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2021
12-13

C#音频开源库NAudio的简介与基础播放

 

前言

各网查了一圈,NAudio相关中文资料较少。鉴于本人最近在使用此库的播放音频方面有所涉及,在此将自己的学习过程与经验总结与大家分享,同时也欢迎大佬探讨和指正。

简介

为什么使用NAudio

NAudio为.NET平台下的开源库,采用ML-PL协议,开源地址:https://github.com/naudio/NAudio。截至今日,已有约2.4k的stars。

NAudio功能强大,且其入门容易。
强大在于:它支持许多音频操作,可实现多种API播放与录制、多种不同音频格式、音频格式转换(重采样、位深、声道等)、音频编码、多通道播放、音频效果处理等等(详细介绍可以看Github readme)。
入门容易在于:对C#的语法、结构友好,且对于一个仅仅是播放声音的需求,几行即可搞定:

using(var audioFile = new AudioFileReader(audioFile))
using(var outputDevice = new WaveOutEvent())
{
    outputDevice.Init(audioFile);
    outputDevice.Play(); // 异步执行
    
    while (outputDevice.PlaybackState == PlaybackState.Playing)
    {
        Thread.Sleep(1000);
    }
}

Demo来自于官方Readme

另一方面,基于NAudio本身的架构值得学习
其框架系统、完善,但实际开箱即用的功能并不是十分的齐全(相对于Bass),对于一个喜爱倒腾的人来说,容易激发学习研究的兴趣,其官方教程与例子很是齐全。
快速入门:https://github.com/naudio/NAudio#tutorials
深入学习:https://markheath.net/category/naudio(作者博客)

与其他播放方式对比

基于使用角度考虑,NAudio的优势在于,它是一个原生的.NET轻量库(其底层与其他API交互,但透明于使用者)。在不需要COM、独立SDK、手动P/Invoke的同时,对于音频交互更加可控、并且可以完成比以上更加复杂的功能。当然其也有一定的不足,例如目前无法跨平台,底层API强依赖于Windows(作者表示期待.NET Core的Span<T>的后续发展,时机成熟会考虑跨平台)。

目前常见的播放方案

方式 简介 备注
系统事件声音 仅播放系统事件声音 System.Media.SystemSounds 静态类
SoundPlayer 使用方便。但是仅支持PCM的wav播放、单通道播放 System.Media.SoundPlayer
Windows Media Player COM组件 要求电脑上安装WMP,仅能完成简单播放功能,不利于自定义化
MME API (Multimedia Extensions) 自由度高。但是由于未经封装,若需求复杂则操作复杂,且P/Invoke不安全 winmm.dll
DirectX 自由度高,相较于MME更为现代化,能从硬件层完成更多音频功能 DirectX SDK
Bass 功能强大的封装,但常见交换库对C#的语法、结构不友好 Bass.NET(需进行授权使用) 或 ManagedBass

还有很多未列出。

例1:制作一个简易的音乐播放器

目标:制作一个Winform的音乐播放器,仅实现读取mp3、播放、暂停、停止、进度拖动及显示、音量控制功能。
为了直观的展示,本例将弱化OOP封装思想。

回顾开篇的代码:

using(var audioFile = new AudioFileReader(audioFile))
using(var outputDevice = new WaveOutEvent())
{
    outputDevice.Init(audioFile);
    outputDevice.Play(); // 异步执行
    
    while (outputDevice.PlaybackState == PlaybackState.Playing)
    {
        Thread.Sleep(1000);
    }
}

显然,这只能完成最基础的播放功能。而且对于一个GUI播放器而言,这样做会带来很多问题。
首先它会在播放时阻塞线程,其次当播放完毕就会立刻释放资源,无法对其进行任何控制。

针对以上缺陷完善代码:

using System;
using System.Collections.Generic;
using System.ComponentModel;
using System.Data;
using System.Drawing;
using System.IO;
using System.Linq;
using System.Text;
using System.Threading;
using System.Threading.Tasks;
using System.Windows.Forms;
using NAudio.Wave;
using NAudio.Wave.SampleProviders;

namespace SimplePlayer
{
    public partial class FormPlayer : Form
    {
        private IWavePlayer _device;
        private AudioFileReader _reader;

        public FormPlayer()
        {
            InitializeComponent();
        }

        private void btnPlay_Click(object sender, EventArgs e)
        {
            PlayAction();
        }

        private void btnPause_Click(object sender, EventArgs e)
        {
            PauseAction();
        }

        private void btnStop_Click(object sender, EventArgs e)
        {
            StopAction();
        }

        private void btnOpen_Click(object sender, EventArgs e)
        {
            var ofd = new OpenFileDialog
            {
                Filter = "支持的文件|*.mp3;*.wav;*.aiff|所有文件|*.*",
                Multiselect = false
            };
            var result = ofd.ShowDialog();
            if (result != DialogResult.OK) return;

