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基于libmad库的MP3解码简析

發布時間：2023/11/27 生活经验 39 豆豆

生活随笔收集整理的這篇文章主要介紹了基于libmad库的MP3解码简析小編覺得挺不錯的,現在分享給大家,幫大家做個參考.

基于libmad庫的MP3解碼簡析 ?MAD （libmad）是一個開源的高精度 MPEG 音頻解碼庫，支持 MPEG-1（Layer I, Layer II 和 LayerIII（也就是 MP3）。LIBMAD 提供 24-bit 的 PCM 輸出，完全是定點計算，非常適合沒有浮點支持的平臺上使用。使用 libmad 提供的一系列 API，就可以非常簡單地實現 MP3 數據解碼工作。在 libmad 的源代碼文件目錄下的 mad.h 文件中，可以看到絕大部分該庫的數據結構和 API 等。 ???? 網上有很多關于libmad的使用實例，在他們的基礎上，我稍加總結、整理和衍生，文末給出相關參考鏈接，表示感謝！ ? ?????一、libmad庫源碼 ? ???? 可以去相關網站下載，給出鏈接： ?????http://download.chinaunix.net/download.php?id=11891&ResourceID=5910 可以根據不同的平臺自行編譯或者移植，略述。 ? ?????二、相關數據結構及函數接口簡介 ? ???? 1、struct mad_decode

struct mad_decoder?{
??enum mad_decoder_mode mode;
??int?options;
??struct?{
????long pid;
????int?in;
????int?out;
??}?async;
??struct?{
????struct mad_stream stream;
????struct mad_frame frame;
????struct mad_synth synth;
??}?*sync;
??void?*cb_data;
??enum mad_flow?(*input_func)(void?*,?struct mad_stream?*);
??enum mad_flow?(*header_func)(void?*,?struct mad_header?const?*);
??enum mad_flow?(*filter_func)(void?*,
???????????? struct mad_stream?const?*,?struct mad_frame?*);
??enum mad_flow?(*output_func)(void?*,
???????????? struct mad_header?const?*,?struct mad_pcm?*);
??enum mad_flow?(*error_func)(void?*,?struct mad_stream?*,?struct mad_frame?*);
??enum mad_flow?(*message_func)(void?*,?void?*,?unsigned?int?*);
};

2、struct mad_stream

struct mad_stream?{
??unsigned char?const?*buffer;????????/*?input bitstream buffer?*/
??unsigned char?const?*bufend;????????/*?end?of buffer?*/
??unsigned long skiplen;??????????????/*?bytes?to?skip before?next?frame?*/
??int?sync;???????????????????????????/*?stream sync found?*/
??unsigned long freerate;??????????? ?/*?free bitrate?(fixed)?*/
??unsigned char?const?*this_frame;????/*?start of current frame?*/
??unsigned char?const?*next_frame;????/*?start of?next?frame?*/
??struct mad_bitptr ptr;??????????????/*?current processing bit pointer?*/
??struct mad_bitptr anc_ptr;???????? ?/*?ancillary bits pointer?*/
??unsigned?int?anc_bitlen;????????????/*?number of ancillary bits?*/
??unsigned char?(*main_data)[MAD_BUFFER_MDLEN];
???????????????????????????????????? ?/*?Layer III main_data()?*/
??unsigned?int?md_len;????????????????/*?bytes?in?main_data?*/
??int?options;????????????????????????/*?decoding options?(see below)?*/
??enum mad_error?error;????????????? ?/*?error?code?(see above)?*/
};

?????三、MP3解碼流程簡介 MP3解碼有同步方式和異步方式兩種，libmad是以楨為單位對MP3進行解碼的，所謂同步方式是指解碼函數在解碼完一幀后才返回并帶回出錯信息，異步方式是指解碼函數在調用后立即返回，通過消息傳遞解碼狀態信息。 1、首先創建一個解碼器 struct mad_decoder decoder，緊接著調用函數? mad_decoder_init(...)函數，給出這個函數的原型及定義

