SineMusitвид изнутри

Программа написана на Delphi в рамках VCL Win32 с использованием модуля DirectX - DirectSound. Если Вы хотите в своих программах на Delphi использовать средства DirectX, то самое первое, что Вам нужно сделать - это получить заголовочные файлы DirectX переведенные с языка С на Паскаль для Delphi.

Официальной поддержки DirectX в Delphi нет, поэтому обычный источник заголовочных файлов для этой библиотеки - сайты энтузиастов, занимающихся переводом исходных файлов с языка C на Паскаль и адаптированием их для разных версий Delphi. Для SineMusit использовались файлы для DirectX 9.0 и Delphi6-7, взятые мной отсюда:

Следующий шаг - скачать и установить SDK для DirectX. Хотя, если Вы планируете ограничиться простейшими проектами, вроде рассматриваемого здесь SineMusit'а, то с этим можно не спешить. А вот литература на русском языке, например [1,2], будет очень полезной. Правда, в [1] нет звука, а в [2] нет Delphi, но все равно то, что в этих книгах все-таки есть, вполне пригодится. Надеюсь, что и эта статья для кого-то окажется не лишней.

Коротко об основных понятиях и терминах. Предположим, что у нас есть некий аналоговый сигнал, который мы хотим преобразовать в цифровую форму. Для этого мы делаем через равные промежутки времени измерение мгновенной величины сигнала, как показано на рисунке. Вопрос о том, как с этой задачей справляется электроника, выходит за рамки данной статьи. Просто принимаем как факт - мгновенная величина сигнала измерима.

Получившийся результат (цифра) называется в технической литературе по разному: отсчет, выборкa, сэмпл. Тактовая частота, с которой делаются выборки, называется частотой дискретизации (частотой сэмплирования). Сам же такой способ преобразования аналогового сигнала в цифровой называется импульсно-кодовой модуляцией (Pulse Code Modulation - PCM). Это не единственный способ, есть и другие, но именно он и только он применяется в DirectSound. Получившаяся в результате совокупность последовательных выборок (сэмплов) и есть цифровая форма аналогового сигнала (звуковые данные).

Из всего состава DirectX в SineMusit используется только DirectSound. В общем виде, суть возможностей этого модуля сводится к предоставлению разработчику, так называемых, звуковых буферов. Звуковой буфер это объект, состоящий из области памяти для хранения выборок (сэмплов) звукового сигнала и методов объекта, с этой областью работающих. Другими словами, содержимое буфера - это фрагмент звука. Продолжительность фрагмента определяется размером буфера и его форматом. Буферы бывают первичные и вторичные. Первичный буфер это тот, из которого звуковые данные отправляются прямо на цифро-аналоговый преобразователь, а затем на выход. Этот буфер всегда расположен в памяти звуковой карты. Данные в первичный буфер поступают из вторичных буферов. Эти буферы могут располагаться как в памяти звуковой карты, если ее достаточно, так и в системной. Вторичных буферов может быть сколько угодно. При одновременном воспроизведении (проигрывании) нескольких вторичных буферов, их данные смешиваются в первичном буфере.

Как правило, у программиста нет необходимости работать непосредственно с первичным буфером. Вместо этого он создает нужное количество вторичных, заполняет их своими данными, а затем в нужные моменты воспроизводит и смешивает в любой комбинации. При этом, есть возможность установить для каждого буфера его собственные параметры воспроизведения: громкость, баланс каналов, скорость воспроизведения. Кроме того, можно задать, будет ли воспроизведение конкретного буфера однократным или циклическим, узнать текущее и установить новое значение его позиции воспроизведения (положение курсора воспроизведения). Заносить в буфер данные можно не только тогда, когда он отстановлен, но и во время воспроизведения. Правда, в последнем случае требуется некоторая аккуратность. Имеется еще ряд возможностей, среди которых есть одна, представляющая особый интерес. В буфере можно установить, так называемые, позиции уведомления. Когда курсор воспроизведения достигает такой позиции, возникает системное событие, получив которое, можно выполнить какие-то действия, например, обновить данные в буфере. Уведомления - важный элемент устройства SineMusit, но об этом чуть позже.

Для того, чтобы использовать в своей программе те возможности, которые предлагает DirectSound, требуется определенная последовательноть действий. Первый шаг - создание главного объекта DirectSound.

var
  hr  : HRESULT;
  FDS : IDirectSound;
  ...
  hr := DirectSoundCreate(nil, FDS, nil);
  //  проверить успешность создания объекта
  if failed(hr) then
    ...      //  увы, создать объект не удалось