            DisposeAll();

            try
            {
                var fileName = ofd.FileName;

                if (!File.Exists(fileName))
                    throw new FileNotFoundException("所选文件不存在");
                _device = new WaveOutEvent(); // Create device
                _reader = new AudioFileReader(fileName); // Create reader

                _device.Init(_reader);
                _device.PlaybackStopped += Device_OnPlaybackStopped;
            }
            catch (Exception ex)
            {
                DisposeAll();
                MessageBox.Show(ex.Message);
            }
        }

        private void Form_Closed(object sender, EventArgs e)
        {
            DisposeAll();
        }

        private void Device_OnPlaybackStopped(object obj, StoppedEventArgs arg)
        {
            StopAction();
        }

        private void StopAction()
        {
            _device?.Stop();
            if (_reader != null) _reader.Position = 0;
        }

        private void PlayAction()
        {
            _device?.Play();
        }

        private void PauseAction()
        {
            _device?.Pause();
        }

        private void DisposeDevice()
        {
            if (_device != null)
            {
                _device.PlaybackStopped -= Device_OnPlaybackStopped;
                _device.Dispose();
            }
        }

        private void DisposeAll()
        {
            _reader?.Dispose();
            DisposeDevice();
        }
    }
}

以上完成了一个可以打开文件、播放、暂停、停止、释放资源的基础功能播放器。接下来完善一下进度显示以及进度调整。

        private CancellationTokenSource _cts;
        private bool _sliderLock; // 逻辑锁,当为true时不更新界面上的进度
        
        private void sliderProgress_MouseDown(object sender, MouseEventArgs e)
        {
            _sliderLock = true; // 拖动开始,停止更新界面
        }

        private void sliderProgress_MouseUp(object sender, MouseEventArgs e)
        {
            // 释放鼠标时,应用目标进度
            _reader.CurrentTime = TimeSpan.FromMilliseconds(sliderProgress.Value);
            UpdateProgress();
            _sliderLock = false; // 拖动结束,恢复更新界面
        }

        private void sliderProgress_ValueChanged(object sender, EventArgs e)
        {
            if (_sliderLock)
            {
                // 拖动时可以直观看到目标进度
                lblPosition.Text = TimeSpan.FromMilliseconds(sliderProgress.Value).ToString(@"mm\:ss");
            }
        }

        private void StartUpdateProgress()
        {
        	// 此处可用Timer完成而不是手动循环,但不建议使用UI线程上的Timer
            Task.Run(() =>
            {
                while (!_cts.IsCancellationRequested)
                {
                    if (_device.PlaybackState == PlaybackState.Playing)
                    {
                    	// 若为播放状态,持续更新界面
                        BeginInvoke(new Action(UpdateProgress));
                        Thread.Sleep(100);
                    }
                    else
                    {
                        Thread.Sleep(50);
                    }
                }
            });
        }

        private void UpdateProgress()
        {
            var currentTime = _reader?.CurrentTime ?? TimeSpan.Zero; // 当前时间
            Console.WriteLine(currentTime);

            if (!_sliderLock)
            {
                sliderProgress.Value = (int)currentTime.TotalMilliseconds;
                lblPosition.Text = currentTime.ToString(@"mm\:ss");
            }
        }
        
        // 更新此方法
        private void btnOpen_Click(object sender, EventArgs e)
        {
            ...
                _device.Init(_reader);

                var duration = _reader.TotalTime; // 总时长
                sliderProgress.Maximum = (int)duration.TotalMilliseconds;
                lblDuration.Text = duration.ToString(@"mm\:ss");

                _cts = new CancellationTokenSource();
                StartUpdateProgress(); // 界面更新线程

                _device.PlaybackStopped += Device_OnPlaybackStopped;
            ...
        }
        
        // 更新此方法
        private void StopAction()
        {
            ...
            if (_reader != null) _reader.Position = 0;
            UpdateProgress(); 
        }

