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一步一步教你实现iOS音频频谱动画(一)

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第二篇:一步一步教你实现iOS音频频谱动画(二)

基于篇幅考虑,本次教程分为两篇文章,本篇文章主要讲述音频播放和频谱数据的获取,下篇将讲述数据处理和动画绘制。

前言

很久以前在电脑上听音乐的时候,经常会调出播放器的一个小工具,里面的柱状图会随着音乐节奏而跳动,就感觉自己好专业,尽管后来才知道这个是音频信号在频域下的表现。

热身知识

动手写代码之前,让我们先了解几个基础概念吧

音频数字化

  • 采样: 众所周知,声音是一种压力波,是连续的,然而在计算机中无法表示连续的数据,所以只能通过间隔采样的方式进行离散化,其中采集的频率称为采样率。根据奈奎斯特采样定理 ,当采样率大于信号最高频率的2倍时信号频率不会失真。人类能听到的声音频率范围是20hz到20khz,所以CD等采用了44.1khz采样率能满足大部分需要。

  • 量化: 每次采样的信号强度也会有精度的损失,如果用16位的Int(位深度)来表示,它的范围是[-32768,32767],因此位深度越高可表示的范围就越大,音频质量越好。

  • 声道数: 为了更好的效果,声音一般采集左右双声道的信号,如何编排呢?一种是采用交错排列(Interleaved): LRLRLRLR ,另一种采用各自排列(non-Interleaved): LLL RRR

以上将模拟信号数字化的方法称为脉冲编码调制(PCM),而本文中我们就需要对这类数据进行加工处理。

傅里叶变换

现在我们的音频数据是时域的,也就是说横轴是时间,纵轴是信号的强度,而动画展现要求的横轴是频率。将信号从时域转换成频域可以使用傅里叶变换实现,信号经过傅里叶变换分解成了不同频率的正弦波,这些信号的频率和振幅就是我们需要实现动画的数据。

图1 (from nti-audio) 傅里叶变换将信号从时域转换成频域

实际上计算机中处理的都是离散傅里叶变换(DFT),而快速傅里叶变换(FFT)是快速计算离散傅里叶变换(DFT)或其逆变换的方法,它将DFT的复杂度从O(n²)降低到O(nlogn)。 如果你刚才点开前面链接看过其中介绍的FFT算法,那么可能会觉得这FFT代码该怎么写?不用担心,苹果为此提供了Accelerate框架,其中vDSP部分提供了数字信号处理的函数实现,包含FFT。有了vDSP,我们只需几个步骤即可实现FFT,简单便捷,而且性能高效。

iOS中的音频框架

现在开始让我们看一下iOS系统中的音频框架, AudioToolbox功能强大,不过提供的API都是基于C语言的,其大多数功能已经可以通过AVFoundation实现,它利用Objective-C/Swift对于底层接口进行了封装。我们本次需求比较简单,只需要播放音频文件并进行实时处理,所以AVFoundation中的AVAudioEngine就能满足本次音频播放和处理的需要。

图2 (from WWDC16) iOS/MAC OS X 音频技术栈

AVAudioEngine

AVAudioEngine 从iOS8加入到AVFoundation框架,它提供了以前需要深入到底层AudioToolbox才实现的功能,比如实时音频处理。它把音频处理的各环节抽象成AVAudioNode并通过AVAudioEngine进行管理,最后将它们连接构成完整的节点图。以下就是本次教程的AVAudioEngine与其节点的连接方式。

图3 AVAudioEngine和AVAudioNode连接图

mainMixerNodeoutputNode都是在被访问的时候默认由AVAudioEngine对象创建并连接的单例对象,也就是说我们只需要手动创建engineplayer节点并将他们连接就可以了!最后在mainMixerNode的输出总线上安装分接头将定量输出的AVAudioPCMBuffer数据进行转换和FFT。

代码实现

了解了以上相关知识后,我们就可以开始编写代码了。打开项目AudioSpectrum01-starter,首先要实现的是音频播放功能。

如果你只是想浏览实现代码,打开项目AudioSpectrum01-final即可,已经完成本篇文章的所有代码

音频播放

AudioSpectrumPlayer类中创建AVAudioEngineAVAudioPlayerNode两个实例变量:

private let engine = AVAudioEngine()
private let player = AVAudioPlayerNode()
复制代码

接下来在init()方法中添加如下代码:

