前言
從事音樂相關的app開發也已經有一段時日了，在這過程中app的播放器幾經修改我也是以對于iOS下的音頻播放實作有了一定的研究。寫這個系列的部落格目的一方面希望能夠抛磚引玉，另一方面也是希望能幫助國内其他的iOS開發者和愛好者少走彎路（我自己就遇到了不少的坑=。=）。
本篇為《iOS音頻播放》系列的第一篇，主要将對iOS下實作音頻播放的方法進行概述。
基礎
先來簡單了解一下一些基礎的音頻知識。
目前我們在計算機上進行音頻播放都需要依賴于音頻檔案，音頻檔案的生成過程是将聲音資訊采樣、量化和編碼産生的數字信号的過程，人耳所能聽到的聲音，最低的頻率是從20Hz起一直到最高頻率20KHZ，是以音頻檔案格式的最大帶寬是20KHZ。根據奈奎斯特的理論，隻有采樣頻率高于聲音信号最高頻率的兩倍時，才能把數字信号表示的聲音還原成為原來的聲音，是以音頻檔案的采樣率一般在40~50KHZ，比如最常見的CD音質采樣率44.1KHZ。
對聲音進行采樣、量化過程被稱為脈沖編碼調制（Pulse Code Modulation），簡稱
PCM
。PCM資料是最原始的音頻資料完全無損，是以PCM資料雖然音質優秀但體積龐大，為了解決這個問題先後誕生了一系列的音頻格式，這些音頻格式運用不同的方法對音頻資料進行壓縮，其中有無損壓縮（ALAC、APE、FLAC）和有損壓縮（MP3、AAC、OGG、WMA）兩種。
目前最為常用的音頻格式是MP3，MP3是一種有損壓縮的音頻格式，設計這種格式的目的就是為了大幅度的減小音頻的資料量，它舍棄PCM音頻資料中人類聽覺不敏感的部分，從下面的比較圖我們可以明顯的看到MP3資料相比PCM資料明顯矮了一截（圖檔引自imp3論壇）。
上圖為pcm資料
上圖為mp3資料
MP3格式中的碼率（BitRate）代表了MP3資料的壓縮品質，現在常用的碼率有128kbit/s、160kbit/s、320kbit/s等等，這個值越高聲音品質也就越高。MP3編碼方式常用的有兩種固定碼率(Constant bitrate，CBR)和可變碼率(Variable bitrate，VBR)。
MP3格式中的資料通常由兩部分組成，一部分為ID3用來存儲歌名、演唱者、專輯、音軌數等資訊，另一部分為音頻資料。音頻資料部分以幀(frame)為機關存儲，每個音頻都有自己的幀頭，如圖所示就是一個MP3檔案幀結構圖（圖檔同樣來自網際網路）。MP3中的每一個幀都有自己的幀頭，其中存儲了碼率、采樣率等解碼必須的資訊，是以每一個幀都可以獨立于檔案存在和播放，這個特性加上高壓縮比使得MP3檔案成為了音頻流播放的主流格式。幀頭之後存儲着音頻資料，這些音頻資料是若幹個PCM資料幀經過壓縮算法壓縮得到的，對CBR的MP3資料來說每個幀中包含的PCM資料幀是固定的，而VBR是可變的。
iOS音頻播放概述
了解了基礎概念之後我們就可以列出一個經典的音頻播放流程（以MP3為例）：
- 讀取MP3檔案
- 解析采樣率、碼率、時長等資訊，分離MP3中的音頻幀
- 對分離出來的音頻幀解碼得到PCM資料
- 對PCM資料進行音效處理（均衡器、混響器等，非必須）
- 把PCM資料解碼成音頻信号
- 把音頻信号交給硬體播放
- 重複1-6步直到播放完成
在iOS系統中apple對上述的流程進行了封裝并提供了不同層次的接口（圖檔引自官方文檔）。
CoreAudio的接口層次
下面對其中的中高層接口進行功能說明：
- Audio File Services：讀寫音頻資料，可以完成播放流程中的第2步；
- Audio File Stream Services：對音頻進行解碼，可以完成播放流程中的第2步；
- Audio Converter services：音頻資料轉換，可以完成播放流程中的第3步；
- Audio Processing Graph Services：音效處理子產品，可以完成播放流程中的第4步；
- Audio Unit Services：播放音頻資料：可以完成播放流程中的第5步、第6步；
- Extended Audio File Services：Audio File Services和Audio Converter services的結合體；
- AVAudioPlayer/AVPlayer(AVFoundation)：進階接口，可以完成整個音頻播放的過程（包括本地檔案和網絡流播放，第4步除外）；
- Audio Queue Services：進階接口，可以進行錄音和播放，可以完成播放流程中的第3、5、6步；
- OpenAL：用于遊戲音頻播放，暫不讨論
可以看到apple提供的接口類型非常豐富，可以滿足各種類别類需求：
- 如果你隻是想實作音頻的播放，沒有其他需求AVFoundation會很好的滿足你的需求。它的接口使用簡單、不用關心其中的細節；
- 如果你的app需要對音頻進行流播放并且同時存儲，那麼AudioFileStreamer加AudioQueue能夠幫到你，你可以先把音頻資料下載下傳到本地，一邊下載下傳一邊用NSFileHandler等接口讀取本地音頻檔案并交給AudioFileStreamer或者AudioFile解析分離音頻幀，分離出來的音頻幀可以送給AudioQueue進行解碼和播放。如果是本地檔案直接讀取檔案解析即可。（這兩個都是比較直接的做法，這類需求也可以用AVFoundation+本地server的方式實作，AVAudioPlayer會把請求發送給本地server，由本地server轉發出去，擷取資料後在本地server中存儲并轉送給AVAudioPlayer。另一個比較trick的做法是先把音頻下載下傳到檔案中，在下載下傳到一定量的資料後把檔案路徑給AVAudioPlayer播放，當然這種做法在音頻seek後就回有問題了。）；
- 如果你正在開發一個專業的音樂播放軟體，需要對音頻施加音效（均衡器、混響器），那麼除了資料的讀取和解析以外還需要用到AudioConverter來把音頻資料轉換成PCM資料，再由AudioUnit+AUGraph來進行音效處理和播放（但目前多數帶音效的app都是自己開發音效子產品來坐PCM資料的處理，這部分功能自行開發在自定義性和擴充性上會比較強一些。PCM資料通過音效器處理完成後就可以使用AudioUnit播放了，當然AudioQueue也支援直接使對PCM資料進行播放。）。下圖描述的就是使用AudioFile + AudioConverter + AudioUnit進行音頻播放的流程（圖檔引自官方文檔）。
下篇預告
下一篇将講述iOS音頻播放中必須面對的難（da）題（keng），AudioSession。
參考資料
音頻檔案格式
脈沖編碼調制
采樣率
奈奎斯特頻率
MP3
ID3
Core Audio Essential
Common Tasks in OS X