Android AudioRecord錄音 並websocket實時傳輸,AudioTrack 播放wav 音訊,Speex加密

摘要： 在一家專注於AI音訊公司做了一年，最近正處於預離職狀態，正好剛剛給客戶寫了個關於android音訊方面的demo，花了我足足一天趕出來的，感覺挺全面的決定再努力一點寫個總結。 公司雖小，是和中科院聲學所合作，也和訊飛一樣也有自己關於音訊的一系列語音識別/語音轉寫等引擎，麻雀雖小五臟俱全的感覺。...

在一家專注於AI音訊公司做了一年，最近正處於預離職狀態，正好剛剛給客戶寫了個關於android音訊方面的demo，花了我足足一天趕出來的，感覺挺全面的決定再努力一點寫個總結。 公司雖小，是和中科院聲學所合作，也和訊飛一樣也有自己關於音訊的一系列語音識別/語音轉寫等引擎，麻雀雖小五臟俱全的感覺。 Android 音訊這塊其實也沒那麼神祕，神祕的地方有專門的C++/演算法工程師等為我們負責，大家都懂得，我只是搬搬磚。

主要涉及3點

• SpeechToText(音訊轉文字：STT)： AudioRecord 錄製音訊 並用本地和Socket2中方式上傳 。
• TextToSpeech （文字轉語音：TTS） API獲取音訊流並用AudioTrack 播放。
• Speex 加密

這裡不講TTS/STT底層原理，怎麼實現的呆了這麼久我也只是一點點，一點點而已，涉及人耳聽聲相關函式/聲波/傅立葉分析/一系列複雜函式， 這裡不敢班門弄斧了 感興趣請大家自行Google 。，

AudioRecord 介紹

AudioRecord 過程是一個IPC過程，Java層通過JNI呼叫到native層的AudioRecord，後者通過IAudioRecord介面跨程序呼叫到 AudioFlinger，AudioFlinger負責啟動錄音執行緒，將從錄音資料來源裡採集的音訊資料填充到共享記憶體緩衝區，然後應用程式側從其裡面拷貝資料到自己的緩衝區。

public AudioRecord(int audioSource, //指定聲音源 MediaRecorder.AudioSource.MIC;
int sampleRateInHz,//指定取樣率 這裡8000 
int channelConfig,//指定聲道數，單聲道
int audioFormat, //指定8/16pcm這裡16bit 模擬訊號轉化為數字訊號時的量化單位
int bufferSizeInBytes)//緩衝區大小根據取樣率 通道 量化引數決定
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1. STT 之本地錄完之後檔案形式上傳

第二步再與socket 上傳比較 //引數初始化 // 音訊輸入-麥克風

public final static int AUDIO_INPUT = MediaRecorder.AudioSource.MIC;
public final static int AUDIO_SAMPLE_RATE = 8000; // 44.1KHz,普遍使用的頻率
public final static int CHANNEL_CONFIG = AudioFormat.CHANNEL_IN_MONO;
public final static int AUDIO_FORMAT = AudioFormat.ENCODING_PCM_16BIT;
private int bufferSizeInBytes = 0;//緩衝區位元組大小
private AudioRecord audioRecord;
private volatile boolean isRecord = false;// volatile 可見性設定正在錄製的狀態
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//建立AudioRecord

private void creatAudioRecord() {
// 獲得緩衝區位元組大小
bufferSizeInBytes = AudioRecord.getMinBufferSize(AudioFileUtils.AUDIO_SAMPLE_RATE,
AudioFileUtils.CHANNEL_CONFIG, AudioFileUtils.AUDIO_FORMAT);
// MONO單聲道
audioRecord = new AudioRecord(AudioFileUtils.AUDIO_INPUT, AudioFileUtils.AUDIO_SAMPLE_RATE,
AudioFileUtils.CHANNEL_CONFIG, AudioFileUtils.AUDIO_FORMAT, bufferSizeInBytes);
}
//
@Override
public boolean onTouch(View v, MotionEvent event) {

AudioRecordUtils utils = AudioRecordUtils.getInstance();
switch (event.getAction()) {
case MotionEvent.ACTION_DOWN:
utils.startRecordAndFile();
break;
case MotionEvent.ACTION_UP:
utils.stopRecordAndFile();
Log.d(TAG, "stopRecordAndFile");
stt();
break;
}
return false;
}

