Android 音频可视化，Android学习笔记在互联网上火了

Android Visualizer

系统 Visualizer 提供了方便的 api 来获取播放音频的波形或 FFT 数据，一般使用方式是：

1. 用 audio session ID 创建 Visualizer对象，传 0 可获取混音后的可视化数据，传特定播放器或 AudioTrack 所使用的 audio session 的 ID，可获取它们所播放音频的可视化数据
2. 调 setCaptureSize 方法设置每次获取的数据大小，调 setDataCaptureListener 方法设置数据回调并指定获取数据频率（即回调频率）和数据类型（波形或 FFT）
3. 调 setEnabled 方法开始获取数据，不再需要时调 release 方法释放资源

更详细的 api 信息可查看官方文档。

系统 Visualizer 输出的数据大小正比于音量，当音量为 0 时，输出也为 0，可视化效果会随音量变化。

使用系统 Visualizer 存在兼容性问题，在有些机型上会导致系统音效失效，如要在所有机型上都能无副作用地展示动效，需要实现自定义 Visualizer。

自定义 Visualizer

作为跟系统 Visualizer 功能一致的数据源，自定义 Visualizer 需具备两个功能：

• 获取 pcm 数据，计算 FFT
• 以指定频率和大小发送 FFT 数据

实现第一个功能首先要获取播放音频的 pcm 数据，这要求使用的播放器能够提供 pcm 数据，我们的播放器是自己实现的，能够满足这个要求。我们对播放器进行了扩展，增加了收集解码后的 pcm 数据计算 FFT 的功能。

由于不同音频采样率不同，而计算 FFT 时采用固定的窗口大小，导致 FFT 计算结果回调频率随播放音频改变，同时指定的数据大小可能跟计算结果的大小不同，因此要实现第二个功能，需要对计算结果做固定频率和采样等处理。

另外，我们的播放器在播放进程中运行，而实际使用 FFT 数据的动效页面运行于主进程中，所以还需要跨进程传输数据。

综上，自定义 Visualizer 的整体流程是：在播放进程 native 层中计算 FFT，通过 JNI 调用，把计算结果回调给Java 层，然后通过 AIDL 把 FFT 数据传递给主进程进行后续的数据处理和发送操作。如下图所示：

固定频率需要将可变的 FFT 计算结果回调频率转换为外部设置的 Visualizer 回调频率，如下图所示：

根据所需数据发送时间间隔和 FFT 回调时间间隔差值的不同，我们采用两种不同的方式。

当时间间隔差值小于等于回调时间间隔时，每 t/Δtt/ \Delta tt/Δt 次回调丢弃一次数据，其中 t 为 FFT 回调时间间隔，Δt\Delta tΔt 为时间间隔差值，如下图所示：

当时间间隔差值大于回调时间间隔时，每 t1/tt1/tt1/t 次回调发送一次数据，其中 t1 为所需数据发送时间间隔，t 为 FFT 回调时间间隔，如下图所示：

采样就是当外部设置的数据大小小于 FFT 计算结果的数据大小时，对原始 FFT 数据以合适的间隔抽取数据，以满足设置的要求。

为了让自定义 Visualizer 返回数据的取值范围跟系统 Visualizer 一致，从而实现数据源无缝切换，我们需要对 FFT 数据进行缩放。这里就需要用到前面提到的模与振幅的计算了，解码所得 pcm 数据的取值范围为 [-1, 1]，所以原始信号振幅取值范围为 [0, 1]，即 2M/N2M/N2M/N 的取值范围为 [0, 1]（绘制时不会用到直流分量，这里不考虑）；而系统 Visualizer 返回的 FFT 数据是一个 byte 数组，实部和虚部的取值范围为 [-128, 128]，模的取值范围为 [0,128×2][0, 128 \times \sqrt2][0,128×2​]，那么 2M/N×128×22M/N \times 128 \times \sqrt22M/N×128×2​ 的取值范围跟系统 Visualizer 输出 FFT 的模的取值范围一致。由于绘制不会用到相位信息，我们可以将用上述方式缩放后的值作

