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C#利用waveIn實現聲音采集

 更新時間：2023年10月24日 16:14:38   作者：CodeOfCC  
wimm這種基于win32 api的庫,完全可以直接用C#去調用,將依賴減少到最小,所以本文小編就來和大家介紹一下C#如何使用waveIn實現聲音采集,感興趣的小伙伴可以了解下

前言

之前實現了《C++ 使用waveIn實現聲音采集》，后來C#項目也有此功能的需求，直接調用C++封裝的dll是可以的。但是wimm這種基于win32 api的庫，完全可以直接用C#去調用，將依賴減少到最小。

一、需要的對象及方法

參考《C++ 使用waveIn實現聲音采集》，此處不再贅述。

二、整體流程

參考《C++ 使用waveIn實現聲音采集》，此處不再贅述。

三、關鍵實現

此處講一些與C#相關的點。

1、使用Thread開啟線程

筆者一開是實現是使用Task開啟線程，由于Task基于線程池可以提高資源利用率，但是這也出現了一些問題。由于錄制需要在子線程開啟消息循環(huán)，多次重復調用錄制時，有概率打開同一個線程，就有可能收到上一個錄制的數據消息，造成非法內存的讀取問題。目前沒找到銷毀線程中消息循環(huán)的方法，只有通過結束線程的方式結束消息循環(huán)。所以使用Thread開啟線程，才能夠解決問題。

 _thread = new Thread(() => { _CollectThread();});
 _thread.Start();

2、TaskCompletionSource實現異步

因為C#支持async、await機制，這樣就可以直接去掉開始和停止兩個回調，使用異步實現開始和停止方法。

/// <summary>
/// 開始采集,Start和Stop需要成對使用，await可變成同步式，真正開始采集才會返回。
/// 失敗會拋出異常，可通過ContinueWith或await獲取異常。
/// </summary>        
public async Task<Task> Start();
/// <summary>
/// 停止采集,直接調用是異步，可await等待真正停止
/// 此方法是有可能拋異常的，采集過程中出現的異常，會在此方法中拋出
/// </summary>
public async Task<Task> Stop();

調用方式

await wic.Start();
//此行是采集真正開始的時機
await wic.Stop();
//此行是已經停止的時機

由于使用了Thread開啟線程，所以我們需要使用其他方式生成Task，在Thread結束后觸發(fā)Task完成。用過flutter的朋友應該知道這種情況使用Completer就可以，C#中對應Dart的Completer就是TaskCompletionSource。
示例代碼如下

public async Task<Task> Start()
{
    TaskCompletionSource? tcsStart=new TaskCompletionSource(); ;
    _tcs = new TaskCompletionSource();
    _thread = new Thread(() => { _CollectThread(tcsStart); _tcs.SetResult();/*線程結束觸發(fā)完成*/ });
    _thread.Start();     
    //等待開始完成的信號 
    await tcsStart.Task;
    return Task.CompletedTask;
}
void _CollectThread(TaskCompletionSource tcsStart){
    while(GetMessage(out msg)!=0)
    {
       //接收到Wimm開始消息，觸發(fā)完成
       tcsStart.SetResult();
       //接收到Wimm結束消息退出循環(huán)結束線程
    }   
}
 public async Task<Task> Stop()
 {
     if (_thread != null)
     { 
         //發(fā)送消息結束線程
         _exitFlag = true;
         PostThreadMessage(_threadId, MM_WIM_CLOSE); 
         //等待線程結束
         await _tcs!.Task;
         _tcs = null;
         _thread = null;
     }
     return Task.CompletedTask;
 }

3、將指針封裝為Stream

通過Wimm采集的音頻數據是指針的形式，如果需要轉為byte[]這需要使用Marshall進行數據拷貝，為了避免拷貝，數據形式不能是byte[]數組。直接提供指針又不方便使用，筆者采用了Stream的方式提供數據，而且文件流直接支持Stream寫入。C#本身有個UmanagedMemoryStream可以支持讀取指針的數據，但是需要unsafe上下文，這顯然是沒必要的（有unsafe上下文，直接通過地址讀取數據即可，或者將此功能放dll單獨設置unsafe對外提供Stream也不便于管理）。最好的方式還是自己實現一個Stream用于讀取指針數據。