//開始錄音 
public int startRecordAndFile() {
Log.d("NLPService", "startRecordAndFile");

// 判斷是否有外部儲存裝置sdcard
if (AudioFileUtils.isSdcardExit()) {
if (isRecord) {
return ErrorCode.E_STATE_RECODING;
} else {
if (audioRecord == null) {
creatAudioRecord();
}
audioRecord.startRecording();
// 讓錄製狀態為true
isRecord = true;
// 開啟音訊檔案寫入執行緒
new Thread(new AudioRecordThread()).start();
return ErrorCode.SUCCESS;
}

} else {
return ErrorCode.E_NOSDCARD;
}

}
//錄音執行緒 
class AudioRecordThread implements Runnable {
@Override
public void run() {

writeDateTOFile();// 往檔案中寫入裸資料
AudioFileUtils.raw2Wav(mAudioRaw, mAudioWav, bufferSizeInBytes);// 給裸資料加上標頭檔案

}
}
// 往檔案中寫入裸資料
private void writeDateTOFile() {
Log.d("NLPService", "writeDateTOFile");
// new一個byte陣列用來存一些位元組資料，大小為緩衝區大小
byte[] audiodata = new byte[bufferSizeInBytes];
FileOutputStream fos = null;
int readsize = 0;
try {
File file = new File(mAudioRaw);
if (file.exists()) {
file.delete();
}
fos = new FileOutputStream(file);// 建立一個可存取位元組的檔案
} catch (Exception e) {
e.printStackTrace();
}
while (isRecord) {
readsize = audioRecord.read(audiodata, 0, bufferSizeInBytes);
if (AudioRecord.ERROR_INVALID_OPERATION != readsize && fos != null) {
try {
fos.write(audiodata);
} catch (IOException e) {
e.printStackTrace();
}
}
}
try {
if (fos != null)
fos.close();// 關閉寫入流
} catch (IOException e) {
e.printStackTrace();
}
}

//add wav header

public static void raw2Wav(String inFilename, String outFilename, int bufferSizeInBytes) {
Log.d("NLPService", "raw2Wav");
FileInputStream in = null;
RandomAccessFile out = null;
byte[] data = new byte[bufferSizeInBytes];
try {
in = new FileInputStream(inFilename);
out = new RandomAccessFile(outFilename, "rw");
fixWavHeader(out, AUDIO_SAMPLE_RATE, 1, AudioFormat.ENCODING_PCM_16BIT);

while (in.read(data) != -1) {
out.write(data);
}
in.close();
out.close();
} catch (FileNotFoundException e) {
e.printStackTrace();
} catch (IOException e) {
e.printStackTrace();
}
}

private static void fixWavHeader(RandomAccessFile file, int rate, int channels, int format) {
try {
int blockAlign;
if (format == AudioFormat.ENCODING_PCM_16BIT)
blockAlign = channels * 2;
else
blockAlign = channels;

int bitsPerSample;
if (format == AudioFormat.ENCODING_PCM_16BIT)
bitsPerSample = 16;
else
bitsPerSample = 8;

long dataLen = file.length() - 44;