Первый параметр функции это GUID (уникальный глобальный идентификатор) того устройства, которое будет выводить звук. Если передать nil, то будет использовано устройство по умолчанию. В SineMusit так и сделано, хотя при необходимости, можно сначала использовать функцию DirectSoundEnumerate. Она позволяет получить список GUID всех устройств, способных работать с DirectSound [2]. Второй параметр это переменная, которая и будет объектом DirectSound (точнее указателем на объект). Тип IDirectSound это интерфейс. О том, что такое инерфейсы и для чего их придумали, можно подробно прочитать в [1,2,3], а здесь просто примем как факт - есть такой вид объектов. Третий параметр должен быть nil. При успешном завершении все функции DirectSound возвращают значение DS_OK. Можно непосредственно сравнивать результат с этой константой, а можно использовать системную функцию Failed (Windows.pas), которая возвращает true, если ее аргумент является кодом ошибки.

fanction Failed(Status: HRESULT): boolean;

Второй шаг - установка уровня совместного доступа к звуковому оборудованию. Windows многозадачная система, поэтому возможен запуск нескольких программ, запрашивающих доступ к одному и тому же оборудованию. Операционная система должна располагать какими-то данными, позволяющими ей решить, какой программе отдать предпочтение. Установка уровня совместного доступа как раз и определяет приоритет программ в такой ситуации. Доступ к оборудованию получит та, у которой уовень выше, а при одинаковом уровне та, у которой фокус.

  hr := FDS.SetCooperativeLevel(FormHandle, DSSCL_EXCLUSIVE);
  if failed(hr) then
    ...      //  задать режим совместного доступа не удалось

Первый параметр функции это дескриптор окна программы, то есть значение свойства Handle главной формы. Второй параметр как раз и задает уровень совместного доступа. Возможны четыре варианта, перечисленные в порядке возрастания приоритета:

• DSSCL_NORMAL - самый низкий приоритет, вследствие чего отсутствует возможность установить формат первичного буфера,
• DSSCL_PRIORITY - то же самое что DSSCL_NORMAL, но уже есть возможность установить формат первичного буфера,
• DSSCL_EXCLUSIVE - то же самое что DSSCL_PRIORITY и еще - "единоличное владение" звуковой картой при наличии фокуса,
• DSSCL_WRITEPRIMARY - то же самое что DSSCL_EXCLUSIVE и еще - возможность заносить данные непосредственно в первичный буфер.

По умолчанию в Windows установлен формат первичного звукового буфера - 22,05 кГц, 8 бит. Это не позволяет формировать сигналы с частотой выше 10 кГц. Чтобы SineMusit все-таки мог формировать сигналы с частотой до 20 кГц, нужно изменить формат первичного буфера, устновив частоту дискретизации, как минимум 44,1 кГц (частота дискретизации копакт-диска). По этой причине, уровень DSSCL_NORMAL оказывается неприемлемым. С другой стороны, необходимости прямой записи в первичный буфер у SineMusit тоже нет, а значит уровень DSSCL_WRITEPRIMARY выглядит завышенным. Из двух оставшихся, выбран уровень DSSCL_EXCLUSIVE, чтобы случайные звуки какой-либо другой программы не "подмешивались" в сигнал SineMusit.

Третий шаг - оценка возможностей имеющегося звукового оборудования и сравнение их с минимальными требованиями прикладной программы. Хотя, если программа делается исключительно "для себя" и поэтому совершенно точно известно, что на компьютерах со слабыми звуковыми картами она никогда запускаться не будет, то этот шаг можно пропустить. С другой стороны, не так уж он и сложен. Для данных о возможностях оборудования в DirectSound предусмотрен тип TDSCaps. Тип содержит много полей, но в SineMusit проверяется только два - dwMaxSecondarySampleRate и dwFlags.

type
  TDSCAPS = packed record
    dwSize                   : DWORD;  // размер размер самой записи в байтах
    dwFlags                  : DWORD;  // комбинация флагов описывающая возможности звукового оборудования
    dwMinSecondarySampleRate : DWORD;  // минимальная частота дискретизации вторичных буферов(Гц)
    dwMaxSecondarySampleRate : DWORD;  // максимальная частота дискретизации вторичных буферов(Гц)
    ...
  end;

Если значение поля dwMaxSecondarySampleRate будет меньше чем 44100, то генератор просто не сможет правильно формировать сигналы во всем заявленном диапазоне частот. Кроме того, с целью упрощения исходного кода, SineMusit работает только в режиме стерео, 16 бит. Скорее всего, компьютеров не отвечающих таким требованиям, в природе уже не осталось, но на всякий случай надо проверить наличие флагов DSCAPS_SECONDARYSTEREO и DSCAPS_SECONDARY16BIT в поле dwFlags.

var
  DSCaps : TDSCaps;
  ...
  ZeroMemory(@DSCaps, SizeOf(DSCaps));
  DSCaps.dwSize := SizeOf(DSCaps);
  hr:= FDS.GetCaps(DSCaps);
  if failed(hr) then
    ...      //  получить характеристики не удалось
  if DSCaps.dwMaxSecondarySampleRate < 44100 then
    ...      //  низкая частота дискретизации
  if ((DSCaps.dwFlags and DSCAPS_SECONDARYSTEREO) = 0) or
     ((DSCaps.dwFlags and DSCAPS_SECONDARY16BIT) = 0)
  then
    ...      //  нет режима стерео, 16 бит

