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JS `Web Audio API` 实时音频处理与合成：`AudioWorklet` 的高级用法

呦吼！各位音频极客们，欢迎来到今天的“Web Audio API 实时音频处理与合成：AudioWorklet 的高级用法”主题讲座！

今天咱们不整那些虚头巴脑的理论，直接上手撸代码，用最接地气的方式，把 AudioWorklet 这玩意儿玩明白，让你的 Web Audio 应用瞬间高大上！

第一章：AudioWorklet 是个啥？为啥要用它？

先来唠唠嗑，AudioWorklet 到底是个啥？简单说，它就是 Web Audio API 里的一个 JavaScript 模块，但是！它跑在一个独立的线程里，不会阻塞你的主线程！这就像你的乐队里有个专门负责效果器的小弟，啥效果都他来搞，不用你主唱分心，保证演出流畅丝滑。

那为啥要用它呢？

  • 性能炸裂： 主线程不再承担沉重的音频处理任务，你的网页再也不会卡成 PPT 了！
  • 低延迟： 独立的线程意味着更低的延迟，实时音频处理不再是梦！
  • 模块化： 可以把复杂的音频处理逻辑封装成一个个 AudioWorklet 模块，方便复用和维护。

总而言之，AudioWorklet 就是 Web Audio API 的一个大杀器，用了它，你的音频应用就能起飞！

第二章：AudioWorklet 的基本用法：Hello, AudioWorklet!

咱们先来写个最简单的 AudioWorklet 模块，打印一句 "Hello, AudioWorklet!"。

1. 创建 AudioWorklet 处理器脚本（my-processor.js）:

class MyProcessor extends AudioWorkletProcessor {
  constructor() {
    super();
  }

  process(inputs, outputs, parameters) {
    console.log("Hello, AudioWorklet!");
    return true; // 保持处理器运行
  }
}

registerProcessor('my-processor', MyProcessor);

这段代码定义了一个名为 MyProcessor 的类，它继承自 AudioWorkletProcessor。process 方法是核心，它会在每个音频处理块中被调用。在这里，我们只是简单地打印了一句话。registerProcessor 函数用于注册这个处理器，让 Web Audio API 知道它的存在。

2. HTML 文件（index.html）:

<!DOCTYPE html>
<html>
<head>
  <title>AudioWorklet Demo</title>
</head>
<body>
  <button id="startButton">Start Audio</button>
  <script>
    const startButton = document.getElementById('startButton');

    startButton.addEventListener('click', async () => {
      const audioContext = new AudioContext();

      try {
        await audioContext.audioWorklet.addModule('my-processor.js');

        const myNode = new AudioWorkletNode(audioContext, 'my-processor');

        // 连接音频源到 AudioWorklet 节点，再连接到输出
        const oscillator = audioContext.createOscillator();
        oscillator.connect(myNode).connect(audioContext.destination);
        oscillator.start();

        startButton.disabled = true; // 禁用按钮
      } catch (error) {
        console.error("Error loading AudioWorklet module:", error);
      }
    });
  </script>
</body>
</html>

这段 HTML 代码创建了一个按钮，点击按钮后会初始化 Web Audio 上下文，加载 my-processor.js 模块，创建一个 AudioWorkletNode 节点，然后将一个振荡器连接到 AudioWorklet 节点，再连接到音频输出。

解释:

  • audioContext.audioWorklet.addModule('my-processor.js'): 加载 AudioWorklet 模块。注意，这步是异步的，所以要用 await。
  • new AudioWorkletNode(audioContext, 'my-processor'): 创建一个 AudioWorklet 节点，指定要使用的处理器名称。
  • oscillator.connect(myNode).connect(audioContext.destination): 将音频源（这里是一个振荡器）连接到 AudioWorklet 节点，然后再连接到音频输出。