// hard coding
byte[] header = new byte[44];
header[0] = 'R'; // RIFF/WAVE header
header[1] = 'I';
header[2] = 'F';
header[3] = 'F';
header[4] = (byte) ((dataLen + 36) & 0xff);
header[5] = (byte) (((dataLen + 36) >> 8) & 0xff);
header[6] = (byte) (((dataLen + 36) >> 16) & 0xff);
header[7] = (byte) (((dataLen + 36) >> 24) & 0xff);
header[8] = 'W';
header[9] = 'A';
header[10] = 'V';
header[11] = 'E';
header[12] = 'f'; // 'fmt ' chunk
header[13] = 'm';
header[14] = 't';
header[15] = ' ';
header[16] = 16; // 4 bytes: size of 'fmt ' chunk
header[17] = 0;
header[18] = 0;
header[19] = 0;
header[20] = 1; // format = 1
header[21] = 0;
header[22] = (byte) channels;
header[23] = 0;
header[24] = (byte) (rate & 0xff);
header[25] = (byte) ((rate >> 8) & 0xff);
header[26] = (byte) ((rate >> 16) & 0xff);
header[27] = (byte) ((rate >> 24) & 0xff);
header[28] = (byte) ((rate * blockAlign) & 0xff);
header[29] = (byte) (((rate * blockAlign) >> 8) & 0xff);
header[30] = (byte) (((rate * blockAlign) >> 16) & 0xff);
header[31] = (byte) (((rate * blockAlign) >> 24) & 0xff);
header[32] = (byte) (blockAlign); // block align
header[33] = 0;
header[34] = (byte) bitsPerSample; // bits per sample
header[35] = 0;
header[36] = 'd';
header[37] = 'a';
header[38] = 't';
header[39] = 'a';
header[40] = (byte) (dataLen & 0xff);
header[41] = (byte) ((dataLen >> 8) & 0xff);
header[42] = (byte) ((dataLen >> 16) & 0xff);
header[43] = (byte) ((dataLen >> 24) & 0xff);

file.seek(0);
file.write(header, 0, 44);
} catch (Exception e) {

} finally {

}
}
//檔案上傳結果回撥

public void stt() {

File voiceFile = new File(AudioFileUtils.getWavFilePath());
if (!voiceFile.exists()) {
return;
}
RequestBody requestBody = RequestBody.create(MediaType.parse("multipart/form-data"), voiceFile);
MultipartBody.Part file =
MultipartBody.Part.createFormData("file", voiceFile.getName(), requestBody);


NetRequest.sAPIClient.stt(RequestBodyUtil.getParams(), file)
.observeOn(AndroidSchedulers.mainThread())
.subscribe(new Action1<STT>() {
@Override
public void call(STT result) {
if (result != null && result.getCount() > 0) {
sttTv.setText("結果: " + result.getSegments().get(0).getContent());
}

}
});
}
//記得關閉AudioRecord 


private void stopRecordAndFile() {
if (audioRecord != null) {
isRecord = false;// 停止檔案寫入
audioRecord.stop();
audioRecord.release();// 釋放資源
audioRecord = null;
}

}
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2. STT 之AudioRecord錄製websocket 線上傳輸

WebSocket介紹： 我只記住一點點：它是應用層協議 ，就像http 也是，不過它是一種全雙工通訊， socket 只是TCP/IP 的封裝，不算協議。websocket 第一次需要以http 介面建立長連線,就這麼點了。

//MyWebSocketListenerWebsocket 回撥

class MyWebSocketListener extends WebSocketListener {
@Override
public void onOpen(WebSocket webSocket, Response response) {
output("onOpen: " + "webSocket connect success");
STTWebSocketActivity.this.webSocket = webSocket;
startRecordAndFile();
//看清楚了開始錄音函式在這裡，原因由於涉及回撥，當分離時候 處理邏輯複雜
//，而且第二次錄音時候由於服務端WebSocket已經關閉 ，錄音資料不能正常傳輸，需要重新建立連線
}

@Override
public void onMessage(WebSocket webSocket, final String text) {
runOnUiThread(new Runnable() {
@Override
public void run() {
sttTv.setText("Stt result:" + text);
}
});

output("onMessage1: " + text);
}

@Override
public void onMessage(WebSocket webSocket, ByteString bytes) {
output("onMessage2 byteString: " + bytes);
}

@Override
public void onClosing(WebSocket webSocket, int code, String reason) {
output("onClosing: " + code + "/" + reason);
}

@Override
public void onClosed(WebSocket webSocket, int code, String reason) {
output("onClosed: " + code + "/" + reason);
}

