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1、一、JavaSound的體系結構二、JavaSound混頻原理三、音頻數據與存儲格式四、設計音樂播放器五、播放音樂六、支持更多的音頻格式桌面PC的性能日益提高，Java虛擬機的優(yōu)化技術也不斷獲得突破，這一切使得用Java處理實時信號成為可能。本文將通過設計和構造一個支持實時MP3、WAV和Ogg音頻格式解碼/回放的Java音樂播放器，闡述用JavaSound API編寫音頻處理程序的思路和一般過程。JavaSound是一個小巧的低層API，支持數字音頻和MIDI數據的記錄/回放。在JDK 1.3.0之前，JavaSound是一個標準的Java擴展API，但從Java 2的1.3.0版開始，Ja
2、vaSound就被包含到JDK之中。由于Java有著跨平臺（操作系統、硬件平臺）的特點，基于JavaSound的音頻處理程序（包括本文的程序）能夠在任何實現了Java 1.3+的系統上運行，無需加裝任何支持軟件。一、JavaSound的體系結構當前JDK的JavaSound API隨同Java媒體框架（JMF，Java Media Framework）一起發(fā)布，主頁在 1.1以及更高的版本。除了JDK實現的JavaSound API之外，還有一個源代碼開放的JavaSound實現是Tritonus，主頁在http:/www.tritonus.org/。圖一描述了JavaSound API的體系
3、結構，虛線表示Sun的JavaSound標準定義的API調用。上面一根虛線表示我們編寫音頻處理程序要調用的API，JavaSound API包含在javax.sound.sampled和javax.sound.midi包中。兩根虛線之間的部分就是JavaSound API的具體實現。圖一：JavaSound體系結構就象上面一根虛線表示的API具有統一標準一樣，在所有的JavaSound實現中，圖一下面一根虛線表示的SPI（服務提供者接口， Service Provider Interface）也是統一的。SPI的作用是以插件（Plug-In）的形式提供自定義的擴展模塊，我們只要提供與SPI兼容
4、的插件擴展模塊，就可以在不改變API的情況下擴展音頻處理程序的能力。SPI包含在java.sound.sampled.spi和javax.sound.midi.spi包中。例如，假設有一個只能播放WAV文件的程序，我們只要增加一個支持MP3文件解碼的插件模塊，就可以在不改動播放程序的任何一行代碼的前提下，為這個播放程序添加播放MP3的能力。二、JavaSound混頻原理圖二闡述了JavaSound的混頻器原理。在處理輸入音頻的應用中，對于來自各種音頻輸入端口的信號，例如麥克風、CD播放器、磁帶播放器，等等，我們可以在它們到達TargetDataLine之前，利用混頻器控制輸入混頻，最后在程序中
5、通過TargetDataLine獲得數字化的音頻輸入流。圖二：JavaSound混頻器類似地，在處理輸出音頻的應用中，混頻器用來對一系列來自SourceDataLine的數據進行混頻處理，經處理后的信號可輸出到各種輸出端口，例如揚聲器、耳機等。SourceDataLine是一個可寫入音頻信號數字流的設備，例如，我們可以從一個WAV文件讀取內容寫入到SourceDataLine，然后再通過揚聲器輸出。輸入到混頻器的信號可以來源于剪輯。剪輯（Clip）是一個包含一段完整音頻數據流的設備，或者說，剪輯就是一個緩沖在內存中的完整音頻數據流。在一些要求反復播放音樂片段的場合，例如游戲的背景音樂，剪輯是很
6、有用的。圖三描述了JavaSound API中一些常用的類、接口及其關系，所有圖三顯示的類、接口都通過Line這個基本接口統一起來。Line接口用來關閉/打開設備、注冊事件監(jiān)聽器，以及提供一些用來調整聲音效果的對象，例如調整音量大小的對象。AudioSystem在JavaSound體系中起著一個工廠（Factory）類的作用，提供了一系列的靜態(tài)方法，我們通過這些靜態(tài)方法來獲取JavaSound系統默認配置的資源（所謂靜態(tài)方法，就是可以在不創(chuàng)建AudioSystem實例的情況下直接調用的方法）。圖三：常用的JavaSound類順便說明一下，在當前（JDK 1.4）實現的JavaSound的默認配
7、置中，輸入聲音來自本地聲卡的麥克風，輸出聲音到本地聲卡的揚聲器。應當說當前實現的JavaSound對端口和混頻器的支持還不完善，但對于包括本文音樂播放器在內的許多應用來說，默認實現的JavaSound配置已經足夠了。三、音頻數據與存儲格式取樣得到的音頻數據也就是從TargetDataLine輸入或從SourceDataLine輸出的數據，必須符合音頻格式的標準。音頻數據的格式選項由AudioFormat類封裝，主要選項包括：編碼方式，可以是PCM（Pulse Code Modulation，脈沖編碼調制）、MP3等；通道數量；取樣率；幀速率；等等。音頻數據可以用多種格式保存到磁盤上。在Java
