白 璐 ，李國民

(西安科技大學(xué)通信與信息工程學(xué)院，陜西西安 710054)

WMA可用于多種格式的編碼文件中。微軟公司在WMA9中大幅改進(jìn)了其引擎，實(shí)際上幾乎可以在同文件同音質(zhì)下比MP3體積約小1/3，因此適合用于網(wǎng)絡(luò)串流媒體及行動(dòng)裝置。許多播放器軟件也紛紛開發(fā)出支持WMA格式的插件程序來，但Android手機(jī)尚未支持該格式，故在Android手機(jī)中添加WMA音頻解碼格式具有一定意義。

1 Android平臺(tái)及其多媒體框架結(jié)構(gòu)

1.1 Android系統(tǒng)

Android是Google與OHA(Open Handset Alliance)推出的開源手機(jī)操作系統(tǒng)。Android基于Linux平臺(tái)，由操作系統(tǒng)、中間件、用戶界面和應(yīng)用軟件組成。Android平臺(tái)自底向上由4個(gè)層次組成:Linux內(nèi)核層、運(yùn)行時(shí)庫和其他庫層、應(yīng)用框架層、應(yīng)用程序?qū)印?/p>

(1)Linux Kernel。Android底層是一個(gè)基于Linux2.6內(nèi)核來開發(fā)的獨(dú)立操作系統(tǒng)，該層主要用于提供系統(tǒng)的底層服務(wù)，包括安全機(jī)制、內(nèi)存管理、進(jìn)程管理、網(wǎng)絡(luò)堆棧和驅(qū)動(dòng)等。

(2)Libraries和Android Runtime。這一層主要與進(jìn)程運(yùn)行相關(guān)，包含了一套C/C++函數(shù)庫，主要包括Libc、Media、Framework、WebKit、SGL、OpenGLES、FreeType、SQLite等。核心庫提供了Java編程核心庫的大多數(shù)功能，這些功能通過Android應(yīng)用框架展現(xiàn)給開發(fā)人員，另外每一個(gè)Android程序都有獨(dú)立的Dalvik虛擬機(jī)為它提供運(yùn)行環(huán)境。

(3)Application Framework。該層是Android平臺(tái)專為應(yīng)用程序開發(fā)而設(shè)計(jì)的。開發(fā)者通過使用核心應(yīng)用程序調(diào)用Android框架提供的API，這個(gè)應(yīng)用程序結(jié)構(gòu)被設(shè)計(jì)成方便復(fù)用的組件，該層由一系列的服務(wù)和系統(tǒng)構(gòu)成。

(4)Applications。Android本身附帶一些核心的應(yīng)用程序包，例如Email客戶端、瀏覽器、日歷、Google地圖、SMS短消息程序等。

1.2 媒體播放器結(jié)構(gòu)及多媒體實(shí)現(xiàn)的核心

Android多媒體系統(tǒng)縱向跨越了Android系統(tǒng)的所有4個(gè)層次:Java應(yīng)用程序?qū)?、Java框架層、本地代碼層、Linux驅(qū)動(dòng)層。多媒體本地代碼層是多媒體系統(tǒng)的重點(diǎn)。Libmedia庫提供多媒體部分的本地框架，Libstagefright提供多媒體核心功能的實(shí)現(xiàn)。

Android媒體播放器的模塊結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 Android媒體播放器的模塊結(jié)構(gòu)

上層的應(yīng)用程序?qū)⒚襟w的URI作為輸入設(shè)置到媒體播放器中，再經(jīng)過應(yīng)用框架、JNI和本地框架，一直到設(shè)置到StagefrightPlayer中。在這個(gè)過程中沒有數(shù)據(jù)流的傳遞，只是傳遞了URI路徑。經(jīng)Stagefright-Player中的解析單元進(jìn)行解析后，讀取音頻流，經(jīng)過解碼器的處理轉(zhuǎn)換成原始數(shù)據(jù)。音頻原始數(shù)據(jù)將被送到音頻輸出環(huán)節(jié)中。

Stagefright是Android多媒體本地實(shí)現(xiàn)的核心。Stagefright中包括的內(nèi)容很多，單從播放的角度來看StagefrightPlayer輸入的是文件或網(wǎng)絡(luò)媒體流，輸出的是音視頻輸出設(shè)備，基本功能包括了媒體流控制、文件解析、音視頻文件解碼等方面。所以，要實(shí)現(xiàn)Android多媒體對(duì)WMA音頻格式媒體文件或流媒體的播放，就需要擴(kuò)展Stagefright中的文件解析和音頻解碼等方面，添加WMA格式的文件解析單元和WMA音頻文件解碼單元。

