iOS 实时音频采集与播放Audio Unit使用

时间：2024-03-04 11:31:09
前言
在iOS中有很多方法可以进行音视频采集。如 AVCaptureDevice, AudioQueue以及Audio Unit。其中 Audio Unit是最底层的接口，它的优点是功能强大，延迟低; 而缺点是学习成本高，难度大。
对于一般的iOS应用程序，AVCaptureDevice和AudioQueue完全够用了。但对于音视频直播，最好还是使用 Audio Unit 进行处理，这样可以达到最佳的效果，著名的 WebRTC 就使用的 Audio Unit 做的音频采集与播放。今天我们就重点介绍一下Audio Unit的基本知识和使用。
Audio Unit在 iOS架构中所处的位置：
基本概念
  • Audio Unit的种类
共可分为四大类，並可细分为七种：
  • Audo Unit 的内部结构
Audio Unit 内部结构分为两大部分，Scope 与Element。其中 scope 又分三种，分別是 input scope, output scope, global scope。而 element 则是 input scope 或 output scope 內的一部分。
  • Audio Unit 的输入与输出
下图是一个 I/O type 的 Audio Unit，其输入为麦克风，其输出为喇叭。这是一个最简单的Audio Unit使用范例。
ioUnit.png
The input element is element 1 (mnemonic device: the letter “I” of the word “Input” has an appearance similar to the number 1)
The output element is element 0 (mnemonic device: the letter “O” of the word “Output” has an appearance similar to the number 0)
使用流程概要
  1. 描述音频元件（kAudioUnitType_Output／kAudioUnitSubType_RemoteIO ／kAudioUnitManufacturerApple）
  2. 使用 AudioComponentFindNext(NULL, &descriptionOfAudioComponent) 获得 AudioComponent。AudioComponent有点像生产 Audio Unit 的工厂。
  3. 使用 AudioComponentInstanceNew(ourComponent, &audioUnit) 获得 Audio Unit 实例。
  4. 使用 AudioUnitSetProperty函数为录制和回放开启IO。
  5. 使用 AudioStreamBasicDescription 结构体描述音频格式，并使用AudioUnitSetProperty进行设置。
  6. 使用 AudioUnitSetProperty 设置音频录制与放播的回调函数。
  7. 分配缓冲区。
  8. 初始化 Audio Unit。
  9. 启动 Audio Unit。
初始化
初始化看起来像下面这样。我们有一个 AudioComponentInstance 类型的成员变量，它用于存储 Audio Unit。
下面的音频格式用16位表式一个采样。
#define kOutputBus 0#define kInputBus 1// ... OSStatus status;AudioComponentInstance audioUnit; // 描述音频元件AudioComponentDescription desc;desc.componentType = kAudioUnitType_Output;desc.componentSubType = kAudioUnitSubType_RemoteIO;desc.componentFlags = 0;desc.componentFlagsMask = 0;desc.componentManufacturer = kAudioUnitManufacturer_Apple; // 获得一个元件AudioComponent inputComponent = AudioComponentFindNext(NULL, &desc); // 获得 Audio Unitstatus = AudioComponentInstanceNew(inputComponent, &audioUnit);checkStatus(status); // 为录制打开 IOUInt32 flag = 1;status = AudioUnitSetProperty(audioUnit, kAudioOutputUnitProperty_EnableIO, kAudioUnitScope_Input, kInputBus, &flag, sizeof(flag));checkStatus(status); // 为播放打开 IOstatus = AudioUnitSetProperty(audioUnit, kAudioOutputUnitProperty_EnableIO, kAudioUnitScope_Output, kOutputBus, &flag, sizeof(flag));checkStatus(status); // 描述格式audioFormat.mSampleRate = 44100.00;audioFormat.mFormatID = kAudioFormatLinearPCM;audioFormat.mFormatFlags = kAudioFormatFlagIsSignedInteger | kAudioFormatFlagIsPacked;audioFormat.mFramesPerPacket = 1;audioFormat.mChannelsPerFrame = 1;audioFormat.mBitsPerChannel = 16;audioFormat.mBytesPerPacket = 2;audioFormat.mBytesPerFrame = 2; // 设置格式status = AudioUnitSetProperty(audioUnit, kAudioUnitProperty_StreamFormat, kAudioUnitScope_Output, kInputBus, &audioFormat, sizeof(audioFormat));checkStatus(status);status = AudioUnitSetProperty(audioUnit, kAudioUnitProperty_StreamFormat, kAudioUnitScope_Input, kOutputBus, &audioFormat, sizeof(audioFormat));checkStatus(status); // 设置数据采集回调函数AURenderCallbackStruct callbackStruct;callbackStruct.inputProc = recordingCallback;callbackStruct.inputProcRefCon = self;status = AudioUnitSetProperty(audioUnit, kAudioOutputUnitProperty_SetInputCallback, kAudioUnitScope_Global, kInputBus, &callbackStruct, sizeof(callbackStruct));checkStatus(status); // 设置声音输出回调函数。当speaker需要数据时就会调用回调函数去获取数据。它是 "拉" 数据的概念。callbackStruct.inputProc = playbackCallback;callbackStruct.inputProcRefCon = self;status = AudioUnitSetProperty(audioUnit, kAudioUnitProperty_SetRenderCallback, kAudioUnitScope_Global, kOutputBus, &callbackStruct, sizeof(callbackStruct));checkStatus(status); // 关闭为录制分配的缓冲区（我们想使用我们自己分配的）flag = 0;status = AudioUnitSetProperty(audioUnit, kAudioUnitProperty_ShouldAllocateBuffer, kAudioUnitScope_Output, kInputBus, &flag, sizeof(flag)); // 初始化status = AudioUnitInitialize(audioUnit);checkStatus(status);
开启 Audio Unit
OSStatus status = AudioOutputUnitStart(audioUnit);checkStatus(status);
关闭 Audio Unit
OSStatus status = AudioOutputUnitStop(audioUnit);checkStatus(status);
结束 Audio Unit
AudioComponentInstanceDispose(audioUnit);
录制回调
static OSStatus recordingCallback(void *inRefCon, AudioUnitRenderActionFlags *ioActionFlags, const AudioTimeStamp *inTimeStamp, UInt32 inBusNumber, UInt32 inNumberFrames, AudioBufferList *ioData) { // TODO:// 使用 inNumberFrames 计算有多少数据是有效的// 在 AudioBufferList 里存放着更多的有效空间 AudioBufferList *bufferList; //bufferList里存放着一堆 buffers, buffers的长度是动态的。 // 获得录制的采样数据 OSStatus status; status = AudioUnitRender([audioInterface audioUnit], ioActionFlags, inTimeStamp, inBusNumber, inNumberFrames, bufferList); checkStatus(status); // 现在，我们想要的采样数据已经在bufferList中的buffers中了。 DoStuffWithTheRecordedAudio(bufferList); return noErr;}
播放回调
static OSStatus playbackCallback(void *inRefCon, AudioUnitRenderActionFlags *ioActionFlags, const AudioTimeStamp *inTimeStamp, UInt32 inBusNumber, UInt32 inNumberFrames, AudioBufferList *ioData) { // Notes: ioData 包括了一堆 buffers // 尽可能多的向ioData中填充数据，记得设置每个buffer的大小要与buffer匹配好。return noErr;}
结束
Audio Unit可以做很多非常棒的的工作。如混音，音频特效，录制等等。它处于 iOS 开发架构的底层，特别合适于音视频直播这种场景中使用。
“知识无穷尽，只取我所需”。
ios音视频演示app：https://github.com/starrtc/ios-demo

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