移動操作系統(tǒng)音頻單元設(shè)計

王佩光+操李節(jié)

摘 要： 介紹一種移動操作系統(tǒng)音頻模塊設(shè)計實現(xiàn)方法。該音頻模塊采用開源項目PulseAudio作為音頻處理單元，用ALSA與底層硬件交互，由AudioManager提供API供上層應(yīng)用調(diào)用，實現(xiàn)操作系統(tǒng)的音頻通路切換與音量調(diào)節(jié)等功能。文章首先介紹音頻系統(tǒng)架構(gòu)，然后從音頻控制單元AudioManager出發(fā)，詳細介紹系統(tǒng)音頻分類以及AudioManager提供給上層調(diào)用的方法，最后介紹音頻通路與音量調(diào)節(jié)的實現(xiàn)。

關(guān)鍵詞： 移動操作系統(tǒng)； 音頻模塊； AudioManager； 通路切換； 音量調(diào)節(jié)

中圖分類號：TP316 文獻標(biāo)志碼：A 文章編號：1006-8228（2017）02-01-04

0 引言

音頻系統(tǒng)是移動操作系統(tǒng)不可或缺的子系統(tǒng)之一，它負責(zé)處理所有與聲音相關(guān)的信息，隨著移動操作系統(tǒng)功能設(shè)計的越來越全面和人性化，對音頻的精準(zhǔn)控制提出了更高的要求，例如不同情況下不同的輸出方式以及不同模式下的音量調(diào)節(jié)互不影響。這就對音頻系統(tǒng)的功能提出了更高的要求。android系統(tǒng)的音頻子系統(tǒng)是一款成熟的音頻系統(tǒng)[1-3]，谷歌公司為它的音頻系統(tǒng)設(shè)計了一套全局音頻管理器——AudioFinger，并精簡了ALSA來與硬件交互。本文所涉及的移動操作系統(tǒng)采用開源項目pulseaudio作為音頻處理單元，并采用ALSA與硬件交互[4-5]。

PulseAudio[6]是一個跨平臺的，可通過網(wǎng)絡(luò)工作的聲音服務(wù)，它的主要特點包括[7]：

⑴ 可對每一個應(yīng)用程序進行音量控制；

⑵ 可擴展的插件與支持可裝載模塊架構(gòu)；

⑶ 兼容性許多流行的音頻應(yīng)用程序；

⑷ 支持多重音源和多重輸出；

⑸ 低延時操作和支持延遲測量；

⑹ 一個對處理器資源效率零拷貝內(nèi)存架構(gòu)；

⑺ 能夠發(fā)現(xiàn)本地網(wǎng)絡(luò)上使用PulseAudio的其他計算機并通過其揚聲器直接播放聲音；

⑻ 能夠改變一個應(yīng)用程序的聲音輸出設(shè)備，就算這個應(yīng)用程序在播放聲音（程序不需要支持這個特性，而事實上，程序甚至沒有意識到改變）；

⑼ 帶有腳本功能的命令行界面；

⑽ 一個功能完善且?guī)в忻钚兄匦屡渲霉δ艿氖刈o進程；

⑾ 內(nèi)置采樣轉(zhuǎn)換和重采樣功能；

⑿ 能夠合并多塊聲卡成一個聲卡；

⒀ 能夠同步播放多個音頻流；

⒁ 動態(tài)檢測藍牙音頻設(shè)備；

⒂ 使全系統(tǒng)均衡的能力。

1 系統(tǒng)架構(gòu)

安卓音頻系統(tǒng)架構(gòu)從上到下可以分為5層，從上到下分別：Application、Framework、Libraries、HAL、Linux Kernel。Application為運行在最上層的各種應(yīng)用，F(xiàn)ramework是對Libraries的封裝，為上層Application的開發(fā)提供標(biāo)準(zhǔn)接口，Libraries是整個系統(tǒng)的核心，負責(zé)完成音頻的控制與處理。本文涉及的音頻系統(tǒng)在層級上與android系統(tǒng)大同小異，同樣分為Application、Framework、Libraries、HAL、Linux Kernel這幾層，但在Framework、Libraries擁有不同的實現(xiàn)方式，具體架構(gòu)見圖1。

