Android开发笔记（一百八十九）利用LAME录制MP3音频

Posted 2022-12-02 aqi00

android常用的录音工具有两种，分别是MediaRecorder和AudioRecord，前者用于录制普通音频，后者用于录制原始音频。然而无论是普通音频的amr和aac格式，还是原始音频的pcm格式，都不能在电脑上直接播放，也不能在苹果手机上播放，因为它们属于安卓手机的定制格式，并非通用的音频格式。若想让录音文件放之四海而皆能播放，就得事先将其转为通用的MP3格式，虽然Android官方的开发包不支持MP3转换，不过借助第三方的LAME库，能够将原始音频转存为MP3文件。
LAME是一个高质量的MP3编码器，它采用C/C++代码开发，需要通过JNI技术引入到App工程。LAME源码的下载页面为https://lame.sourceforge.io/download.php，笔者找到的最新版本是3.100，先解压下载完成的源码包，再按照下列步骤依次调整源码细节：
1、把源码包里面的libmp3lame目录整个复制到App模块的jni目录下；
2、把include目录下的lame.h头文件复制到jni\\libmp3lame目录下；
3、打开jni\\libmp3lame下面的set_get.h，把这行代码

#include <lame.h>

改为下面这样，也就是尖括号改为双引号：

#include "lame.h"

4、打开jni\\libmp3lame下面的util.h，把这行代码

    extern ieee754_float32_t fast_log2(ieee754_float32_t x);

改为下面这样，也就是把参数类型改为float：

    extern float fast_log2(float x);

接着给App模块添加LAME支持，具体步骤说明如下：
1、在App代码中声明几个来自JNI的原生方法，同时准备加载NDK编译生成的so库，声明代码示例如下：

public class LameUtil 
    static 
        System.loadLibrary("lamemp3"); // 加载so库
    
    // 查看Lame版本号
    public native static String version();
    // 初始化Lame
    public native static void init(int inSampleRate, int inChannel, int outSampleRate, int outBitrate, int quality);
    // 开始MP3转码
    public native static int encode(short[] buffer_l, short[] buffer_r, int samples, byte[] mp3buf);
    // 写入缓冲区
    public native static int flush(byte[] mp3buf);
    // 关闭Lame
    public native static void close();

2、在jni目录下新建lame-lib.cpp，编写与第一步对应的原生函数，注意函数名称内部的包名、类名与方法名都要跟App模块保持一致。CPP代码内容如下所示：

#include <jni.h>
#include "libmp3lame/lame.h"

static lame_global_flags *glf = NULL;

extern "C"
JNIEXPORT jstring

JNICALL
Java_com_example_audio_util_LameUtil_version(JNIEnv *env, jclass type) 
    return env->NewStringUTF(get_lame_version());


extern "C"
JNIEXPORT void JNICALL
Java_com_example_audio_util_LameUtil_init(JNIEnv *env, jclass type, jint inSampleRate,
              jint outChannel, jint outSampleRate, jint outBitrate, jint quality) 
    if (glf != NULL) 
        lame_close(glf);
        glf = NULL;
    
    glf = lame_init();
    lame_set_in_samplerate(glf, inSampleRate);
    lame_set_num_channels(glf, outChannel);
    lame_set_out_samplerate(glf, outSampleRate);
    lame_set_brate(glf, outBitrate);
    lame_set_quality(glf, quality);
    lame_init_params(glf);


extern "C"
JNIEXPORT jint JNICALL
Java_com_example_audio_util_LameUtil_encode(JNIEnv *env, jclass type, jshortArray buffer_l_,
               jshortArray buffer_r_, jint samples, jbyteArray mp3buf_) 
    jshort *buffer_l = env->GetShortArrayElements(buffer_l_, NULL);
    jshort *buffer_r = env->GetShortArrayElements(buffer_r_, NULL);
    jbyte *mp3buf = env->GetByteArrayElements(mp3buf_, NULL);
    const jsize mp3buf_size = env->GetArrayLength(mp3buf_);
    int result = lame_encode_buffer(glf, buffer_l, buffer_r, samples, (u_char*)mp3buf, mp3buf_size);
    env->ReleaseShortArrayElements(buffer_l_, buffer_l, 0);
    env->ReleaseShortArrayElements(buffer_r_, buffer_r, 0);
    env->ReleaseByteArrayElements(mp3buf_, mp3buf, 0);
    return result;


extern "C"
JNIEXPORT jint JNICALL
Java_com_example_audio_util_LameUtil_flush(JNIEnv *env, jclass type, jbyteArray mp3buf_) 
    jbyte *mp3buf = env->GetByteArrayElements(mp3buf_, NULL);
    const jsize  mp3buf_size = env->GetArrayLength(mp3buf_);
    int result = lame_encode_flush(glf, (u_char*)mp3buf, mp3buf_size);
    env->ReleaseByteArrayElements(mp3buf_, mp3buf, 0);
    return result;


extern "C"
JNIEXPORT void JNICALL
Java_com_example_audio_util_LameUtil_close(JNIEnv *env, jclass type) 
    lame_close(glf);
    glf = NULL;