/*
?*?NAME:????decoder->init()
?*?DESCRIPTION:????initialize a decoder object with callback routines
?*/
void mad_decoder_init(struct mad_decoder?*decoder,?void?*data,
???????? enum mad_flow?(*input_func)(void?*,
???????????????????????? struct mad_stream?*),
???????? enum mad_flow?(*header_func)(void?*,
???????????????????????? struct mad_header?const?*),
???????? enum mad_flow?(*filter_func)(void?*,
???????????????????????? struct mad_stream?const?*,
???????????????????????? struct mad_frame?*),
???????? enum mad_flow?(*output_func)(void?*,
???????????????????????? struct mad_header?const?*,
???????????????????????? struct mad_pcm?*),
???????? enum mad_flow?(*error_func)(void?*,
???????????????????????? struct mad_stream?*,
???????????????????????? struct mad_frame?*),
???????? enum mad_flow?(*message_func)(void?*,
???????????????????????? void?*,?unsigned?int?*))
{
??decoder->mode?=?-1;
??decoder->options?=?0;
??decoder->async.pid?=?0;
??decoder->async.in?=?-1;
??decoder->async.out?=?-1;
??decoder->sync?=?0;
??decoder->cb_data?=?data;
??decoder->input_func?=?input_func;
??decoder->header_func?=?header_func;
??decoder->filter_func?=?filter_func;
??decoder->output_func?=?output_func;
??decoder->error_func?=?error_func;
??decoder->message_func?=?message_func;
}

用戶編程可以用如下方式調用，可以看到從第三個參數開始，其實都是一些列的函數指針，這里初始化的目的其實是給創建的decoder注冊下面即將要自己實現的這些函數。Libmad庫會在解碼過程中回調這些函數：

mad_decoder_init(&decoder,?&buffer,
???????? input,?0?/*?header?*/,?0?/*?filter?*/,?output,
?????????error,?0?/*?message?*/);

第一個參數，就是定義的解碼器decoder； 第二個參數，是一個void型的函數指針，這里也就是給你的用戶空間定義私有的數據結構體用的，下面會給出具體的例子來說明其用法； 第三個參數，input_func函數，這個是用來讀取你的mp3資源的函數； 第四個參數，header_func函數，這個顧名思義是處理mp3頭部信息的函數，可以根據需要取舍；第五個參數，filter_func函數，也沒有深入理解過，可以不必實現；
?????第六個參數，output_func函數，這個是用來將解碼之后的數據寫入輸出緩沖區或者音頻設備節點的； ???? 第七個參數，error_func函數，是用來打印返回的解碼出錯信息的； ?????第八個參數，message_func可以不必實現。
???? 2、調用mad_decoder_run(&decoder, MAD_DECODER_MODE_SYNC)函數啟動解碼，查看Libmad庫源碼可知，這個函數里面會注冊一個函數指針

/*
?*?NAME:????decoder->run()
?*?DESCRIPTION:????run the decoder thread either synchronously?or?asynchronously
?*/
int?mad_decoder_run(struct mad_decoder?*decoder,?enum mad_decoder_mode mode)
{
??int?result;
??int?(*run)(struct mad_decoder?*)?=?0;
??switch?(decoder->mode?=?mode)?{
??case?MAD_DECODER_MODE_SYNC:
????run?=?run_sync;?
????break;
??case?MAD_DECODER_MODE_ASYNC:
#?if?defined(USE_ASYNC)
????run?=?run_async;
# endif
????break;
??}
??if?(run?==?0)
????return?-1;
??decoder->sync?=?malloc(sizeof(*decoder->sync));
??if?(decoder->sync?==?0)
????return?-1;
??result?=?run(decoder);
??free(decoder->sync);
??decoder->sync?=?0;
??return result;
}

而在這個run_sync(struct mad_decoder *decoder)函數中則有一個大的while循環來依次調用 decoder->input_func(decoder->cb_data, stream)獲取mp3源文件，然后交由相關庫函數解碼。而后會有decoder->output_func(decoder->cb_data,? &frame->header, &synth->pcm)函數來輸出解碼后的數據。 ???? 3、最后調用mad_decoder_finish(&decoder)結束解碼，釋放decoder資源。 ???? 4、在input_func函數中，會調用一個很重要的函數 mad_stream_buffer(stream, buffer->start, buffer->length)?，第一個參數指向一個mad_stream變量，mad_stream結構定義在stream.h頭文件里，用于記錄文件的地址和當前處理的位置。第二、三個參數分別是mp3文件在內存中映像的起始地址和文件長度。mad_stream_buffer()函數將mp3文件與mad_stream結構進行關聯。 ? ???? 四、MP3解碼編程實例

