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【Android开发经验】移动设备的“声波通信/验证”的实现——SinVoice开源项目介绍(一)

2014-11-15 21:51 639 查看
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    在APP市场上,经常有一些充满新意的应用让我们眼前一亮,比如微信的面对面加好友,支付宝的声波支付等等,都是通过声波的方式进行握手通信,今天这篇文章将介绍声波通信和声波验证的实现原理和代码实现。
    首先介绍一下声波验证的原理。如果我们想发出声音,就必须震动,说话是声带在震动,手机能播放音乐是喇叭在震动。既然发出声音必须震动,那么就有震动快慢之分,我们把震动的快慢叫做声音的频率。频率低的声音低沉有力,能传播很远的距离,比如说大象之间通信就是利用次声波,也就是频率很低的声波进行的。而蝙蝠,我们都知道是通过超声波进行探路的,超声波就是震动频率比较高的声音。频率太高或者太低,人的耳朵都听不到,人耳的识别范围是20HZ-20000HZ。这里引出了一个单位,叫做赫兹(HZ),它是指一秒钟的震动次数。
    知道什么是声音的频率之后,我们就可以开始介绍声波通信的原理了。既然不同的声音有不同的频率,那么我们就可以假设1000HZ的声音代表1,2000HZ的声音代表2,以此类推,我们就可以用不同的频率代表不同的数字组合。在接收到声波之后,再根据不同的频率解析成我们需要的数据就好。
    如果我们想发出单频率的声音,我们就需要自己构造特定频率的正弦函数。手机喇叭在震动的时候,实际上是根据不同的电流带动鼓纸,进行不同频率的震动才发出声音的。而如果我们想要发出1000HZ的声音,我们就需要设计对应的正弦函数,来提供一定规律的电流。
    既然说到我们要自己设计正弦函数,还有几个名词我要解释一下:
    1.采样率
    是指每一秒要采集的声音的次数。因为平常我们说话的时候,产生的是模拟信号,就是时间连续的信号,如果我们想把语音录制下来怎么办呢?我们是做不到完完全全的都录制下来的,我们只能每隔一段时间采集一次数据,将模拟信号转化成数字信号,因此,采样点的多少就影响到语音的质量了。如果采样点多,那么质量就高,听起来就和原声的差别小;相对的,采样点少,质量就次,听起来就和原声不一样。这就是采样率的作用。
    2.采样定理
    上面说道,如果采样率高,录音的质量就高,那么,是不是采样率越高越好呢?当然不是。随着采样率的提高,虽然质量提高了,但是采样的难度也对应的增加了,而且,采样出来的数据需要存储,采样率越高,产生的数据文件就越大,因此质量高的音乐比一般的音乐体积大。所以,我们通常要选用一个合适的采样率。在信号处理领域有一个定理叫做“采样定理”,也称“奈奎斯特定理”,内容是:如果采样的频率高于信号最高频率的两倍,采样之后的数字信号就可以完整的保留下原始信号中的信息。因为人的听力范围在20HZ-20000HZ,所以一般采样频率在44.1kHZ,也就是一分钟44100次。
    在明白了这些预备知识之后,下面开始介绍开源项目SinVoice。



    上面是整个项目的结构,圈中的主要的类,下面把几个重要的类的功能和注意点介绍一下。为了便于理解,我自己添加了一些注释,并不是故意侵占原作者的版权哈。
    首先,我们先看一下到底怎么用,下面是MainActivity的代码:
package com.example.sinvoicedemo;

import android.app.Activity;
import android.os.Bundle;
import android.os.Handler;
import android.os.Message;
import android.view.View;
import android.view.View.OnClickListener;
import android.widget.TextView;

import com.libra.sinvoice.LogHelper;
import com.libra.sinvoice.SinVoicePlayer;
import com.libra.sinvoice.SinVoiceRecognition;

/**
*
* @ClassName: com.example.sinvoicedemo.MainActivity
* @Description: 声波通信
* @author zhaokaiqiang
* @date 2014-11-15 下午12:36:32
*
*/
public class MainActivity extends Activity implements
SinVoiceRecognition.Listener, SinVoicePlayer.Listener {

private final static String TAG = "MainActivity";
// 最大数字
private final static int MAX_NUMBER = 5;
// 识别成功
private final static int MSG_SET_RECG_TEXT = 1;
// 开始识别
private final static int MSG_RECG_START = 2;
// 识别结束
private final static int MSG_RECG_END = 3;

private final static String CODEBOOK = "12345";

private Handler mHanlder;
// 播放
private SinVoicePlayer mSinVoicePlayer;
// 录音
private SinVoiceRecognition mRecognition;