3、在jni目录下新建MakeLists.txt，编写LAME库的编译规则，指定so文件名，以及要编译哪些代码，编译规则内容示例如下：

cmake_minimum_required(VERSION 3.6) # 指定CMake的最低要求版本号
set(target lamemp3) # 设置环境变量的名称（target）及其取值（lamemp3）
project($target) # 指定项目的名称
aux_source_directory(libmp3lame SRC_LIST) # 查找在某个路径下的所有源文件
add_library($target SHARED lame-lib.cpp $SRC_LIST) # 生成动态库（共享库）

4、打开模块的build.gradle，先给android节点补充下面的cmake文件配置：

// 此处指定mk文件的路径
externalNativeBuild 
    // 下面使用cmake方式编译
    cmake 
        path file('src/main/jni/CMakeLists.txt')
    

再给defaultConfig节点补充下面的cmake规则配置：
    externalNativeBuild 
        cmake 
            cppFlags "-frtti -fexceptions"
            cFlags "-DSTDC_HEADERS"
        
        ndkBuild 
            abiFilters "arm64-v8a", "armeabi-v7a"
        
    

完成以上集成步骤之后，依次点击菜单Build→Make module 'audio'，等待编译完成即可在模块目录的build\\intermediates\\cmake\\debug\\obj\\arm64-v8a下面找到liblamemp3.so了。
不过要想让App真正实现MP3转码功能，还得在代码中调用LameUtil类的初始化、转码、写入、关闭等方法。MP3的转换过程又有两种形式，一种是把PCM文件转成MP3文件，另一种是在录音时将原始数据直接转存为MP3文件，也就是边录边转。由于PCM保存着原始音频数据，该格式的文件较大，一次性转成MP3较费时间，因此通常采取边录边转以便提高转换效率。具体而言，则需构建录音线程，在其构造方法中初始化LAME；然后开启录音线程，同时启动MP3转码线程，录音线程由AudioRecord获得原始音频数据，马上转交给MP3转码线程处理；录音结束时，也给MP3转码线程发个停止消息。录音线程的关键代码示例如下：

private File mRecordFile; // 音频文件的保存路径
private int mFrequence = 16000; // 音频的采样频率，单位赫兹
private int mChannel = AudioFormat.CHANNEL_IN_MONO; // 音频的声道类型
private int mFormat = AudioFormat.ENCODING_PCM_16BIT; // 音频的编码格式
private static final int FRAME_COUNT = 160; // 时间周期，单位毫秒

public Mp3RecordTask(Activity act, String filePath, OnRecordListener listener) 
    mRecordFile = new File(filePath);
    // 最后一个参数表示录音质量，取值为0～9。 其中0最好，但转换慢；9是最差。
    LameUtil.init(mFrequence, 1, mFrequence, 32, 5);


// 根据样本数重新计算缓冲区大小
private int calculateBufferSize() 
    // 根据定义好的几个配置，来获取合适的缓冲大小
    int bufferSize = AudioRecord.getMinBufferSize(mFrequence, mChannel, mFormat);
    int bytesPerFrame = 2;
    // 通过样本数重新计算缓冲区大小（能够整除样本数），以便周期性通知
    int frameSize = bufferSize / bytesPerFrame;
    if (frameSize % FRAME_COUNT != 0) 
        frameSize += (FRAME_COUNT - frameSize % FRAME_COUNT);
        bufferSize = frameSize * bytesPerFrame;
    
    return bufferSize;


@Override
public void run() 
    int bufferSize = calculateBufferSize(); // 根据样本数重新计算缓冲区大小
    short[] buffer = new short[bufferSize];
    try 
        // 构建MP3转码线程
        Mp3EncodeTask encodeTask = new Mp3EncodeTask(mRecordFile, bufferSize);
        encodeTask.start(); // 启动MP3转码线程
        // 根据音频配置和缓冲区构建原始音频录制实例
        AudioRecord record = new AudioRecord(MediaRecorder.Audiosource.MIC,
                mFrequence, mChannel, mFormat, bufferSize);
        // 设置需要通知的时间周期
        record.setPositionNotificationPeriod(FRAME_COUNT);
        // 设置录制位置变化的监听器
        record.setRecordPositionUpdateListener(encodeTask, encodeTask.getHandler());
        record.startRecording(); // 开始录制原始音频
        while (!isCancel)  // 没有取消录制，则持续读取缓冲区
            int readSize = record.read(buffer, 0, buffer.length);
            if (readSize > 0) 
                encodeTask.addTask(buffer, readSize); // 添加MP3转码任务
            
        
        record.stop(); // 停止原始音频录制
        encodeTask.sendStopMessage(); // 发送停止消息
     catch (Exception e) 
        e.printStackTrace();
    

启动MP3录音线程很简单，跟启动原始音频录制线程一样，只要下面两行代码就搞定了。

    // 创建一个MP3录制线程，并设置录制事件监听器
    mRecordTask = new Mp3RecordTask(this, mRecordFilePath, this);
    mRecordTask.start(); // 启动MP3录制线程

运行测试App，观察到MP3录音效果如下面两图所示，其中第一张图为MP3录音完成时的截图，第二张图为正在播放MP3时的截图。

 

 

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