用Java实现音频播放:
用Java实现音频播放:
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JavaSound API编写音频处理程序的思路和一般过程。
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JavaSound API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JDK 1.3.0之前，JavaSound是一个标准的Java扩展API，但从Java 2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Java 1.3+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JavaSound API随同Java媒体框架（JMF，Java Media Framework）一起发布，主页在java.sun.com/products/java-media/jmf/，适合JDK 1.1以及更高的版本。除了JDK实现的JavaSound API之外，还有一个源代码开放的JavaSound实现是Tritonus，主页在http://www.tritonus.org/。
图一描述了JavaSound API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，JavaSound API包含在javax.sound.sampled和javax.sound.midi包中。两根虚线之间的部分就是JavaSound API的具体实现。
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， Service Provider Interface）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JavaSound API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（JDK 1.4）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（Pulse Code Modulation，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 PCM Mono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Ogg Vorbis）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 = new TestBase()语句初始化。
表一 
用户界面中的按钮用类似下面的代码创建，其中addBttnIconText()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 http://developer.java.sun.com/developer/techDocs/hi/repository/）。
1.JButton playBttn = new JButton(); 2.... 3.addBttnIconText(playBttn, "播放", "Play24.gif"); 4.playBttn.addActionListener(new java.awt.event.ActionListener() { 5.public void actionPerformed(ActionEvent e) { 6.playClick(e); 7.} 8.}); |
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。
2.String fileToPlay = (String) filenamesList.getSelectedValue(); 3.if (fileToPlay != null) { 4.pBase.playFile(searchDir + 5.System.getProperty("file.separator") + fileToPlay); 6.} 7.} |
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。
01.void prevClick(ActionEvent e) { 02.pBase.stop(); 03.filenamesList.setSelectedIndex( filenamesList.getSelectedIndex() - 1); 04.playClick(e); 05.} 06.void nextClick(ActionEvent e) { 07.pBase.stop(); 08.filenamesList.setSelectedIndex((filenamesList.getSelectedIndex()+1) 09.% curPlayListLength); 10.playClick(e); 11.} |
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。
01.public void play() { 02.if ((!stopped) || (paused)) return; 03.if (playerThread == null) { 04.playerThread = new Thread(this); 05.playerThread.start(); 06.try { Thread.sleep(500); 07.} catch (Exception ex) {} 08.} 09.synchronized(synch) { 10.stopped = false; 11.synch.notifyAll(); 12.} 13.} |
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。
1.public void run() { 2.while (! threadExit) { 3.waitforSignal(); 4.if (! stopped) 5.playMusic(); 6.} 7.} |
playMusic()方法利用JavaSound API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。
2.… 3.if (ais != null) { 4.baseFormat = ais.getFormat(); 5.line = getLine(baseFormat); 6.... 7.} |
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AudioInputStream把原来的AudioInputStream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：
02.AudioFormat.Encoding.PCM_SIGNED, 03.baseFormat.getSampleRate(), 04.16, 05.baseFormat.getChannels(), 06.baseFormat.getChannels() * 2, 07.baseFormat.getSampleRate(), 08.false); 09.ais = AudioSystem.getAudioInputStream(decodedFormat, ais); 10.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。
02.SourceDataLine res = null; 03.DataLine.Info info = new DataLine.Info(SourceDataLine.class, 04.audioFormat); 05.try { 06.res = (SourceDataLine) AudioSystem.getLine(info); 07.res.open(audioFormat); 08.} 09.catch (Exception e) { 10.} 11.return res; 12.} |
准备好AudioInputStream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SourceDataLine。
02.while ((inBytes != -1) && (!stopped) && (!threadExit)) { 03.try { 04.inBytes = ais.read(audioData, 0, BUFFER_SIZE); 05.} 06.catch (IOException e) { e.printStackTrace(); } 07.if (inBytes >= 0) { 08.int outBytes = line.write(audioData, 0, inBytes); 09.} 10.if (paused) waitforSignal(); 11.} |
六、支持更多的音频格式
假设已经在test目录下准备好了所有的.java文件，执行javac *.java即可顺利编译，执行java test.TestPlayer就可以启动图一的播放器。但现在播放器只能播放有限的文件，因为JDK实现的JavaSound只支持WAV、AIFF和 AU。但是，我们可以用JavaSound SPI为播放器增加对MP3和Ogg Vorbis的支持，只要下载和安装相应的插件Jar文件即可。
Java版的Vorbis解码器可以从JavaCraft（http://www.jcraft.com/jorbis/）下载，最新版本是 0.0.12。另外还要有一个JOrbis解码器的SPI封装器，这是使解码器在JavaSound下透明地运行所必需的，可以从 http://www.javazoom.net/vorbisspi/vorbisspi.html下载。VorbisSPI的最新版本是0.7。
对于MP3支持，JavaZoom也提供了一个兼容JavaSound的纯Java解码器，称为 JavaLayer（http://www.javazoom.net/javalayer/javalayer.html），最新的版本是0.2.0。 注意要下载的是JavaLayer的J2SE版，不要下载J2ME版。
解开下载得到的文件，把所有Jar文件放到播放器所在目录。用下面的命令启动播放器：java -classpath .;.\jogg-0.0.5.jar;.\jorbis-0.0.12.jar;.\jl020.jar;.\mp3sp.jar;.\vorbisspi0.6.jar test.TestPlayer。如果你下载的解码器版本不同，启动命令也要作相应地改动。把SPI扩展插件加入到了播放器的classpath之 后，JavaSound就会在运行时自动使用它们。
大家在了解原理后，可以参考学习MpegAudioSPI1.9.4，这里面有好多借鉴和学习的地方；