完整代碼如下：

using System.Runtime.InteropServices;
namespace AC
{
    /// <summary>
    /// 用于讀取指針數據的流，內部不會管理指針
    /// 由于.net庫提供的UnmanagedMemoryStream需要unsafe上下文，所以直接自己封裝一個類似功能的stream避開unsafe的使用。
    /// </summary>
    class UMemoryStream : Stream
    {
        public override bool CanRead => _access == FileAccess.Read || _access == FileAccess.ReadWrite;
        public override bool CanSeek => true;
        public override bool CanWrite => _access == FileAccess.Write || _access == FileAccess.ReadWrite;
        public override long Length => _len;
        public override long Position { get; set; } = 0;
        FileAccess _access;
        nint _ptr;
        nint _len;
        /// <summary>
        /// 構造方法
        /// </summary>
        /// <param name="ptr">數據地址</param>
        /// <param name="len">數據長度</param>
        /// <param name="access"></param>
        public UMemoryStream(nint ptr, int len, FileAccess access)
        {
            _ptr = ptr;
            _len = len;
            _access = access;
        }
        public override void Flush()
        {
            throw new NotSupportedException();
        }
        public override int Read(byte[] buffer, int offset, int count)
        {
            if (_ptr == 0)
                throw new ObjectDisposedException(ToString());
            if (!CanRead)
                throw new NotSupportedException();
            var leftCount = _len - Position;
            if (count > leftCount)
            {
                count = (int)leftCount;
            }
            if (count > 0)
            {
                Marshal.Copy(_ptr + (nint)Position, buffer, offset, count);
                Position += count;
            }
            return count;
        }
        public override long Seek(long offset, SeekOrigin origin)
        {
            switch (origin)
            {
                case SeekOrigin.Begin:
                    Position = offset;
                    break;
                case SeekOrigin.Current:
                    Position += offset;
                    break;
                case SeekOrigin.End:
                    Position = _len - offset;
                    break;
            }
            return Position;
        }
        public override void SetLength(long value)
        {
            throw new NotSupportedException();
        }
        public override void Write(byte[] buffer, int offset, int count)
        {
            if (_ptr == 0)
                throw new ObjectDisposedException(ToString());
            if (!CanWrite)
                throw new NotSupportedException();
            var leftCount = _len - Position;
            if (count > leftCount)
            {
                count = (int)leftCount;
            }
            if (count > 0)
            {
                Marshal.Copy(buffer, offset, _ptr + (nint)Position, count);
                Position += count;
            }
            else { throw new ArgumentOutOfRangeException(); }
        }
        public override void Close()
        {
            _ptr = 0;
        }
    }
}

四、完整代碼

將采集功能封裝成一個通用工具，方便在任意地方使用。

1.接口

接口設計如下：

using System.Runtime.InteropServices;
using static AC.Winmm;
using static AC.User32;
using static AC.Kernel32;
???????/************************************************************************
* @Project:      AC::WaveInCollector
* @Decription:  音頻采集工具
* @Verision:      v1.0.0.0
* @Author:      Xin Nie
* @Create:      2023/10/8 09:27:00
* @LastUpdate:  2023/10/24 11:34:00
************************************************************************
* Copyright @ 2025. All rights reserved.
************************************************************************/
namespace AC
{
    /// <summary>
    /// 聲音采集對象
    /// </summary>
    /// <summary>
    /// 聲音采集對象
    ///這是一個功能完整聲音采集對象，所有接口通過了測試。
    ///非線程安全，所有方法需確保在單線程中調用，即比如：Start和Stop不能在兩個線程中同時調用。
    /// </summary>
    public class WaveInCollector : IAsyncDisposable
    {
        /// <summary>
        /// 數據到達事件參數
        /// </summary>
        public class DataArrivedEventArgs : EventArgs
        {
            /// <summary>
            /// 聲音格式
            /// </summary>
            public SampleFormat Format { set; get; }
            /// <summary>
            /// 聲音數據流,為了減少數據拷貝次數，將非托管內存封裝成流的形式提供，只讀，生命周期為回調方法內。
            /// </summary>
            public Stream Stream { set; get; }
        }
        /// <summary>
        /// 采集數據到達事件
        /// </summary>
        public event EventHandler<DataArrivedEventArgs>? DataArrived;
        /// <summary>
        /// 采集速率單位：次/秒
        /// 此屬性會影響每次輸出數據的大小
        /// 開始采集前設置有效
        /// </summary>
        public int Frequency { set; get; } = 50;
        /// <summary>
        /// 聲音格式
        /// </summary>
        public SampleFormat Format { private set; get; }
        /// <summary>
        /// 當前設備
        /// </summary>
        public AudioDevice Device { private set; get; }
        /// <summary>
        /// 枚舉可用的聲音采集設備
        /// </summary>
        public static IEnumerable<AudioDevice> AvailableDevices { get; }
        /// <summary>
        /// 構造方法
        /// </summary>
        /// <param name="device">音頻設備，不能為空</param>
        /// <param name="SampleFormat">聲音格式</param>
        public WaveInCollector(AudioDevice device, SampleFormat sf);
        /// <summary>
        /// 構造方法
        /// 如果系統(tǒng)沒有任何設備則會拋出異常
        /// </summary>
        /// <param name="deviceId">聲音設備Id，0為默認設備</param>
        /// <param name="SampleFormat">聲音格式</param>
        public WaveInCollector(uint deviceId, SampleFormat sf) : this(GetWaveInDeviceById(deviceId)!, sf) { }
        /// <summary>
        /// 開始采集,Start和Stop需要成對使用，await可變成同步式，真正開始采集才會返回。
        /// 失敗會拋出異常，可通過ContinueWith或await獲取異常。
        /// </summary>        
        public async Task<Task> Start();
        /// <summary>
        /// 停止采集,直接調用是異步，可await等待真正停止
        /// 此方法是有可能拋異常的，采集過程中出現的異常，會在此方法中拋出
        /// </summary>
        public async Task<Task> Stop();
    }
     /// <summary>
     /// 聲音格式
     /// </summary>
    public class SampleFormat
    {
        /// <summary>
        /// 聲道數
        /// </summary>
        public ushort Channels { set; get; }
        /// <summary>
        /// 采樣率
        /// </summary>
        public uint SampleRate { set; get; }
        /// <summary>
        /// 位深
        /// </summary>
        public ushort BitsPerSample { set; get; }
    }
     /// <summary>
     /// 音頻設備
     /// </summary>
    public class AudioDevice
    {
        /// <summary>
        /// 設備Id
        /// </summary>
        public uint Id { set; get; }
        /// <summary>
        /// 設備名稱
        /// </summary>
        public string Name { set; get; } = "";
        /// <summary>
        /// 聲道數
        /// </summary>
        public int Channels { set; get; }
        /// <summary>
        /// 支持的格式
        /// </summary>
        public IEnumerable<SampleFormat> SupportedFormats { set; get; }
    }
}

