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【Android开发经验】移动设备的“声波通信/验证”的实现——SinVoice开源项目介绍(三)

    转载请注明出处:http://blog.csdn.net/zhaokaiqiang1992

    前两篇介绍了声波验证/通信的原理和声音播放的实现,这一篇将介绍最重要,也是最难懂的东西,就是SinVoice是如何对这些数字进行编码传输的。

    因为源代码中加入了大量的难以区分的回调函数,为了阅读方便,我进行了部分的重命名和代码的整理,大家不要感到诧异。

    首先给出项目的结构:

    


    这篇文章重点介绍是Encoder类、SinGenerator类,Buffer类。

    在前面的文章中,我们了解到SinVoiceplayer是我们直接接触和使用的类,使用SinVoicePlayer.play(text)方法就可以非常容易的播放出我们想要传输的数字的对应音频信号,然后进行解析即可。在SinVoicePlayer中,是通过调用PcmPlayer的start()方法,进行播放操作的,而在pcmPlayer中,则是又调用AudioTrace来实现最终的音频播放功能。通过对AudioTrace的一层层封装,最终实现了SinVoicePlayer的简单调用。

    既然AudioTrace是最终进行音频播放的类,那么,要进行播放的数据从哪里来的呢?

    答案就是,数据来自Encoder类、SinGenerator类和Buffer类。

    下面是Encoder的代码,代码经过了整理

/*
 * Copyright (C) 2013 gujicheng
 * 
 * Licensed under the GPL License Version 2.0;
 * you may not use this file except in compliance with the License.
 * 
 * If you have any question, please contact me.
 * 
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 ** Email: gujicheng197@126.com                                         **
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 *************************************************************************
 */
package com.libra.sinvoice;

import java.util.List;

import com.libra.sinvoice.Buffer.BufferData;

/**
 * 
 * @ClassName: com.libra.sinvoice.Encoder
 * @Description: 编码器
 * @author zhaokaiqiang
 * @date 2014-11-16 下午1:32:17
 * 
 */
public class Encoder implements SinGenerator.SinGeneratorCallback {

	private final static String TAG = "Encoder";
	private final static int STATE_ENCODING = 1;
	private final static int STATE_STOPED = 2;

	// index 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6
	// circleCount 31, 28, 25, 22, 19, 15, 10
	private final static int[] CODE_FREQUENCY = { 1422, 1575, 1764, 2004, 2321,
			2940, 4410 };
	private int mState;

	private SinGenerator mSinGenerator;

	private EncoderCallback encoderCallback;

	public static interface EncoderCallback {

		void freeEncodeBuffer(BufferData buffer);

		BufferData getEncodeBuffer();
	}

	public Encoder(EncoderCallback callback, int sampleRate, int bits,
			int bufferSize) {
		encoderCallback = callback;
		mState = STATE_STOPED;
		mSinGenerator = new SinGenerator(this, sampleRate, bits, bufferSize);
	}

	public final static int getMaxCodeCount() {
		return CODE_FREQUENCY.length;
	}

	public final boolean isStoped() {
		return (STATE_STOPED == mState);
	}

	// content of input from 0 to (CODE_FREQUENCY.length-1)
	public void encode(List<Integer> codes, int duration) {
		if (STATE_STOPED == mState) {
			mState = STATE_ENCODING;

			mSinGenerator.start();
			for (int index : codes) {
				if (STATE_ENCODING == mState) {
					if (index >= 0 && index < CODE_FREQUENCY.length) {
						// 使用正弦发生器编码
						mSinGenerator.gen(CODE_FREQUENCY[index], duration);
					} else {
						LogHelper.d(TAG, "code index error");
					}
				} else {
					LogHelper.d(TAG, "encode force stop");
					break;
				}
			}
			mSinGenerator.stop();

		}
	}

	public void stop() {
		if (STATE_ENCODING == mState) {
			mState = STATE_STOPED;
			mSinGenerator.stop();
		}
	}

	@Override
	public BufferData getGenBuffer() {
		if (null != encoderCallback) {
			return encoderCallback.getEncodeBuffer();
		}
		return null;
	}

	@Override
	public void freeGenBuffer(BufferData buffer) {
		if (null != encoderCallback) {
			encoderCallback.freeEncodeBuffer(buffer);
		}
	}
}

    关于这个类,主要是以下几点:

    1.这个类实现了SinGenerator.SinGeneratorCallback接口,这个接口其实是SinGenerator类里面的,这个接口主要完成的数据的获取与释放,在下面的代码中我将会说明