为输出 FFT 数据的实部，并把虚部设为 0。

由于数据发送的频率较高，为了避免频繁创建对象导致内存抖动，我们采用对象池来保存数据数组对象，每次从对象池中获取所需大小的数组对象，填充采样数据后加入到队列中等待发送，数据消费完后将数组对象返回到对象池中。

数据处理

不同动效的具体数据处理方式不同，忽略细节上的差异，云音乐现有的动效中，除了宇宙尘埃和孤独星球，其他的处理流程基本一致，如下图所示：

首先根据动效选择的频率范围计算所需的频率数据在 FFT 数组中的索引位置：

fr=fs/N,start=⌈MIN/fr⌉,end=⌊MAX/fr⌋f_r=f_s/N, start=\lceil MIN/f_r \rceil, end=\lfloor MAX/f_r \rfloorfr​=fs​/N,start=⌈MIN/fr​⌉,end=⌊MAX/fr​⌋

其中 fsf_sfs​ 为采样率，N 为 FFT 窗口大小，frf_rfr​ 为频率分辨率，MIN 为频率范围起始值，MAX 为频率范围结束值。

然后根据动效所需数据点数，对频率范围内的 FFT 数据进行采样或用一个 FFT 数据表示多个数据点。

然后计算分贝：

db=20log⁡10Mdb=20\log_{10}Mdb=20log10​M

其中 M 为 FFT 数据的模。

然后将分贝转化为高度：

h=db/MAX_DB⋅maxHeighth=db/MAX\_DB \cdot maxHeighth=db/MAX_DB⋅maxHeight

其中 MAX_DB 是预设的分贝最大值，maxHeight 是当前动效要求的最大高度。

最后对计算出的高度做数据上的平滑处理。

平滑

对最终用来绘制的数据做平滑处理，可以得到更柔和的曲线，达到更好的视觉效果，如下图所示：

数据平滑算法有很多，我们综合考虑效果和计算复杂度选择了 Savitzky–Golay 滤波法，其计算方式如下，对应的窗口大小分别为5、7 和 9，可以按需选择不同的窗口大小。

Yi=135(−3yi−2+12yi−1+17yi+12yi+1−3yi+2)Y_i={1 \over 35}(-3y_{i-2}+12y_{i-1}+17y_i+12y_{i+1}-3y_{i+2})Yi​=351​(−3yi−2​+12yi−1​+17yi​+12yi+1​−3yi+2​)

Yi=121(−2yi−3+3yi−2+6yi−1+7yi+6yi+1+3yi+2−2yi+3)Y_i={1 \over 21}(-2y_{i-3}+3y_{i-2}+6y_{i-1}+7y_i+6y_{i+1}+3y_{i+2}-2y_{i+3})Yi​=211​(−2yi−3​+3yi−2​+6yi−1​+7yi​+6yi+1​+3yi+2​−2yi+3​)

Yi=1231(−21yi−4+14yi−3+39yi−2+54yi−1+59yi+54yi+1+39yi+2+14yi+3−21yi+4)Y_i={1 \over 231}(-21y_{i-4}+14y_{i-3}+39y_{i-2}+54y_{i-1}+59y_i+54y_{i+1}+39y_{i+2}+14y_{i+3}-21y_{i+4})Yi​=2311​(−21yi−4​+14yi−3​+39yi−2​+54yi−1​+59yi​+54yi+1​+39yi+2​+14yi+3​−21yi+4​)

经过平滑处理后数据的变化如下图所示：

BufferQueue

有些动效的数据处理计算比较复杂，为提升并行性，减少主线程耗时，我们借鉴系统图形框架中 BufferQueue 的思想，实现了一个简单的承载动效绘制数据，连接数据处理和绘制的 BufferQueue，其工作过程如下图所示：

处理计算比较复杂，为提升并行性，减少主线程耗时，我们借鉴系统图形框架中 BufferQueue 的思想，实现了一个简单的承载动效绘制数据，连接数据处理和绘制的 BufferQueue，其工作过程如下图所示：