Windows下Core Audio APIs的使用简介

Windows Vista 以后系统，音频系统相比以前的系统有很大的变化，产生了一套新的底层 API 即 Core Audio APIs 。该低层 API 为高层 API( 如 Media Foundation( 将要取代DirectShow 等高层 API) 等 ) 提供服务。该系统API具备低延迟、高可靠性、安全性等特色。

本文主要从实时音视频场景中，简单介绍该API的使用。

Core Audio APIs 的组成：MMDevice、EndpointVolume、WASAPI等。对于实时音视频系统，主要用到的是MMDevice及EndpointVolume这两套API。其在系统中的位置以下图：

我对实时音视频中音频设备的使用简单的分为：

一、设备列表管理

二、设备初始化

三、设备功能管理

四、数据交互

五、音量管理

六、设备终端监听

接下来为你们介绍相关功能的实现：

一、设备列表管理

音频设备的管理，由MMDevice API来实现。

首先咱们要建立一个IMMDeviceEnumerator对象来开始相关功能的调用。

IMMDeviceEnumerator* ptrEnumerator;
CoCreateInstance(__uuidof(MMDeviceEnumerator), NULL, CLSCTX_ALL,                    __uuidof(IMMDeviceEnumerator),                    reinterpret_cast<void**>(&ptrEnumerator));

并经过IMMDeviceEnumerator能够实现：获取系统默认设备GetDefaultAudioEndpoint、获取设备集合IMMDeviceCollection、获取指定设备GetDevice、注册设备监听IMMNotificationClient（监听设备插拔及状态变动）。复制代码

经过这些方法，咱们能获得系统默认设备、遍历设备列表、打开指定设备并监听设备变动。这样就实现了实时音视频中的设备管理相关的功能。

二、设备初始化

音频设备的启动是整个音频模块的可靠性的重要节点。根据设备类型和设备数据捕获方式，咱们可分为3类设备：麦克风采集、扬声器播放、扬声器采集。

首先咱们须要一个IMMDevice对象，能够在设备管理的相关功能中获取。

IMMDevice* pDevice;
//GetDefault
ptrEnumerator->GetDefaultAudioEndpoint((EDataFlow)dir,                                              (ERole)role/* eCommunications */,                                              &pDevice);
//Get by path
ptrEnumerator->GetDevice(device_path, &pDevice);
//GetIndex
pCollection->Item(index, &pDevice);复制代码

再经过IMMDevice获得IAudioClient，设备的格式设置及初始化经过IAudioClient对象实现。通常都以共享模式打开，其中麦克风采集及扬声器播使用事件驱动方式处理数据，而扬声器采集以回环的方式驱动处理数据。简单示例以下：

//mic capturer
ptrClient->Initialize(
AUDCLNT_SHAREMODE_SHARED,
AUDCLNT_STREAMFLAGS_EVENTCALLBACK |  
AUDCLNT_STREAMFLAGS_NOPERSIST, 
0, 
0,  
 (WAVEFORMATEX*)&Wfx,
NULL); 
//playout render
ptrClient->Initialize(
AUDCLNT_SHAREMODE_SHARED,
AUDCLNT_STREAMFLAGS_EVENTCALLBACK, 
0, 
0,  
 (WAVEFORMATEX*)&Wfx,
NULL); 
//playout capturer
ptrClient->Initialize(
AUDCLNT_SHAREMODE_SHARED,
AUDCLNT_STREAMFLAGS_LOOPBACK, 
0, 
0,  
 (WAVEFORMATEX*)&Wfx,
NULL); 复制代码

其中Wfx是设备格式参数，通常为了保证设备的可用性，使用默认格式（经过IAudioClient::GetMixFormat获取），若是须要使用自定义格式，能够经过IAudioClient::IsFormatSupported方法去遍历尝试设备支持格式。

三、设备功能管理

针对麦克风设备，咱们一般须要对其进行数据处理。部分硬件设备和系统支持自带的降噪、增益、消回音等功能。可是通常windows系统下设备比较繁杂不可控，大都使用软件算法处理。若是咱们须要检测设备是否使用了自带的处理功能及相关参数，须要使用Topology模块的功能。

IDeviceTopology* pTopo;
pDevice->Activate(__uuidof(IDeviceTopology), CLSCTX_INPROC_SERVER, 0,&pTopo);复制代码

经过IDeviceTopology，咱们可以遍历IConnector对象，得到IAudioAutoGainControl、IAudioVolumeLevel等能力对象，并处理相关能力。

注意：IConnector多是循环嵌套，在遍历IConnector的IPart时须要判别成员对象IPart的类型。

四、数据交互

在设备初始化的时候，咱们就根据不一样的设备选择了不一样的模式进行了启动。不一样的设备在各自的模式下，数据驱动也各有不一样：

麦克风采集：

扬声器播放：

扬声器采集：

在和设备进行数据交互时，咱们须要根据数据获取模式，获取对应的服务对象来获取设备数据。其中采集部分使用IAudioCaptureClient服务用于获取设备数据，播放使用IAudioRenderClient服务获取设备数据传入指针。示例以下：