//1
engine.attach(player)
engine.connect(player, to: engine.mainMixerNode, format: nil)
//2
engine.prepare()
try! engine.start()
复制代码

//1:这里将player挂载到engine上,再把playerenginemainMixerNode连接起来就完成了AVAudioEngine的整个节点图创建(详见图3)。
//2:在调用enginestrat()方法开始启动engine之前,需要通过prepare()方法提前分配相关资源

继续完善play(withFileName fileName: String)stop()方法:

//1
func play(withFileName fileName: String) {
    guard let audioFileURL = Bundle.main.url(forResource: fileName, withExtension: nil),
        let audioFile = try? AVAudioFile(forReading: audioFileURL) else { return }
    player.stop()
    player.scheduleFile(audioFile, at: nil, completionHandler: nil)
    player.play()
}
//2
func stop() {
    player.stop()
}
复制代码

//1:首先需要确保文件名为fileName的音频文件能正常加载,然后通过stop()方法停止之前的播放,再调用scheduleFile(_:at:completionHandler:)方法编排新的文件,最后通过play()方法开始播放。
//2:停止播放调用playerstop()方法即可。

音频播放功能已经完成,运行项目,试试点击音乐右侧的Play按钮进行音频播放吧。

音频数据获取

前面提到我们可以在mainMixerNode上安装分接头定量获取AVAudioPCMBuffer数据,现在打开AudioSpectrumPlayer文件,先定义一个属性: fftSize,它是每次获取到的buffer的frame数量。

private var fftSize: Int = 2048
复制代码

将光标定位至init()方法中的engine.connect()语句下方,调用mainMixerNodeinstallTap方法开始安装分接头:

engine.mainMixerNode.installTap(onBus: 0, bufferSize: AVAudioFrameCount(fftSize), format: nil, block: { [weak self](buffer, when) in
    guard let strongSelf = self else { return }
    if !strongSelf.player.isPlaying { return }
    buffer.frameLength = AVAudioFrameCount(strongSelf.fftSize) //这句的作用是确保每次回调中buffer的frameLength是fftSize大小,详见:https://stackoverflow.com/a/27343266/6192288
    let amplitudes = strongSelf.fft(buffer)
    if strongSelf.delegate != nil {
        strongSelf.delegate?.player(strongSelf, didGenerateSpectrum: amplitudes)
    }
})
复制代码

在分接头的回调 block 中将拿到的 2048 个 frame 的 buffer 交由fft函数进行计算,最后将计算的结果通过delegate进行传递。

按照 44100hz 采样率和 1 Frame = 1 Packet 来计算(可以参考这里关于channel、sample、frame、packet的概念与关系),那么block将会在一秒中调用44100/2048≈21.5次左右,另外需要注意的是block有可能不在主线程调用。

FFT实现

终于到实现FFT的时候了,根据vDSP文档,首先需要定义一个FFT权重数组(fftSetup),它可以在多次FFT中重复使用和提升FFT性能:

private lazy var fftSetup = vDSP_create_fftsetup(vDSP_Length(Int(round(log2(Double(fftSize))))), FFTRadix(kFFTRadix2))
复制代码

不需要时在析构函数(反初始化函数)中销毁:

deinit {
    vDSP_destroy_fftsetup(fftSetup)
}
复制代码

最后新建fft函数,实现代码如下:

private func fft(_ buffer: AVAudioPCMBuffer) -> [[Float]] {
    var amplitudes = [[Float]]()
    guard let floatChannelData = buffer.floatChannelData else { return amplitudes }

    //1:抽取buffer中的样本数据
    var channels: UnsafePointer<UnsafeMutablePointer<Float>> = floatChannelData
    let channelCount = Int(buffer.format.channelCount)
    let isInterleaved = buffer.format.isInterleaved
    
    if isInterleaved {
        // deinterleave
        let interleavedData = UnsafeBufferPointer(start: floatChannelData[0], count: self.fftSize * channelCount)
        var channelsTemp : [UnsafeMutablePointer<Float>] = []
        for i in 0..<channelCount {
            var channelData = stride(from: i, to: interleavedData.count, by: channelCount).map{ interleavedData[$0]}
            channelsTemp.append(UnsafeMutablePointer(&channelData))
        }
        channels = UnsafePointer(channelsTemp)
    }
    
    for i in 0..<channelCount {
        let channel = channels[i]
        //2: 加汉宁窗
        var window = [Float](repeating: 0, count: Int(fftSize))
        vDSP_hann_window(&window, vDSP_Length(fftSize), Int32(vDSP_HANN_NORM))
        vDSP_vmul(channel, 1, window, 1, channel, 1, vDSP_Length(fftSize))
        
