Android 11 音频平衡(balance)流程及原理

2021-11-23 02:27:30

　　Balance 其实是用于设置左右平衡的，现在手机上立体声喇叭也多起来了，说直观点效果就是设置左右喇叭音量大小的。另外说下音量平衡这个功能在车机上也有需求，结合前后淡化(Fade)，可实现声场的效果。为此谷歌引入了AudioControl，通过 setBalanceTowardRight() setFadeTowardFront() 这两个接口来设置左右平衡，前后淡化达到设置声场效果。相关的资料可看下 https://source.android.google...不过这两个接口在HAL层时需要芯片厂商实现。

 

1. 设置界面

Android 11 音频平衡(balance)流程及原理

 

 

 　　　　　　图1. 左右平衡设置界面

　　在上面的界面中，把条拖到最左边，则声音完全调到左侧；同样，把条拖到最右边，则声音完全调到右侧。上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处理, 即在* +/- 6 时设为中间的值。

拖动条关键代码:

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, 也就是中间+/-6位置时调为中间
        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;
        // 最后设置到了数据库里
        Settings.System.putFloatForUser(mContext.getContentResolver(),
                Settings.System.MASTER_BALANCE, balance, UserHandle.USER_CURRENT);
    }

也可直接用命令行调节其值:

# 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

2. setMasterBalance()

　　通过对 MASTER_BALANCE 搜索，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，当以上MASTER_BALANCE 值有变化时，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。

frameworks/base/services/core/java/com/android/server/audio/AudioService.java
public AudioService(Context context, AudioSystemAdapter audioSystem,
        SystemServerAdapter systemServer) {
    ...
    // AudioService 创建 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) {
            ...
            // 当监听的数据有变化时， 调用该函数更新 master balance
            // 需要说一下的是当 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设置下去
    if (AudioSystem.setMasterBalance(masterBalance) != 0) {
        Log.e(TAG, String.format("setMasterBalance failed for %f", masterBalance));
    }
}

　　AudioSystem最终会设置到AudioFlinger里，这中间的过程比较简单，无非是绕来绕去的一些binder调用，不熟悉的就看下我列的流程就行了。

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，是否和之前设置相同等检查，最终通过for循环设置给播放线程，需要注意的是，duplicating线程被略过了，也就是说 master balance对 duplicating 播放方式无效。

Tips:
duplicating为复制播放，常用于蓝牙和喇叭同时播放铃声。
frameworks/av/services/audioflinger/AudioFlinger.cpp
status_t AudioFlinger::setMasterBalance(float balance)
{
    ... // 权限检查
    // check calling permissions
    if (!settingsAllowed()) {
    ... // 参数合法性检查
    // check range
    if (isnan(balance) || fabs(balance) > 1.f) {
    ...// 是否和之前的值相同
    // short cut.
    if (mMasterBalance == balance) return NO_ERROR;

    mMasterBalance = balance;

    for (size_t i = 0; i < mPlaybackThreads.size(); i++) {
        // 如果是 duplicating的，不处理
        if (mPlaybackThreads.valueAt(i)->isDuplicating()) {
            continue;
        }
        // 调用线程的设置方法
        mPlaybackThreads.valueAt(i)->setMasterBalance(balance);
    }

    return NO_ERROR;
}

　　熟悉audio的知道，Android将playback thread又分为了fast thread, mixer thread, direct thread等线程，以实现快速，混音，直接offload播放等目的，所以每种播放线程的 setMasterBalance() 以及后续的 balance处理都有可能不一样，我们这里以典型的 mixer thread为例进行分析，其余的方式若有用到可自己看看代码。

　　PlaybackThread 里将该值存了起来，就结束了

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/读取方法为store()/load()，setMasterBalance()最终用store()将balance值存了起来，要想继续看balance过程就得找找个哪儿在使用该值了。

3. Balance原理

　　使用mMasterBalance的地方也有好几个，我们也以PlaybackThread进行分析，direct方式有需要可以自己看看。PlaybackThread的threadLoop()是音频处理的一个主要的函数，代码也很长，主要做的工作为 事件处理，准备音轨，混音，音效链处理，以及我们这要说的左右平衡处理，最后将数据写入到HAL，别的流程有兴趣的可以研究研究，本文主要看下balance处理。

bool AudioFlinger::PlaybackThread::threadLoop()
{...// 循环处理，一直到线程需要退出
    for (int64_t loopCount = 0; !exitPending(); ++loopCount)
    {...// 事件处理
            processConfigEvents_l();
            ...// 准备音轨
            mMixerStatus = prepareTracks_l(&tracksToRemove);
            ...// 混音
                threadLoop_mix();
            ...// 音效链处理
                    effectChains[i]->process_l();
            ...// 左右平衡处理
            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()方法赋给audio_utils::Balance
                mBalance.setBalance(mMasterBalance.load());
                // 对buffer进行平衡处理
                mBalance.process((float *)mEffectBuffer, mNormalFrameCount);
            }
            ...// 将处理完的数据写入到HAL
                    ret = threadLoop_write();
        ...
    }
...
}

mBalance 定义
frameworks/av/services/audioflinger/Threads.h
audio_utils::Balance            mBalance;