    2.数组CODE_FREQUENCY中存放的数字分别代表从0到6对应的频率,不同的数据会根据不同的频率进行编码,circleCount 31, 28, 25, 22, 19, 15, 10 是指在编码的过程中,对应频率的正弦波在一个周期内的取样数量,每个周期的取样数量x周期总数=总取样数。

    还记得之前的DEFAULT_GEN_DURATION=100吗,这个变量指的就是每一个数字对应的音频持续的时间,100代表100毫秒,也就是0.1秒。我们说过,默认的采样率使用的是44.1KHZ,这是1s内采样44100次,如果需要播放100毫秒,那么就只需要采样44100/10=4410次,因为

private final static int[] CODE_FREQUENCY = { 1422, 1575, 1764, 2004, 2321,2940, 4410 };

    假如我们想给数字0编码,那么我们知道0对应的振动频率就是1422HZ,这个也是一秒钟的,如果是100ms呢?就是142.2HZ,我们使用,142.2x31=4408.2,接近4410次,所以说,我们根据想要生成的音频的频率,就能知道每一个周期内需要采样多少次,就能算出采样的间隔。因为Encoder也只是一个包装类,真正实现编码的是SinGenerator,在这个累里面,我们就可以看到很多的加密细节。

   下面是SinGenerator的代码实现

/*
 * Copyright (C) 2013 gujicheng
 * 
 * Licensed under the GPL License Version 2.0;
 * you may not use this file except in compliance with the License.
 * 
 * If you have any question, please contact me.
 * 
 *************************************************************************
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 ** Email: gujicheng197@126.com                                         **
 ** QQ   : 29600731                                                     **
 ** Weibo: http://weibo.com/gujicheng197                                **
 *************************************************************************
 */
package com.libra.sinvoice;

import com.libra.sinvoice.Buffer.BufferData;

/**
 * 
 * @ClassName: com.libra.sinvoice.SinGenerator
 * @Description: 正弦波发生器
 * @author zhaokaiqiang
 * @date 2014-11-15 下午2:51:34
 * 
 */
public class SinGenerator {

	private static final String TAG = "SinGenerator";

	private static final int STATE_START = 1;
	private static final int STATE_STOP = 2;

	// 2^8时的峰值
	public static final int BITS_8 = 128;
	// 默认为2^16时的峰值
	public static final int BITS_16 = 32768;

	// 采样率
	public static final int SAMPLE_RATE_8 = 8000;
	public static final int SAMPLE_RATE_11 = 11250;
	public static final int SAMPLE_RATE_16 = 16000;

	public static final int UNIT_ACCURACY_1 = 4;
	public static final int UNIT_ACCURACY_2 = 8;

	private int mState;
	private int mSampleRate;
	private int mBits;

	private static final int DEFAULT_BITS = BITS_8;
	private static final int DEFAULT_SAMPLE_RATE = SAMPLE_RATE_8;
	private static final int DEFAULT_BUFFER_SIZE = 1024;

	private int mFilledSize;
	private int mBufferSize;
	private SinGeneratorCallback sinGeneratorCallback;

	public static interface SinGeneratorCallback {

		BufferData getGenBuffer();

		void freeGenBuffer(BufferData buffer);
	}

	public SinGenerator(SinGeneratorCallback callback) {
		this(callback, DEFAULT_SAMPLE_RATE, DEFAULT_BITS, DEFAULT_BUFFER_SIZE);
	}

	public SinGenerator(SinGeneratorCallback callback, int sampleRate,
			int bits, int bufferSize) {
		sinGeneratorCallback = callback;

		mBufferSize = bufferSize;
		mSampleRate = sampleRate;
		mBits = bits;

		mFilledSize = 0;
		mState = STATE_STOP;
	}

	public void stop() {
		if (STATE_START == mState) {
			mState = STATE_STOP;
		}
	}

	public void start() {
		if (STATE_STOP == mState) {
			mState = STATE_START;
		}
	}

	/**
	 * 对数字进行编码
	 * 
	 * @param genRate
	 * @param duration
	 */
	public void gen(int genRate, int duration) {
		if (STATE_START == mState) {

			// 定值16384
			int n = mBits / 2;
			int totalCount = (duration * mSampleRate) / 1000;
			double per = (genRate / (double) mSampleRate) * 2 * Math.PI;
			double d = 0;