8、Sound參考實現中，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），音頻文件的格式由AudioFileFormat類指定。并非所有音頻數據格式都可以保存到任意音頻文件格式（或從音頻文件回放），具體由平臺和操作系統的類型決定。為簡單計，本文的播放器只考慮包含PCM Mono或Stereo數據的WAV文件，這是當前流行的音頻數據/文件格式組合，常用于CD音質的音頻數據。壓縮的音頻數據（例如MP3和Ogg Vorbis）通常有各自特殊的存儲格式（如.MP3和.OGG），通常不以WAV/AIFF/AU格式存儲。四、設計音
9、樂播放器我們要編寫的音樂播放器（圖四）由表一所示的幾個類構成。鑒于構造用戶界面往往需要大量的代碼，且這些代碼通常可以用IDE自動生成，所以下文只對一些關鍵的GUI元素略作介紹，不再給出完整的代碼。圖四：播放器的用戶界面播放器的用戶界面主要由一個帶菜單的JFrame框架、一個名稱為filenamesList的JList和幾個JButton構成。框架有一個私有的TestBase成員，其實例在GUIInit()方法的末尾通過pBase = new TestBase()語句初始化。表一用戶界面中的按鈕用類似下面的代碼創(chuàng)建，其中addBttnIconText()是一個私有方法，它把一個圖標放到按鈕的文字
10、標簽之上。Java程序的用戶界面和Windows界面風格迥異，建議讀者使用Java開發(fā)工具自帶的圖標，或者從Java圖標庫下載（例如JButton playBttn = new JButton();.addBttnIconText(playBttn, 播放, Play24.gif); playBttn.addActionListener(new java.awt.event.ActionListener() public void actionPerformed(ActionEvent e) playClick(e); );當用戶點擊一個按鈕，與該按鈕對應的xxxClick()事件句柄函數開始
11、執(zhí)行。播放器共有5個按鈕，相應的事件句柄也有5個：playClick（“播放”按鈕），stopClick（“停止”按鈕），pauseClick（“暫停”按鈕），prevClick（“后退”按鈕），nextClick（“前進”按鈕）。例如，點擊“播放”按鈕時，playClick()句柄首先獲得JList中選中的文件，然后調用TestBase實例中的playFile()輔助方法播放文件。playClick()句柄的代碼如下所示，注意它把音樂文件及其所在目錄連接起來的方法是操作系統中立的。void playClick(ActionEvent e) String fileToPlay = (Strin
12、g) filenamesList.getSelectedValue(); if (fileToPlay != null) pBase.playFile(searchDir + System.getProperty(file.separator) + fileToPlay); stopClick()和pauseClick()方法分別調用TestBase中的stop()和pause()方法。prevClick()和nextClick()句柄的任務稍微復雜一點。首先，它們要調用TestBase中的stop()方法中止當前的播放動作，然后選中JList中當前項目的前一項或后一項，最后調用playCli
13、ck()播放新選中的音樂文件，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
14、音樂TestBase類包含主要的播放邏輯。例如，當用戶點擊“播放”按鈕，TestBase類中的play()方法開始執(zhí)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
15、首先確認播放器當前已被終止播放，而不是暫停播放。然后它檢查這是不是第一次調用play()：如果是，則創(chuàng)建一個playerThread線程。我們用一個獨立的線程負責音樂播放，這樣，無論播放器正在讀取文件、解碼，還是正在把音頻數據輸出到揚聲器，用戶界面總是可操作的。啟動線程之后，play()方法鎖定靜態(tài)synch同步對象，將stopped標記設置為false，然后通知正在等待的線程（playerThread線程在開始播放音樂文件之前，會等待靜態(tài)synch對象上的提醒通知）。playerThread線程啟動后，它的run()方法開始運行。這個線程一直執(zhí)行while循環(huán)，直到threadExit標記變