2 多媒體系統(tǒng)增加WMA音頻格式的設(shè)計(jì)

從多媒體系統(tǒng)具體實(shí)現(xiàn)的角度來看，WMA音頻格式播放主要經(jīng)過WMA格式文件解析、WMA編碼流解碼、PCM輸出播放3個(gè)階段。WMA音頻播放器的結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 WMA音頻播放器的結(jié)構(gòu)

基于Android多媒體系統(tǒng)音頻播放流程，在WMA音頻格式開發(fā)過程中主要有4項(xiàng)工作:(1)WMA文件的識(shí)別;(2)WMA文件的解析;(3)編碼數(shù)據(jù)的讀取;(4)編碼數(shù)據(jù)的解碼和輸出。

2.1 WMA格式音頻播放功能流程設(shè)計(jì)

通過調(diào)用AwesomePlayer的setDataSource函數(shù)來設(shè)置數(shù)據(jù)源;AwesomePlayer通過調(diào)用MediaExtractor的Create函數(shù)來識(shí)別該文件的格式，MediaPlayer判斷該文件為WMA格式后，會(huì)創(chuàng)建一個(gè)WMAExtractor，在創(chuàng)建WMAExtractor的同時(shí)，WMAExtractor會(huì)解析文件頭，獲取文件中的相關(guān)信息。然后調(diào)用WMAExtractor的getTrack函數(shù)創(chuàng)建一個(gè)WMASource;AwesomePlayer通過OMXCodec創(chuàng)建一個(gè)WMADecoder;AwesomePlayer接著創(chuàng)建一個(gè)AudioPlayer，并把WMADecoder做為數(shù)據(jù)源傳給AudioPlayer，并調(diào)用AudioPlayer的start函數(shù);AudioPlayer獲取WMADecoder中的相關(guān)參數(shù):文件類型、采樣率、聲道數(shù)，并根據(jù)該數(shù)據(jù)開啟AudioSink，并把AudioSinkCallback做為回調(diào)函數(shù)傳給AudioSink。AudioPlayer先調(diào)用WMADecoder解第一幀數(shù)據(jù)，并把該數(shù)據(jù)傳給AudioSink去播放，當(dāng)播放完成后AudioSink會(huì)調(diào)用回調(diào)函數(shù)AudioSinkCallback再取解碼后的數(shù)據(jù)，AudioSinkCallback又會(huì)調(diào)用FillBuffer函數(shù)獲取解碼后的原始數(shù)據(jù)，解碼后數(shù)據(jù)如果被取完后，AudioPlayer又會(huì)調(diào)用WMADecoder解下一幀數(shù)據(jù)給AudioSink，來回反復(fù)，直到文件中數(shù)全部被播放，播放流程如圖3所示。在拉動(dòng)滾動(dòng)條時(shí)，上層會(huì)傳來SeekTime，經(jīng)AudioPlayer傳給WMADecoder再傳給WMAExtractor，WMAExtractor根據(jù)上層傳來的SeekTime判斷出要播放的原始數(shù)據(jù)的起始位置，然后從該位置讀取一個(gè)數(shù)據(jù)包傳給WMADecoder解碼。

圖3 音頻播放流程圖

在整個(gè)WMA格式解碼播放過程中，主要設(shè)計(jì)有兩個(gè)模塊:WMAExtractor和WMADecoder。WMAExtractor主要執(zhí)行WMA格式文件解析和數(shù)據(jù)讀取功能。WMADecoder主要執(zhí)行解碼功能;WMA格式音頻播放功能實(shí)現(xiàn)。

(1)WMA文件的識(shí)別。

在判斷播放文件格式前，AwesomePlayer會(huì)提前把所支持的格式通過DataSource中的RegisterDefault-Sniffers函數(shù)注冊(cè)進(jìn)來。判斷播放文件格式時(shí)，會(huì)逐一按次序把該文件和所支持的格式進(jìn)行匹配，最匹配的格式就是該文件的格式，所以在Datasource中的RegisterDefaultSniffers函數(shù)中應(yīng)添加如下代碼:

