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我正在完成一个 MIDI 控制的软件合成器。MIDI 输入和合成工作正常，但播放音频本身似乎有问题。

我使用jackd它作为我的音频服务器是因为可以将它配置为低延迟应用程序，例如在我的情况下，实时 MIDI 乐器，alsa作为jackd后端。

在我的程序中，我使用RtAudio的是一个相当知名的 C++ 库，用于连接各种声音服务器并在它们上提供基本的流操作。顾名思义，它针对实时音频进行了优化。

我还使用了该Vc库，它是一个为各种数学函数提供矢量化的库，以加快加法合成过程。我基本上是将大量不同频率和幅度的正弦波相加，以便在输出上产生复杂的波形，例如锯齿波或方波。

现在，问题不在于延迟很高，因为这可能可以解决或归咎于很多事情，例如 MIDI 输入或其他问题。问题是我的软合成器和最终音频输出之间的延迟开始非常低，几分钟后，它变得难以忍受。

因为我打算用它来“现场”播放，即在我的家里，我真的不会因为我的击键和我听到的音频反馈之间不断增长的延迟而烦恼。

我试图减少一直重现问题的代码库，但我无法再进一步减少它。

#include <queue>
#include <array>
#include <iostream>
#include <thread>
#include <iomanip>
#include <Vc/Vc>
#include <RtAudio.h>
#include <chrono>
#include <ratio>
#include <algorithm>
#include <numeric>


float midi_to_note_freq(int note) {
    //Calculate difference in semitones to A4 (note number 69) and use equal temperament to find pitch.
    return 440 * std::pow(2, ((double)note - 69) / 12);
}


const unsigned short nh = 64; //number of harmonics the synthesizer will sum up to produce final wave

struct Synthesizer {
    using clock_t = std::chrono::high_resolution_clock;


    static std::chrono::time_point<clock_t> start_time;
    static std::array<unsigned char, 128> key_velocities;

    static std::chrono::time_point<clock_t> test_time;
    static std::array<float, nh> harmonics;

    static void init();
    static float get_sample();
};


std::array<float, nh> Synthesizer::harmonics = {0};
std::chrono::time_point<std::chrono::high_resolution_clock> Synthesizer::start_time, Synthesizer::test_time;
std::array<unsigned char, 128> Synthesizer::key_velocities = {0};


void Synthesizer::init() { 
    start_time = clock_t::now();
}

float Synthesizer::get_sample() {

    float t = std::chrono::duration_cast<std::chrono::duration<float, std::ratio<1,1>>> (clock_t::now() - start_time).count();

    Vc::float_v result = Vc::float_v::Zero();

    for (int i = 0; i<key_velocities.size(); i++) {
        if (key_velocities.at(i) == 0) continue;
        auto v = key_velocities[i];
        float f = midi_to_note_freq(i);
        int j = 0;
        for (;j + Vc::float_v::size() <= nh; j+=Vc::float_v::size()) {
            Vc::float_v twopift = Vc::float_v::generate([f,t,j](int n){return 2*3.14159268*(j+n+1)*f*t;});
            Vc::float_v harms = Vc::float_v::generate([harmonics, j](int n){return harmonics.at(n+j);});
            result += v*harms*Vc::sin(twopift); 
        }
    }
    return result.sum()/512;
}                                                                                                


std::queue<float> sample_buffer;

int streamCallback (void* output_buf, void* input_buf, unsigned int frame_count, double time_info, unsigned int stream_status, void* userData) {
    if(stream_status) std::cout << "Stream underflow" << std::endl;
    float* out = (float*) output_buf;
    for (int i = 0; i<frame_count; i++) {
        while(sample_buffer.empty()) {std::this_thread::sleep_for(std::chrono::nanoseconds(1000));}
        *out++ = sample_buffer.front(); 
        sample_buffer.pop();
    }
    return 0;
}


void get_samples(double ticks_per_second) {
    double tick_diff_ns = 1e9/ticks_per_second;
    double tolerance= 1/1000;

    auto clock_start = std::chrono::high_resolution_clock::now();
    auto next_tick = clock_start + std::chrono::duration<double, std::nano> (tick_diff_ns);
    while(true) {
        while(std::chrono::duration_cast<std::chrono::duration<double, std::nano>>(std::chrono::high_resolution_clock::now() - next_tick).count() < tolerance) {std::this_thread::sleep_for(std::chrono::nanoseconds(100));}
        sample_buffer.push(Synthesizer::get_sample());
        next_tick += std::chrono::duration<double, std::nano> (tick_diff_ns);
    }
}


int Vc_CDECL main(int argc, char** argv) {
    Synthesizer::init();

    /* Fill the harmonic amplitude array with amplitudes corresponding to a sawtooth wave, just for testing */
    std::generate(Synthesizer::harmonics.begin(), Synthesizer::harmonics.end(), [n=0]() mutable {
            n++;
            if (n%2 == 0) return -1/3.14159268/n;
            return 1/3.14159268/n;
        });

    RtAudio dac;