　　从上面代码看到，如果线程里有Fast Mixer的话，那么不会做平衡处理，然后引进了个新类 audio_utils::Balance 专门进行平衡处理，有关的方法为 setBalance() process(), 从直觉上觉得看了 process()函数就能明白其原理了，那我们就先看下该函数。

system/media/audio_utils/Balance.cpp
void Balance::process(float *buffer, size_t frames)
{
    // 值在中间和单声道不做处理
    if (mBalance == 0.f || mChannelCount < 2) {
        return;
    }

    if (mRamp) {
    ... // ramp处理
                // 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
                        // 改变balance后首次调process会进行ramp处理
                        *buffer++ *= mRampVolumes[j] + mDeltas[j] * findex;
                    }
                }
    ...
    }
    // 非ramp方式处理
    // 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在中间和单声道情况都不做处理，然后又分为了ramp和非ramp方式，这两个方式都是对传入的buffer每个声道都乘以了某个系数。我们主要是关心非ramp方式 *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，需要回头再看下其 setBalance() 方法：

system/media/audio_utils/Balance.cpp
void Balance::setBalance(float balance)
{...//  有效性检查，代码略过
   // 单声道不处理
    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().
    }
    
    // 常见的双声道方式处理
    // 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) {
        // 计算左右声道平衡系数
        computeStereoBalance(balance, &mVolumes[0], &mVolumes[1]);
        return;
    }
    // 声道大于2 处理
    // 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
    // 计算左右声道平衡系数
    computeStereoBalance(balance, &balanceVolumes[0], &balanceVolumes[1]);
    // 中间固定
    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，多声道进行了处理，其中单声道系数固定为1.f；双声道和多声道都会调用 computeStereoBalance() 计算其左右平衡系数；多声道目前应该还没做好，其中间为固定值1.f。终于来到了关键的左右声道系数计算函数了！

void Balance::computeStereoBalance(float balance, float *left, float *right) const
{
    if (balance > 0.f) {
        // balance往右情况
        *left = mCurve(1.f - balance);
        *right = 1.f;
    } else if (balance < 0.f) {
        // balance往左情况
        *left = 1.f;
        *right = mCurve(1.f + balance);
    } else {
        // balance在中间
        *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])

接下来继续看下mCurve曲线：

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处理

// mCurve 定义
const std::function<float(float)> mCurve; // monotone volume transfer func [0, 1] -> [0, 1]

其实其函数注释里都写得很清楚了，我也贴出了注释部分，mCurve是一个function, 并做了归一化处理，让其区间和值都落在[0, 1]上，该function为一个单调递增的函数，目前采用的是 x * (x + 0.2f), 当然你也可以采用别的函数。

normalize 是一个模板，其注释也写得很清楚了，可看下，

    /**
     * \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.
            // 我们采用的函数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;
    }

我们采用的函数满足 fabs(r - T(1)) > std::numeric_limits<T>::epsilon() * 3 条件，所以也会做归一化处理，即采用 r * (f(x) - f0)， 结合起来，mCurve 曲线数学描述为：

Android 11 音频平衡(balance)流程及原理

 

 

 也即：

Android 11 音频平衡(balance)流程及原理

 

 

 

1.2 为归一化系数。

mCurve(1.f - |balance|), balance\in[-1.0, 1.0]mCurve(1.f?∣balance∣),balance∈[?1.0,1.0] 可用如下图表示:

Android 11 音频平衡(balance)流程及原理

 

 

 　　　　　　　　　　　　　　　　图2. Balance曲线图

该图如果显示有问题，也用在线matlab查看，打开下面的网址，然后输入下面的内容：

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，其调节左右平衡的原理算是搞清楚了。

4. 调试

除前面提到的用命令行 adb shell settings put system master_balance 改变其值外，我们还可以dump看其是否生效：

$ 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

  1. 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服务监听到该值变化后通过 setMasterBalance() 接口最终存储到AudioFlinger非复制方式的播放线程中；
  2. 对于不含fast mixer的播放线程，会在threadLoop()里进行平衡的处理;
  3. 平衡处理的原理也很简单，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方式该系数生成是个二次方的单调函数并归一化到[0,1]，目前为 mCurve(x) = x*(x+0.2)/1.2mCurve(x)=x?(x+0.2)/1.2 。

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