打开你的浏览器，点击按钮，看看控制台里是不是刷屏了 "Hello, AudioWorklet!"？ 恭喜你，第一个 AudioWorklet 程序成功运行！

第三章：AudioWorklet 的输入输出：玩转音频数据

光打印 "Hello, AudioWorklet!" 没啥意思，咱们要玩点真格的，处理音频数据！

1. AudioWorklet 处理器脚本（gain-processor.js）:

class GainProcessor extends AudioWorkletProcessor {
  constructor() {
    super();
    this.gain = 0.5; // 默认增益值
    this.port.onmessage = (event) => {
      if (event.data.gain !== undefined) {
        this.gain = event.data.gain;
      }
    };
  }

  process(inputs, outputs, parameters) {
    const input = inputs[0]; // 获取输入音频数据
    const output = outputs[0]; // 获取输出音频数据

    if (!input || !output) return true; // 检查是否存在输入/输出

    for (let channel = 0; channel < output.length; channel++) {
      const inputChannel = input[channel];
      const outputChannel = output[channel];
      if (!inputChannel || !outputChannel) continue;

      for (let i = 0; i < inputChannel.length; i++) {
        outputChannel[i] = inputChannel[i] * this.gain; // 应用增益
      }
    }

    return true;
  }
}

registerProcessor('gain-processor', GainProcessor);

这个 AudioWorklet 处理器实现了一个简单的增益效果。process 方法接收三个参数：

  • inputs: 一个数组，包含了所有的输入音频数据。每个元素都是一个数组，代表一个通道的音频数据。
  • outputs: 一个数组，包含了所有的输出音频数据。结构和 inputs 相同。
  • parameters: 一个对象，包含了所有通过 AudioParam 控制的参数值。

在 process 方法中，我们遍历输入音频数据，将每个采样乘以增益值，然后写入输出音频数据。

2. HTML 文件（index.html）:

<!DOCTYPE html>
<html>
<head>
  <title>AudioWorklet Gain Demo</title>
</head>
<body>
  <button id="startButton">Start Audio</button>
  <input type="range" id="gainControl" min="0" max="1" step="0.01" value="0.5">
  <label for="gainControl">Gain</label>
  <script>
    const startButton = document.getElementById('startButton');
    const gainControl = document.getElementById('gainControl');

    startButton.addEventListener('click', async () => {
      const audioContext = new AudioContext();

      try {
        await audioContext.audioWorklet.addModule('gain-processor.js');

        const gainNode = new AudioWorkletNode(audioContext, 'gain-processor');

        // 连接音频源到 AudioWorklet 节点，再连接到输出
        const oscillator = audioContext.createOscillator();
        oscillator.connect(gainNode).connect(audioContext.destination);
        oscillator.start();

        startButton.disabled = true; // 禁用按钮

        // 监听增益控制器的变化
        gainControl.addEventListener('input', () => {
          gainNode.port.postMessage({ gain: parseFloat(gainControl.value) });
        });

      } catch (error) {
        console.error("Error loading AudioWorklet module:", error);
      }
    });
  </script>
</body>
</html>

这段 HTML 代码增加了一个滑块，用于控制增益值。通过 gainNode.port.postMessage 方法，我们可以向 AudioWorklet 处理器发送消息，更新增益值。在 gain-processor.js 中，我们通过 this.port.onmessage 监听消息，更新 this.gain 的值。

解释:

  • gainNode.port.postMessage({ gain: parseFloat(gainControl.value) }): 通过 port.postMessage 方法向 AudioWorklet 处理器发送消息。消息可以是任何 JavaScript 对象。
  • this.port.onmessage = (event) => { ... }: 在 AudioWorklet 处理器中，通过 port.onmessage 监听来自主线程的消息。event.data 包含了消息的内容.

运行这个例子，拖动滑块，就可以实时改变音频的增益了！

第四章：AudioParam：更优雅的参数控制

虽然 port.postMessage 可以用来传递参数，但是 Web Audio API 提供了更优雅的方式：AudioParam。

1. AudioWorklet 处理器脚本（gain-param-processor.js）:

class GainParamProcessor extends AudioWorkletProcessor {
  static get parameterDescriptors() {
    return [{
      name: 'gain',
      defaultValue: 0.5,
      minValue: 0,
      maxValue: 1
    }];
  }

  constructor() {
    super();
  }

  process(inputs, outputs, parameters) {
    const input = inputs[0]; // 获取输入音频数据
    const output = outputs[0]; // 获取输出音频数据
    const gainValues = parameters.gain; // 获取增益参数值

    if (!input || !output) return true; // 检查是否存在输入/输出

    for (let channel = 0; channel < output.length; channel++) {
      const inputChannel = input[channel];
      const outputChannel = output[channel];
      if (!inputChannel || !outputChannel) continue;

      for (let i = 0; i < inputChannel.length; i++) {
        outputChannel[i] = inputChannel[i] * gainValues[0]; // 应用增益
      }
    }

    return true;
  }
}

registerProcessor('gain-param-processor', GainParamProcessor);