Самое первое действие - очистка памяти занимаемой переменной DSCaps. Все поля записей, передаваемых в функции DirectX в качестве параметров, должны быть заполнены в обязательном порядке. Все, без исключения. Действует правило - если значение поля равно нулю, или поле заполнено равными нулю байтами, значит оно оставляется на усмотрение DirectX, а если оно не равно нулю, значит его значение должно быть принято к исполнению. Поэтому, если в памяти занятой переменной, окажется какое-то случайное значение, то работа функции станет непредсказуемой. Поскольку, в данном случае, мы собираемся получать данные, а не устанавливать что-то свое, то все поля должны иметь значение ноль, кроме поля dwSize . В этом поле указывается размер самой переменной, что, кстати, является типичной практикой не только для DirectX, но и вообще для программирования на С. Только после этого можно вызывать метод GetCaps. Результатом его работы станет заполненная реальными значениями переменная DSCaps. Теперь можно анализировать поля переменной и по результатам анализа предпринимать какие-то дейсвия.

Четвертый шаг - установка формата первичного звукового буфера в соответствии с требованиями прикладной программы, в данном случае SineMusit. Для этого понадобится переменная типа TWaveFormatEx (Windows.pas) и переменная типа TDSBufferDesc (DirectSound.pas). Первый из этих типов предназначен для описания формата звуковых данных, а второй для описания параметров самого буфера:

type
  // ... модуль Windows.pas ...
  TWaveFormatEx = packed record
    wFormatTag     : Word;   // тип формата, для DirectSound всегда WAVE_FORMAT_PCM
    nChannels      : Word;   // количество каналов
    nSamplesPerSec : DWORD;  // частота дискретизации
    nAvgBytesPerSec: DWORD;  // количество байтов в секунду (nBlockAlign * nSamplesPerSec)
    nBlockAlign    : Word;   // размер минимального блока данных в байтах (wBitsPerSample div 8 * nChannels)
    wBitsPerSample : Word;   // количество бит на выборку (8, 16, ...)
    cbSize         : Word;   // количество байтов дополнительной инфорамации, для DirectSound всегда 0
  end;
  // ... модуль DirectSound.pas ...
  TDSBufferDesc = packed record
    dwSize         : DWORD;  // размер самой записи в байтах
    dwFlags        : DWORD;  // комбинация флагов определяющая возможности буфера
    dwBufferBytes  : DWORD;  // размер буфера в байтах
    dwReserved     : DWORD;
    lpwfxFormat    : PWaveFormatEx;  // указатель на переменную типа TWaveFormatEx
    guid3DAlgorithm: TGUID;
  end;

Создается буфер методом CreateSoundBuffer главного объекта DirectSound. В исходном коде это может выглядеть так:

var
  WFX : TWaveFormatEx =
    ( wFormatTag      : WAVE_FORMAT_PCM;
      nChannels       : 2;
      nSamplesPerSec  : 44100;
      nAvgBytesPerSec : 44100 * 2 * (16 div 8);
      nBlockAlign     : 2 * (16 div 8);
      wBitsPerSample  : 16;
      cbSize          : 0 );
  dspbd : TDSBufferDesc;       // переменная для описания первичного буфера
  FDSB  : IDirectSoundBuffer;  // объект - звуковой буфер
  ...
  //  подготовка переменной dspbd (первый параметр метода)
  ZeroMemory(@dspbd, SizeOf(dspbd));
  dspbd.dwSize := SizeOf(dspbd);
  dspbd.dwFlags := DSBCAPS_PRIMARYBUFFER;
  //  создание первичного звукового буфера
  hr := FDS.CreateSoundBuffer(dspbd, FDSB, nil);
  if failed(hr) then
    ...      //  получить доступ к первичному буферу не удалось
  //  изменение формата первичного звукового буфера
  hr:= FDSB.SetFormat(@WFX);
  if failed(hr) then
    ...      //  изменить формат первичного буфера не удалось
  //  удаление объекта первичного буфера, в случае ненадобности
  FDSB := nil;

Первый параметр метода - переменная типа TDSBufferDesc, описывающая характеристики создаваемого буфера. Здесь она названа dspbd. Как и в предыдущем случае, память, занимаемая переменной, должна быть очищена, а ее размер указан в поле dwSize. В поле флагов должен стоять флаг DSBCAPS_PRIMARYBUFFER, указывающий на то, что создаваемый объект будет объектом первичного буфера. Второй параметр метода это сама переменная создаваемого объекта. Третий параметр должен быть равен nil.

Имея буфер, с помощью его метода SetFormat, устанавливаем нужный формат буфера. У этого метода только один аргумент - адрес переменной типа TWaveFormatEx, заранее заполненной данными о нужном формате. Поскольку SineMusit больше ничего с первичным буфером не делает, то теперь объект можно уничтожить, чтобы не занимал напрасно память. На этом, действия рутинные, то есть примерно одинаковые для любой программы использующей DirectSound, закончены.