iOS开发基础140-音频编码

音频编码是将音频信号转换为数字信号的过程，这样可以便于存储、传输和解码。在iOS开发中，我们通常使用Core Audio来处理音频编码和解码的过程。本篇文章主要介绍如何使用Core Audio的Audio Toolbox框架来进行音频编码。

音频编码的步骤

音频编码的过程通常涉及以下几个步骤：

1. 设置音频格式：确定音频的采样率、采样位数、声道数等参数。
2. 创建编码器：根据需要编码的音频格式，创建相应的音频编码器。
3. 读取音频数据：从文件或者其他来源读取音频数据。
4. 编码音频数据：将读取到的音频数据送入编码器进行编码。
5. 写入文件：将编码后的数据写入文件或传输到其他地方。

示例：使用AudioQueue进行音频编码

以下是使用AudioQueue进行音频编码的示例，假设我们要将PCM格式的音频数据编码为AAC格式的数据。首先，我们需要导入必要的框架：

#import <AudioToolbox/AudioToolbox.h>

步骤1: 定义全局变量

在开始之前，我们首先定义一些必要的全局变量，包括一个AudioQueueRef对象，用于管理音频队列，以及一个AudioFileID对象，用于输出编码后的音频文件。

static AudioQueueRef audioQueue = NULL; // 管理音频队列
static AudioFileID audioFile = NULL; // 输出文件对象
static SInt64 currentPacket = 0; // 当前音频包

步骤2: 设置音频格式

在开始音频编码之前，我们需要定义目标音频的格式。这里示范如何设置目标为AAC格式。

AudioStreamBasicDescription outputFormat;
memset(&outputFormat, 0, sizeof(outputFormat));
outputFormat.mSampleRate = 44100.0; // 采样率
outputFormat.mFormatID = kAudioFormatMPEG4AAC; // 编码格式
outputFormat.mChannelsPerFrame = 2; // 声道数

// 指定具体的编码格式
UInt32 propSize = sizeof(outputFormat);
AudioFormatGetProperty(kAudioFormatProperty_FormatInfo, 0, NULL, &propSize, &outputFormat);

步骤3: 创建音频队列

创建音频编码队列，并设置一个回调函数，这个回调函数会在每次音频数据编码完成时调用。

// 定义音频队列的回调函数
void AQInputCallback(  void * __nullable               inUserData,
                       AudioQueueRef                   inAQ,
                       AudioQueueBufferRef             inBuffer,
                       const AudioTimeStamp *          inStartTime,
                       UInt32                          inNumPackets,
                       const AudioStreamPacketDescription * __nullable inPacketDescs) {
    // 这里写入编码后的数据
}

// 创建音频队列
AudioQueueNewOutput(&outputFormat, AQInputCallback, NULL, NULL, NULL, 0, &audioQueue);

步骤4: 设置魔法Cookie

对于某些音频格式（如AAC），我们需要将特定的数据（称为魔法Cookie）写入文件，以正确解码音频数据。

UInt32 cookieSize;
if (AudioQueueGetPropertySize(audioQueue, kAudioQueueProperty_MagicCookie, &cookieSize) == noErr) {
    void* magicCookie = malloc(cookieSize);
    if (AudioQueueGetProperty(audioQueue, kAudioQueueProperty_MagicCookie, magicCookie, &cookieSize) == noErr) {
        AudioFileSetProperty(audioFile, kAudioFilePropertyMagicCookieData, cookieSize, magicCookie);
    }
    free(magicCookie);
}

步骤5: 创建和准备音频缓冲区

我们需要创建和准备音频队列的缓冲区，以便它们可以用来存放待编码的音频数据。

UInt32 bufferByteSize = 1024; // 设置缓冲区大小
AudioQueueBufferRef buffer;
AudioQueueAllocateBuffer(audioQueue, bufferByteSize, &buffer);

步骤6: 开始录音

准备工作完成后，我们可以开始录音，录音数据将被自动编码。

AudioQueueStart(audioQueue, NULL);

完成编码和清理

编码完成，或者当你想停止录音时，需要停止音频队列，关闭文件，释放资源。

AudioQueueStop(audioQueue, true);
AudioQueueDispose(audioQueue, true);
AudioFileClose(audioFile);

完整代码

封装一个简单的音频录制和编码工具类。该类封装了音频录制的初始化、开始录制、停止录制等功能。音频数据将编码为AAC格式，并保存到指定的文件路径。

由于iOS开发环境和需求的多样性，此段代码仅供参考，需要根据具体情况进行调整。

#import <Foundation/Foundation.h>
#import <AudioToolbox/AudioToolbox.h>

@interface AudioRecorder : NSObject

// 开始录制的方法
- (void)startRecording;

// 停止录制的方法
- (void)stopRecording;

@end

// AudioRecorder 的内部扩展
@interface AudioRecorder ()

@property (assign, nonatomic) AudioQueueRef audioQueue; // 音频队列
@property (assign, nonatomic) AudioFileID audioFile; // 音频文件
@property (assign, nonatomic) SInt64 currentPacket; // 当前音频数据包序号
@property (assign, nonatomic) BOOL isRecording; // 是否正在录音

// 内部方法，用于初始化录制环境
- (void)setupAudioFormat:(AudioStreamBasicDescription *)format;

@end

@implementation AudioRecorder

// 开始录制
- (void)startRecording {
    // 设置录制音频的格式
    AudioStreamBasicDescription format;
    [self setupAudioFormat:&format];
    
    // 创建录制音频队列
    AudioQueueNewOutput(&format, BufferCallback, (__bridge void *)(self), NULL, NULL, 0, &_audioQueue);
    
