用Java实现音频播放

用Java实现音频播放一、JavaSound的体系结构二、 JavaSound混频原理三、 音频数据与存储格式四、设计音乐播放器五、播放音乐六、支持更多的音频格式桌面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JavaSoundAPI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JDK1.3.0之前,JavaSound是一个标准的Java扩展API，但从Java2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Java1.3+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JavaSoundAPI随同Java媒体框架（JMF，JavaMediaFramework）一起发布，主页在/products/java-media/jmf/，适合JDK1.1以及更高的版本。除了JDK实现的JavaSoundAPI之外，还有一个源代码开放的JavaSound实现是Tritonus,主页在http://www.triton/。图一描述了JavaSoundAPI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，JavaSoundAPI包含在javax.sound.sampled和javax.sound.midi包中。两根虚线之间的部分就是JavaSoundAPI的具体实现。S~FJavaSound

的应用软件JavaSoundSPISPIS~FJavaSound

的应用软件JavaSoundSPISPI插件「檢啓字||l电礙卅裁论||遏辑^―^―^―^―—Java.SoundA.PI ^―■JavaSound的实现(SunfttlJDK1.3+/JVM,Tntonus等)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，ServiceProviderInterface）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JavaSoundAPI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（JDK1.4）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（PulseCodeModulation，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PCMMono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OggVorbis）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=newTestBase()语句初始化。表卫类的名称4说明4应用程序创建并显示GUIoP播皴器的GUL读取一个配苴文件，扫描特定的目录查找可播飲的文件，在GUI的列表中显示出这吐文件-借助恣类的帮助管理GUIor包含与声音播抜有关的所有代码逻辑-它用一亍专用的线程来播啟声音，因此在播顽声音的同时，用户仍可使用GUI例如点击各种控制按钮-卫显示“关于"对话框-卩用户界面中的按钮用类似下面的代码创建，其中addBttnlconText()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/developer/techDocs/hi/repository/)JButtonplayBttn二newJButton();addBttnlconText(playBttn,"播放"，"Play24.gif");playBttn.addActionListener(newjava.awt.event.ActionListener(){publicvoidactionPerformed(ActionEvente){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。voidplayClick(ActionEvente){StringfileToPlay=(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。voidprevClick(ActionEvente){pBase.stop();filenamesList.setSelectedlndex( filenamesList.getSelectedlndex()-1)；playClick(e);}voidnextClick(ActionEvente){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。publicvoidplay(){if((!stopped)||(paused))return;if(playerThread==null){playerThread=newThread(this);playerThread.start();try{Thread.sleep(500);}catch(Exceptionex){}}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。表二表二d标记名称说明卫程序运行结束，线程应当尽快终止-心播蹶器处于停止状态；没有正在播儉的文件-心播蹶器处于暂停状态;弱碍瀆烹按钮从当前位苴开始继续播旅。心正在播議煤体文件-心playMusic()方法利用JavaSoundAPI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(newFile(fileToPlay));•••if(ais!=null){baseFormat二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AudiolnputStream把原来的AudiolnputStream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：AudioFormatdecodedFormat二newAudioFormat(AudioFormat.Encoding.PCM_SIGNED,baseFormat.getSampleRate(),16,baseFormat.getChannels(),baseFormat.getChannels()*2,baseFormat.getSampleRate(),false);ais=AudioSystem.getAudiolnputStream(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。privateSourceDataLinegetLine(AudioFormataudioFormat){SourceDataLineres=null;DataLine.Infoinfo=newDataLine.Info(SourceDataLine.class,audioFormat);try{res=(SourceDataLine)AudioSystem.getLine(info);res.open(audioFormat);}catch(Exceptione){returnres准备好AudiolnputStream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SourceDataLinBytes=0;while((inBytes!=T)&&(!stopped)&&(!threadExit)){try{inBytes=ais.read(audioData,0,BUFFER_SIZE);}—catch(IOExceptione){e.printStackTrace(); }if(inBytes>=0){intoutBytes=line.write(audioData,0,inBytes)