#include?<stdio.h>
#include?<stdlib.h>
#include?<string.h>
#include?<unistd.h>
#include?<sys/stat.h>
#include?<sys/mman.h>
#include?<fcntl.h>
#include?<sys/types.h>
#include?<sys/ioctl.h>
#include?<sys/soundcard.h>
#include?"mad.h"
#define BUFSIZE 8192
/*
?*?This?is?a?private?message structure.?A generic pointer?to?this structure
?*?is?passed?to?each?of the callback functions.?Put here any data you need
?*?to?access from within the callbacks.
?*/
struct buffer?{
????FILE?*fp;?/*file pointer*/
????unsigned?int?flen;?/*file length*/
????unsigned?int?fpos;?/*current position*/
????unsigned char fbuf[BUFSIZE];?/*buffer*/
????unsigned?int?fbsize;?/*indeed size of buffer*/
};
typedef struct buffer mp3_file;
int?soundfd;?/*soundcard file*/
unsigned?int?prerate?=?0;?/*the pre simple rate*/
int?writedsp(int?c)
{
????return write(soundfd,?(char?*)&c,?1);
}
void set_dsp()
{
#if?0
????int?format?=?AFMT_S16_LE;
????int?channels?=?2;
????int?rate?=?44100;
????soundfd?=?open("/dev/dsp",?O_WRONLY);
????ioctl(soundfd,?SNDCTL_DSP_SPEED,&rate);
????ioctl(soundfd,?SNDCTL_DSP_SETFMT,?&format);
????ioctl(soundfd,?SNDCTL_DSP_CHANNELS,?&channels);
#else
????if((soundfd?=?open("test.bin"?,?O_WRONLY?|?O_CREAT))?<?0)
????{
????????fprintf(stderr?,?"can't open sound device!\n");
????????exit(-1);
????}
#endif
}
/*
?*?This?is?perhaps the simplest example use of the MAD high-level API.
?*?Standard input?is?mapped into memory via mmap(),?then?the high-level API
?*?is?invoked with three callbacks:?input,?output,?and?error.?The output
?*?callback converts MAD's high-resolution PCM samples?to?16 bits,?then
?*?writes them?to?standard output?in?little-endian,?stereo-interleaved
?*?format.
?*/
static?int?decode(mp3_file?*mp3fp);
int?main(int?argc,?char?*argv[])
{
????long flen,?fsta,?fend;
????int?dlen;
????mp3_file?*mp3fp;
????if?(argc?!=?2)
????????return 1;
????mp3fp?=?(mp3_file?*)malloc(sizeof(mp3_file));
????if((mp3fp->fp?=?fopen(argv[1],?"r"))?==?NULL)
????{
????????printf("can't open source file.\n");
????????return 2;
????}
????fsta?=?ftell(mp3fp->fp);
????fseek(mp3fp->fp,?0,?SEEK_END);
????fend?=?ftell(mp3fp->fp);
????flen?=?fend?-?fsta;
????if(flen?>?0)
????????fseek(mp3fp->fp,?0,?SEEK_SET);
????fread(mp3fp->fbuf,?1,?BUFSIZE,?mp3fp->fp);
????mp3fp->fbsize?=?BUFSIZE;
????mp3fp->fpos?=?BUFSIZE;
????mp3fp->flen?=?flen;
????set_dsp();
????decode(mp3fp);
????close(soundfd);
????fclose(mp3fp->fp);
????return 0;
}
static enum mad_flow input(void?*data,?struct mad_stream?*stream)
{
????mp3_file?*mp3fp;
????int?ret_code;
????int?unproc_data_size;?/*the unprocessed data's size*/
????int?copy_size;
????mp3fp?=?(mp3_file?*)data;
????if(mp3fp->fpos?<?mp3fp->flen)?{
????????unproc_data_size?=?stream->bufend?-?stream->next_frame;
????????//printf("%d, %d, %d\n",?unproc_data_size,?mp3fp->fpos,?mp3fp->fbsize);
????????memcpy(mp3fp->fbuf,?mp3fp->fbuf?+?mp3fp->fbsize?-?unproc_data_size,?unproc_data_size);
????????copy_size?=?BUFSIZE?-?unproc_data_size;
????????if(mp3fp->fpos?+?copy_size?>?mp3fp->flen)?{
????????????copy_size?=?mp3fp->flen?-?mp3fp->fpos;
????????}
????????fread(mp3fp->fbuf+unproc_data_size,?1,?copy_size,?mp3fp->fp);
????????mp3fp->fbsize?=?unproc_data_size?+?copy_size;
????????mp3fp->fpos?+=?copy_size;
????????/*Hand off the buffer?to?the mp3 input stream*/
????????mad_stream_buffer(stream,?mp3fp->fbuf,?mp3fp->fbsize);