2.具體實現

vs2022 .net6.0 項目，所有win api通過dllimport引入，沒有任意額外依賴。

注：winmm不能識別dshow虛擬設備，請根據需要下載資源。

五、使用示例

采集聲音并保存為wav文件，其中的WavWriter對象參考《C# 將音頻PCM數據封裝成wav文件》

方式一

獲取可用設備并采集

// See https://aka.ms/new-console-template for more information
using AC;
try
{
    //獲取可用的音頻設備
    var device = WaveInCollector.AvailableDevices.First();
    //創(chuàng)建wav文件
    using (var ww = WavWriter.Create("test.wav", device.SupportedFormats!.First().Channels, device.SupportedFormats!.First().SampleRate, device.SupportedFormats!.First().BitsPerSample))
    {
        //初始化錄制對象
        await using (var wic = new WaveInCollector(device.Id, device.SupportedFormats!.First()))
        {
            //由于api限制設備名稱不一定全。長度最大32。
            Console.WriteLine("設備名稱：" + wic.Device.Name);
            Console.WriteLine("聲音格式：Chanels=" + wic.Format.Channels +
                " SampleRate=" + wic.Format.SampleRate +
                " BitsPerSample=" + wic.Format.BitsPerSample
                );
            Console.WriteLine("開始錄制");
            //注冊錄制事件
            wic.DataArrived += (s, e) =>
            {
                Console.WriteLine("接收數據長度" + e.Stream.Length);
                //寫入文件
                ww.Write(e.Stream);
            };
            //開始錄制
            await wic.Start();
            //錄制10s結束
            await Task.Delay(10000);
            Console.WriteLine("錄制完成");
        }
    }
}
catch (Exception e)
{
    Console.WriteLine(e.Message);
}

方式二

指定設備下標和聲音格式

// See https://aka.ms/new-console-template for more information
using AC;
try
{
???????    //創(chuàng)建wav文件
    using (var ww = WavWriter.Create("test.wav", 2, 44100, 16))
    {
        //初始化錄制對象
        await using (var wic = new WaveInCollector(0, new SampleFormat() { Channels = 2, SampleRate = 44100, BitsPerSample = 16 }))
        {
            //由于api限制設備名稱不一定全。長度最大32。
            Console.WriteLine("設備名稱：" + wic.Device.Name);
            Console.WriteLine("聲音格式：Chanels=" + wic.Format.Channels +
                " SampleRate=" + wic.Format.SampleRate +
                " BitsPerSample=" + wic.Format.BitsPerSample
                );
            Console.WriteLine("開始錄制");
            //注冊錄制事件
            wic.DataArrived += (s, e) =>
            {
                Console.WriteLine("接收數據長度" + e.Stream.Length);
                //寫入文件
                ww.Write(e.Stream);
            };
            //開始錄制
            await wic.Start();
            //錄制10s結束
            await Task.Delay(10000);
            Console.WriteLine("錄制完成");
        }
    }
}
catch (Exception e)
{
    Console.WriteLine(e.Message);
}

效果預覽

總結

實現waveIn聲音采集雖然核心部分和C++一樣，但是對于接口的設計以及調用流程都有很大的不同，尤其是C#的異步可以簡化調用，使得接口變得很簡潔，而且通過disposable又可以和using配合省去Stop的調用。但唯一比較麻煩的地方就是內存的互操作，尤其是音頻數據緩存的讀取和寫入，在非unsafe的環(huán)境下會多一次拷貝。總的來說，這個功能在C#中實現還是有用的，調用簡單而且沒有額外依賴。

以上就是C#利用waveIn實現聲音采集的詳細內容，更多關于C# waveIn聲音采集的資料請關注腳本之家其它相關文章！

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