@Override
public void onFailure(WebSocket webSocket, Throwable t, Response response) {
output("onFailure: " + t.getMessage());
}

private void output(String s) {
Log.d("NLPService", s);
}

}

補充：AudioRecord建立與前面相同
// okhttp 建立websocket 並設定監聽
private void createWebSocket() {
Request request = new Request.Builder().url(sttApi).build();
NetRequest.getOkHttpClient().newWebSocket(request, socketListener);
}

class AudioRecordThread implements Runnable {

@Override
public void run() {
//byteBuffer 緩衝區 （記憶體地址以陣列形式排列，一個基本資料型別的陣列）
ByteBuffer audioBuffer = ByteBuffer.allocateDirect(bufferSizeInBytes).order(ByteOrder.LITTLE_ENDIAN);//小端模式
int readSize = 0;
Log.d(TAG, "isRecord=" + isRecord);
while (isRecord) {
readSize = audioRecord.read(audioBuffer, audioBuffer.capacity());
if (readSize == AudioRecord.ERROR_INVALID_OPERATION || readSize == AudioRecord.ERROR_BAD_VALUE) {
Log.d("NLPService", "Could not read audio data.");
break;
}
boolean send = webSocket.send(ByteString.of(audioBuffer));//就這麼簡單哈哈
Log.d("NLPService", "send=" + send);
audioBuffer.clear();//記住清空
}
webSocket.send("close");//錄製完之後傳送約定欄位。通知服務端關閉。
}
}
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......然後呢，然後就有資料了 ，就是這麼簡單

......然後老司機就要說了。。。你這沒有加密啊，效率很低啊。在此陳述一點，這裡是轉寫引擎，每次就一句話 ，傳輸資料量本身不大，後端大神們說沒必要加密，然後我就照辦了...當然也可以一邊加密一邊傳輸

3.TTS 之AudioTrack 播放wav檔案

這裡就比較簡單了，okhttp 呼叫API 傳遞text 獲取response 然後用之AudioTrack 播放。這裡是原始音訊流，mediaplayer播放就有點大才小用了（我沒試過），不過 mediaplayer播放也是IPC過程，底層最終也是呼叫AudioTrack 進行播放的。 直接上程式碼 ：

public boolean request() {
OkHttpClient client = NetRequest.getOkHttpClient();
Request request = new Request.Builder().url(NetRequest.BASE_URL + "api/tts?text=今天是星期三").build();

client.newCall(request).enqueue(new Callback() {
@Override
public void onFailure(Call call, IOException e) {

}

@Override
public void onResponse(Call call, Response response) throws IOException {
play(response.body().bytes());
}
});

return true;
}

public void play( byte[] data) {

try {
Log.d(TAG, "audioTrack start ");
AudioTrack audioTrack = new AudioTrack(mOutput, mSamplingRate,
AudioFormat.CHANNEL_OUT_MONO, AudioFormat.ENCODING_PCM_16BIT,
data.length, AudioTrack.MODE_STATIC);
audioTrack.write(data, 0, data.length);
audioTrack.play();
while (audioTrack.getPlaybackHeadPosition() < (data.length / 2)) {
Thread.yield();//播放延遲處理......
}
audioTrack.stop();
audioTrack.release();
} catch (IllegalArgumentException e) {

} catch (IllegalStateException e) {
}
}
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4.speex 加密

speex 是一個開源免費的音訊加密庫，C++ 寫的。demo裡面是編譯好的so 檔案， ，我親自編譯了好久各種坑，最後沒成功，只能借用了。-_-||。 下面有個speexDemo整個專案在工程裡，音訊加密解密都正常，親測可用。學習這塊時候CSDN下來的，搬過來湊合數。

public static void raw2spx(String inFileName, String outFileName) {

FileInputStream rawFileInputStream = null;
FileOutputStream fileOutputStream = null;
try {
rawFileInputStream = new FileInputStream(inFileName);
fileOutputStream = new FileOutputStream(outFileName);
byte[] rawbyte = new byte[320];
byte[] encoded = new byte[160];
//將原資料轉換成spx壓縮的檔案，speex只能編碼160位元組的資料，需要使用一個迴圈
int readedtotal = 0;
int size = 0;
int encodedtotal = 0;
while ((size = rawFileInputStream.read(rawbyte, 0, 320)) != -1) {
readedtotal = readedtotal + size;
short[] rawdata = ShortByteUtil.byteArray2ShortArray(rawbyte);
int encodesize = SpeexUtil.getInstance().encode(rawdata, 0, encoded, rawdata.length);
fileOutputStream.write(encoded, 0, encodesize);
encodedtotal = encodedtotal + encodesize;
}
fileOutputStream.close();
rawFileInputStream.close();
} catch (Exception e) {

}

}
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