Android AudioRecord采集音频数据及合成

本文介绍下 Android音视频开发中的AudioRecord的使用，案例将会在前面MediaCodec录制MP4的基础上进行，使用AudioRecord录制音频数据并将其合成到MP4中(相关阅读：Camera2 和 MediaCodec录制mp4)。

本文的主要内容如下：

AudioRecord介绍
AudioRecord生命周期
AudioRecord音频数据读取
直接缓冲区和字节序
AudioRecord使用

AudioRecord介绍

AudioRecord 是 Android 中用来录制硬件设备的音频工具，通过 pulling的方式获取音频数据，一般用来获得原始音频 PCM格式的数据，可以实现边录边播，多用于音频数据的实时处理。创建AudioRecord的参数及说明如下：

// 创建AudioRecord
public AudioRecord (int audioSource, 
                int sampleRateInHz, 
                int channelConfig, 
                int audioFormat, 
                int bufferSizeInBytes)

audioSource：表示音频源，音频源定义在MediaRecorder.AudioSource中，如常见的音频源主麦克风MediaRecorder.AudioSource.MIC等。
sampleRateInHz：表示以赫兹为单位的采样率，其含义是每个通道每秒的采样数，常见采样率中只有 44100Hz 的采样率可以保证在所有设备上正常使用，可以通过getSampleRate获取实际采样率，这个采样率不是音频内容播放的采样率，比如可以在采样率为 48000Hz 的设备上播放采样率为 8000Hz 的声音，对应平台会自动处理采样率转换，因此不会以 6 倍的速度播放。
channelConfig：表示声道数，声道定义在AudioFormat中，常见的声道中只有单声道AudioFormat.CHANNEL_IN_MONO能保证在所有设备上正常使用，其他的比如AudioFormat.CHANNEL_IN_STEREO表示双声道，也就是立体声。
audioFormat：表示AudioRecord返回的音频数据的格式，对于线性 PCM来说，反应每个样本大小（8、16、32位）及表现形式（整型、浮点型），音频格式定义在AudioFormat中，常见的音频数据格式中只有AudioFormat.ENCODING_PCM_16BIT可以保证在所有的设备上正常使用，像AudioFormat.ENCODING_PCM_8BIT不能保证在所有设备上正常使用。
bufferSizeInBytes：表示写入音频数据的缓冲区的大小，该值不能小于getMinBufferSize的大小，即不能小于AudioRecord所需的最小缓冲区的大小，否则将导致AudioRecord初始化失败，该缓冲区大小并不能保证在负载情况下顺利录制，必要时可选择更大值。

AudioRecord生命周期

AudioRecord的生命周期状态包括 STATE_UNINITIALIZED、STATE_INITIALIZED、RECORDSTATE_RECORDING和RECORDSTATE_STOPPED，分别对应未初始化、已初始化、录制中、停止录制，如下图所示：

简单说明一下：

未创建之前或者release之后AudioRecord都进入STATE_UNINITIALIZED状态。
创建AudioRecord时进入STATE_INITIALIZED状态。
调用startRecording进入RECORDSTATE_RECORDING状态。
调用stop进入RECORDSTATE_STOPPED状态。

那么如何获取AudioRecord的状态呢，可以通过getState和getRecordingState获取其状态，为保证正确使用可在使用AudioRecord对象操作之前进行其状态的判断。

AudioRecord音频数据读取

AudioRecord 提供的三种读取音频数据的方式，如下：

// 1. 读取音频数据，音频格式为AudioFormat＃ENCODING_PCM_8BIT
int read(@NonNull byte[] audioData, int offsetInBytes, int sizeInBytes)
// 2. 读取音频数据，音频格式为AudioFormat＃ENCODING_PCM_16BIT
int read(@NonNull short[] audioData, int offsetInShorts, int sizeInShorts)
// 3. 读取音频数据，见后面章节
int read(@NonNull ByteBuffer audioBuffer, int sizeInBytes)

读取音频数据的返回值大于等于 0，读取音频数据常见异常如下：

ERROR_INVALID_OPERATION：表示AudioRecord 未初始化。
ERROR_BAD_VALUE：表示参数无效。
ERROR_DEAD_OBJECT：表示已经传输了一些音频数据的情况下不返回错误码，将在下次 read返回处返回错误码。

上面三个 read 函数都是从硬件音频设备读取音频数据，前两个主要的区别就是音频格式不同，分别是 8 位、16 位，对应的量化等级则是 2^8 和 2^16 量化等级。第三个read函数在读取音频数据时，会将其记录在直接缓冲区(DirectBuffer)中，如果此缓冲区不是 DirectBuffer 则一直返回 0，也就是使用第三个read函数时传入的参数audioBuffer必须是一个 DirectBuffer，否则不能正确读取到音频数据，此时，该Buffer的position将保持不变，缓冲区中的数据的音频格式则取决于AudioRecord中指定的格式，且字节存放的方式为本机字节序。

直接缓冲区和字节序

上面提到了两个概念直接缓冲区和字节序，这里简单说明一下：

直接缓冲区

DirectBuffer 是 NIO 里面的东西，这里简单看下普通缓冲区和直接缓冲区的一些区别。

普通缓冲区

ByteBuffer buf = ByteBuffer.allocate(1024);
public static ByteBuffer allocate(int capacity) {
    if (capacity < 0)
        throw new IllegalArgumentException();
    return new HeapByteBuffer(capacity, capacity);
}