????????ret_code?=?MAD_FLOW_CONTINUE;
????}?else?{
????????ret_code?=?MAD_FLOW_STOP;
????}
????return ret_code;
}
/*
?*?The following utility routine performs simple rounding,?clipping,?and
?*?scaling of MAD's high-resolution samples down?to?16 bits.?It does?not
?*?perform any dithering?or?noise shaping,?which would be recommended?to
?*?obtain any exceptional audio quality.?It?is?therefore?not?recommended?to
?*?use this routine?if?high-quality output?is?desired.
?*/
static inline signed?int?scale(mad_fixed_t sample)
{
????/*?round?*/
????sample?+=?(1L?<<?(MAD_F_FRACBITS?-?16));
????/*?clip?*/
????if?(sample?>=?MAD_F_ONE)
????????sample?=?MAD_F_ONE?-?1;
????else?if?(sample?<?-MAD_F_ONE)
????????sample?=?-MAD_F_ONE;
????/*?quantize?*/
????return sample?>>?(MAD_F_FRACBITS?+?1?-?16);
}
/*
?*?This?is?the output callback?function.?It?is?called after?each?frame of
?*?MPEG audio data has been completely decoded.?The purpose of this callback
?*?is?to?output?(or?play)?the decoded PCM audio.
?*/
//輸出函數做相應的修改，目的是解決播放音樂時聲音卡的問題。
static enum mad_flow output(void?*data,?struct mad_header?const?*header,
????????struct mad_pcm?*pcm)
{
????unsigned?int?nchannels,?nsamples;
????mad_fixed_t?const?*left_ch,?*right_ch;
????//?pcm->samplerate contains the sampling frequency
????nchannels?=?pcm->channels;
????nsamples?=?pcm->length;
????left_ch?=?pcm->samples[0];
????right_ch?=?pcm->samples[1];
????short buf[nsamples?*2];
????int?i?=?0;
????//printf(">>%d\n",?nsamples);
????while?(nsamples--)?{
????????signed?int?sample;
????????//?output sample(s)?in?16-bit signed little-endian PCM
????????sample?=?scale(*left_ch++);
????????buf[i++]?=?sample?&?0xFFFF;
????????if?(nchannels?==?2)?{
????????????sample?=?scale(*right_ch++);
????????????buf[i++]?=?sample?&?0xFFFF;
????????}
????}
????//fprintf(stderr,?".");
????write(soundfd,?&buf[0],?i?*?2);
????return MAD_FLOW_CONTINUE;
}
/*
?*?This?is?the?error?callback?function.?It?is?called whenever a decoding
?*?error?occurs.?The?error?is?indicated by stream->error;?the list of
?*?possible MAD_ERROR_*?errors can be found?in?the mad.h?(or?stream.h)
?*?header file.
?*/
static enum mad_flow?error(void?*data,
????????struct mad_stream?*stream,
????????struct mad_frame?*frame)
{
????mp3_file?*mp3fp?=?data;
????fprintf(stderr,?"decoding error 0x%04x (%s) at byte offset %u\n",
????????????stream->error,?mad_stream_errorstr(stream),
????????????stream->this_frame?-?mp3fp->fbuf);
????/*?return MAD_FLOW_BREAK here?to?stop decoding?(and?propagate an?error)?*/
????return MAD_FLOW_CONTINUE;
}
/*
?*?This?is?the?function?called by main()?above?to?perform all the decoding.
?*?It instantiates a decoder object?and?configures it with the input,
?*?output,?and?error?callback functions above.?A single?call?to
?*?mad_decoder_run()?continues?until?a callback?function?returns
?*?MAD_FLOW_STOP?(to?stop decoding)?or?MAD_FLOW_BREAK?(to?stop decoding?and
?*?signal an?error).
?*/
static?int?decode(mp3_file?*mp3fp)
{
????struct mad_decoder decoder;
????int?result;
????/*?configure input,?output,?and?error?functions?*/
????mad_decoder_init(&decoder,?mp3fp,
????????????input,?0?/*?header?*/,?0?/*?filter?*/,?output,
????????????error,?0?/*?message?*/);
????/*?start decoding?*/
????result?=?mad_decoder_run(&decoder,?MAD_DECODER_MODE_SYNC);
????/*?release the decoder?*/
????mad_decoder_finish(&decoder);
????return result;
}