这次我们使用 AudioParam 来控制增益。

  • static get parameterDescriptors(): 这个静态方法定义了 AudioParam 的描述信息。name 是参数的名称，defaultValue 是默认值，minValue 和 maxValue 是允许的最小值和最大值。
  • parameters.gain: 在 process 方法中，我们可以通过 parameters.gain 获取增益参数的值。注意，parameters.gain 是一个数组，因为 AudioParam 的值可以在不同的音频处理块中变化（例如，通过自动化）。

2. HTML 文件（index.html）:

<!DOCTYPE html>
<html>
<head>
  <title>AudioWorklet Gain Param Demo</title>
</head>
<body>
  <button id="startButton">Start Audio</button>
  <input type="range" id="gainControl" min="0" max="1" step="0.01" value="0.5">
  <label for="gainControl">Gain</label>
  <script>
    const startButton = document.getElementById('startButton');
    const gainControl = document.getElementById('gainControl');

    startButton.addEventListener('click', async () => {
      const audioContext = new AudioContext();

      try {
        await audioContext.audioWorklet.addModule('gain-param-processor.js');

        const gainNode = new AudioWorkletNode(audioContext, 'gain-param-processor');

        // 连接音频源到 AudioWorklet 节点，再连接到输出
        const oscillator = audioContext.createOscillator();
        oscillator.connect(gainNode).connect(audioContext.destination);
        oscillator.start();

        startButton.disabled = true; // 禁用按钮

        // 监听增益控制器的变化
        gainControl.addEventListener('input', () => {
          gainNode.parameters.get('gain').value = parseFloat(gainControl.value);
        });

      } catch (error) {
        console.error("Error loading AudioWorklet module:", error);
      }
    });
  </script>
</body>
</html>

现在，我们可以通过 gainNode.parameters.get('gain').value 来直接设置 AudioParam 的值。

解释:

  • gainNode.parameters.get('gain').value = parseFloat(gainControl.value): 获取名为 ‘gain’ 的 AudioParam 对象，并设置其值。

使用 AudioParam 的好处是，它可以和 Web Audio API 的自动化功能完美配合，实现更复杂的参数控制。

第五章：AudioWorklet 的高级应用：合成器

现在咱们来个更刺激的，用 AudioWorklet 实现一个简单的合成器！

1. AudioWorklet 处理器脚本（synth-processor.js）:

class SynthProcessor extends AudioWorkletProcessor {
  static get parameterDescriptors() {
    return [
      { name: 'frequency', defaultValue: 440, minValue: 20, maxValue: 20000 },
      { name: 'gain', defaultValue: 0.1, minValue: 0, maxValue: 1 }
    ];
  }

  constructor() {
    super();
    this.phase = 0;
    this.sampleRateValue = sampleRate; // 采样率
  }

  process(inputs, outputs, parameters) {
    const output = outputs[0];
    const frequencyValues = parameters.frequency;
    const gainValues = parameters.gain;

    if (!output) return true;

    for (let channel = 0; channel < output.length; channel++) {
      const outputChannel = output[channel];

      for (let i = 0; i < outputChannel.length; i++) {
        const frequency = frequencyValues[0];
        const gain = gainValues[0];

        // 生成正弦波
        const value = Math.sin(2 * Math.PI * this.phase * frequency / this.sampleRateValue) * gain;
        outputChannel[i] = value;

        this.phase = (this.phase + 1) % this.sampleRateValue; // 更新相位
      }
    }

    return true;
  }
}

registerProcessor('synth-processor', SynthProcessor);

这个 AudioWorklet 处理器生成一个简单的正弦波。

  • frequency: 控制正弦波的频率。
  • gain: 控制正弦波的幅度。
  • this.phase: 记录当前相位，用于生成正弦波。
  • sampleRate: 全局变量，表示音频上下文的采样率。

2. HTML 文件（index.html）:

<!DOCTYPE html>
<html>
<head>
  <title>AudioWorklet Synth Demo</title>
</head>
<body>
  <button id="startButton">Start Audio</button>
  <input type="range" id="frequencyControl" min="20" max="20000" step="1" value="440">
  <label for="frequencyControl">Frequency</label>
  <input type="range" id="gainControl" min="0" max="1" step="0.01" value="0.1">
  <label for="gainControl">Gain</label>
  <script>
    const startButton = document.getElementById('startButton');
    const frequencyControl = document.getElementById('frequencyControl');
    const gainControl = document.getElementById('gainControl');

    let audioContext;
    let synthNode;

    startButton.addEventListener('click', async () => {
      audioContext = new AudioContext();

      try {
        await audioContext.audioWorklet.addModule('synth-processor.js');

        synthNode = new AudioWorkletNode(audioContext, 'synth-processor');

