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Javaでリアルタイムに音を作成する(ドレミ)

前記事『Javaで音声波形データを表示してみる』ではwavファイルに格納された音声波形データを画面表示してみた。今回はもう1つ踏み込み、リアルタイムに音を作成・再生してみようと思う。


■ 音声波形と音の聞こえ方

 音声波形と音の聞こえ方の基本知識を確認する。一般に音波は以下の要素で表され、音声波形を生成する際に必要となる知識である。


波長・周波数

 波長が短い(周波数が高い)ほど音は高く聞こえ、波長が長い(周波数が低い)ほど音は低く聞こえる。周波数は1秒間に発生する波の数であり「1/波長」の式で表される。一般にドレミという音は以下の周波数で表される(*1)(正確な数式はwikipedia(*2)を参照のこと)。また、以下を基準に1オクターブ上は+440Hz、1オクターブ下は-440Hzとなる。

音名 周波数
261.6255653005986
293.6647679174076
329.6275569128699
ファ 349.2282314330039
391.99543598174927
440
493.8833012561241
523.2511306011972

振幅

 音の大きさを示す。スピーカーやアンプはこの振幅を増幅して音を大きくしている。

波形

 音色を決定する。人の声やバイオリンの音は一見1つの音に聞こえるが、実はいろいろな周波数(スペクトル)の音が混在している。このためこれらの音をグラフで表示すると、ギザギザとした波(前記事の犬の声のような波)として描かれる。この波の形が波形である。


■ 実装プログラム

 今回は「ドラミファソラシド」という音階の音波形をリアルタイム作成し、再生・画面表示するプログラムを示す。プログラムでは画面に表示された音声波形が常に再生され、ボタン押下により音階を変更できる。波形は正弦波(sin関数で表される波)を利用している。

◇サンプルコード
package application;

import java.io.IOException;
import java.nio.ByteOrder;

import javax.sound.sampled.AudioFormat;
import javax.sound.sampled.AudioSystem;
import javax.sound.sampled.DataLine;
import javax.sound.sampled.SourceDataLine;

import javafx.application.Application;
import javafx.application.Platform;
import javafx.concurrent.Task;
import javafx.event.ActionEvent;
import javafx.scene.Scene;
import javafx.scene.chart.LineChart;
import javafx.scene.chart.NumberAxis;
import javafx.scene.chart.XYChart;
import javafx.scene.chart.XYChart.Series;
import javafx.scene.control.Button;
import javafx.scene.layout.VBox;
import javafx.stage.Stage;

/**
 * 音声波形を作成し出力するプログラム
 * 
 * @author karura
 *
 */
public class TestDoremi extends Application
{
    // 定数宣言
    // ドレミ音階の周波数
    // http://www.yk.rim.or.jp/~kamide/music/notes.html
    private final double[]  FREQUANCIES = { 261.6255653005986d ,    // ド
                                            293.6647679174076d ,    // レ
                                            329.6275569128699d ,    // ミ
                                            349.2282314330039d ,    // ファ
                                            391.9954359817492d ,    // ソ
                                            440.0d ,                // ラ
                                            493.8833012561241d ,    // シ
                                            523.2511306011972d };   // ド
    private final String[]  DOREMI      = { "ド"  , "レ" , "ミ" ,   // 音階の文字表現
                                            "ファ", "ソ" , "ラ" ,
                                            "シ"  , "ド" };
    private final long      DURATION    = 100;                      // 一度に音を鳴らす時間[ms]
    
    // 変数宣言
    private int             note        = 0;                        // 現在出力中の音階を表すインデックス
    byte[]                  buffer      = null;                     // 現在出力中の音声波形データ
    private double          amplitude   = 10;                       // 現在出力中の音声波形の最大振幅(音量に相当)
    VBox                    root        = null;                     // シーングラフのルートノード
    
    /**
     * プログラム起動用関数
     * @param args
     */
    public static void main(String[] args) {
        launch(args);
    }
    
    @Override
    public void start(Stage primaryStage) throws Exception
    {
        // フォント色がおかしくなることへの対処
        System.setProperty( "prism.lcdtext" , "false" );
        
        // シーングラフの作成
                    root    = new VBox();
        Button      button  = new Button( "音階変更" );
        root.getChildren().add( button );
        