WMA文件開始有一個(gè)16 Byte的標(biāo)識(shí)，表示是WMA:30 26 B2 75 8E 66 CF 11 A6 D9 00 AA 62 CE 6C。如果音頻文件的前16個(gè)字符和這16 Byte相符，那么就可以判斷該文件為WMA文件。WMAExtractor中的SniffWMA函數(shù)就是通過讀取文件前16 Byte來判斷該文件是不是WMA文件。在SniffWMA函數(shù)中，如果判斷前16 Byte和WMA的16個(gè)標(biāo)識(shí)字節(jié)相等，就會(huì)把MEDIA_MIMETYPE_AUDIO_WMA給mime-Type指針，標(biāo)志著該音頻文件類型為WMA格式。MEDIA_MIMETYPE_AUDIO_WMA是在MediaDefs.h文件中定義，在MediaDefs.cpp文件中賦值:

(2)WMA文件的解析。

WMAExtractor從WMA文件的第31 Byte開始取16 Byte，然后依次和file_header、stream_header、data_header、comment_header、extended_content_header 對(duì)比，如果和file_header相等，則從下個(gè)Byte開始依次獲取文件大小、創(chuàng)建時(shí)間、數(shù)據(jù)包個(gè)數(shù)、…數(shù)據(jù)包大小。然后再從下個(gè)Byte開始讀取16 Byte再進(jìn)行對(duì)比，如果和extended_content_header相等，則可以從下個(gè)Byte中依次獲取名稱、藝術(shù)家、版權(quán)、注釋等非音頻信息。然后再接著讀取16 Byte進(jìn)行比對(duì)，直到和data_header相等。data_header后就是音頻文件解碼數(shù)據(jù)，data_header的結(jié)束位置就是第一個(gè)數(shù)據(jù)包在文件中的偏移量。WMAExtractor會(huì)創(chuàng)建一個(gè)MetaData，并把文件頭中獲取的sample_rate、Byte_rate、channels、duration都存入MetaData中。在WMAExtractor的getMeta-Data函數(shù)中，把之前獲取的非音頻信息放入MetaData中，最后返回該MetaData。在WMAExtractor的getTrack函數(shù)中，創(chuàng)建一個(gè)WMASource，并把WMA數(shù)據(jù)和MetaData傳給WMASource。

(3)編碼數(shù)據(jù)的讀取。

獲取未解碼數(shù)據(jù)是通過WMASource的read函數(shù)讀取的。WMA數(shù)據(jù)是以數(shù)據(jù)包為單位的，同文件中的數(shù)據(jù)包大小相同。每個(gè)數(shù)據(jù)包中有多幀數(shù)據(jù)，每個(gè)數(shù)據(jù)包的起始位置減去第一個(gè)數(shù)據(jù)包的起始位置再除以包的大小等于一個(gè)整數(shù)，這個(gè)整數(shù)就是該數(shù)據(jù)包之前數(shù)據(jù)包的個(gè)數(shù)。每個(gè)數(shù)據(jù)包的第一個(gè)Byte一般都等于0x82。第二個(gè)Byte以后是該數(shù)據(jù)包的相關(guān)信息。根據(jù)包的相關(guān)數(shù)據(jù)就可以獲取該包中的未解碼數(shù)據(jù)。

WMASource的read讀取未解碼數(shù)據(jù)時(shí)，首先會(huì)判斷從WMADecoder傳來的options是否為空，如果不為空，并可以從options中獲取一個(gè)播放時(shí)間seek-TimeUs，就通過seekTimeUs、總播放時(shí)間和總數(shù)據(jù)包的個(gè)數(shù)算出要播放數(shù)據(jù)包的起始位置，然后從該起始位置獲取一個(gè)數(shù)據(jù)包的數(shù)據(jù)，并從該數(shù)據(jù)包中獲取有效數(shù)據(jù)的大小、起始位置、時(shí)間等數(shù)據(jù)，最后把該有效數(shù)據(jù)和時(shí)間放在WMADecoder傳來的Buffer里。

WMASource的Read被調(diào)用時(shí)，如果傳來的Options為空或是不能從Options中獲取時(shí)間seek-TimeUs，就會(huì)從WMA文件中讀取一個(gè)數(shù)據(jù)包，根據(jù)其中的有效數(shù)據(jù)的大小、起始位置獲取有效數(shù)據(jù)，并獲取該數(shù)據(jù)包中的時(shí)間，然后把該有效數(shù)據(jù)和時(shí)間放在WMADecoder傳來的buffer里。第一個(gè)數(shù)據(jù)包的起始位置就是解析頭文件時(shí)獲取的第一個(gè)數(shù)據(jù)包的偏移量，所以第一次調(diào)用WMASource的read時(shí)，就是從這個(gè)偏移量的下個(gè)位置讀取第一個(gè)數(shù)據(jù)包的。在WMASource中有一個(gè)專門記錄讀取位置的指針。每次讀取1個(gè)數(shù)據(jù)包后，該指針就會(huì)指向數(shù)據(jù)包末尾的下一個(gè)位置，當(dāng)下一次WMASource的read讀取未解碼數(shù)據(jù)時(shí)，如果不是音樂定點(diǎn)播放，就會(huì)從該指針?biāo)傅奈恢瞄_始讀取數(shù)據(jù)包。

