基本软件合成器的延迟随着时间的推移而增长

Question

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 作为我的音频服务器，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，这是一个相当知名的 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Vc 库，这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，以便在输出端产生复杂的波形，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。

由于我打算使用它来“现场”播放，即在我的家中，我真的不会因为击键和听到的音频反馈之间不断增长的延迟而烦恼。

我已经尝试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();
}

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

程序需要一个采样率作为第一个参数。在我的设置中，我使用jackd -P 99 -d alsa -p 256 -n 3 & 作为我的声音服务器（需要当前用户的实时优先级权限）。由于jackd 的默认采样率为 48 kHz，我使用./synth 48000 运行程序。

alsa 可以用作声音服务器，但我更喜欢在可能的情况下使用jackd，原因包括pulseaudio 和alsa 交互。

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，合成器开始以任意频率产生锯齿波，并在noteOn 设置为false 时停止。

您希望一开始会看到，noteOn true 和 false 与音频播放和停止几乎完全对应，但是一点一点，音频源开始滞后，直到它开始变得非常明显在我的机器上大约 1 分钟到 1 分 30 秒。

我 99% 确定这与我的程序无关，原因如下。

“音频”在程序中采用这条路径。

• 按键被按下。

• sample_processing_thread 中的时钟以 48 kHz 的频率滴答并调用 Synthesizer::get_sample 并将输出传递给 std::queue，该std::queue 用作稍后的样本缓冲区。

• 每当RtAudio 流需要样本时，它就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声，但它的滴答声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 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，时钟的点击速度可能会更快，但我认为并非如此，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，这是可以预料的。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 的内部函数或声音服务器本身。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。

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我的尝试

• 检查时钟是否有某种累积延迟：没有发现累积延迟
• 计时按键与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加：延迟不随时间增加
• 计时请求样本的流与发送到流的样本之间的延迟（stream_callback 的开始和结束）：延迟没有随时间增长

Answer 1

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，则等待消费者从缓冲区中消费数据。

   李>

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

不幸的是，要有效地实现这一点非常棘手。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将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，另一个让消费者休眠。