        // 连接 AudioWorklet 节点到输出
        synthNode.connect(audioContext.destination);

        startButton.disabled = true; // 禁用按钮

        // 监听频率控制器的变化
        frequencyControl.addEventListener('input', () => {
          synthNode.parameters.get('frequency').value = parseFloat(frequencyControl.value);
        });

        // 监听增益控制器的变化
        gainControl.addEventListener('input', () => {
          synthNode.parameters.get('gain').value = parseFloat(gainControl.value);
        });

      } catch (error) {
        console.error("Error loading AudioWorklet module:", error);
      }
    });
  </script>
</body>
</html>

这个 HTML 代码增加了两个滑块，用于控制合成器的频率和幅度。

运行这个例子，你就可以通过调整滑块来改变合成器的声音了！

第六章：AudioWorklet 的调试技巧

在开发 AudioWorklet 模块时，调试可能会比较麻烦，因为 AudioWorklet 运行在独立的线程中，无法直接使用浏览器的开发者工具进行调试。但是，还是有一些技巧可以帮助你进行调试：

  • console.log(): 虽然无法直接使用开发者工具，但是你仍然可以在 AudioWorklet 模块中使用 console.log() 函数来输出调试信息。这些信息会显示在浏览器的控制台中。
  • try…catch: 使用 try...catch 语句来捕获 AudioWorklet 模块中的错误，并输出错误信息。
  • postMessage(): 可以使用 port.postMessage() 方法将 AudioWorklet 模块中的数据发送到主线程，然后在主线程中使用开发者工具进行调试。
  • Source Maps: 可以使用 Source Maps 来调试 AudioWorklet 模块的源代码。你需要配置你的构建工具来生成 Source Maps，并在浏览器中启用 Source Maps 支持。

第七章：AudioWorklet 的局限性

虽然 AudioWorklet 非常强大，但是它也有一些局限性：

  • 兼容性: AudioWorklet 的兼容性还不是很好。一些旧版本的浏览器可能不支持 AudioWorklet。
  • 调试: AudioWorklet 的调试比较麻烦，需要使用一些特殊的技巧。
  • 安全性: AudioWorklet 运行在独立的线程中，因此需要注意安全性问题。你需要确保你的 AudioWorklet 模块是安全的，不会执行恶意代码。

第八章：更复杂的例子：动态波表合成器

咱们再来个重量级的，用 AudioWorklet 实现一个简单的动态波表合成器！这个合成器可以通过改变波表来创造出更丰富的声音。

（由于篇幅限制，这里只提供思路，代码需要更多时间编写，这里只给出框架）

  1. 准备波表数据： 在主线程中，我们可以预先生成一些不同的波表数据（例如，正弦波、方波、锯齿波等），并将这些数据存储在一个数组中。
  2. 传递波表数据到 AudioWorklet： 使用 port.postMessage() 方法将波表数据发送到 AudioWorklet 处理器。
  3. AudioWorklet 处理器：
    • 接收来自主线程的波表数据，并将这些数据存储在一个内部数组中。
    • 提供一个 waveTableIndex 的 AudioParam，用于控制当前使用的波表索引。
    • 在 process 方法中，根据 waveTableIndex 选择对应的波表，然后根据频率和相位生成声音。

这个例子会更复杂，但它展示了 AudioWorklet 的强大之处，你可以用它来创造出各种各样的声音！

第九章：总结与展望

今天咱们一起学习了 AudioWorklet 的基本用法和一些高级应用。AudioWorklet 是 Web Audio API 的一个非常强大的工具，它可以让你在 Web 上实现高性能、低延迟的实时音频处理和合成。

虽然 AudioWorklet 还有一些局限性，但是随着 Web 技术的不断发展，相信这些问题都会得到解决。未来，AudioWorklet 将会在 Web 音频领域发挥越来越重要的作用。

希望今天的讲座对你有所帮助！如果你有任何问题，欢迎随时提问。 祝你玩得开心！

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