@Override
protected void onCreate(Bundle savedInstanceState) {
super.onCreate(savedInstanceState);
setContentView(R.layout.activity_main);

mSinVoicePlayer = new SinVoicePlayer(CODEBOOK);
mSinVoicePlayer.setListener(this);

mRecognition = new SinVoiceRecognition(CODEBOOK);
mRecognition.setListener(this);

final TextView playTextView = (TextView) findViewById(R.id.play_text);
mHanlder = new RegHandler((TextView) findViewById(R.id.regtext));

// 开始播放声音
findViewById(R.id.start_play).setOnClickListener(new OnClickListener() {
@Override
public void onClick(View arg0) {
String text = genText(15);
playTextView.setText(text);
mSinVoicePlayer.play(text);
}
});

// 停止播放声音
findViewById(R.id.stop_play).setOnClickListener(new OnClickListener() {
@Override
public void onClick(View arg0) {
mSinVoicePlayer.stop();
}
});

// 开始声音识别
findViewById(R.id.start_reg).setOnClickListener(new OnClickListener() {
@Override
public void onClick(View arg0) {
mRecognition.start();
}
});

// 停止声音识别
findViewById(R.id.stop_reg).setOnClickListener(new OnClickListener() {
@Override
public void onClick(View arg0) {
mRecognition.stop();
}
});
}

// 获取长度为count且最大值为MAX_NUMBER的随机数
private String genText(int count) {
StringBuilder sb = new StringBuilder();
int pre = 0;
while (count > 0) {
int x = (int) (Math.random() * MAX_NUMBER + 1);
if (Math.abs(x - pre) > 0) {
sb.append(x);
--count;
pre = x;
}
}

return sb.toString();
}

private static class RegHandler extends Handler {

private StringBuilder mTextBuilder = new StringBuilder();
private TextView mRecognisedTextView;

public RegHandler(TextView textView) {
mRecognisedTextView = textView;
}

@Override
public void handleMessage(Message msg) {
switch (msg.what) {
case MSG_SET_RECG_TEXT:
char ch = (char) msg.arg1;
mTextBuilder.append(ch);
if (null != mRecognisedTextView) {
mRecognisedTextView.setText(mTextBuilder.toString());
}
break;

case MSG_RECG_START:
mTextBuilder.delete(0, mTextBuilder.length());
break;

case MSG_RECG_END:
LogHelper.d(TAG, "recognition end");
break;
}
}
}

@Override
public void onRecognitionStart() {
mHanlder.sendEmptyMessage(MSG_RECG_START);
}

@Override
public void onRecognition(char ch) {
mHanlder.sendMessage(mHanlder.obtainMessage(MSG_SET_RECG_TEXT, ch, 0));
}

@Override
public void onRecognitionEnd() {
mHanlder.sendEmptyMessage(MSG_RECG_END);
}

@Override
public void onPlayStart() {
LogHelper.d(TAG, "start play");
}

@Override
public void onPlayEnd() {
LogHelper.d(TAG, "stop play");
}

}

    我们可以看出,声波播放和识别的代码封装的非常简单易用,我主要强调以下几点
    1.常量CODEBOOK是一个编码本,因为是这个功能可以商用,因此开源的代码中只给出了使用12345这5个数字进行编码的实例,所以这个常量不要修改。
    2.SinVoicePlayer和SinVoiceRecognition是两个非常重要的类,前者可以实现将数字转化成单频率的音频进行输出,后者则可以根据音频进行识别。我们可以设置监听器,来监听识别成功的事件回调。
    3.genText(int count) 方法是为了获取一个长度是count的随机数,而且这个随机数是有要求的,因为示例代码只实现了1到5的编码和解码,因此,生成的随机数必须在1到5之间才能进行正确的编解码,所以使用MAX_NUMBER进行随机数的大小控制
    如果只是想简单的使用这个功能,了解上面的知识之后,就完全可以用了,下一篇文章中,我将介绍实现过程中的一些细节问题,下一篇再见。
    项目的Github地址:https://github.com/JesseGu/SinVoice
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