        // 更新此方法
        private void DisposeAll()
        {
            _cts?.Cancel();
            _cts?.Dispose();
            _reader?.Dispose();
            ...
        }

以上完成了进度显示以及进度调整,里面包含了一些UI上的优化后的交互逻辑。其中涉及到了个人常用的Task / Cancellation的线程模式,可用Timer代替。

那么最后一个功能,如何进行音量控制? 事实上,IWavePlayer接口包含了Volume这个属性,所以如果仅仅要达成这个目标十分简单,只需进行属性设置即可:

        private void SetVolume(float volume)
        {
            if (_device != null) _device.Volume = volume;
        }

然而,这样做法并不推荐,因为对于内部的WaveOutEvent等IWavePlayer实现,实际效果是从改变了系统的合成器中的音量,如图:C#音频开源库NAudio的简介与基础播放 - 第1张  | 逗分享开发经验
也就意味着,这将改变整个应用程序的音量,不利于之后进行程序内部混音。

那将如何实现内部音量处理呢?这就涉及了DSP音频处理。在NAudio中,通过实现接口ISampleProvider,得到WaveStream提供音频原始数据并且进行处理,再将处理后的数据返回。将多个ISampleProvider链接起来进行顺序处理,最终将最外层的ISampleProvider交给IWavePlayer进行初始化Init()这样的一个处理模式。也就是说,其实基于上面的代码来看,AudioFileReader本身既是WaveStream,也实现了ISampleProvider

https://stackoverflow.com/questions/46433790/how-to-chain-together-multiple-naudio-isampleprovider-effects

说了这么多有点绕口,用简洁的方法表示,就是将之前的
AudioFileReader -> IWavePlayer.Init()
替换成
AudioFileReader -> 某种可以控制音量的处理 -> IWavePlayer.Init()

在NAudio内置提供的DSP中,实现了音量处理相关的类VolumeSampleProvider,因此直接拿来用即可。

以上内容推荐结合NAudio源码食用

根据以上所述,更新代码:

        private VolumeSampleProvider _volumeProvider;

        private void sliderVolume_ValueChanged(object sender, EventArgs e)
        {
            UpdateVolume();
        }

        // 更新此方法
        private void UpdateVolume()
        {
            var volume = sliderVolume.Value / 100f;
            _volumeProvider.Volume = volume;
            //if (_device != null) _device.Volume = volume;  // 注释这一句
        }
    
        // 更新此方法
        private void btnOpen_Click(object sender, EventArgs e)
        {
            ...
                _reader = new AudioFileReader(fileName); // Create reader

                // dsp start
                _volumeProvider = new VolumeSampleProvider(_reader)
                {
                    Volume = sliderVolume.Value / 100f
                };
                // dsp end

                _device.Init(_volumeProvider);
                //_device.Init(_reader); // 之前是reader,现改为VolumeSampleProvider

                var duration = _reader.TotalTime; // 总时长
                ...
        }

这样就对原始音频进行了处理(改变音量),然后输出。

完成后的全部代码:

using System;
using System.IO;
using System.Threading;
using System.Threading.Tasks;
using System.Windows.Forms;
using NAudio.Wave;
using NAudio.Wave.SampleProviders;

namespace SimplePlayer
{
    public partial class FormPlayer : Form
    {
        private IWavePlayer _device;
        private AudioFileReader _reader;

        private VolumeSampleProvider _volumeProvider;

        private CancellationTokenSource _cts;

        private bool _sliderLock; // 逻辑锁,当为true时不更新界面上的进度

        public FormPlayer()
        {
            InitializeComponent();
        }

        private void btnPlay_Click(object sender, EventArgs e)
        {
            PlayAction();
        }

        private void btnPause_Click(object sender, EventArgs e)
        {
            PauseAction();
        }

        private void btnStop_Click(object sender, EventArgs e)
        {
            StopAction();
        }

        private void btnOpen_Click(object sender, EventArgs e)
        {
            var ofd = new OpenFileDialog
            {
                Filter = "支持的文件|*.mp3;*.wav;*.aiff|所有文件|*.*",
                Multiselect = false
            };
            var result = ofd.ShowDialog();
            if (result != DialogResult.OK) return;

            DisposeAll();

            try
            {
                var fileName = ofd.FileName;

                if (!File.Exists(fileName))
                    throw new FileNotFoundException("所选文件不存在");
                _device = new WaveOutEvent(); // Create device
                _reader = new AudioFileReader(fileName); // Create reader

