c# 通过WinAPI播放PCM声音

2023-07-08 12:46:02 80

在Windows平台上，播放PCM声音使用的API通常有如下两种。

waveOutandwaveIn：传统的音频MMEAPI，也是使用的最多的
xAudio2：C++/COMAPI，主要针对游戏开发，是DirectSound的基础

在WindowsVista以后，推出了更加强大的WASAPI ，并用WASAPI封装了MME以及DirectSoundAPI。

对于前面的两个API，在.net平台下有如下封装：

NAudio
Sharpdx

WSAPI可能由于更加复杂，没有什么比较完善的封装，codeproject上有篇文章介绍了如何简单的封装WSAPI：RecordingandplayingPCMaudioonWindows8(VB)

最近一个项目中使用到了PCM文件的播放，本来想用NAudio实现的，但使用过程中发现它自己提供的BlockAlignReductionStream播放实时数据是效果不是蛮好（方法可以参考这篇文章），总是有一些卡顿的现象。

究其原因是其Buffer的机制，要求每次都填充满buffer，对于文件播放这个不是问题，但对于实时pcm数据，buffer过大播放的时候得不到足够的数据，buffer过小丢数据的情况。

于是，我便研究了一下微软的MMEAPI，官方文档：UsingWaveformandAuxiliaryAudio。发现MMEAPI也并不复杂，一个简单的示例如下

#include
#include
#pragmacomment(lib,"winmm.lib")

intmain()
{
constintbuf_size=1024*1024*30;
char*buf=newchar[buf_size];

FILE*thbgm;//文件

fopen_s(&thbgm,R"(r:\re_sample.pcm)","rb");
fread(buf,sizeof(char),buf_size,thbgm);//预读取文件
fclose(thbgm);

WAVEFORMATEXwfx={0};
wfx.wFormatTag=WAVE_FORMAT_PCM;//设置波形声音的格式
wfx.nChannels=2;//设置音频文件的通道数量
wfx.nSamplesPerSec=44100;//设置每个声道播放和记录时的样本频率
wfx.wBitsPerSample=16;//每隔采样点所占的大小

wfx.nBlockAlign=wfx.nChannels*wfx.wBitsPerSample/8;
wfx.nAvgBytesPerSec=wfx.nBlockAlign*wfx.nSamplesPerSec;

HANDLEwait=CreateEvent(NULL,0,0,NULL);
HWAVEOUThwo;
waveOutOpen(&hwo,WAVE_MAPPER,&wfx,(DWORD_PTR)wait,0L,CALLBACK_EVENT);//打开一个给定的波形音频输出装置来进行回放

intdata_size=20480;
char*data_ptr=buf;
WAVEHDRwh;

while(data_ptr-buf
这里是首先预读pcm文件到内存，然后通过事件回调的方式同步写入声音数据。 整个播放过程大概也就用到了五六个API，主要过程如下:
设置音频参数
音频参数定义在一个WAVEFORMATEX对象中，这里只介绍PCM的设置方法，主要设置声道数、采样率、和采样位数。
WAVEFORMATEX    wfx = { 0 };
wfx.wFormatTag = WAVE_FORMAT_PCM;    //设置波形声音的格式
wfx.nChannels = 2;                    //设置音频文件的道数量
wfx.nSamplesPerSec = 44100;            //设置每个声道播放和记录时的样本频率
wfx.wBitsPerSample = 16;            //每隔采样点所占的大小
除此之外，还需要设置两个参数nBlockAlign和nAvgBytesPerSec。对于PCM，它们的计算公式如下：
wfx.nBlockAlign = wfx.nChannels * wfx.wBitsPerSample / 8; 
wfx.nAvgBytesPerSec = wfx.nBlockAlign * wfx.nSamplesPerSec; 
更多信息请参看MSDN文档：

https://msdn.microsoft.com/en-us/library/windows/desktop/dd757713(v=vs.85).aspx
打开音频输出
打开音频输出需要定义一个HWAVEOUT对象，它代表一个波形对象，通过waveOutOpen函数打开它。
HWAVEOUT hwo;
waveOutOpen(&hwo, WAVE_MAPPER, &wfx, (DWORD_PTR)wait, 0L, CALLBACK_EVENT); 
这个函数前三个参数分别是波形对象，输出设备（WAVE_MAPPER为-1，表示默认输出设备），音频参数。后面三个参数分别是回调相关参数，因为音频数据一次只写入一小段，播放是由系统在另一个线程中进行的，当数据播放完成后，需要通过回调的方式通知写入新数据。
MMEAPI支持多种回调方式。具体参看MSDN文档：waveOutOpenfunction。具体常见的回调方式有如下几种：

