揭秘AudioQueue的奥秘：音频采集、编码和播放全攻略

前言

在实时音频处理的舞台上，AudioQueue可谓是iOS开发者不可或缺的利器。它赋予了我们操控音频流的能力，使其能够自由采集、编码、播放，宛若音频处理界的魔术师。本文将揭开AudioQueue的神秘面纱，带你领略音频采集、编码和播放的奥秘，并附上完整的Demo代码，让你轻松踏上音频处理之旅。

AudioQueue概览

AudioQueue是一个由苹果公司提供的音频处理框架，专为低延迟音频操作而设计。它允许开发者直接与硬件交互，实现对音频数据的实时处理，从而打造出更加流畅、稳定的音频体验。

核心概念

• Buffer： AudioQueue使用Buffer来存储音频数据。每个Buffer包含一定数量的音频帧，通常以1024帧为单位。
• Queue： Queue负责管理Buffers，它将Buffers排队并按照顺序进行处理。
• Callback： Callback函数会在特定事件发生时被调用，如Buffer准备好处理或播放完毕。

音频格式

AudioQueue支持多种音频格式，包括PCM（无损）和AAC（有损压缩）。PCM格式以原始波形数据存储音频，而AAC格式通过压缩算法减少文件大小，同时保持较高的音质。

使用AudioQueue进行音频处理

采集音频

AudioQueue可以从麦克风或其他音频输入源采集音频。首先，需要配置AudioQueue的格式和Buffer大小，然后使用start()方法启动采集。采集到的音频数据将通过callback函数提供给开发者处理。

编码音频

采集到的音频数据通常需要编码为特定的格式，以便存储或传输。AudioQueue提供了一系列编码器，包括AAC、MP3和PCM。通过配置编码器并使用encode()方法，即可将原始音频数据编码为目标格式。

播放音频

要播放音频，需要将编码后的数据加载到AudioQueue的Buffer中，然后调用start()方法开始播放。AudioQueue会将Buffer中的数据发送到音频硬件，从而实现音频播放。

Demo代码

为了让你更好地理解AudioQueue的使用，我们提供了一份完整的Demo代码。它演示了如何使用AudioQueue从麦克风采集音频，将其编码为AAC格式，并通过扬声器播放。

import AudioToolbox

// 创建AudioQueue
var audioQueue: AudioQueueRef?

// 初始化编码器
var encoder: AudioConverterRef?

// 采集音频
func startRecording() {
    // 配置AudioQueue
    var audioFormat = AudioStreamBasicDescription(
        mSampleRate: 44100,
        mFormatID: kAudioFormatLinearPCM,
        mFormatFlags: kAudioFormatFlagIsSignedInteger | kAudioFormatFlagIsPacked,
        mBytesPerPacket: 2,
        mFramesPerPacket: 1,
        mBytesPerFrame: 2,
        mChannelsPerFrame: 1,
        mBitsPerChannel: 16
    )

    var status = AudioQueueNewInput(&audioFormat, inputCallback, nil, nil, 0, 0, &audioQueue)
    guard status == noErr else { return }

    // 分配Buffer
    for _ in 0...3 {
        var buffer: AudioQueueBufferRef?
        status = AudioQueueAllocateBuffer(audioQueue!, 1024, &buffer)
        guard status == noErr else { return }
        status = AudioQueueEnqueueBuffer(audioQueue!, buffer!, 0, nil)
        guard status == noErr else { return }
    }

    // 开始采集
    status = AudioQueueStart(audioQueue!, nil)
    guard status == noErr else { return }
}

// 编码音频
func encode(buffer: AudioQueueBufferRef) {
    // 配置编码器
    var audioFormat = AudioStreamBasicDescription(
        mSampleRate: 44100,
        mFormatID: kAudioFormatMPEG4AAC,
        mFormatFlags: kMPEG4Object_AAC_LC,
        mBytesPerPacket: 0,
        mFramesPerPacket: 1024,
        mBytesPerFrame: 0,
        mChannelsPerFrame: 1,
        mBitsPerChannel: 0
    )

    var status = AudioConverterNew(&audioFormat, &encoder)
    guard status == noErr else { return }

    // 转换Buffer
    var bufferList = AudioBufferList(
        mNumberBuffers: 1,
        mBuffers: AudioBuffer(
            mNumberChannels: 1,
            mDataByteSize: buffer.mAudioDataByteSize,
            mData: buffer.mAudioData
        )
    )

    var outputBuffer = AudioBufferList(
        mNumberBuffers: 1,
        mBuffers: AudioBuffer(
            mNumberChannels: 1,
            mDataByteSize: 4096,
            mData: UnsafeMutableRawPointer.allocate(byteCount: 4096, alignment: 0)
        )
    )

    status = AudioConverterFillComplexBuffer(encoder!, &bufferList, &outputBuffer, buffer.mAudioDataByteSize)
    guard status == noErr else { return }

    // 将编码后的数据保存到文件
    var fileURL = FileManager.default.temporaryDirectory.appendingPathComponent("audio.aac")
    var file = try! FileHandle(forWritingTo: fileURL)
    file.write(outputBuffer.mBuffers[0].mData, maxLength: outputBuffer.mBuffers[0].mDataByteSize)
}

// 播放音频
func play(buffer: AudioQueueBufferRef) {
    var status = AudioQueueEnqueueBuffer(audioQueue!, buffer, 0, nil)
    guard status == noErr else { return }
}

// 回调函数
func inputCallback(
    _ inAQ: UnsafeMutableAudioQueueRef,
    _ inBuffer: UnsafeMutablePointer<AudioQueueBuffer>,
    _ inStartTime: UnsafePointer<AudioTimeStamp>,
    _ inNumberPackets: UInt32,
    _ inPacketDesc: UnsafePointer<AudioStreamPacketDescription>?,
    _ userData: UnsafeMutableRawPointer?
) {
    // 编码音频
    encode(buffer: inBuffer)

    // 播放音频
    play(buffer: inBuffer)

    // 重新入队Buffer
    AudioQueueEnqueueBuffer(inAQ, inBuffer, 0, nil)
}

结语

AudioQueue是iOS音频处理的强大工具。它为开发者提供了低延迟、高保真的音频处理能力，使他们能够轻松构建各种音频应用，如录音机、音乐播放器和语音聊天。通过掌握AudioQueue的使用，开发者可以突破音频处理的界限，打造更加沉浸、流畅的音频体验。