                // dsp start
                _volumeProvider = new VolumeSampleProvider(_reader)
                {
                    Volume = sliderVolume.Value / 100f
                };
                // dsp end

                _device.Init(_volumeProvider);
                //_device.Init(_reader); // 之前是reader,现改为VolumeSampleProvider
                // https://stackoverflow.com/questions/46433790/how-to-chain-together-multiple-naudio-isampleprovider-effects

                var duration = _reader.TotalTime; // 总时长
                sliderProgress.Maximum = (int)duration.TotalMilliseconds;
                lblDuration.Text = duration.ToString(@"mm\:ss");

                _cts = new CancellationTokenSource();
                StartUpdateProgress(); // 界面更新线程

                _device.PlaybackStopped += Device_OnPlaybackStopped;
            }
            catch (Exception ex)
            {
                DisposeAll();
                MessageBox.Show(ex.Message);
            }
        }

        private void sliderProgress_MouseDown(object sender, MouseEventArgs e)
        {
            _sliderLock = true; // 拖动开始,停止更新界面
        }

        private void sliderProgress_MouseUp(object sender, MouseEventArgs e)
        {
            // 释放鼠标时,应用目标进度
            _reader.CurrentTime = TimeSpan.FromMilliseconds(sliderProgress.Value);
            UpdateProgress();
            _sliderLock = false; // 拖动结束,恢复更新界面
        }

        private void sliderProgress_ValueChanged(object sender, EventArgs e)
        {
            if (_sliderLock)
            {
                // 拖动时可以直观看到目标进度
                lblPosition.Text = TimeSpan.FromMilliseconds(sliderProgress.Value).ToString(@"mm\:ss");
            }
        }

        private void sliderVolume_ValueChanged(object sender, EventArgs e)
        {
            UpdateVolume();
        }

        private void Form_Load(object sender, EventArgs e)
        {

        }

        private void Form_Closed(object sender, EventArgs e)
        {
            DisposeAll();
        }

        private void Device_OnPlaybackStopped(object obj, StoppedEventArgs arg)
        {
            StopAction();
        }

        private void StartUpdateProgress()
        {
            // 此处可用Timer完成而不是手动循环,但不建议使用UI线程上的Timer
            Task.Run(() =>
            {
                while (!_cts.IsCancellationRequested)
                {
                    if (_device.PlaybackState == PlaybackState.Playing)
                    {
                        // 若为播放状态,持续更新界面
                        BeginInvoke(new Action(UpdateProgress));
                        Thread.Sleep(100);
                    }
                    else
                    {
                        Thread.Sleep(50);
                    }
                }
            });
        }

        private void StopAction()
        {
            _device?.Stop();
            if (_reader != null) _reader.Position = 0;
            UpdateProgress();
        }

        private void PlayAction()
        {
            _device?.Play();
        }

        private void PauseAction()
        {
            _device?.Pause();
        }

        private void UpdateProgress()
        {
            var currentTime = _reader?.CurrentTime ?? TimeSpan.Zero; // 当前时间
            Console.WriteLine(currentTime);

            if (!_sliderLock)
            {
                sliderProgress.Value = (int)currentTime.TotalMilliseconds;
                lblPosition.Text = currentTime.ToString(@"mm\:ss");
            }
        }

        private void UpdateVolume()
        {
            var volume = sliderVolume.Value / 100f;
            _volumeProvider.Volume = volume;
            //if (_device != null) _device.Volume = volume;  // 注释这一句
        }

        private void DisposeDevice()
        {
            if (_device != null)
            {
                _device.PlaybackStopped -= Device_OnPlaybackStopped;
                _device.Dispose();
            }
        }

        private void DisposeAll()
        {
            _cts?.Cancel();
            _cts?.Dispose();
            _reader?.Dispose();
            DisposeDevice();
        }
    }
}

这样本例目标功能就实现完毕了,能实现最基础但是同时也可靠的音频播放功能。

注(坑):

  • IWavePlayer的创建,最好在STA线程中完成
  • 一个进程中仅创建一个IWavePlayer为佳(若需进行多个通道进行播放,同时播放背景音与音效,可以关注一下我后面的更新)

相关源代码会随着本系列进行更新(如果不鸽):
https://github.com/Milkitic/NAudioDemo

顺便宣传一下个人在应用的一个NAudio相关的开源项目:
https://github.com/Milkitic/Osu-Player

参考:
[1] Windows legacy audio components

最后编辑:
作者:游戏创作者大陆

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