CALLBACK_NULL        不回调，需要主动掌握写入数据时机，常用于实时音频流
CALLBACK_EVENT        需要数据时写事件，在另外一个独立的线程上等待该事件写入数据
CALLBACK_FUNCTION        需要数据时执行回调函数，在回调函数中写入数据

这里是示例通过事件的方式回调的
写入音频数据
音频的播放操作是一个生产者消费者模型，调用waveOutOpen后，系统会在后台启动一个播放线程（WinForm程序也可以设置为使用UI线程）。当需要数据时，调用回调函数，写入相应的数据。
首先定义一个WAVEHDR对象：
int data_size = 20480;
char* data_ptr = buf;
WAVEHDR wh;
每次写入的操作过程如下：
wh.lpData = data_ptr;
wh.dwBufferLength = data_size;
wh.dwFlags = 0L;
wh.dwLoops = 1L;

data_ptr += data_size;

waveOutPrepareHeader(hwo, &wh, sizeof(WAVEHDR)); //准备一个波形数据块用于播放
waveOutWrite(hwo, &wh, sizeof(WAVEHDR)); //在音频媒体中播放第二个函数wh指定的数据
写入主要是通过两个函数waveOutPrepareHeader和waveOutWrite进行。这里有两个地方需要注意

每次写入data_size不要太小，太小了会出现声音不流畅
从它调用回调到写入的时间间隔不能过长，否则会出现声音断流而出现的哒哒声。

这两个地方的原因实际上都是一个，消费者线程没有足够的数据。要解决这个问题需要采取缓冲模型，对数据源预读。
另外，写入操作waveOutPrepareHeader和waveOutWrite这两个函数是并不要求一定非要在等待通知后才执行的，当写入的速度和播放的速度不一致时，出现声音快进会慢速播放现象。
关闭音频输出
关闭音频输出只需要使用接口即可。
waveOutClose(hwo);
.net接口封装
了解各接口功能后，自己封装一个也比较简单了。用起来也方便多了。
 WinAPI封装：
usingHWAVEOUT=IntPtr;

classwinmm
{
[StructLayout(LayoutKind.Sequential)]
publicstructWAVEFORMATEX
{
///
///波形声音的格式
///
publicWaveFormatwFormatTag;

///
///音频文件的通道数量
///
publicUInt16nChannels;/*numberofchannels(i.e.mono,stereo...)*/

///
///采样频率
///
publicUInt32nSamplesPerSec;/*samplerate*/

///
///每秒缓冲区
///
publicUInt32nAvgBytesPerSec;/*forbufferestimation*/


publicUInt16nBlockAlign;/*blocksizeofdata*/
publicUInt16wBitsPerSample;/*numberofbitspersampleofmonodata*/
publicUInt16cbSize;/*thecountinbytesofthesizeof*/
}

[StructLayout(LayoutKind.Sequential)]
publicstructWAVEHDR
{
///
///缓冲区指针
///
publicIntPtrlpData;

///
///缓冲区长度
///
publicUInt32dwBufferLength;
publicUInt32dwBytesRecorded;/*usedforinputonly*/
publicIntPtrdwUser;/*forclient'suse*/

///
///设置标志
///
publicUInt32dwFlags;

///
///循环控制
///
publicUInt32dwLoops;

///
///保留字段
///
publicIntPtrlpNext;

///
///保留字段
///
publicIntPtrreserved;
}


[Flags]
publicenumWaveOpenFlags
{
CALLBACK_NULL=0,
CALLBACK_FUNCTION=0x30000,
CALLBACK_EVENT=0x50000,
CallbackWindow=0x10000,
CallbackThread=0x20000,
}

publicenumWaveMessage
{
WIM_OPEN=0x3BE,
WIM_CLOSE=0x3BF,
WIM_DATA=0x3C0,
WOM_CLOSE=0x3BC,
WOM_DONE=0x3BD,
WOM_OPEN=0x3BB
}


[Flags]
publicenumWaveHeaderFlags
{
WHDR_BEGINLOOP=0x00000004,
WHDR_DONE=0x00000001,
WHDR_ENDLOOP=0x00000008,
WHDR_INQUEUE=0x00000010,
WHDR_PREPARED=0x00000002
}

publicenumWaveFormat:ushort
{
WAVE_FORMAT_PCM=0x0001,
}


///
///默认设备
///
publicstaticIntPtrWAVE_MAPPER{get;}=(IntPtr)(-1);

publicdelegatevoidWaveCallback(IntPtrhWaveOut,WaveMessagemessage,IntPtrdwInstance,WAVEHDRwavhdr,
IntPtrdwReserved);

[DllImport("winmm.dll")]
publicstaticexternintwaveOutOpen(outHWAVEOUThWaveOut,IntPtruDeviceID,inWAVEFORMATEXlpFormat,
WaveCallbackdwCallback,IntPtrdwInstance,WaveOpenFlagsdwFlags);

