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【写在前面】
因为最近需要写 FFmpeg 播放音频的文章，所以就先写了这篇文章。
并且，FFmpeg 解码出来的音频是 PCM 原始音频数据。
然后，我使用 Qt 的 QAudioOutput 作为底层音频输出(输出设备)。
本篇主要内容：
1、音频基础概念
2、PCM数据格式
3、QAudioOutput 的使用方法( 两种 )
【正文开始】 在介绍 PCM 之前，必须先了解一些音频基础概念：
采样率( Sample Rate )：每秒采样的频率，即每秒样本数，单位 HZ ，常见的频率有 22050HZ、44100HZ( CD级 )。并且人耳的听力范围是 20HZ ~ 20000HZ，因此超过 48000HZ 就没有意义了( 根据采样定理 )。
采样定理：采样在进行模拟/数字信号的转换过程中，当采样频率fs.max大于信号中最高频率fmax的2倍时(fs.max>2fmax)，采样之后的数字信号完整地保留了原始信号中的信息，一般实际应用中保证采样频率为信号最高频率的2.56～4倍，采样定理又称奈奎斯特定理。
样本大小( Sample Size )：每个样本的大小，也就是振幅，假如样本大小为16 Bit = 2 ^ 16 = 65536，即能够记录 65535 个数，常见的有 8Bit、16Bit( CD级 )，而到了 32Bit 意义就不大了。
声道( Sound Channel )：指声音在录制或播放时，在不同空间位置采集或回放的相互独立的音频信号，常见的有单声道，双声道，四声道，这个倒是声道越多效果越好。
比特率( Bit Rate )：单位( bps 比特每秒 )，可以使用 比特率 = 采样率 x 样本大小 x 声音通道数 来计算。
字节序( Byte Ordering )：字节序，这个大家应该都知道，分大端和小端，一般都是小端字节序(低位低地址，高位高地址)。
好了，现在开始介绍 PCM 格式：
PCM 全名脉冲编码调制( Pulse Code Modulation )，它是原始的音频脉冲数据，在一般情况下，一帧PCM数据包含2048个样本( 数据帧，注意是一帧而不是一秒 )。
因此，对于一帧PCM数据，使用小端字节序存储为(每个 [ ] 为一个样本)：
内存地址： | 低地址 | >>>>>>> | 高地址 |
8Bit 单声道：[ 8 bit ] – [ 8 bit ] – [ 8 bit ] – [ 8 bit ] ｝ 总 2048个。
8Bit 双声道：[ 8 bit 声道1 ] – [ 8 bit 声道2 ] – [ 8 bit 声道1 ] – [ 8 bit 声道2 ] ｝ 总 2048个。
16Bit 单声道：[ 8 bit 低位 + 8 bit 高位 ] – [ 8 bit 低位 + 8 bit 高位 ] – [ 8 bit 低位 + 8 bit 高位 ] – [ 8 bit 低位 + 8 bit 高位 ] ｝ 总 2048个。
16Bit 双声道：[ 8 bit 低位 + 8 bit 高位 声道1 ] – [ 8 bit 低位 + 8 bit 高位 声道2 ] – [ 8 bit 低位 + 8 bit 高位 声道1 ] – [ 8 bit 低位 + 8 bit 高位 声道2 ] ｝ 总 2048个。
到这里，我们已经大概了解了 PCM 数据格式，现在可以尝试手动生成一份 PCM 数据：
QByteArray generateRandomPCM(){ qsrand(uint(time(nullptr))); //幅度，因为sampleSize = 16bit qint16 amplitude = INT16_MAX; //单声道 int channels = 1; //采样率 int samplerate = 8000; //持续时间ms int duration = 20000; //总样本数 int n_samples = int(channels * samplerate * (duration / 1000.0)); QByteArray data; QDataStream out(&data, QIODevice::WriteOnly); out.setByteOrder(QDataStream::LittleEndian); for (int i = 0; i < n_samples; i++) { qint16 sample = qrand() % amplitude; out << sample; } QFile file(“raw”); file.open(QIODevice::WriteOnly); file.write(data); file.close(); return data;}
利用这个函数，可以生成一份 8000HZ，16Bit，单声道，持续 20s 的随机 PCM 数据，部分波形如下：
呃。。这种都是噪音，听不出什么来，于是我尝试生成一些有规律的：
QByteArray generatePCM(){ //幅度，因为sampleSize = 16bit qint16 amplitude = INT16_MAX; //单声道 int channels = 1; //采样率 int samplerate = 8000; //持续时间ms int duration = 20; //总样本数 int n_samples = int(channels * samplerate * (duration / 1000.0)); //声音频率 int frequency = 100; bool reverse = false; QByteArray data; QDataStream out(&data, QIODevice::WriteOnly); out.setByteOrder(QDataStream::LittleEndian); for (int i = 0; i < 1000; i++) { for (int j = 0; j < n_samples; j++) { qreal radians = qreal(2.0 * M_PI * j * frequency / qreal(samplerate)); qint16 sample = qint16(qSin(radians) * amplitude); out << sample; } if (!reverse) { if (frequency < 2000) { frequency += 100; } else reverse = true; } else { if (frequency > 100) { frequency -= 100; } else reverse = false; } } QFile file(“raw”); file.open(QIODevice::WriteOnly); file.write(data); file.close(); return data;}
这种生成的音频就是，频率(声调)由低到高再到低，部分波形如下：
到这里，PCM 相关的就讲解完了。
