探索iOS之AudioUnit音效框架

iOS的AVAudioUnit提供的音效包括：混响、延迟、均衡器、失真、变速、变调等。按照类型划分为Audio Effect和Time Effect，其中Audio Effect包括混响、延迟、均衡器和失真，而Time Effect主要是变速、变调。

一、音效应用层框架

音效的应用层框架以AVAudioUnit作为核心抽象类，如下图所示：

二、音效HAL层

1、音效与HAL层关系图

音效的HAL硬件抽象层属于CoreAudio框架，而AUHAL即AudioUnit的HAL层，用于连接I/O Kit与Mixer Unit的桥梁。如下图所示：

2、音效HAL层核心类

音效硬件抽象层的相关头文件如下：

AUComponent.h: 定义AudioUnit类型.
AudioComponent.h: 定义音频组件的接口.
AudioOutputUnit.h: 定义输出单元开关的接口.
AudioUnit.h: 涵盖AudioUnit框架类.
AudioUnitParameters.h: 预定义AudioUnit的参数常量.
AudioUnitProperties.h: 预定义AudioUnit的属性类型.

三、Audio Effect

1、均衡器

AVAudioUnitEQ均衡器提供EQ滤波器参数，用于设置频率、增益、滤波器类型，具体如下：

bandwidth：均衡器频宽，范围[0.05, 5.0]
bypass：频带的触发状态，true代表激活
filterType：滤波器类型，包括lowPass、highPass、bandPass等
frequency：频率，有效值为20Hz～采样率/2
gain：默认为0 dB，范围[-96 dB, 24 dB]

2、失真

AVAudioUnitDistortion失真可以设置预失真、干湿比。干湿比指的是干声音和湿声音的比例，干声音代表直达声，湿声音代表反射声。具体如下：

pregain：失真前的增益，默认-6 dB，范围[-80 dB, 20 dB]
wetDryMix：干湿比，默认50%，范围[0%, 100%]

3、延迟

AVAudioUnitDelay延迟可以实现回声效果，可设置参数包括延迟时间、衰减系数等，具体如下：

delayTime：延迟时间，默认为1s，范围[0, 2]
feedback：衰减系数，默认为50%，范围[-100%, 100%]
lowPassCutoff：低通截断，默认为15000Hz，范围为10Hz～采样率/2
wetDryMix：干湿比，默认100%，范围[0, 100]，0代表全为干声音

4、混响

AVAudioUnitReverb混响可以增强音质，混响支持preset预设环境，具体如下：

smallRoom：小房间
mediumRoom：中房间
largeRoom：大房间
mediaHall：中走廊
largeHall：大走廊
plate：平面
mediaChamber：中会议厅
largeChamber：大会议厅
cathedral：大教堂

四、Time Effect

iOS音频底层提供音质较好的变速变调、变速不变调。而Android往往要依赖第三方库SoundTouch或Sonic实现变速不变调，否则在实现变速功能时声调也发生变化。

1、变调

AVAudioUnitTimePitch变调提供设置混叠、音调、速率参数。具体如下(一度等于1200cents)：

overlap：混叠，默认值8.0，范围[3.0, 32.0]
pitch：音调，默认值0，单位cents，范围[-2400, 2400]
rate：速率，默认值1.0，范围[1/32, 32.0]

2、变速

AVAudioUnitRarispeed变速，用于设置播放速率，默认值1.0，范围[0.25, 4.0]。

音调计算公式：

$pitch = 1200 * log2(rate)$

速率计算公式：

$rate = pow(2, cents/1200)$

五、AVAudioEngine

AVAudioEngine用于管理音频节点，实现各种音效混合输出播放，处理链架构如下：

我们来看看使用AVAudioEngine实现均衡器音效播放，示例代码如下：

let audioFile   = AVAudioFile ()
let audioEngine = AVAudioEngine()
let playerNode  = AVAudioPlayerNode()
let effectNode  = AVAudioUnitEQ()

// Attach player node
audioEngine.attach(playerNode)

// Attach effect node
audioEngine.attach(effectNode)

// Connect player node to effect node
audioEngine.connect(playerNode, 
                    to: effectNode, 
                    format: audioFile.processingFormat)

// Connect effect node to output node
audioEngine.connect(effectNode, 
                    to: audioEngine.outputNode, 
                    format: audioFile.processingFormat)

启动AVAudioEngine：

do {
    try audioEngine.start()
    playerNode.play()
} catch {
    // handle error
}

停止AVAudioEngine：

playerNode.stop()
audioEngine.stop()