[DllImport("winmm.dll")]
publicstaticexternintwaveOutOpen(outHWAVEOUThWaveOut,IntPtruDeviceID,inWAVEFORMATEXlpFormat,
IntPtrdwCallback,IntPtrdwInstance,WaveOpenFlagsdwFlags);

[DllImport("winmm.dll")]
publicstaticexternintwaveOutSetVolume(HWAVEOUThwo,ushortdwVolume);

[DllImport("winmm.dll")]
publicstaticexternintwaveOutClose(inHWAVEOUThWaveOut);

[DllImport("winmm.dll")]
publicstaticexternintwaveOutPrepareHeader(HWAVEOUThWaveOut,inWAVEHDRlpWaveOutHdr,intuSize);

[DllImport("winmm.dll")]
publicstaticexternintwaveOutUnprepareHeader(HWAVEOUThWaveOut,inWAVEHDRlpWaveOutHdr,intuSize);

[DllImport("winmm.dll")]
publicstaticexternintwaveOutWrite(HWAVEOUThWaveOut,inWAVEHDRlpWaveOutHdr,intuSize);
}

classkernel32
{
[DllImport("kernel32.dll")]
publicstaticexternIntPtrCreateEvent(IntPtrlpEventAttributes,boolbManualReset,boolbInitialState,stringlpName);

[DllImport("kernel32.dll")]
publicstaticexternintWaitForSingleObject(IntPtrhHandle,intdwMilliseconds);

[DllImport("kernel32.dll")]
publicstaticexternboolCloseHandle(IntPtrhHandle);
}
PCM播放器：
///
///Pcm播放器
///
publicunsafeclassPcmPlayer
{
///声道数目
///采样频率
///采样大小(bits)
publicPcmPlayer(intchannels,intsampleRate,intsampleSize)
{
_wfx=newwinmm.WAVEFORMATEX
{
wFormatTag=winmm.WaveFormat.WAVE_FORMAT_PCM,
nChannels=(ushort)channels,
nSamplesPerSec=(ushort)sampleRate,
wBitsPerSample=(ushort)sampleSize
};

_wfx.nBlockAlign=(ushort)(_wfx.nChannels*_wfx.wBitsPerSample/8);
_wfx.nAvgBytesPerSec=_wfx.nBlockAlign*_wfx.nSamplesPerSec;
}

winmm.WAVEFORMATEX_wfx;
IntPtr_hwo;

///
///以事件回调的方式打开设备
///
///
publicvoidOpenEvent(IntPtrwaitEvent)
{
winmm.waveOutOpen(out_hwo,winmm.WAVE_MAPPER,_wfx,waitEvent,IntPtr.Zero,winmm.WaveOpenFlags.CALLBACK_EVENT);
Debug.Assert(_hwo!=IntPtr.Zero);
}

publicvoidOpenNone()
{
winmm.waveOutOpen(out_hwo,winmm.WAVE_MAPPER,_wfx,IntPtr.Zero,IntPtr.Zero,winmm.WaveOpenFlags.CALLBACK_NULL);
Debug.Assert(_hwo!=IntPtr.Zero);
}


winmm.WAVEHDR_wh;
publicvoidWriteData(ReadOnlyMemorybuffer)
{
varhwnd=buffer.Pin();

_wh.lpData=(IntPtr)hwnd.Pointer;
_wh.dwBufferLength=(uint)buffer.Length;
_wh.dwFlags=0;
_wh.dwLoops=1;

winmm.waveOutPrepareHeader(_hwo,_wh,sizeof(winmm.WAVEHDR));//准备一个波形数据块用于播放
winmm.waveOutWrite(_hwo,_wh,sizeof(winmm.WAVEHDR));//在音频媒体中播放第二个函数wh指定的数据
hwnd.Dispose();
}

publicvoidDispose()
{
winmm.waveOutPrepareHeader(_hwo,_wh,sizeof(winmm.WAVEHDR));
winmm.waveOutClose(_hwo);
_hwo=IntPtr.Zero;
}
}

publicclassWaitObject:IDisposable
{

publicIntPtrHwnd{get;set;}

publicWaitObject()
{
Hwnd=kernel32.CreateEvent(IntPtr.Zero,false,false,null);
}

publicvoidWait()
{
kernel32.WaitForSingleObject(Hwnd,-1);
}

publicvoidDispose()
{
kernel32.CloseHandle(Hwnd);
Hwnd=IntPtr.Zero;
}
}
以上就是c#通过WinAPI播放PCM声音的详细内容，更多关于c#播放PCM声音的资料请关注毛票票其它相关文章！

c# 通过WinAPI播放PCM声音

设置音频参数

打开音频输出

关闭音频输出

.net接口封装

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