Audio Unit框架（一）框架认识和使用

音视频开发：OpenGL + OpenGL ES + Metal 系列文章汇总

Audio Unit是一个音频处理插件。它是为应用程序添加复杂的音频操作和处理的底层的API。本文主要认识Audio Unit的原理和简单使用

主要内容：

1. 音频单元
2. Audio Unit使用
3. audio processing graph
4. 回调函数

1. 认识

Audio Unit是一个音频处理插件。它是为应用程序添加复杂的音频操作和处理的底层的API。所有的音频技术都是构建在这个框架之上的。支持混合、均衡、格式转换，用于录制、回放、离线渲染和实时对话的实时输入输出，流入VoIP（互联网协议语言）。

功能介绍：

1. 具有低延时的实时I/O，1）如VoIP（互联网语音协议）应用程序
2. 合成声音，进行回放，例如音乐游戏或合成乐器
3. 一些特殊的功能，比如回声消除，均衡、混音
4. 处理链架构，可将音频处理模块组装到灵活的网络中，

优势：

1. 出色的响应能力：音频单元渲染的回调函数中使用的是实时优先线程，所以响应能力非常出色
2. 动态重新配置：音频处理图的API允许我们以线程安全的方式动态组装，重新配置和重新排列复杂的音频处理链，同时处理音频

音频单元的生命周期：

1. 运行时，获取对动态可链接库的引用
2. 实例化音频单元
3. 配置音频单元
4. 初始化音频单元以使用
5. 操作音频单元
6. 取消分配音频单元

2. 音频单元

Audio Unit都是有音频单元组成的，这里先认识音频单元。

2.1 分类

共有七个音频单元，分为四大类。

分类

• Effect Unit
  • 效果单元，也就是iPod均衡器，对音频数据进行音效处理
• Mixing Unit
  • 混音器单元，可以将不同的音频混合到一起输出
  • 3D Minxer Unit
    • 可以实现3D混音效果功能，是构建OpenAL的基础，一般实现3D混音都是使用OpenAL
  • MutilChannel Minxer Unit
    • 实现多通道混音效果
    • 为任意数量的多通道或立体声流提供立体声输出
• I/O Unit
  • Remote I/O 远程I/O单元
    • 连接输入输出硬件设备的
  • voice-processing I/O Unit语音处理I/O单元
    • 对语音进行处理，比如可以进行回声消除，提供自动增益校正，语音处理质量调整和静音。
  • Generic Output Unit 通用输出单元
    • 这个输出不连接设备，在处理链中直接发到应用程序中，一般用来进行离线的音频操作
• Format conversion Unit
  • 格式转换组件，使用在Remote I/O Unit中，将硬件的音频格式转换成应用程序的音频格式

2.2 组件的基本特征

特征

说明：

• I/O音频单元包含输入音频组件和输出音频组件
• 包括输入输出scope，包括输入输出element

3. 简单使用

在iOS中提供了两种API，都可以进行操作，一种是直接操作Audio Unit，一种是操作Audio Processing Graph（在下文讲解）

Audio Unit是在Audio Processing Graph的上下文环境中工作的

过程示例：

过程示例

3.1 创建音频组件描述

创建音频组件描述

说明：

• 它是用来创建不同类型的音频组件的
• 音频组件描述中的参数可以在官网中查找

3.2 创建音频单元

创建音频单元

说明：

1. 初始化音频组件
2. 定义音频组件描述
3. 获取音频组件的引用
4. 实例化音频组件

3.3 设置音频单元的属性

给音频组件设置scope、element设置属性，比如音频流的格式，比如回调函数设置等。

属性是一个键值对，键是系统已经定义好的数值，值是相应的特定类型

常用方法：

• AudioUnitGetPropertyInfo，检查属性是否可用
• AudioUnitGetProperty，得到该属性
• AudioUnitSetProperty，设置属性
• AudioUnitAddPropertyListener，增加监听
• AudioUnitRemovePropertyListnerWithUserData，移除监听

