在高通的一个文档上提到了安卓10 Audio引入了一个balance性能(因为窃密起因,具体文档名应该也不让贴吧)，文档内容也简略，就提了下设置界面和dumpsys查看值，
那就钻研下这个货色安卓咋实现的及其原理吧。
<!– more –>
[Platform:Android 11]
http://aosp.opersys.com/xref/…
Balance 其实是用于设置左右均衡的，当初手机上立体声喇叭也多起来了，说直观点成果就是设置左右喇叭音量大小的。
另外说下音量均衡这个性能在车机上也有需要，联合前后淡化(Fade)，可实现声场的成果。
为此谷歌引入了AudioControl，通过 setBalanceTowardRight() setFadeTowardFront() 这两个接口来设置左右均衡，前后淡化达到设置声场成果。
相干的材料可看下 https://source.android.google…
不过呢, 这两个接口在HAL层时须要芯片厂商实现, 也就是说芯片厂商可能实现了也可能没实现, 比方高通8155 HAL层就没实现该性能。
1. 设置界面
<center>图1. 左右均衡设置界面</center>
在下面的界面中，把条拖到最右边，则声音齐全调到左侧；同样，把条拖到最左边，则声音齐全调到右侧。
下面拖动条的值目前为[0, 200]，之后会映射到[-1.0f, 1.0f]存到数据库，
从代码上看还做了点贴心的解决, 即在地方 +/- 6 时设为两头的值。
拖动条要害代码:
<code class="java">packages/apps/Settings/src/com/android/settings/accessibility/BalanceSeekBar.java
public void onProgressChanged(SeekBar seekBar, int progress, boolean fromUser) {
if (fromUser) {
// Snap to centre when within the specified threshold
// mSnapThreshold 目前为6, 也就是两头+/-6地位时调为两头
if (progress != mCenter
&& progress > mCenter - mSnapThreshold
&& progress < mCenter + mSnapThreshold) {
progress = mCenter;
seekBar.setProgress(progress); // direct update (fromUser becomes false)
}
// 把0~200映射到 -1.0f~1.0f
final float balance = (progress - mCenter) * 0.01f;
// 最初设置到了数据库里
Settings.System.putFloatForUser(mContext.getContentResolver(),
Settings.System.MASTER_BALANCE, balance, UserHandle.USER_CURRENT);
}
咱们也可间接用命令行调节其值
<code class="shell"># MASTER_BALANCE 定义 # frameworks/base/core/java/android/provider/Settings.java public static final String MASTER_BALANCE = "master_balance"; # 命令行设置 master balance adb shell settings put system master_balance 值 # 命令行获取 master balance adb shell settings get system master_balance
那是谁在接管这个值呢？
2. setMasterBalance()
通过对 MASTER_BALANCE 搜寻，发现其在 AudioService 构造函数里，会new 一个 SettingsObserver 对象，该类专门用于AudioService 监听Settings数据库，当 MASTER_BALANCE 值有变动时，调用 updateMasterBalance() –> AudioSystem.setMasterBalance() 更新，
也就是说其实AudioServer其实也是通过AudioSystem进一步往下设置的。
<code class="java">frameworks/base/services/core/java/com/android/server/audio/AudioService.java
public AudioService(Context context, AudioSystemAdapter audioSystem,
SystemServerAdapter systemServer) {
...
// AudioService 创立 SettingsObserver对象
mSettingsObserver = new SettingsObserver();
private class SettingsObserver extends ContentObserver {
SettingsObserver() {
...
// SettingsObserver 构造函数里对 MASTER_BALANCE 进行监听
mContentResolver.registerContentObserver(Settings.System.getUriFor(
Settings.System.MASTER_BALANCE), false, this);
...
}
@Override
public void onChange(boolean selfChange) {
...
// 当监听的数据有变动时， 调用该函数更新 master balance
// 须要说一下的是当 开机和AudioServer死了重启时也会调该函数设置balance值给AudioFlinger.
updateMasterBalance(mContentResolver);
...
}
private void updateMasterBalance(ContentResolver cr) {
// 获取值
final float masterBalance = System.getFloatForUser(
cr, System.MASTER_BALANCE, 0.f /* default */, UserHandle.USER_CURRENT);
...
