Android AudioRecord音频录制wav文件输出

PCM

PCM(Pulse Code Modulation),脉冲编码调制。人耳听到的是模拟信号,PCM是把声音从模拟信号转化为数字信号的技术

采样

模拟信号的波形是无限光滑的,可以看成由无数个点组成,由于存储空间是相对有限的,数字编码过程中,必须要对波形的点进行采样。采样(Sampling):每隔一段时间采集一次模拟信号的样本,是一个在时间上将模拟信号离散化(把连续信号转换成离散信号)的过程。

采样率

每秒采集的样本数量,称为采样率(采样频率,采样速率,Sampling Rate)。比如,采样率44.1kHz表示1秒钟采集44100个样本。

量化

量化(Quantization):将每一个采样点的样本值数字化。

位深度

位深度(采样精度,采样大小,Bit Depth):使用多少个二进制位来存储一个采样点的样本值。位深度越高,表示的振幅越精确。常见的CD采用16bit的位深度,能表示65536(216)个不同的值。

编码

编码:将采样和量化后的数字数据转成二进制码流。

其他概念

声道(Channel)

单声道产生一组声波数据,双声道(立体声)产生两组声波数据。

采样率44.1kHZ、位深度16bit的1分钟立体声PCM数据有多大?

  • 采样率 * 位深度 * 声道数 * 时间
  • 44100 * 16 * 2 * 60 / 8 ≈ 10.34MB

比特率

比特率(Bit Rate),指单位时间内传输或处理的比特数量,单位是:比特每秒(bit/s或bps),还有:千比特每秒(Kbit/s或Kbps)、兆比特每秒(Mbit/s或Mbps)、吉比特每秒(Gbit/s或Gbps)、太比特每秒(Tbit/s或Tbps)。

采样率44.1kHZ、位深度16bit的立体声PCM数据的比特率是多少?

  • 采样率 * 位深度 * 声道数
  • 44100 * 16 * 2 = 1411.2Kbps

通常,采样率、位深度越高,数字化音频的质量就越好。从比特率的计算公式可以看得出来:比特率越高,数字化音频的质量就越好。

AudioRecord

https://developer.android.com/reference/android/media/AudioRecord?hl=en

image-20210413095821613
public class MicRecord extends Thread{
    AudioRecord audioRecord;
    volatile boolean canPlay = true;

    @Override
    public void run() {
        final int recordbuffsize = AudioRecord.getMinBufferSize(44100, AudioFormat.CHANNEL_IN_DEFAULT,
                AudioFormat.ENCODING_PCM_16BIT);
        audioRecord = new AudioRecord(MediaRecorder.AudioSource.MIC, 44100,
                AudioFormat.CHANNEL_IN_MONO, AudioFormat.ENCODING_PCM_16BIT, recordbuffsize);
       
      

        audioRecord.startRecording();
        byte[] recordData = new byte[recordbuffsize];
        while(canPlay){
            int readSize = audioRecord.read(recordData, 0, recordbuffsize);
         
        }
        audioRecord.stop();
        audioRecord.release();
    }

    public void stopRecord(){
        canPlay = false;
    }
}

WAV

WAV(Waveform Audio File Format),是由IBM和Microsoft开发的音频文件格式,扩展名是.wav,通常采用PCM编码,常用于Windows系统中。

WAV的文件格式如下图所示,前面有44个字节的文件头,紧跟在后面的就是音频数据(比如PCM数据)。

WAV文件格式
WAV文件格式
image-20210413102427820

根据Wav文件格式,PcmToWav工具类,写44个字节文件头。(注意为小端字节序)

import android.media.AudioFormat;
import android.media.AudioRecord;

import java.io.FileInputStream;
import java.io.FileOutputStream;
import java.io.IOException;


public class PcmToWavUtil {
    private int mBufferSize;  //缓存的音频大小
    private int mSampleRate = 8000;// 8000|16000
    private int mChannelConfig = AudioFormat.CHANNEL_IN_STEREO;   //立体声
    private int mChannelCount = 2;
    private int mEncoding = AudioFormat.ENCODING_PCM_16BIT;

    public PcmToWavUtil() {
        this.mBufferSize = AudioRecord.getMinBufferSize(mSampleRate, mChannelConfig, mEncoding);
    }

    /**
     * @param sampleRate sample rate、采样率
     * @param channelConfig    channel、声道
     * @param encoding   Audio data format、音频格式
     */
    public PcmToWavUtil(int sampleRate, int channelConfig, int channelCount, int encoding) {
        this.mSampleRate = sampleRate;
        this.mChannelConfig = channelConfig;
        this.mChannelCount = channelCount;
        this.mEncoding = encoding;
        this.mBufferSize = AudioRecord.getMinBufferSize(mSampleRate, mChannelConfig, mEncoding);
    }

    /**
     * pcm文件转wav文件
     *
     * @param inFilename  源文件路径
     * @param outFilename 目标文件路径
     */
    public void pcmToWav(String inFilename, String outFilename) {
        FileInputStream in;
        FileOutputStream out;
        long totalAudioLen;
        long totalDataLen;
        long longSampleRate = mSampleRate;
        int channels = mChannelCount;
        long byteRate = 16 * mSampleRate * channels / 8;
        byte[] data = new byte[mBufferSize];
        try {
            in = new FileInputStream(inFilename);
            out = new FileOutputStream(outFilename);
            totalAudioLen = in.getChannel().size();
            totalDataLen = totalAudioLen + 36;//44-8(RIFF+dadasize(4个字节))

            writeWaveFileHeader(out, totalAudioLen, totalDataLen,
                    longSampleRate, channels, byteRate);
            while (in.read(data) != -1) {
                out.write(data);
            }
            in.close();
            out.close();
        }  catch (IOException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }

    /**
     * 加入wav文件头
     */
    private void writeWaveFileHeader(FileOutputStream out, long totalAudioLen,
                                     long totalDataLen, long longSampleRate, int channels, long byteRate)
            throws IOException {
        byte[] header = new byte[44];
        header[0] = 'R'; // RIFF/WAVE header
        header[1] = 'I';
        header[2] = 'F';
        header[3] = 'F';
        header[4] = (byte) (totalDataLen & 0xff);
        header[5] = (byte) ((totalDataLen >> 8) & 0xff);
        header[6] = (byte) ((totalDataLen >> 16) & 0xff);
        header[7] = (byte) ((totalDataLen >> 24) & 0xff);
        header[8] = 'W';  //WAVE
        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) (longSampleRate & 0xff);
        header[25] = (byte) ((longSampleRate >> 8) & 0xff);
        header[26] = (byte) ((longSampleRate >> 16) & 0xff);
        header[27] = (byte) ((longSampleRate >> 24) & 0xff);
        header[28] = (byte) (byteRate & 0xff);
        header[29] = (byte) ((byteRate >> 8) & 0xff);
        header[30] = (byte) ((byteRate >> 16) & 0xff);
        header[31] = (byte) ((byteRate >> 24) & 0xff);
        header[32] = (byte) (2 * 16 / 8); // block align
        header[33] = 0;
        header[34] = 16;  // bits per sample
        header[35] = 0;
        header[36] = 'd'; //data
        header[37] = 'a';
        header[38] = 't';
        header[39] = 'a';
        header[40] = (byte) (totalAudioLen & 0xff);
        header[41] = (byte) ((totalAudioLen >> 8) & 0xff);
        header[42] = (byte) ((totalAudioLen >> 16) & 0xff);
        header[43] = (byte) ((totalAudioLen >> 24) & 0xff);
        out.write(header, 0, 44);
    }
}

命令行

通过下面的命令可以将PCM转成WAV。

$ ffmpeg -ar 44100 -ac 2 -f s16le -i in.pcm out.wav

需要注意的是:上面命令生成的WAV文件头有78字节。对比44字节的文件头,它多增加了一个34字节大小的LIST chunk。

关于LIST chunk的参考资料:

加上一个输出文件参数-bitexact可以去掉LIST Chunk。

$ ffmpeg -ar 44100 -ac 2 -f s16le -i in.pcm -bitexact out2.wav

Android Demo 代码

import android.media.AudioFormat;
import android.media.AudioRecord;
import android.media.MediaRecorder;
import android.os.Environment;
import android.os.HandlerThread;
import android.util.Log;

import com.lecture.av.audiorecordwav.util.PcmToWavUtil;

import java.io.FileOutputStream;
import java.io.IOException;
import java.text.SimpleDateFormat;
import java.util.Date;

public class AudioChannel extends Thread {

    private int sampleRate;
    private int channelConfig;
    private int minBufferSize;
    private byte[] buffer;
    private HandlerThread handlerThread;
    private AudioRecord audioRecord;
    private boolean isRecoding;
    private SimpleDateFormat sdf;

    public AudioChannel(int sampleRate, int channels) {
        this.sampleRate = sampleRate;
        //双通道应该传的值
        channelConfig = channels == 2 ? AudioFormat.CHANNEL_IN_STEREO :
                AudioFormat.CHANNEL_IN_MONO;
        minBufferSize = AudioRecord.getMinBufferSize(sampleRate, channelConfig,
                AudioFormat.ENCODING_PCM_16BIT);
        Log.i("AudioChannel", "minBufferSize: " + minBufferSize);
        buffer = new byte[minBufferSize];

        sdf = new java.text.SimpleDateFormat(
                "yyyy-MM-dd-HH:mm:ss");
    }

    @Override
    public void run() {
        //读取麦克风的数据
        audioRecord = new AudioRecord(MediaRecorder.AudioSource.MIC,
                sampleRate, channelConfig,
                AudioFormat.ENCODING_PCM_16BIT, minBufferSize);
        //开始录音
        audioRecord.startRecording();

        FileOutputStream writer = null;
        Date current = new Date();
        String time = sdf.format(current);
        try {
            // 打开一个写文件器,构造函数中的第二个参数true表示以追加形式写文件
            writer = new FileOutputStream(Environment.getExternalStorageDirectory() + "/" + time + ".pcm", true);
            while (!Thread.currentThread().isInterrupted() && isRecoding) {
                if (audioRecord.getRecordingState() == AudioRecord.RECORDSTATE_RECORDING) {
                    //len实际长度len 打印下这个值
                    int len = audioRecord.read(buffer, 0, buffer.length);
                    Log.i("AudioChannel", "len: " + len);
                    writer.write(buffer);
                }
            }
        } catch (IOException e) {
            e.printStackTrace();
        } finally {
            audioRecord.stop();
            audioRecord.release();
            audioRecord = null;
            try {
                if (writer != null) {
                    writer.close();
                }
            } catch (IOException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }
        new PcmToWavUtil(44100,  AudioFormat.CHANNEL_IN_STEREO,
                2, AudioFormat.ENCODING_PCM_16BIT).pcmToWav(
                        Environment.getExternalStorageDirectory() + "/" + time + ".pcm"
                , Environment.getExternalStorageDirectory() + "/" + time + ".wav");
        Log.i("AudioChannel", "AudioChannel run finish ");
    }

    public void startLive() {
        isRecoding = true;
        this.start();
    }

    public void stopLive() {
        isRecoding = false;
        try {
            join();
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
}

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