[图片上传失败...(image-dfb5d9-1661917557622)]

设置音频单元的属性

说明：

• 这里表示给scope的element设置了一个流格式属性，属性的值是&audioFormat
• AudioUnitSetPropety一次只能设置一个属性
• 设置属性可以设置给scope，也可以设置给element

指定音频单元的部件:

音频单元是由scope和element组成的，所以想要操作音频单元，需要指定标识符

说明：

1. scope
   1. kAudioUnitScope_Global ：1）作用于整个音频单元，不作用音频流；2）只有一个element0元素
   2. kAudioUnitScope_Input和kAudioUnitScope_Output：作用在输入输出scope的元素称为bus，总线
2. element
   1. element是作用在scope的，是嵌套在scope的编程上下文
3. 关系
   1. 属性可以作用于element，也可以作用于scope
   2. 一个scope可以有多个element，同一个element可以存在于多个scope

注意：

千万千万要注意的一点是：这里是通过element是否是输入还是输出来决定这个I/O单元是用来输入还是输出的，而不是通过scope来决定的。

3.4 设置音频单元的参数

参数是用户可调节的设置，可以在音频单元正在产生音频时改变的参数。

参数也是一个键值对，key是系统已经定义好的数值，value也是数值

常用方法：

• AudioUnitGetParameter得到参数
• AudioUnitSetParameter设置参数

4. audio processing graph

音频处理图可以用来构建和管理音频单元处理链，它可以使用多个音频单元，和实现多个渲染回调函数，允许我们创建几乎任何我们能想象的音频处理解决方案。

特点：

• 线程安全
  • 我们重新配置处理图时，音频处理图的API会将配置的音频单元添加到稍后要执行的更改列表中，当指定完所有的更改集后，就可以请求Graph配置他们了，这样就线程安全了。
• 音频处理图总是会有一个完整的I/O单元
• 能够动态的重新分配处理链
  • 可以安全的插入AUNode
  • 可以在播放音频时交换不同的渲染回调函数

AUNode的认识：

• 音频处理图是管理AUNode的，AUNode是链的节点，作为音频单元的代理
• 它可以看做是音频单元，但是如果要设置音频单元，还必须直接配置音频单元，AUNode本身是不可以配置的

简单过程：

1. 将node增加到Graph中
2. 直接配置由node配置的音频单元
3. 互联node

代码实现：

互联Node的常用方法：

• 添加或者删除音频单元node(AUGraphAddNode, AUGraphRemoveNode)
• 添加或者删除node之间的连接(AUGraphConnectNodeInput, AUGraphDisconnectNodeInput)
• 将渲染回调函数连接到音频单元的input bus(AUGraphSetNodeInputCallback)

5. 回调函数

5.1 音频流数据的获取

音频流程图：

说明：

• 灰色箭头是调用函数的方向
• 橙色箭头是函数返回的音频数据的方向
• 初始的音频数据是音频帧（frame）
• 函数回调执行完返回的音频数据是切片（slice）

过程详解：

1. AUGraphStart函数去获取音频时，首先会直接在输出element的缓冲区中找音频数据
2. 如果有，则直接输出，如果没有则调用连接到输入的回调函数，也就是它会调用这个绑定输入的函数
3. 此时进入到均衡器组件，获取数据，发现也没有，就再调用输入的回调函数
4. 此时就从应用内部获取到音频帧
5. 拿到音频帧后就一步一步的执行回调函数并返回音频数据，也就是切片（slice）

5.2 回调函数代码实现

注释已足够详细

注意：

• 千万要注意，回调函数必须遵守严格的性能要求
• 回调函数是异步执行的，如果这个函数执行耗时太长，下一个函数已经到达，这个函数尚未完成执行，那么就会导致声音产生间隙

参考文档：

官方文档