說明：1、實例原本是基于音頻OSS框架的，當然，在嵌入式領域，ALSA也是兼容OSS接口的； ????????2、為了在ubuntu上調試方便，并沒有直接往音頻接口，而是創建了一個文件，直接往文件里面寫； ??????? 3、上述代碼中的紅色區域重點講解一下

static enum mad_flow input(void?*data,?struct mad_stream?*stream)
{
????mp3_file?*mp3fp;
????int?ret_code;
????int?unproc_data_size;?/*the unprocessed data's size*/
????int?copy_size;
????mp3fp?=?(mp3_file?*)data;
????if(mp3fp->fpos?<?mp3fp->flen)?{
????????unproc_data_size?=?stream->bufend?-?stream->next_frame;
????????//printf("%d, %d, %d\n",?unproc_data_size,?mp3fp->fpos,?mp3fp->fbsize);
????????memcpy(mp3fp->fbuf,?mp3fp->fbuf?+?mp3fp->fbsize?-?unproc_data_size,?unproc_data_size);
????????copy_size?=?BUFSIZE?-?unproc_data_size;
????????if(mp3fp->fpos?+?copy_size?>?mp3fp->flen)?{
????????????copy_size?=?mp3fp->flen?-?mp3fp->fpos;
????????}
????????fread(mp3fp->fbuf+unproc_data_size,?1,?copy_size,?mp3fp->fp);
????????mp3fp->fbsize?=?unproc_data_size?+?copy_size;
????????mp3fp->fpos?+=?copy_size;
????????/*Hand off the buffer?to?the mp3 input stream*/
????????mad_stream_buffer(stream,?mp3fp->fbuf,?mp3fp->fbsize);
????????ret_code?=?MAD_FLOW_CONTINUE;
????}?else?{
????????ret_code?=?MAD_FLOW_STOP;
????}
????return ret_code;
}

???????我們設置的輸入buff緩沖區的大小是8192字節，但是對于mp3文件來講，不一定這8192個字節就剛好是若干個完整的幀，有可能會有若干字節是輸入下一個幀的，所有要根據struct mad_stream中的兩個指針，標示了緩沖區中的完整幀的起始地址：

unsigned char?const?*this_frame;????/*?start of current frame?*/
unsigned char?const?*next_frame;????/*?start of?next?frame?*/

那么

unproc_data_size?=?stream->bufend?-?stream->next_frame;

得到剩余的下一個幀的數據，并且需要將其從buff數組的尾部拷貝到頭部，再從mp3文件中讀取一部分字節拼湊成下一個8192字節，提交給庫去解碼，如此周而復始。

?????? 4、此代碼解碼出來的pcm可以加上44字節的wav頭文件，則可以用播放器正常播放。

???? 五、如何從網絡socket獲取相應數據，邊解碼邊播放

???? 由于我的項目是要實現一個遠程播放器的功能，即手機端的mp3源文件通過wifi傳輸到開發板上解碼播放，所以，對于輸入緩沖區的控制就不像操作文件那個，可以通過file結構體精確控制好讀取的數據位置了，為此，做了些許修改。

???? 可以開兩個線程，一個線程用于接收socket數據，一個用于解碼播放。主要是緩沖區的控制，可以如此實現：將接收buff[]大小設置為8192*10字節，然后，解碼input函數里面的buff[]的大小設置為8192*11字節，也就是說，多余了8192用來緩沖多余的下一幀字節的數據（因為mp3文件的幀不會超過8192字節），那么，區別于上面的思路，我們可以固定的讓socket的buff[]接收8192*10字節的數據，如果解碼的buff[]里面初次解碼后有剩余的數據，仍然將其復制到解碼buff[]的頭部，只是這時候還是將socket的buff[]的8192*10字節的數據加到解碼buff[]的剛剛拷貝的數據后面，所以，這里調用mad_stream_buffer(stream, buf, bsize)中的bsize就是8192*10+剩余的幀數據大小了。

相關參考：

1、作者：cqulpj? 網址：?http://cqulpj.blogbus.com/logs/68406670.html

???????????????????????????????http://cqulpj.blogbus.com/logs/68406669.html

2、作者：李素科??網址：?http://www.ibm.com/developerworks/cn/linux/l-cn-libmadmp3player/index.html

3、作者：liky125?網址：?http://blog.chinaunix.net/uid-26073752-id-2392553.html

posted on 2012-07-15 11:19 小小程序員001 閱讀(...) 評論(...) 編輯收藏

轉載于:https://www.cnblogs.com/musicfans/archive/2012/07/15/2819301.html

總結

以上是生活随笔為你收集整理的基于libmad库的MP3解码简析的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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libmad

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