    // 创建并打开录制的音频文件
    CFURLRef fileURL = CFURLCreateWithString(kCFAllocatorDefault, CFSTR("your_file_path_here"), NULL);
    AudioFileCreateWithURL(fileURL, kAudioFileM4AType, &format, kAudioFileFlags_EraseFile, &_audioFile);
    CFRelease(fileURL);
    
    // 分配并准备音频队列的缓冲区
    for(int i = 0; i < 3; ++i) {
        AudioQueueBufferRef buffer;
        AudioQueueAllocateBuffer(_audioQueue, 1024, &buffer);
        AudioQueueEnqueueBuffer(_audioQueue, buffer, 0, NULL);
    }
    
    // 开始录制
    _currentPacket = 0;
    _isRecording = YES;
    AudioQueueStart(_audioQueue, NULL);
}

// 停止录制
- (void)stopRecording {
    _isRecording = NO;
    
    // 停止音频队列
    AudioQueueStop(_audioQueue, true);
    
    // 释放音频队列和音频文件资源
    AudioQueueDispose(_audioQueue, true);
    AudioFileClose(_audioFile);
}

// 设置录制音频格式的方法
- (void)setupAudioFormat:(AudioStreamBasicDescription *)format {
    memset(format, 0, sizeof(AudioStreamBasicDescription));
    format->mSampleRate = 44100.0; // 采样率
    format->mFormatID = kAudioFormatMPEG4AAC; // 格式
    format->mChannelsPerFrame = 2; // 声道数
}

// 音频缓冲区的回调函数
void BufferCallback(void *inUserData, AudioQueueRef inAQ, AudioQueueBufferRef inBuffer) {
    AudioRecorder *recorder = (__bridge AudioRecorder *)inUserData;
    
    if (!recorder.isRecording) {
        return;
    }
    
    // 写入音频数据
    UInt32 ioNumBytes = inBuffer->mAudioDataByteSize;
    AudioFileWritePackets(recorder.audioFile, false, ioNumBytes, NULL, recorder.currentPacket, &ioNumBytes, inBuffer->mAudioData);
    recorder.currentPacket++;
    
    // 重新入队该缓冲区，以便再次被填充新的音频数据
    if (recorder.isRecording) {
        AudioQueueEnqueueBuffer(inAQ, inBuffer, 0, NULL);
    }
}

@end

说明

• CFURLCreateWithString 该函数用于创建音频文件的URL路径，你需要将 "your_file_path_here" 替换为实际的文件路径字符串，例如"/var/mobile/your_app_folder/record.m4a"。
• AudioQueueNewOutput 初始化一个用于录制的音频队列。BufferCallback 是当音频队列的缓冲区被填满音频数据后的回调函数，负责将数据写入到文件中。
• 建议对于更复杂的录音需求，详细了解AudioQueue的使用，包括但不限于处理错误回调、动态调整音频队列缓冲区个数和大小、以及处理中断事件等。

以上代码提供基础的音频录制功能框架，根据实际需求调整。在使用时，别忘了处理权限请求（如麦克风使用权限），否则应用可能无法正常录音。

使用

要在外部使用这个AudioRecorder类进行音频录制，你首先需要在你的项目中引入这个类。

#import "AudioRecorder.h"

创建AudioRecorder实例

在合适的地方（如在一个视图控制器中）声明一个AudioRecorder的实例变量。

@interface ViewController ()

@property (strong, nonatomic) AudioRecorder *audioRecorder;

@end

然后，在例如viewDidLoad方法中或者在你决定开始录音之前的任意地方初始化这个录音器实例。

- (void)viewDidLoad {
    [super viewDidLoad];
    // 初始化录音器
    self.audioRecorder = [[AudioRecorder alloc] init];
}

使用AudioRecorder开始和停止录音

现在，你可以通过调用实例的startRecording和stopRecording方法来开始和停止录音了。

// 开始录音
[self.audioRecorder startRecording];

// 可能是用户交互或者一段时间后停止录音
[self.audioRecorder stopRecording];

完整示例

#import "ViewController.h"
#import "AudioRecorder.h"

@interface ViewController ()

@property (strong, nonatomic) AudioRecorder *audioRecorder;

@end

@implementation ViewController

- (void)viewDidLoad {
    [super viewDidLoad];
    // 初始化录音器
    self.audioRecorder = [[AudioRecorder alloc] init];
}

- (IBAction)startRecordingAction:(UIButton *)sender {
    // 用户点击了开始录音按钮
    [self.audioRecorder startRecording];
}

- (IBAction)stopRecordingAction:(UIButton *)sender {
    // 用户点击了停止录音按钮
    [self.audioRecorder stopRecording];
}

@end

确保你已经在对应的用户界面中添加了开始和停止录音的按钮，并且将它们的action正确连接到了上述的startRecordingAction:和stopRecordingAction:方法。

注意

• 在真实的应用中，不要忘了处理麦克风权限请求，iOS需要用户明确允许应用访问麦克风。你可以在Info.plist中添加NSMicrophoneUsageDescription键，并提供一个描述，说明你的应用为什么需要访问麦克风。
• 根据你的录音设置（如采样率、格式等），你可能需要调整缓冲区的大小以适应不同的录音质量和性能需求。
• 进阶使用包括但不限于捕获中断事件（如电话来电）、处理其他音频会话（如后台播放音乐时开始录音）的情况。这些都需要额外的代码和逻辑来正确处理。

总结

本文介绍了如何在iOS平台上使用AudioQueue框架进行音频编码的基本步骤。实际应用中可能会包含更多的细节处理，比如错误处理、动态调整编码参数等。音频编码是音视频开发中的一个重要方面，理解其工作原理和学会使用相关工具是非常必要的。