(4)編碼數(shù)據(jù)的解碼和輸出。

AwesomePlayer通過OMXCodec中的Create函數(shù)創(chuàng)建WMADecoder，所以在OMXCodec中注冊(cè)WMADecoder的相關(guān)信息:

在創(chuàng)建WMADecoder時(shí)，把之前創(chuàng)建的WMASource傳給WMADecoder。在WMADecoder構(gòu)造函數(shù)中，WMADecoder從WMASource中獲取Metadata，并從Metadata獲取sampleRate、numChannels、duration等。在WMADecoder的start函數(shù)中，通過調(diào)用avcodec_open函數(shù)，來分配解碼所需的空間、創(chuàng)建并初始化解碼所需的相關(guān)參數(shù)。在WMADecoder析構(gòu)函數(shù)中會(huì)調(diào)用WMADecoder的Stop函數(shù)。在Stop函數(shù)中會(huì)釋放所有相關(guān)空間。

WMA音頻解碼主要是在WMADecoder的read函數(shù)中完成的:首先，先會(huì)判斷是否是音樂定點(diǎn)播放，如果不是，WMADecoder會(huì)調(diào)用WMAExtractor的read函數(shù)讀取一個(gè)未解碼的數(shù)據(jù)包;然后，對(duì)該數(shù)據(jù)進(jìn)行解碼，將解碼后的音頻數(shù)據(jù)存放在MediaBuffer的Data()中，再設(shè)置MediaBuffer的mRangeOffset和mRangeLength，在讀取數(shù)據(jù)包時(shí)會(huì)從包中獲取該數(shù)據(jù)包中的時(shí)間戳，把該時(shí)間戳存放在MediaBuffer的Meta_data()中的kKeyTime里;最后，WMAdecoder把該MediaBuffer傳回給AudioPlayer。如果是音樂定點(diǎn)播放，首先，WMADecoder會(huì)從AudioPlayer傳過來的ReadOption中獲取播放時(shí)間(option-＞getSeekTo(＆seekTimeUs，＆mode))，在調(diào)用WMASource的read函數(shù)來讀取未解碼音頻數(shù)據(jù)時(shí)會(huì)把該時(shí)間(seek-TimeUs)傳給WMASource。WMASource的read函數(shù)獲取到該時(shí)間后，通過計(jì)算得出該時(shí)間要播放的音頻數(shù)據(jù)包的起始位置，然后讀取該數(shù)據(jù)包并傳給WMADecoder對(duì)其進(jìn)行解碼，最后將該解碼后的音頻數(shù)據(jù)傳給AudioPlayer。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

基于Android平臺(tái)的多媒體系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)的WMA音頻播放，在Android多媒體框架的本地實(shí)現(xiàn)核心Stagefright框架里，添加WMA音頻格式。實(shí)現(xiàn)Android對(duì)WMA音頻格式的支持，使Android手機(jī)可以播放WMA音頻格式的文件。經(jīng)過實(shí)際測(cè)試，播放效果達(dá)到了預(yù)期的要求，聲音清晰、音質(zhì)好。圖4為增加WMA音頻播放模塊后Android源碼編譯結(jié)果的截圖。圖5為播放WMA格式文件時(shí)對(duì)播放界面的截圖。圖6為拉動(dòng)滾動(dòng)條后正常運(yùn)行的截圖。

圖4 Android源代碼編譯結(jié)果

4 結(jié)束語

基于Android多媒體模塊中的Stagefright框架，在智能手機(jī)上實(shí)現(xiàn)了對(duì)WMA音頻格式的支持，使Android智能手機(jī)可以播放WMA音頻格式的媒體文件或流媒體。該設(shè)計(jì)在現(xiàn)有基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)了對(duì)Android操作系統(tǒng)中多媒體系統(tǒng)功能的增強(qiáng)。目前Android平臺(tái)手機(jī)仍然不支持RMVB、WAV等視頻格式，所以Android多媒體系統(tǒng)的功能還需繼續(xù)增強(qiáng)和擴(kuò)展。

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