        //3: 将实数包装成FFT要求的复数fftInOut,既是输入也是输出
        var realp = [Float](repeating: 0.0, count: Int(fftSize / 2))
        var imagp = [Float](repeating: 0.0, count: Int(fftSize / 2))
        var fftInOut = DSPSplitComplex(realp: &realp, imagp: &imagp)
        channel.withMemoryRebound(to: DSPComplex.self, capacity: fftSize) { (typeConvertedTransferBuffer) -> Void in
            vDSP_ctoz(typeConvertedTransferBuffer, 2, &fftInOut, 1, vDSP_Length(fftSize / 2))
        }
    
        //4:执行FFT
        vDSP_fft_zrip(fftSetup!, &fftInOut, 1, vDSP_Length(round(log2(Double(fftSize)))), FFTDirection(FFT_FORWARD));
        
        //5:调整FFT结果,计算振幅
        fftInOut.imagp[0] = 0
        let fftNormFactor = Float(1.0 / (Float(fftSize)))
        vDSP_vsmul(fftInOut.realp, 1, [fftNormFactor], fftInOut.realp, 1, vDSP_Length(fftSize / 2));
        vDSP_vsmul(fftInOut.imagp, 1, [fftNormFactor], fftInOut.imagp, 1, vDSP_Length(fftSize / 2));
        var channelAmplitudes = [Float](repeating: 0.0, count: Int(fftSize / 2))
        vDSP_zvabs(&fftInOut, 1, &channelAmplitudes, 1, vDSP_Length(fftSize / 2));
        channelAmplitudes[0] = channelAmplitudes[0] / 2 //直流分量的振幅需要再除以2
        amplitudes.append(channelAmplitudes)
    }
    return amplitudes
}
复制代码

通过代码中的注释,应该能了解如何从buffer获取音频样本数据并进行FFT计算了,不过以下两点是我在完成这一部分内容过程中比较难理解的部分:

  1. 通过buffer对象的方法floatChannelData获取样本数据,如果是多声道并且是interleaved,我们就需要对它进行deinterleave, 通过下图就能比较清楚的知道deinterleave前后的结构,不过在我试验了许多音频文件之后,发现都是non-interleaved的,也就是无需进行转换。┑( ̄Д  ̄)┍

图4 interleaved的样本数据需要进行deinterleave

  1. vDSP在进行实数FFT计算时利用一种独特的数据格式化方式以达到节省内存的目的,它在FFT计算的前后通过两次转换将FFT的输入和输出的数据结构进行统一成DSPSplitComplex。第一次转换是通过vDSP_ctoz函数将样本数据的实数数组转换成DSPSplitComplex。第二次则是将FFT结果转换成DSPSplitComplex,这个转换的过程是在FFT计算函数vDSP_fft_zrip中自动完成的。

    第二次转换过程如下:n位样本数据(n/2位复数)进行fft计算会得到n/2+1位复数结果:{[DC,0],C[2],...,C[n/2],[NY,0]} (其中DC是直流分量,NY是奈奎斯特频率的值,C是复数数组),其中[DC,0]和[NY,0]的虚部都是0,所以可以将NY放到DC中的虚部中,其结果变成{[DC,NY],C[2],C[3],...,C[n/2]},与输入位数一致。

图5 第一次转换时,vDSP_ctoz函数将实数数组转换成DSPSplitComplex结构

再次运行项目,现在除了听到音乐之外还可以在控制台中看到打印输出的频谱数据。

图6 将结果通过Google Sheets绘制出来的频谱图

好了,本篇文章内容到这里就结束了,下一篇文章将对计算好的频谱数据进行处理和动画绘制。

资料参考
[1] wikipedia,脉冲编码调制, zh.wikipedia.org/wiki/%E8%84…
[2] Mike Ash,音频数据获取与解析, www.mikeash.com/pyblog/frid…
[3] 韩 昊, 傅里叶分析之掐死教程, blog.jobbole.com/70549/
[4] raywenderlich, AVAudioEngine编程入门,www.raywenderlich.com/5154-avaudi…
[5] Apple, vDSP编程指南, developer.apple.com/library/arc…
[6] Apple, aurioTouch案例代码,developer.apple.com/library/arc…

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