        // シーンの作成
        Scene       scene   = new Scene( root , 300 , 250 );
        
        // ウィンドウ表示
        primaryStage.setScene( scene );
        primaryStage.show();
        
        // ボタンのイベントハンドラを設定
        // ボタン押下時に音階を変更する
        button.addEventHandler(ActionEvent.ACTION, e ->  note = ( note + 1 ) % FREQUANCIES.length );
        
        // 音声再生
        soundStart();
        
    }
    
    /**
     * 内部で音声再生スレッドを起動
     * 
     * 音階変更時に音が途切れるのは、チャート作成用のタスクが最優先で実行されるため
     * 
     * それ以外で音が途切れるのは、CPUの処理が追いついていない場合。
     * この場合、DURATIONの値を上げるとよい
     * @throws Exception
     */
    public void soundStart() throws Exception
    {
        // 波形データを作成するスレッドを起動するタスクを定義
        Task<Boolean> task = new Task<Boolean>()
        {
            @Override
            protected Boolean call() throws Exception
            {
                // システムで利用しているエンディアン(バイト・オーダ)を取得
                ByteOrder   bo          = ByteOrder.nativeOrder();
                boolean     isBigEndian = ( bo == ByteOrder.BIG_ENDIAN );
                
                // 出力音声のフォーマットを指定
                AudioFormat         format      = new AudioFormat( AudioFormat.Encoding.PCM_SIGNED ,    // オーディオのデータフォーマット
                                                                   44100.0f ,                           // サンプリングレート
                                                                   Byte.SIZE ,                          // 1サンプルを表すビット数
                                                                   1,                                   // モノラル(1)・ステレオ指定(2)
                                                                   1,                                   // フレームのバイト数 = 第3引数 * 第4引数 / 8
                                                                   44100.0f ,                           // 1秒あたりのフレーム数 = 第2引数
                                                                   isBigEndian );                       // ビッグエンディアンかどうか
                
                // 音声波形データ格納用のバッファを作成
                int             bufferSize  = (int)( format.getSampleRate() * format.getFrameSize() * DURATION / 1000.0 );
                                buffer      = new byte[ bufferSize  ]; 
                
                // 音声出力ラインを作成
                DataLine.Info   info        = new DataLine.Info(SourceDataLine.class, format);
                SourceDataLine  line        = (SourceDataLine) AudioSystem.getLine(info);
                
                // 音声出力ラインを開く
                line.open(format, buffer.length);
                line.start();
                
                // 音声再生用ループ
                try{
                    // 前回鳴らした音階
                    int beforeNote  = -1;
                        
                    // 音声再生用ループ
                    while( true )
                    {   
                        // 音声データをバッファに書込
                        int readBytes   = 0;
                        if( -1 == ( readBytes = writeBuffer( buffer , format ) ) ){ break; }
                        
                        // チャートの更新
                        if( note != beforeNote )
                        {
                            // チャートの作成
                            Platform.runLater( () -> addChart() );
                            
                            // 更新
                            beforeNote = note;
                        }
                        
                        // スリープ
                        sleep( DURATION );
                        
                        // 音声データ再生
                        line.write(buffer, 0, readBytes);
                        
                    }
                }finally{
                    // 再生終了を待つ
                    line.drain();
                    
                    // 音声再生終了
                    line.close();
                }
                
                // タスクを終わらせる
                return true;
            };
        };
        
        // タスクを実行
        Thread t = new Thread( task );
        t.setDaemon( true );
        t.start();
        
    }
    
    
    /**
     * バッファに波形を書き込む
     * @param buffer
     * @return
     * @throws IOException 
     */
    private int writeBuffer( byte[] buffer , AudioFormat format ) throws IOException
    {
        // 新しい音階の波形データをバッファに書き込み
        for( int i=0 ; i<buffer.length ; i++ )
        {
            // サンプル1つ分の値を書き込み
            // 波形はサイン波
            radian      = radian + 2.0 * Math.PI * FREQUANCIES[note] / format.getSampleRate();
            radian      = Math.toRadians( Math.toDegrees( radian ) );
            double tmp  = amplitude * Math.sin( radian );
            buffer[i]   = (byte)tmp;
        }
        