//capturer
IAudioCaptureClient* ptrCaptureClient;//audioin or audioout
ptrClient->GetService(__uuidof(IAudioCaptureClient), (void**)&ptrCaptureClient);
{//work thread 
   	//Wait Event
	ptrCaptureClient->GetBuffer(
	&pData,            // packet which is ready to be read by used
	&framesAvailable,  // #frames in the captured packet (can be zero)
	&flags,            // support flags (check)
	&recPos,    // device position of first audio frame in data packet
	&recTime);  // value of performance counter at the time of recording
	//pData processing
	ptrCaptureClient->ReleaseBuffer(framesAvailable);
} 
//render
IAudioRenderClient* ptrRenderClient;//audioout
ptrClient->GetService(__uuidof(IAudioRenderClient), (void**)&ptrRenderClient);
{//work thread 
        	BYTE* pData;//form buffer  
        	UINT32 bufferLength = 0;
        	ptrClient->GetBufferSize(&bufferLength);
        	UINT32 playBlockSize = nSamplesPerSec / 100;
        	//Wait Event
        	UINT32 padding = 0;
        	ptrClient->GetCurrentPadding(&padding);
        	if (bufferLength - padding > playBlockSize)
        	{
            		ptrRenderClient->GetBuffer(playBlockSize, &pData);
			//request and getdata
			ptrCaptureClient->ReleaseBuffer(playBlockSize, 0);
		}
} 复制代码

在实际的数据交互中，须要另开单独线程处理GetBuffer及ReleaseBuffer。其中麦克风采集及扬声器播放时，都是经过设备事件驱动，能够在设备初始化完成后设置响应的事件句柄（IAudioClient::SetEventHandle）。

在整个音视频系统中，设备数据线程还须要统计数据处理时长、采集播放缓存大小等，用户监听检查设备状态及aec延迟计算。

五、音量管理

通常音量管理只在设备选定后处理当前设备的音量，因此通常使用IAudioEndpointVolume，该对象经过设备对象IMMDevice获取：

IAudioEndpointVolume* pVolume;
pDevice->Activate(__uuidof(IAudioEndpointVolume), CLSCTX_ALL, NULL,                           reinterpret_cast<void**>(&pVolume));复制代码

获得IAudioEndpointVolume对象后，咱们能处理当前设备的音量控制：

pVolume->GetMasterVolumeLevelScalar(&fLevel);
pVolume->SetMasterVolumeLevelScalar(fLevel, NULL);复制代码

静音控制：

BOOL mute;
pVolume->GetMute(&mute);
pVolume->SetMute(mute, NULL);复制代码

以及注册IAudioEndpointVolumeCallback监听音量状态：

IAudioEndpointVolumeCallback* cbSessionVolume;//need to do
pVolume->RegisterControlChangeNotify(cbSessionVolume);复制代码

六、设备终端监听

在运行过程当中除了设备的插拔等操做，还可能有一些属性变动等，通常用IAudioSessionEvents监听：

IAudioSessionControl* ptrSessionControl;
ptrClient->GetService(__uuidof(IAudioSessionControl), (void**)&ptrSessionControl);
IAudioSessionEvents* notify;
ptrSessionControl->RegisterAudioSessionNotification(notify);复制代码

该回调监听，能监听该设备的链接工做状态，名称变动等。

一些注意事项：

一、线程优先级

在实际的工程开发过程当中，咱们须要对音频线程的工做线程进行处理。一般经过调用系统模块Avrt.dll，动态调用其下的函数，将调用线程与指定任务（Pro Audio）相关联。上代码：

函数绑定：

avrt_module_ = LoadLibrary(TEXT("Avrt.dll"));
if (avrt_module_)
{
	_PAvRevertMmThreadCharacteristics = (PAvRevertMmThreadCharacteristics)GetProcAddress(avrt_module_, "AvRevertMmThreadCharacteristics");
	_PAvSetMmThreadCharacteristicsA = (PAvSetMmThreadCharacteristicsA)GetProcAddress(avrt_module_, "AvSetMmThreadCharacteristicsA");
	_PAvSetMmThreadPriority = (PAvSetMmThreadPriority)GetProcAddress(avrt_module_, "AvSetMmThreadPriority");
}复制代码

在实际的数据处理线程关联：

hMmTask_ = _PAvSetMmThreadCharacteristicsA("Pro Audio", &taskIndex);
if (hMmTask_)
{
	_PAvSetMmThreadPriority(hMmTask_, AVRT_PRIORITY_CRITICAL);
}复制代码

经过任务绑定，能有效的提高音频数据处理线程的可靠性。

二、工做线程

设备的相关初始化和释放操做，须要在统一的线程处理，部分系统com对象在释放时须要在建立线程释放，否则可能致使释放崩溃。而一些音量选择、监听等的处理能够在用户线程处理，但须要作好多线程安全。

三、设备格式选择

在设备的采样率、声道等格式选择时，若是须要使用自定义的格式，可能出现格式匹配失败或者选择匹配的格式后设备初始化失败的场景。一般此类场景下直接使用默认格式启动。

四、数据处理异常

在数据处理线程处理音频数据时，一般会出现事件响应超时、设备对象异常等状况。一般的处理方法是，先退出数据线程并结束设备，而后检查当前设备是否正常功能，而后从新启动当前设备或选用默认设备。