现在 PCM 数据有了，那么如何在Qt中播放它呢？答案是 QAudioOutput。
QAudioOutput是Qt中播放音频的类( 另一个是QSound，但只支持WAV )，要使用它，需要在pro中加入 QT += multimedia
我们先来看看代码：
int main(int argc, char *argv[]){ QCoreApplication a(argc, argv); QByteArray pcm1 = generatePCM(); QAudioFormat format; format.setCodec(“audio/pcm”); format.setSampleRate(8000); format.setSampleSize(16); format.setSampleType(QAudioFormat::SignedInt); format.setChannelCount(1); format.setByteOrder(QAudioFormat::LittleEndian); QAudioOutput output(format, qApp); QIODevice *device = output.start(); QTimer *timer_play = new QTimer(qApp); timer_play->setTimerType(Qt::PreciseTimer); QObject::connect(timer_play, &QTimer::timeout, [&]{ if (pcm1.size() > 0) { int readSize = output.periodSize(); int chunks = output.bytesFree() / readSize; while (chunks) { QByteArray samples = pcm1.mid(0, readSize); int len = samples.size(); pcm1.remove(0, len); if (len) device->write(samples); if (len != readSize) break; chunks–; } } }); timer_play->start(100); return a.exec();}
1、创建一个 QAudioFormat ，它描述了音频的格式，setCodec() 只支持 PCM，而其他的参数根据前面所讲，你应该知道是什么了吧。
2、根据 QAudioFormat 创建一个 QAudioOutput，它是用来管理音频设备( 即声卡 )的。
3、使用 start() 返回一个指向实际音频设备的指针，往这个里面写入数据就能够播放出声音了。
4、我使用定时器来定时写入数据，这样可以保证声音是连续的。
5、periodSize() 返回一个周期所必需要的数据量，而 bytesFree() 返回内部缓冲区的空闲空间的字节数，也就是说，我们只需要每次写入所需的数据量 periodSize()，然后直到填充满内部缓沖 bytesFree() ，即可实现连续播放。
至此，第一种 QAudioOutput 的使用方法讲解完毕。
第二种 QAudioOutput 的使用方法：
QAudioOutput 的 start() 函数的重载版本 start(QIODevice *)，它需要传入一个 QIODevice 指针，然后由 QAudioOutput 进行读取。
因此，我们需要实现一个自己的IODevice，并实现 readData() 和 writeData() (纯虚函数，必须实现)：
class AudioDevice : public QIODevice{public: AudioDevice(const QByteArray &data, QObject *parent = nullptr) : QIODevice(parent), m_data(data) { } ~AudioDevice() { } virtual qint64 readData(char *data, qint64 maxlen); virtual qint64 writeData(const char *data, qint64 len){ Q_UNUSED(data); Q_UNUSED(len); return 0; }private: QByteArray m_data;};qint64 AudioDevice::readData(char *data, qint64 maxlen){ if (m_data.size() >= maxlen) { QByteArray d = m_data.mid(0, int(maxlen)); memcpy(data, d.data(), size_t(d.size())); m_data.remove(0, int(maxlen)); return d.size(); } else { QByteArray d = m_data; memcpy(data, d.data(), size_t(d.size())); m_data.clear(); return d.size(); }}
因为 QAudioOutput 需要数据时在提供的 QIODdevice 中读取，所以实现 readData() 即可。
然后我们就可以使用它了：
int main(int argc, char *argv[]){ QCoreApplication a(argc, argv); QAudioFormat format; format.setCodec(“audio/pcm”); format.setSampleRate(8000); format.setSampleSize(16); format.setSampleType(QAudioFormat::SignedInt); format.setChannelCount(1); format.setByteOrder(QAudioFormat::LittleEndian); QAudioOutput output(format, qApp); QByteArray pcm1 = generatePCM(); AudioDevice *device = new AudioDevice(pcm1, qApp); device->open(QIODevice::ReadOnly); output.start(device); return a.exec();} 【结语】
其实说起来，QAudioOutput 的两种方并没有太大的区别，所以使用哪种就看个人喜好了。
[2021-12-19] 注意：第一种方法在 Android 无法正确写入，原因不明，请使用第二种。
然后本篇已经很详细的讲了音频基础，PCM 的格式以及如何简单的生成它。(啊。写了一天，累死我了。。)
最后，所有的代码在：理解PCM音频数据，使用QAudioOutput播放音频的两种方法_qaudiooutput-C++文档类资源-CSDN下载 (可能需要点积分，但我不想放在Github上Ծ‸ Ծ )。
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