    RtAudio::StreamParameters params;
    params.deviceId = dac.getDefaultOutputDevice();
    params.nChannels = 1;
    params.firstChannel = 0;
    unsigned int buffer_length = 32;

    std::thread sample_processing_thread(get_samples, std::atoi(argv[1]));
    std::this_thread::sleep_for(std::chrono::milliseconds(10));

    dac.openStream(&params, nullptr, RTAUDIO_FLOAT32, std::atoi(argv[1]) /*sample rate*/, &buffer_length /*frames per buffer*/, streamCallback, nullptr /*data ptr*/);

    dac.startStream();

    bool noteOn = false;
    while(true) {
        noteOn = !noteOn;
        std::cout << "noteOn = " << std::boolalpha << noteOn << std::endl;
        Synthesizer::key_velocities.at(65) = noteOn*127;
        std::this_thread::sleep_for(std::chrono::seconds(1));
    }

    sample_processing_thread.join();
    dac.stopStream();
}

编译g++ -march=native -pthread -o synth -Ofast main.cpp /usr/local/lib/libVc.a -lrtaudio

该程序需要一个采样率作为第一个参数。在我的设置中，我jackd -P 99 -d alsa -p 256 -n 3 &用作我的声音服务器（需要当前用户的实时优先级权限）。由于默认采样率为jackd48 kHz，因此我使用./synth 48000.

alsa可以用作声音服务器，尽管jackd出于模糊的原因（包括交互） pulseaudio，我更喜欢在可能的情况下使用。alsa

如果您要运行该程序，您应该会听到一个希望不会太烦人的锯齿波播放并且不是定期播放，并且控制台输出在播放应该开始和停止时打开。当noteOn设置为true时，合成器开始以任何频率产生锯齿波，并在noteOn设置为 false 时停止。

希望您一开始会看到这一点，noteOn true并且false与音频播放和停止几乎完全对应，但是音频源开始逐渐滞后，直到在我的机器上大约 1 分钟到 1 分 30 秒左右开始变得非常明显。

由于以下原因，我 99% 确信它与我的程序无关。

“音频”在程序中采用这条路径。

  • 键被按下。

  • 时钟在 48 kHz 处滴答sample_processing_thread并调用Synthesizer::get_sample并将输出传递给std::queue用作稍后的样本缓冲区的输出。

  • 每当RtAudio流需要样本时，它都会从样本缓冲区中获取样本并继续移动。

这里唯一可能导致延迟增加的原因是时钟滴答，但它的滴答速度与流消耗样本的速率相同，所以不可能。如果时钟滴答作响，RtAudio则会抱怨流欠载，并且会出现明显的音频损坏，这不会发生。

然而，时钟可以更快地点击，但我不认为是这种情况，因为我已经在很多场合自己测试过时钟，虽然它确实显示出一点点抖动，以纳秒为单位，这是为了被期望。时钟本身没有累积延迟。

因此，延迟增长的唯一可能来源是RtAudio声音服务器的内部功能或声音服务器本身。我用谷歌搜索了一下，没有发现任何用处。

我已经尝试解决这个问题一两个星期了，并且我已经测试了我这边可能出现的所有问题，并且它按预期工作，所以我真的不知道会发生什么。

我试过的

  • 检查时钟是否有某种累积延迟：没有注意到累积延迟
  • 计时按键和生成的第一个音频样本之间的延迟，以查看此延迟是否随时间增长：延迟不随时间增长
  • 计时请求样本的流和发送到流的样本之间的延迟（开始和结束stream_callback）：延迟不随时间增长
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1 回答 1

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我认为您的 get_samples 线程生成的音频比 streamCallback 消耗它们的速度更快或更慢。使用时钟进行流量控制是不可靠的。

修复、删除该线程和 sample_buffer 队列并直接在 streamCallback 函数中生成样本的简单方法。

如果您确实想为您的应用程序使用多线程，则需要在生产者和消费者之间进行适当的同步。复杂得多。但简而言之，步骤如下。

  1. 用相当小的固定长度循环缓冲区替换您的队列。从技术上讲，std::queue 也可以工作，只是因为基于指针而速度较慢，并且您需要手动限制 max.size。

  2. 在生产者线程中执行无限循环，检查缓冲区中是否有空白空间，如果有空间则生成更多音频，如果没有，则等待消费者使用缓冲区中的数据。

  3. 在消费者 streamCallback 回调中，将数据从循环缓冲区复制到 output_buf。如果没有足够的可用数据，唤醒生产者线程并等待它产生数据。

不幸的是，一个有效的实现是相当棘手的。您需要同步来保护共享数据，但您不希望同步太多，否则生产者和消费者将被序列化并且仅使用单个硬件线程。一种方法是单个 std::mutex 在移动指针/大小/偏移量时保护缓冲区（但在读取/写入数据时解锁），以及两个 std::condition_variable，一个用于在没有可用空间时让生产者休眠缓冲区，当缓冲区中没有数据时消费者睡眠的另一个。

于 2018-02-19T00:51:50.590 回答