16、成true為止。在while循環(huán)中，線程首先等待“開始播放”的信號（當用戶點擊“播放”按鈕時），然后播放音樂。表二列出了描述播放器狀態(tài)的各個標記及其含義。public void run() while (! threadExit) waitforSignal(); if (! stopped) playMusic(); 表二playMusic()方法利用JavaSound API播放當前選中的文件。首先要通過AudioSystem類獲得一個AudioInputStream。然后，利用AudioInputStream的getFormat()獲知音頻數據的格式。在此基礎上，我們試圖通過getLin
17、e()方法獲得一個支持該種格式的SourceDataLine。如果要播放的是WAV文件，現在我們已經有了非壓縮的PCM格式的音頻數據，可以用line對象開始播放音頻。ais= AudioSystem.getAudioInputStream(new File(fileToPlay);if (ais != null) baseFormat = ais.getFormat(); line = getLine(baseFormat); . 如果音頻數據是壓縮格式的，如MP3或Ogg，必須先進行一次轉換把MP3/Ogg解碼成PCM。解碼主要包括三個步驟：1、創(chuàng)建一個解壓縮結果的定制AudioFormat
18、（PCM編碼），但保留和原壓縮流一樣的取樣率、通道信息等。2、創(chuàng)建一個AudioInputStream把原來的AudioInputStream轉換成新的AudioFormat格式。3、獲得一個處理解碼后格式的SourceDataLine。如下所示：AudioFormat decodedFormat = new AudioFormat( AudioFormat.Encoding.PCM_SIGNED, baseFormat.getSampleRate(), 16, baseFormat.getChannels(), baseFormat.getChannels() * 2, baseFormat
19、.getSampleRate(), false);ais = AudioSystem.getAudioInputStream(decodedFormat, ais);line = getLine(decodedFormat);getLine()方法的返回值是一個與參數中指定的AudioFormat兼容的SourceDataLine。如果不能獲得兼容的SourceDataLine，getLine()返回null。在getLine()方法中，我們首先創(chuàng)建和填充一個DataLine.Info結構，調用AudioSystem.getLine()方法，將info結構傳遞給AudioSystem類工廠。p
20、rivate 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; 準備好AudioInputStream和SourceDataLine
21、之后，playMusic()剩余的任務已經很簡單：用一個循環(huán)從AudioInputStream讀取數據，然后寫入到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); i
22、f (paused) waitforSignal();六、支持更多的音頻格式假設已經在test目錄下準備好了所有的.java文件，執(zhí)行javac *.java即可順利編譯，執(zhí)行java test.TestPlayer就可以啟動圖一的播放器。但現在播放器只能播放有限的文件，因為JDK實現的JavaSound只支持WAV、AIFF和AU。但是，我們可以用JavaSound SPI為播放器增加對MP3和Ogg Vorbis的支持，只要下載和安裝相應的插件Jar文件即可。Java版的Vorbis解碼器可以從JavaCraft（對于MP3支持，JavaZoom也提供了一個兼容JavaSound的純Java解碼器，稱為JavaLayer（解開下載得到的文件，把所有Jar文件放到播放器所在目錄。用下面的命令啟動播放器：java -classpath .;.jogg-0.0.5.jar;.jorbis-0.0.12.jar;.jl020.jar;.mp3sp.jar;.vorbisspi0.6.jar test.TestPlayer。如果你下載的解碼器版本不同，啟動命令也要作相應地改動。把SPI擴展插件加入到了播放器的classpath之后，JavaSound就會在運行時自動使用它們。
Java實現音頻播放--JavaSound API編寫音頻處理程序