// 通过AudioSystem设置上来
if (AudioSystem.setMasterBalance(masterBalance) != 0) {
Log.e(TAG, String.format("setMasterBalance failed for %f", masterBalance));
}
}
AudioSystem最终会设置到AudioFlinger里，这两头的过程比较简单，无非是绕来绕去的一些binder调用，不相熟的就看下我列的流程就行了。
<code class="c++">frameworks/base/media/java/android/media/AudioSystem.java
setMasterBalance()
+ --> JNI
+ android_media_AudioSystem_setMasterBalance() / android_media_AudioSystem.cpp
+ AudioSystem::setMasterBalance(balance)
+ setMasterBalance() / AudioSystem.cpp
+ const sp<IAudioFlinger>& af = AudioSystem::get_audio_flinger();
+ af->setMasterBalance(balance) // 调用AudioFlinger的setMasterBalance
+ setMasterBalance() / AudioFlinger.cpp
+ mPlaybackThreads.valueAt(i)->setMasterBalance(balance);
+ mMasterBalance.store(balance);
在AudioFlinger里，会先进行权限，参数合法性，是否和之前设置雷同等查看，最终通过for循环设置给播放线程，
须要留神的是，duplicating线程被略过了，也就是说 master balance对 duplicating 播放形式有效。
Tips: duplicating为复制播放，罕用于蓝牙和喇叭同时播放铃声。
<code class="cpp">frameworks/av/services/audioflinger/AudioFlinger.cpp
status_t AudioFlinger::setMasterBalance(float balance)
{
... // 权限查看
// check calling permissions
if (!settingsAllowed()) {
... // 参数合法性检查
// check range
if (isnan(balance) || fabs(balance) > 1.f) {
...// 是否和之前的值雷同
// short cut.
if (mMasterBalance == balance) return NO_ERROR;
mMasterBalance = balance;
for (size_t i = 0; i < mPlaybackThreads.size(); i++) {
// 如果是 duplicating的，不解决
if (mPlaybackThreads.valueAt(i)->isDuplicating()) {
continue;
}
// 调用线程的设置办法
mPlaybackThreads.valueAt(i)->setMasterBalance(balance);
}
return NO_ERROR;
}
相熟audio的晓得，Android将playback thread又分为了fast thread, mixer thread, direct thread等线程，以实现疾速，混音，间接offload播放等目标，所以每种播放线程的 setMasterBalance() 以及后续的 balance解决都有可能不一样，咱们这里以典型的 mixer thread为例进行剖析，其余的形式若有用到可本人看看代码。
PlaybackThread 里将该值存了起来，就完结了
<code class="cpp">frameworks/av/services/audioflinger/Threads.cpp
void AudioFlinger::PlaybackThread::setMasterBalance(float balance)
{
mMasterBalance.store(balance);
}
Threads里mMasterBalance定义，为原子类型
frameworks/av/services/audioflinger/Threads.h
std::atomic<float> mMasterBalance{};
mMasterBalance为一原子类型，其存储/读取办法为store()/load()，setMasterBalance()最终用store()将balance值存了起来，要想持续看balance过程就得找找个哪儿在应用该值了。
3. Balance原理
应用mMasterBalance的中央也有好几个，咱们也以PlaybackThread进行剖析，direct形式有须要能够本人看看。
PlaybackThread的threadLoop()是音频解决的一个次要的函数，代码也很长，次要做的工作为 事件处理，筹备音轨，混音，音效链解决，以及咱们这要说的左右均衡解决，最初将数据写入到HAL，别的流程有趣味的能够钻研钻研，本文次要看下balance解决。
<code class="cpp">bool AudioFlinger::PlaybackThread::threadLoop()
{...// 循环解决，始终到线程须要退出
for (int64_t loopCount = 0; !exitPending(); ++loopCount)
{...// 事件处理
processConfigEvents_l();
...// 筹备音轨
mMixerStatus = prepareTracks_l(&tracksToRemove);
...// 混音
threadLoop_mix();
...// 音效链解决
effectChains[i]->process_l();
...// 左右均衡解决
if (!hasFastMixer()) {
// Balance must take effect after mono conversion.
// We do it here if there is no FastMixer.
// mBalance detects zero balance within the class for speed (not needed here).
// 读取balance值并通过setBalance()办法赋给audio_utils::Balance
mBalance.setBalance(mMasterBalance.load());
// 对buffer进行均衡解决
mBalance.process((float *)mEffectBuffer, mNormalFrameCount);
}
...// 将解决完的数据写入到HAL
ret = threadLoop_write();
...
}
...