        // 値を返す
        return buffer.length;
    }
    private double          radian      = 0.0d;                     // 前回のラジアン
    
    
    /**
     * 
     * 前回関数の呼び出しから、duration[ms]経過するまでsleepする関数
     * @param duration 
     * @throws InterruptedException
     */
    private void sleep( long duration ) throws InterruptedException
    {
        // 現在の時刻を取得
        long now = System.currentTimeMillis();
        
        // 最初の呼び出しの際には、duratioin[ms]の間スリープするように設定
        if( beforeTime == 0 ){ beforeTime = now - duration; }

        // もし、前回呼び出しからduration[ms]経つまでスリープする
        if( now - beforeTime < duration )
        {
            Thread.sleep( now - beforeTime );
        }
        
        // 時間を更新
        beforeTime = now;
    }
    private long beforeTime = 0;                                    // 前回の関数起動時間
    
    /**
     * 折れ線グラフで波形表示
     * @return
     */
    @SuppressWarnings("unchecked")
    public void addChart()
    {
        // 折れ線グラフ
        NumberAxis                  xAxis   = new NumberAxis();
        NumberAxis                  yAxis   = new NumberAxis();
        LineChart<Number, Number>   chart   = new LineChart<Number, Number>( xAxis , yAxis );
        chart.setMinWidth( 300 );
        chart.setMinHeight( 200 );
        
        // データがない場合は終了
        if( buffer == null ){ return; }
        
        // データを作成
        Series< Number , Number > series1    = new Series<Number, Number>();
        series1.setName( DOREMI[note]  );
        for( int i=0 ; i<buffer.length ; i++ )
        {
            series1.getData().add( new XYChart.Data<Number, Number>( i , (int)buffer[i] ) );
        }
         
        // データを登録
        chart.getData().addAll( series1 );
        
        // 見た目を調整
        chart.setCreateSymbols(false);                                                      // シンボルを消去
        series1.getNode().lookup(".chart-series-line").setStyle("-fx-stroke-width: 0.75px;");  // 線を細く
        
        // チャートがあれば削除
        if( root.getChildren().size() > 1 ){ root.getChildren().remove( 1 ); }
        
        // チャートの追加
        root.getChildren().add( chart );
    }
}
◇実行結果

◇解説
 プログラムが少し長くなってしまったが、リアルタイムに音声波形を作成・再生しているのは137行目~159行目のループである。
 
 音の波形データはwriteBuffer関数(141行目)で作成し、SourceDataLine::write関数(157行目)で音声として出力している。writeBuffer関数では波形はサイン波(sin,cosのサイン)、周波数はFREQUANCIES定数の値、振幅はamplitude変数の値の波形を作成して、buffer変数には1サンプル分の振幅値を代入している(194行目~197行目)。このbuffer配列の内容をチャートに書き出すと、画面上の波形になる。

 1ループで再生される音声は定数DURATION(46行目)で表されるミリ秒分である。これを連続して出力するためループ処理を行うのだが、ただのループにしてしまうとスレッドのCPU使用率が高くなってしまう(単純に50%に張り付く)。このためsleep関数(154行目)を作成し、音の再生中はThread.sleep関数にてCPUを開放している(212行目~228行目)。また、メインスレッド(JavaFXアプリケーションスレッド)でこの処理を行うと画面がフリーズするため別スレッドとして起動している点にも注意が必要である(104行目~176行目)。
 
 音階の変更はクラス変数noteの値を変更しすることで処理している(82行目)。noteの値が変更されるとwriteBuffer関数で作成される音声波形が変更され(194行目)、チャートの再描画が行われる(144行目~151行目)。チャートの作成・追加はすべてaddChart関数内で行われているが、buffer配列の内容を棒グラフとして出力しているだけである(147行目、236行目~268行目)。

 実行結果の音声波形を見れば「ド」よりも「ファ」の周波数のほうが高いことが見て分かると思われる。

■ 参照

  1. 音階と周波数の対応表(JavaScript)
  2. Wikipedia 「MIDI Tuning Standard」
  3. Wikipedia 「音色」
Home > Java 応用・実験 > Javaでリアルタイムに音を作成する(ドレミ)

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