⑴ Framework

Framework層提供兩個模塊，分別為AudioManager模塊與Ngfd模塊。

AudioManager模塊的設(shè)計思想源于android系統(tǒng)的AudioManager類，本系統(tǒng)的AudioManager模塊提供了一系列與音量控制相關(guān)的方法供上層應(yīng)用調(diào)用，以方便應(yīng)用程序控制音量。AudioManager又分為三個模塊：Volume、Route、Profile，這三個模塊分別負責(zé)音量調(diào)節(jié)、通路以及策略。AudioManager模塊最終都是通過調(diào)用PulseAudio接口來實現(xiàn)對音量的控制。Ngfd模塊提供與振動相關(guān)的接口供上層應(yīng)用調(diào)用。

⑵ Libraries

Libraries層提供兩個模塊，分別為PulseAudio和Profiled，其中PulseAudio為開源項目，提供音頻控制相關(guān)方法，PulseAudio具體實現(xiàn)方式本文不做探究，Profiled負責(zé)提供音頻策略。

2 AndroidManager方法說明

移動操作系統(tǒng)一般具有多種不同類型的音頻，例如：鈴聲、通知、鬧鐘、短消息等等，所以這需求音頻系統(tǒng)能夠?qū)Σ煌愋偷囊纛l分別進行設(shè)置，為此，本文將音頻分為如下7種類型（role），放在一個枚舉類型中：

AudioManager控制整個音頻系統(tǒng)由一系列的方法來完成，每種方法具有自己獨特的功能，在本文所設(shè)計的音頻系統(tǒng)中，將方法歸結(jié)為16種，每種方法的介紹與實現(xiàn)如下。

⑴ Audio Role

AM_ROLE_TYPE getActiveRole（）——返回當(dāng)前活動的Role，其取值是AM_ROLE_TYPE枚舉類型。

⑵ 音量控制

int getVolume（AM_ROLE_TYPE role）——返回指定Role的當(dāng)前音量，其取值范圍為0～100。輸入?yún)?shù)為Role，其取值A(chǔ)M_ROLE_TYPE枚舉類型。

void setVolume（AM_ROLE_TYPE role， int volume）——設(shè)置指定Role的當(dāng)前音量，其取值范圍為0～100。

⑶ 音量調(diào)節(jié)

void adjustVolume（AM_ROLE_TYPE role， AM_ADJUST_DIRECTION direction）——側(cè)鍵設(shè)置音量的接口，其輸入?yún)?shù)除了Role外，還有一個用于指導(dǎo)操作的參數(shù)direction，其取值為ADJUST_LOWER，ADJUST_RAISE和ADJUST_SAME三者之一。目前系統(tǒng)的步長音量分為12級。

本文所述音頻系統(tǒng)借鑒android系統(tǒng)的分層架構(gòu)，采用PulseAudio作為音頻處理單元，完成了音頻策略制定、情景模式切換以及音量調(diào)節(jié)功能，并提供API供上層開發(fā)人員調(diào)用。本音頻系統(tǒng)劃分了多種音頻類型，并制定了多種音頻通路，能滿足操作系統(tǒng)多樣化的音頻調(diào)節(jié)功能需求，但由于有時需要快速地在靜音、振動與正常三種模式之間切換，所以本音頻系統(tǒng)加入了情景模式切換功能，用戶能更便捷的在這三種模式中切換。

參考文獻（References）：

[1] 楊豐盛.Android應(yīng)用開發(fā)揭秘[M].機械工業(yè)出版社，2010.

[2] 王波濤.移動多媒體技術(shù)介紹[M].機械工業(yè)出版社，2011.

[3] 韓超，梁泉.Android系統(tǒng)級深入開發(fā)——移植與調(diào)試[M].電

子工業(yè)出版社，2010.

[4] 姚昱旻，劉衛(wèi)國.Android的架構(gòu)與應(yīng)用開發(fā)研究[J].計算機系

統(tǒng)應(yīng)用，2008.11：24，110-112

[5] 李楊，馮剛，李亮，羅擁華.基于Android的多媒體應(yīng)用開發(fā)與

研究[J].計算機與現(xiàn)代化，2011.4：149-152

[6] https：//wiki.archlinux.org/index.php/PulseAudio，archlinux

[7] http：//www.oschina.net/p/pulseaudio，開源中國，2009.