}
mBalance 定义
frameworks/av/services/audioflinger/Threads.h
audio_utils::Balance mBalance;
从下面代码看到，如果线程里有Fast Mixer的话，那么不会做均衡解决，而后引进了个新类 audio_utils::Balance 专门进行均衡解决，无关的办法为 setBalance() process(), 从直觉上感觉看了 process()函数就能明确其原理了，那咱们就先看下该函数。
<code class="cpp">system/media/audio_utils/Balance.cpp
void Balance::process(float *buffer, size_t frames)
{
// 值在两头和单声道不做解决
if (mBalance == 0.f || mChannelCount < 2) {
return;
}
if (mRamp) {
... // ramp解决
// ramped balance
for (size_t i = 0; i < frames; ++i) {
const float findex = i;
for (size_t j = 0; j < mChannelCount; ++j) { // better precision: delta * i
// 扭转balance后首次调process会进行ramp解决
*buffer++ *= mRampVolumes[j] + mDeltas[j] * findex;
}
}
...
}
// 非ramp形式解决
// non-ramped balance
for (size_t i = 0; i < frames; ++i) {
for (size_t j = 0; j < mChannelCount; ++j) {
// 对传入的buffer每个声道乘以某个系数
*buffer++ *= mVolumes[j];
}
}
}
process() 中对balance在两头和单声道状况都不做解决，而后又分为了ramp和非ramp形式，这两个形式都是对传入的buffer每个声道都乘以了某个系数。咱们次要是关怀非ramp形式 *buffer++ *= mVolumes[j]; , 接下来就看下其 mVolumes[j]，即左右声道系数是多少？
为了搞清楚其mVolumes的值，须要回头再看下其 setBalance() 办法，
<code class="cpp">system/media/audio_utils/Balance.cpp
void Balance::setBalance(float balance)
{...// 有效性查看，代码略过
// 单声道不解决
if (mChannelCount < 2) { // if channel count is 1, mVolumes[0] is already set to 1.f
return; // and if channel count < 2, we don't do anything in process().
}
// 常见的双声道形式解决
// Handle the common cases:
// stereo and channel index masks only affect the first two channels as left and right.
if (mChannelMask == AUDIO_CHANNEL_OUT_STEREO
|| audio_channel_mask_get_representation(mChannelMask)
== AUDIO_CHANNEL_REPRESENTATION_INDEX) {
// 计算左右声道均衡系数
computeStereoBalance(balance, &mVolumes[0], &mVolumes[1]);
return;
}
// 声道大于2 解决
// For position masks with more than 2 channels, we consider which side the
// speaker position is on to figure the volume used.
float balanceVolumes[3]; // left, right, center
// 计算左右声道均衡系数
computeStereoBalance(balance, &balanceVolumes[0], &balanceVolumes[1]);
// 两头固定
balanceVolumes[2] = 1.f; // center TODO: consider center scaling.
for (size_t i = 0; i < mVolumes.size(); ++i) {
mVolumes[i] = balanceVolumes[mSides[i]];
}
}
setBalance()里对单声道，双声道，多声道进行了解决，其中单声道系数固定为1.f；双声道和多声道都会调用 computeStereoBalance() 计算其左右均衡系数；多声道目前应该还没做好，其中间为固定值1.f。
终于来到了要害的左右声道系数计算函数了！
<code class="cpp">void Balance::computeStereoBalance(float balance, float *left, float *right) const
{
if (balance > 0.f) {
// balance往右状况
*left = mCurve(1.f - balance);
*right = 1.f;
} else if (balance < 0.f) {
// balance往左状况
*left = 1.f;
*right = mCurve(1.f + balance);
} else {
// balance在两头
*left = 1.f;
*right = 1.f;
}
// Functionally:
// *left = balance > 0.f ? mCurve(1.f - balance) : 1.f;
// *right = balance < 0.f ? mCurve(1.f + balance) : 1.f;
}
计数系数时：
balance往右，右声道固定1.f, 左声道为 mCurve(1.f – balance);
balance往左，左声道固定1.f, 右声道为 mCurve(1.f – balance);
也就是说，
balance往哪边，哪边的音量固定为1.f，另一边乘以系数 mCurve(1.f – |balance|) (balance∈[-1.0, 1.0])
接下来持续看下mCurve曲线，
<code class="cpp">system/media/audio_utils/include/audio_utils/Balance.h
class Balance {
public:
/**
* \brief Balance processing of left-right volume on audio data.
*
* Allows processing of audio data with a single balance parameter from [-1, 1].
* For efficiency, the class caches balance and channel mask data between calls;
* hence, use by multiple threads will require caller locking.
*
* \param ramp whether to ramp volume or not.
* \param curve a monotonic increasing function f: [0, 1] -> [a, b]
* which represents the volume steps from an input domain of [0, 1] to
* an output range [a, b] (ostensibly also from 0 to 1).
* If [a, b] is not [0, 1], it is normalized to [0, 1].