			LogHelper.d(TAG, "per:" + per + "___genRate:" + genRate);
			if (null != sinGeneratorCallback) {
				mFilledSize = 0;
				// 获取要编码的数据
				BufferData bufferData = http://www.mamicode.com/sinGeneratorCallback.getGenBuffer();>
    最主要的方法就是gen(),我们对这个方法进行详细的解析。

    1int n = mBits / 2; 在这里定义的n,在后面的代码中参与了运算,n是指我们要创建的正弦函数的峰值,就是最高点的值,mBits的值是2^16/2=32768,在这里将峰值除以二,应该是为了识别率考虑,因为在将n直接赋值为mBits的时候,发出的声音较为尖锐,识别率降低很多,所以,这里选择了mBits/2最为峰值。

    2.int totalCount = (duration * mSampleRate) / 1000;这个是在计算要循环的次数,因为duration=100,所以采样的总次数是4410,循环执行4410次

    3.double per = (genRate / (double) mSampleRate) * 2 * Math.PI;这个per参数是用来记录在循环的过程中,每次往前步进的距离,这个是和频率相关的。我们以发出数字5为例,从Encoder类中,我们知道5对应的频率是2940HZ,如果我们要声音播放100ms,那么就需要震动294次,也就是294个正弦周期。而这294次,根据44.1KHZ的频率,也就是100ms采样4410次的频率,就可以算出在每个周期里面,需要采样4410/294=15,所以一个周期内采样数量是15次,而一个正弦周期的长度是2PI,所以,使用2PI/15=0.4186,这个值就是这里的per值。

    4.int out = (int) (Math.sin(d) * n) + 128; 在计算出per之后,在循环中使用变量d对每次的per进行了累加,然后使用前面的计算公式,就可以计算出在采样点处对应的函数值,在完成下面的操作之后,就实现了数字的编码

// 转码为byte类型并保存,& 0xff是为了防止负数转换出现异常

bufferData.byteData[mFilledSize++] = (byte) (out & 0xff);

if (BITS_16 == mBits) {

bufferData.byteData[mFilledSize++] = (byte) ((out >> 8) & 0xff);

}


    我们看到,在保存编码的时候,使用了Buffre类,这个类是对字节数据进行存储的类,用来保存编码完成之后的字节数据,下面我们简单看下这个类的代码

/*
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 * Licensed under the GPL License Version 2.0;
 * you may not use this file except in compliance with the License.
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 */
package com.libra.sinvoice;

import java.util.concurrent.BlockingQueue;
import java.util.concurrent.LinkedBlockingQueue;

/**
 * 
 * @ClassName: com.libra.sinvoice.Buffer
 * @Description: 缓冲器
 * @author zhaokaiqiang
 * @date 2014-11-15 下午1:35:46
 * 
 */
public class Buffer {

	private final static String TAG = "Buffer";
	// 生产者队列
	private BlockingQueue<BufferData> mProducerQueue;
	// 消费者队列
	private BlockingQueue<BufferData> mConsumeQueue;
	// 缓冲区数量
	private int mBufferCount;
	// 缓冲区体积
	private int mBufferSize;

	public Buffer() {
		this(Common.DEFAULT_BUFFER_COUNT, Common.DEFAULT_BUFFER_SIZE);
	}

	public Buffer(int bufferCount, int bufferSize) {

		mBufferSize = bufferSize;
		mBufferCount = bufferCount;
		mProducerQueue = new LinkedBlockingQueue<BufferData>(mBufferCount);
		// we want to put the end buffer, so need to add 1
		mConsumeQueue = new LinkedBlockingQueue<BufferData>(mBufferCount + 1);

		// 初始化生产者队列
		for (int i = 0; i < mBufferCount; ++i) {
			try {
				mProducerQueue.put(new BufferData(mBufferSize));
			} catch (InterruptedException e) {
				e.printStackTrace();
			}
		}
	}

	public void reset() {
		// 将生产者的空头结点剔除
		int size = mProducerQueue.size();
		for (int i = 0; i < size; ++i) {
			BufferData data = http://www.mamicode.com/mProducerQueue.peek();>

    Buffer使用两个队列实现了生产者消费者模型,从而保证编译好一个,播放一个,在SinVoicePlayer类里面开了两个线程,分别对两个队列里面的数据进行管理。

    

    这个项目的Demo下载地址https://github.com/ZhaoKaiQiang/SinVoiceDemo

【Android开发经验】移动设备的“声波通信/验证”的实现——SinVoice开源项目介绍(三)