(p4);
m_pVerticesCoords[i * 6 + 4] = GLUtils::texCoordToVertexCoord(p2);
m_pVerticesCoords[i * 6 + 5] = GLUtils::texCoordToVertexCoord(p3);
}
m_pCurAudioData += step;
}
else
{
//偏移到边界时，通知音频采集线程更新数据
m_bAudioDataReady = false;
m_Cond.notify_all();
return;
}
}
void VisualizeAudioSample::LoadShortArrData(short *const pShortArr, int arrSize) {
if (pShortArr == nullptr || arrSize == 0)
return;
m_FrameIndex++;
std::unique_lock<std::mutex> lock(m_Mutex);
//前两帧数据直接填充 Buffer
if(m_FrameIndex == 1)
{
m_pAudioBuffer = new short[arrSize * 2];
memcpy(m_pAudioBuffer, pShortArr, sizeof(short) * arrSize);
m_AudioDataSize = arrSize;
return;
}
//前两帧数据直接填充 Buffer
if(m_FrameIndex == 2)
{
memcpy(m_pAudioBuffer + arrSize, pShortArr, sizeof(short) * arrSize);
m_RenderDataSize = m_AudioDataSize / RESAMPLE_LEVEL;
m_pVerticesCoords = new vec3[m_RenderDataSize * 6]; //(x,y,z) * 6 points
m_pTextureCoords = new vec2[m_RenderDataSize * 6]; //(x,y) * 6 points
}
//将 Buffer2 中的数据拷贝的 Buffer1 中，并接收新的数据放到 Buffer2 中，
if(m_FrameIndex > 2)
{
memcpy(m_pAudioBuffer, m_pAudioBuffer + arrSize, sizeof(short) * arrSize);
memcpy(m_pAudioBuffer + arrSize, pShortArr, sizeof(short) * arrSize);
}
//这个时候阻塞音频采集线程，通知渲染线程数据更新完毕
m_bAudioDataReady = true;
m_pCurAudioData = m_pAudioBuffer;
m_Cond.wait(lock);
}
实现代码路径：
Android_OpenGLES_3_0
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