* Curve is typically a convex function, some possible examples:
* [](float x) { return expf(2.f * x); }
* or
* [](float x) { return x * (x + 0.2f); }
*/
explicit Balance(
bool ramp = true,
std::function<float(float)> curve = [](float x) { return x * (x + 0.2f); }) // 曲线函数
: mRamp(ramp)
, mCurve(normalize(std::move(curve))) { } // mCurve做了normalize解决
// mCurve 定义
const std::function<float(float)> mCurve; // monotone volume transfer func [0, 1] -> [0, 1]
其实其函数正文里都写得很分明了，我也贴出了正文局部，mCurve是一个function, 并做了归一化解决，让其区间和值都落在[0, 1]上，该function为一个枯燥递增的函数，目前采纳的是 x * (x + 0.2f), 当然你也能够采纳别的函数。
normalize 是一个模板，其正文也写得很分明了，可看下，
<code class="cpp"> /**
* \brief Normalizes f: [0, 1] -> [a, b] to g: [0, 1] -> [0, 1].
*
* A helper function to normalize a float volume function.
* g(0) is exactly zero, but g(1) may not necessarily be 1 since we
* use reciprocal multiplication instead of division to scale.
*
* \param f a function from [0, 1] -> [a, b]
* \return g a function from [0, 1] -> [0, 1] as a linear function of f.
*/
template<typename T>
static std::function<T(T)> normalize(std::function<T(T)> f) {
const T f0 = f(0);
const T r = T(1) / (f(1) - f0); // reciprocal multiplication
if (f0 != T(0) || // must be exactly 0 at 0, since we promise g(0) == 0
fabs(r - T(1)) > std::numeric_limits<T>::epsilon() * 3) { // some fudge allowed on r.
// 咱们采纳的函数x * (x + 0.2f)，fabs(r - T(1)) > .. 为true, 会进到这里来
return [f, f0, r](T x) { return r * (f(x) - f0); };
}
// no translation required.
return f;
}
咱们采纳的函数满足 fabs(r - T(1)) > std::numeric_limits<T>::epsilon() * 3 条件，所以也会做归一化解决，即采纳 r * (f(x) - f0)， 联合起来，mCurve 曲线数学形容为
$$
f(x) = x^2 + 0.2 \times x; \\
mCurve(x) = {\frac{1.0}{f(1)-f(0)}} \times {(f(x)-f(0))} = {\frac{1.0}{1.2} \times f(x)}
$$
也即
$$
\mathbf{mCurve(x) = {\frac{(x^2 + 0.2x)}{1.2}}, x\in[0.0, 1.0], y\in[0.0, 1.0]}
$$
1.2 为归一化系数。
$ mCurve(1.f – |balance|), balance\in[-1.0, 1.0] $ 可用如下图示意:
<center>图2. Balance曲线图</center>
该图如果显示有问题，也用在线matlab查看，关上上面的网址，而后输出上面的内容
https://octave-online.net/
x = [-1 : 0.1: 1];
z = 1 - abs(x)
y = (z.^2 + 0.2 * z)/1.2;
plot(x, y, 'r')
xlabel('balance')
ylabel('Y')
title('Balance Curve')
至此，其调节左右均衡的原理算是搞清楚了。
4. 调试
除后面提到的用命令行 adb shell settings put system master_balance 扭转其值外，咱们还能够dump看其是否失效
<code class="shell">$ adb shell dumpsys media.audio_flinger // mixer类型的某个线程 Output thread 0x7c19757740, name AudioOut_D, tid 1718, type 0 (MIXER): ... Thread throttle time (msecs): 6646 AudioMixer tracks: Master mono: off // balance值 Master balance: 0.500000 (balance 0.5 channelCount 2 volumes: 0.291667 1) // Offload (direct)类型的某个线程 Output thread 0x7c184b3000, name AudioOut_20D, tid 10903, type 4 (OFFLOAD): ... Suspended frames: 0 Hal stream dump: // balance值 Master balance: 0.500000 Left: 0.291667 Right: 1.000000
5. 总结
- UI设置界面只是个数据存储的过程，其值进行转换到[-1.0, 1.0]并通过数据库存储，java层audio服务监听到该值变动后通过 setMasterBalance() 接口最终存储到AudioFlinger非复制形式的播放线程中；
- 对于不含fast mixer的播放线程，会在threadLoop()里进行均衡的解决;
- 均衡解决的原理也很简略，balance往哪边，哪边声道不变，对另一边声道乘以个系数(降音, mCurve(1-|balance|))，对非ramp形式该系数生成是个二次方的枯燥函数并归一化到[0,1]， 目前为 $ mCurve(x) = x*(x+0.2)/1.2 $ 。
转载请注明原文链接：Android-11-balance-流程及原理
