Linux音频编程

特此献上。。

OSS（Open Sound System）是 unix 平台上一个统一的音频接口, 即只要音频处理应用程序按照OSS的API来编写，那么在移植到另外一个平台时，只需要重新编译即可。
OSS（Open Sound System）是unix平台上一个统一的音频接口。以前，每个Unix厂商都会提供一个自己专有的API，用来处理音频。这就意味着为一种Unix平台 编写的音频处理应用程序，在移植到另外一种Unix平台上时，必须要重写。不仅如此，在一种平台上具备的功能，可能在另外一个平台上无法实现。但是， OSS出现以后情况就大不一样了，只要音频处理应用程序按照OSS的API来编写，那么在移植到另外一个平台时，只需要重新编译即可。因此，OSS提供了 源代码级的可移植性。
同时，很多的Unix工作站中，只能提供录音与放音的功能。有了OSS后，给这 些工作站带来了 MIDI功能，加上音频流、语音识别/生成、计算机电话（CT）、JAVA以及其它的多媒体技术，在Unix工作站中，同样可以享受到同Windows、 Macintosh环境一样的音频世界。另外，OSS还提供了与视频和动画播放同步的音频能力，这对在Unix中实现动画、游戏提供了帮助。
本文首先解释在音频编程时经常遇到的名词、设备文件的含义，然后分别在录音、播放、Mixer方面对OSS接口的使用方法进行介绍。由于OSS API十分丰富，因此在本文中只介绍那些最为常用的接口。对于OSS API的一个完整描述，可以参考[1]。
一、基础知识
数字音频设备（有时也称codec，PCM，DSP，ADC/DAC设备）：播放或录制数字化的声音。它的指标主要有：采样速率（电话为8K，DVD为96K）、channel数目（单声道，立体声）、采样分辨率（8-bit，16-bit）。
mixer（混频器）：用来控制多个输入、输出的音量，也控制输入（microphone，line-in，CD）之间的切换。
synthesizer（合成器）：通过一些预先定义好的波形来合成声音，有时用在游戏中声音效果的产生。
MIDI 接口：MIDI接口是为了连接舞台上的synthesizer、键盘、道具、灯光控制器的一种串行接口。
在Unix系统中，所有的设备都被统一成文件，通过对文件的访问方式（首先open，然后read/write，同时可以使用ioctl读取/设置参数，最后close）来访问设备。

在OSS中，主要有以下的几种设备文件：
/dev/mixer：访问声卡中内置的mixer，调整音量大小，选择音源。
/dev/sndstat：测试声卡，执行cat /dev/sndstat会显示声卡驱动的信息。
/dev/dsp 、/dev/dspW、/dev/audio：读这个设备就相当于录音，写这个设备就相当于放音。/dev/dsp与/dev/audio之间的区别在于 采样的编码不同，/dev/audio使用μ律编码，/dev/dsp使用8-bit（无符号）线性编码，/dev/dspW使用16-bit（有符号） 线形编码。/dev/audio主要是为了与SunOS兼容，所以尽量不要使用。
/dev/sequencer：访问声卡内置的，或者连接在MIDI接口的synthesizer。这些设备文件的设备编号见[1]。
二、音频编程
OSS为音频编程提供三种设备，分别是/dev/dsp，/dev/dspW和/dev/audio，前面已经提到了它们之间的区别。
用户可以直接使用Unix的命令来放音和录音，命令cat /dev/dsp >xyz可用来录音，录音的结果放在xyz文件中；命令cat xyz >/dev/dsp播放声音文件xyz。
如果通过编程的方式来使用这些设备，那么Unix平台通过文件系统提供了统一的访问 接口。程序员可以通过文件的操作函数直接控制这些设备，这些操作函数包括：open、close、read、write、ioctl等。下面我们就分别讨 论打开音频设备、放音、录音和参数调整。
1. 打开音频设备
1) 头文件定义

/* * Standard includes */ 
#include <ioctl.h> 
#include <unistd.h> 
#include <fcntl.h> 
#include <sys/soundcard.h> 
/* * Mandatory variables. */ 
#define BUF_SIZE 4096 
int audio_fd; 
unsigned char audio_buffer[BUF_SIZE]; 

2) 打开设备

if ((audio_fd = open(DEVICE_NAME, open_mode, 0)) ==-1) 
{ 
/* Open of device failed */ 
perror(DEVICE_NAME); exit(1); 
} 

open_mode有三种选择：O_RDONLY，O_WRONLY和O_RDWR，分别表示只读、只写和读写。OSS建议尽量使用只读或只写，只有在全双工的情况下（即录音和放音同时）才使用读写模式。
2. 录音

int len; 
if ((len = read(audio_fd, audio_buffer, count)) == -1) 
{ 
perror("audio read"); exit(1); 
} 