可知普通缓冲区从堆上分配一个字节缓冲区，该缓冲区受 JVM 的管理，意味着在合适的时候是可以被 GC 回收的，GC 回收伴随着内存的整理，某种程度上对性能是有影响的。

直接缓冲区

ByteBuffer buf = ByteBuffer.allocateDirect(1024);
public static ByteBuffer allocateDirect(int capacity) {
    // Android-changed: Android's DirectByteBuffers carry a MemoryRef.
    // return new DirectByteBuffer(capacity);
    DirectByteBuffer.MemoryRef memoryRef = new DirectByteBuffer.MemoryRef(capacity);
    return new DirectByteBuffer(capacity, memoryRef);
}

上面是 Android 中的DirectBuffer 的实现，可见是从内存中分配的，这种方式获得的缓冲区的获取成本是释放成本都是巨大的，但是可以驻留在垃圾回收堆的外部，一般分配给大型、寿命长的缓冲区，最后分配此缓冲区能够带来显著的性能提升才进行分配，是否是DirectBuffer 可以通过 isDirect来确定。

字节序

字节序指的是字节在内存中的存放方式，字节序主要分为两类：BIG-ENDIAN和LITTLE-ENDIAN，通俗的称之为网络字节序和本机字节序，具体如下：

本机字节序，即 LITTLE-ENDIAN(小字节序、低字节序)，即低位字节排放在内存的低地址端，高位字节排放在内存的高地址端，与之对应的还有网络字节序。
网络字节序，一般指的是 TCP/IP 协议中使用的字节序，因为 TCP/IP 各层协议将字节序定义为 BIG-ENDIAN，所以网络字节序一般指的是 BIG-ENDIAN。

AudioRecord的使用

记得在前面的文章Camera2 和 MediaCodec录制mp4中只是录制了视频，侧重于MediaCodec的使用，这里将在视频录制的基础上使用AudioRecord添加音频的录制，并将其合成到MP4文件中，其关键步骤如下：

开启一个线程使用AudioRecord读取硬件的音频数据，开线程可以避免卡顿，文末案例中也有代码示例，见 AudioEncode2，参考如下：

/**
 * 音频读取Runnable
 */
class RecordRunnable : Runnable{
    override fun run() {
        val byteArray = ByteArray(bufferSize)
        // 录制状态 -1表示默认状态，1表述录制状态，0表示停止录制
        while (recording == 1){
            val result = mAudioRecord.read(byteArray, 0, bufferSize)
            if (result > 0){
                val resultArray = ByteArray(result)
                System.arraycopy(byteArray, 0, resultArray, 0, result)
                quene.offer(resultArray)
            }
        }
        // 自定义流结束的数据
        if (recording == 0){
            val stopArray = byteArrayOf((-100).toByte())
            quene.offer(stopArray)
        }
    }
}

这里提一下，如果只是使用AudioRecord录制音频数据，当读取到音频数据可将音频数据写入文件即可。

读取到音频数据要想合成到MP4中需要先进行音频数据的编码，音频数据编码器配置如下：

// 音频数据编码器配置
private fun initAudioCodec() {
    L.i(TAG, "init Codec start")
    try {
        val mediaFormat =
            MediaFormat.createAudioFormat(
                MediaFormat.MIMETYPE_AUDIO_AAC,
                RecordConfig.SAMPLE_RATE,
                2
            )
        mAudioCodec = MediaCodec.createEncoderByType(MediaFormat.MIMETYPE_AUDIO_AAC)
        mediaFormat.setInteger(MediaFormat.KEY_BIT_RATE, 96000)
        mediaFormat.setInteger(
            MediaFormat.KEY_AAC_PROFILE,
            MediaCodecInfo.CodecProfileLevel.AACObjectLC
        )
        mediaFormat.setInteger(MediaFormat.KEY_MAX_INPUT_SIZE, 8192)
        mAudioCodec.setCallback(this)
        mAudioCodec.configure(mediaFormat, null, null, MediaCodec.CONFIGURE_FLAG_ENCODE)
    } catch (e: Exception) {
        L.i(TAG, "init error:${e.message}")
    }
    L.i(TAG, "init Codec end")
}

这里使用MediaCodec的异步处理模式进行音频数据的编码，这里将不贴代码了，注意一点就是填充和释放Buffer的时候一定要判断条件，如果InputBuffer一直不释放则会导致无可用的InputBuffer使用导致音频编码失败，还有就是流结束的处理。

文件的合成使用MediaMuxer，MediaMuxer在启动之前必须确保添加好视轨和音轨

override fun onOutputFormatChanged(codec: MediaCodec, format: MediaFormat) {
    L.i(TAG, "onOutputFormatChanged format:${format}")
    // 添加音轨
    addAudioTrack(format)
    // 如果音轨和视轨都添加的情况下才启动MediaMuxer
    if (RecordConfig.videoTrackIndex != -1) {
        mAudioMuxer.start()
        RecordConfig.isMuxerStart = true
        L.i(TAG, "onOutputFormatChanged isMuxerStart:${RecordConfig.isMuxerStart}")
    }
}
// 添加音轨
private fun addAudioTrack(format: MediaFormat) {
    L.i(TAG, "addAudioTrack format:${format}")
    RecordConfig.audioTrackIndex = mAudioMuxer.addTrack(format)
    RecordConfig.isAddAudioTrack = true
}
// ...