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JavaSound API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JDK 1.3.0之前,JavaSound是一个标准的Java扩展API,但从Java 2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Java 1.3+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JavaSound API随同Java媒体框架(JMF,Java Media Framework)一起发布,主页在java.sun.com/products/java-media/jmf/,适合JDK 1.1以及更高的版本。除了JDK实现的JavaSound API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JavaSound API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,JavaSound API包含在javax.sound.sampled和javax.sound.midi包中。两根虚线之间的部分就是JavaSound API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, Service Provider Interface)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JavaSound API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(JDK 1.4)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(Pulse Code Modulation,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PCM Mono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Ogg Vorbis)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 = new TestBase()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http://developer. java .sun.com/developer/techDocs/hi/repository/)。

  JButton playBttn = new JButton();
...
addBttnIconText(playBttn, "播放", "Play24.gif");
  playBttn.addActionListener(new java.awt.event.ActionListener() {
   public void actionPerformed(ActionEvent e) {
    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。

void playClick(ActionEvent e) {
  String fileToPlay = (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。

  void prevClick(ActionEvent e) {
  pBase.stop();
  filenamesList.setSelectedIndex(  filenamesList.getSelectedIndex() - 1);
  playClick(e);
 }
 void nextClick(ActionEvent e) {
  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。

  public void play() {
  if ((!stopped) || (paused)) return;
  if (playerThread == null) {
   playerThread = new Thread(this);
   playerThread.start();
   try { Thread.sleep(500);
    } catch (Exception ex) {}
   }
  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。

  public void run() {
  while (! threadExit) {
    waitforSignal();
    if (! stopped)
      playMusic();
    }
 }

  表二

   playMusic()方法利用JavaSound API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(new File(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:

  AudioFormat decodedFormat = new AudioFormat(
  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。

  private SourceDataLine getLine(AudioFormat audioFormat) {
    SourceDataLine res = null;
    DataLine.Info info = new DataLine.Info(SourceDataLine.class,
        audioFormat);
  try {
    res = (SourceDataLine) AudioSystem.getLine(info);
    res.open(audioFormat);
   }
  catch (Exception e) {
   }
   return res;
 }

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。

  int inBytes = 0;
while ((inBytes != -1) && (!stopped) && (!threadExit)) {
try {
inBytes = ais.read(audioData, 0, BUFFER_SIZE);
}
catch (IOException e) { 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java test.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JavaSound SPI为播放器增加对MP3和Ogg Vorbis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(http://www.jcraft.com/jorbis/)下载,最新版本是 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 http://www.javazoom.net/vorbisspi/vorbisspi.html下载。VorbisSPI的最新版本是0.7。

   对于MP3支持,JavaZoom也提供了一个兼容JavaSound的纯Java解码器,称为 JavaLayer(http://www.javazoom.net/javalayer/javalayer.html),最新的版本是0.2.0。 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.jar test.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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