count为录音数据的字节个数（建议为2的指数），但不能超过audio_buffer的 大小。从读字节的个数可以精确的测量时间，例如8kHZ 16-bit stereo的速率为8000*2*2=32000bytes/second，这是知道何时停止录音的唯一方法。
3. 放音
放音实际上和录音很类似，只不过把read改成write即可，相应的audio_buffer中为音频数据，count为数据的长度。
注意，用户始终要读/写一个完整的采样。例如一个16-bit的立体声模式下，每个采样有4个字节，所以应用程序每次必须读/写4的倍数个字节。
另外，由于OSS是一个跨平台的音频接口，所以用户在编程的时候，要考虑到可移植性的问题，其中一个重要的方面是读/写时的字节顺序。
4. 设置参数
设置采样格式

int format; 
format = AFMT_S16_LE; 
if (ioctl(audio_fd, SNDCTL_DSP_SETFMT, &format) == -1) 
{ 
/* fatal error */ 
perror("SNDCTL_DSP_SETFMT"); 
exit(1); 
} 
if (format != AFMT_S16_LE) 
{ 
/* 本设备不支持选择的采样格式. */ 
} 

在设置采样格式之前，可以先测试设备能够支持那些采样格式，方法如下：

int mask; 
if (ioctl(audio_fd, SNDCTL_DSP_GETFMTS, &mask) == -1) 
{ 
/* Handle fatal error ... */ 
} 
if (mask & AFMT_MPEG) 
{ 
/* 本设备支持MPEG采样格式 ... */ 
} 

设置通道数目

int channels = 2; 
/* 1=mono, 2=stereo */ 
if (ioctl(audio_fd, SNDCTL_DSP_CHANNELS, &channels) == -1) 
{ 
/* Fatal error */ 
perror("SNDCTL_DSP_CHANNELS"); 
exit(1); 
} 
if (channels != 2) 
{ 
/* 本设备不支持立体声模式 ... */ 
} 

设置采样速率

int speed = 11025; 
if (ioctl(audio_fd, SNDCTL_DSP_SPEED, &speed)==-1) 
{ 
/* Fatal error */ 
perror("SNDCTL_DSP_SPEED"); 
exit(Error code); 
} 
if ( /* 返回的速率（即硬件支持的速率）与需要的速率差别很大... */ ) { /* 本设备不支持需要的速率... */ } 

音频设备通过分频的方法产生需要的采样时钟，因此不可能产生所有的频率。驱动程序会计算出最接近要求的频率来，用户程序要检查返回的速率值，如果误差较小，可以忽略，但误差不能太大。
三、Mixer编程
对Mixer 的控制，包括调节音量（volume）、选择录音音源（microphone，line-in）、查询mixer的功能和状态，主要是通过Mixer设备 /dev/mixer的ioctl接口。相应的，ioctl接口提供的功能也分为三类：调节音量、查询mixer的能力、选择mixer的录音通道。下面 就分别介绍使用的方法：
下面的mixer_fd是对mixer设备执行open操作返回的文件描述符。
调节音量
应用程序通过ioctl的SOUND_MIXER_READ和SOUND_MIXER_WIRTE功能号来读取/设置音量。在OSS中，音量的大小范围在0-100之间。使用方法如下：

int vol; 
if (ioctl(mixer_fd, SOUND_MIXER_READ(SOUND_MIXER_MIC), &vol) == -1) 
{ 
/* 访问了没有定义的mixer通道... */ 

SOUND_MIXER_MIC 是通道参数，表示读microphone通道的音量，结果放置在vol中。如果通道是立体声，那么vol的最低有效字节为左声道的音量值，接着的字节为右 声道的音量值，另外的两个字节不用。如果通道是单声道，vol中左声道与右声道具有相同的值。
查询mixer的能力

int mask; 
if (ioctl(mixer_fd, SOUND_MIXER_READ_xxxx, &mask) == -1) 
{ /* Mixer 的没有此能力... */ } 

SOUND_MIXER_READ_xxxx 中的xxxx代表具体要查询的内容，比如检查可用的mixer通道用SOUND_MIXER_READ_DEVMASK；检查可用的录音设备，用 SOUND_MIXER_READ_RECMASK；检查单声道/立体声，用SOUND_MIXER_READ_STEREODEVS；检查mixer的 一般能力，用SOUND_MIXER_READ_CAPS等等。所有通道的查询的结果都放在mask中，所以要区分出特定通道的状况，使用 mask& （1 << channel_no）。
选择mixer的录音通道
首先可以通过SOUND_MIXER_READ_RECMASK检查可用的录音通道，然后通过SOUND_MIXER_WRITE_RECSRC选择录音通道。可以随时通过SOUND_MIXER_READ_RECSRC查询当前声卡中已经被选择的录音通道。
OSS建议把mixer的用户控制功能单独出来形成一个通用的程序。但前提是，在使用mixer之前，首先通过API的查询功能检查声卡的能力。在linux中，就有一个专门的mixer程序--aumix。
四、结束语
前面讨论的是OSS中一些最基本的内容，实际上OSS中还有很多高级的特性，比如在音频编程时十分重要的实时性问题，画面与声音的同步问题，这里都没有介绍。如果读者对这些特性感兴趣的话，可以进一步参考[1]。另外，在[2]中，还可以下载使用OSS接口的样例程序。