Zenn
フェアリーデバイセズ公式Publicationへの投稿
🔈

CameraXフォークを基にTHINKLETで5ch音声録音をしてみる

KatsuNakajima
に公開
Android
Kotlin
Audio
camerax
tech

はじめに

こんにちは、Fairy Devices株式会社プロダクト開発部の中嶋です。

以前、当社Publicationの記事でCameraXフォークについて紹介しました。

https://zenn.dev/fairydevices/articles/653be5d32cec55

本記事は、そのCameraXフォークを応用し、THINKLETでの動画撮影と並行して、
5ch音声データ同時に取得・保存する方法をサンプルコードを交えながら説明します。

背景

当社では、THINKLETの5chマイクをフルに活用するため、CameraXをフォークしたライブラリをリリースしました。
その後、動画撮影と同時に5chの音声データも取得したいというお声をいただきました。
一般的に、Android/AOSPの仕様上、MP4には1chまたは2chの音声しか保存できません。
そこで、CameraXフォークを応用して、5chの生音声データを別途取得できるように試作しました。
音声データの流れと処理のイメージとしては、以下の図の様になります。(※図内の矢印は音声データの流れと各処理前時でのチャンネル数を示します。)

それでは、実装例を順に見ていきましょう。

実装例

下記の「マルチマイク録画 + THINKLET Vision アプリ」に5ch音声ファイル出力機能を追加する例を示します。

https://github.com/FairyDevicesRD/thinklet.video.recorder

概要

最初に、CameraXフォークについて説明します。

CameraXフォークでは、既存のCameraXをフォークして、新たに ThinkletMic Interface を追加し、CameraXの音声取り込み機能を外出しできるように改造しています。つまり、任意のマイクや加工した音声をCameraX Recorderの入力音声として使用することができます。
「マルチマイク録画 + THINKLET Vision アプリ」では、ライブラリとして公開しているマイクモジュール(ThinkletMics.XFEなど)を使用しています。
本実装例では、新たに5ch音声データを出力できるマイクモジュールを追加します。

具体的に追加する項目の概要は以下の通りです。

  • 5ch音声出力対応版マイクモジュールの新規実装
  • 5ch音声データをファイル書き込みするクラスの新規実装
  • ThinkletRecorderクラスで新規実装した5ch音声出力対応版マイクモジュールを使うように修正
  • RecorderStateクラスで新規実装した5ch音声出力対応版マイクモジュールを使うように修正
    • 新たに、ビルド設定値micTypeにrawを追加します。
    • ビルド設定値micTypeがrawである場合、5ch音声出力対応版マイクモジュールを動画撮影時の音声入力として使用します。
    • ビルド設定値micTypeが5chまたはxfeである場合は既存の指定通りのマイクモジュールを動画撮影時の音声入力として使用します。

図に表すと下図のような状態となります。

最終的なアプリケーションでは、動画撮影後に以下のファイルを出力します。

  • MP4形式の動画ファイルはこれまで通り1chの音声で出力される。
  • ビルド設定値micTypeがrawである時に、(動画ファイルとは別ファイルとして)5ch音声データをRAWファイルとして出力する。

ディレクトリ構成

app/src/main/java/com/example/fd/video/recorderを基準とした、最終的なファイル構成は以下の通りです。
本実装例で新たに追加するファイルには(新規)、追加・変更をして差分が生じるファイルには(改修)と記載しています。変更箇所の無いディレクトリは省略しています。

.
├── camerax
│   ├── impl (新規)
│   │   └── ThinkletAudioRecordWrapperRepositoryImpl.kt (新規)
│   ├── RawAudioRecCaptureRepository.kt (新規)
│   ├── ThinkletAudioRecordWrapperRepository.kt (新規)
│   └── ThinkletRecorder.kt (改修)
├── MainActivity.kt
├── RecorderState.kt (改修)

5ch音声出力対応版マイクモジュールの実装

CameraXフォークのMultiChannelAudioRecordWrapperを基に、5ch音声出力対応版マイクモジュールの実装をしていきます。
圧縮前の5ch音声データをListenerに渡すように改造します。
まずは、interfaceである、ThinkletAudioRecordWrapperRepository.ktを定義します。

ThinkletAudioRecordWrapperRepository.kt
package com.example.fd.video.recorder.camerax

import ai.fd.thinklet.camerax.ThinkletAudioRecordWrapperFactory

interface ThinkletAudioRecordWrapperRepository : ThinkletAudioRecordWrapperFactory {
    fun interface Listener {
        fun onRawAudioData(data: ByteArray)
    }

    fun setCallback(listener: Listener?)
}

以下2つのメソッドを定義しています。
圧縮前の5ch音声データを受け取るListener
Listenerから受け取ったデータを読み出すsetCallback

次に、ThinkletAudioRecordWrapperRepository Interface を実装した ThinkletAudioRecordWrapperRepositoryImpl を作成します。
全文は以下のようになります。

impl/ThinkletAudioRecordWrapperRepositoryImpl.kt(全文)
impl/ThinkletAudioRecordWrapperRepositoryImpl.kt
package com.example.fd.video.recorder.camerax.impl

import ai.fd.thinklet.camerax.mic.multichannel.MultiChannelAudioCompressor
import ai.fd.thinklet.sdk.audio.MultiChannelAudioRecord
import ai.fd.thinklet.sdk.audio.MultiChannelAudioRecord.Channel
import ai.fd.thinklet.sdk.audio.MultiChannelAudioRecord.SampleRate
import android.Manifest
import android.media.AudioManager.AudioRecordingCallback
import android.media.AudioRecord
import android.media.AudioRecordingConfiguration
import android.media.AudioTimestamp
import androidx.annotation.RequiresApi
import androidx.annotation.RequiresPermission
import androidx.camera.video.audio.wrapper.AudioRecordWrapper
import com.example.fd.video.recorder.camerax.ThinkletAudioRecordWrapperRepository
import com.example.fd.video.recorder.util.Logging
import java.nio.ByteBuffer
import java.util.concurrent.Executor
import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock
import kotlin.concurrent.withLock
import kotlin.math.min

internal class ThinkletAudioRecordWrapperRepositoryImpl(
    private val sourceChannelCount: Channel = Channel.CHANNEL_FIVE,
) : ThinkletAudioRecordWrapperRepository {

    private val listenerLock = ReentrantLock()
    private var listener: ThinkletAudioRecordWrapperRepository.Listener? = null

    override fun setCallback(listener: ThinkletAudioRecordWrapperRepository.Listener?) {
        listenerLock.withLock { this.listener = listener }
    }

    @RequiresPermission(Manifest.permission.RECORD_AUDIO)
    override fun create(
        audioSource: Int, audioFormat: Int, channelCount: Int,
        sampleRate: Int
    ): AudioRecordWrapper {
        val audioRecordWithBufferSize = MultiChannelAudioRecord().get(
            sourceChannelCount,
            getMultiChannelAudioRecordSampleRate(sampleRate)
        )
        return MultiChannelAudioRecordWrapper(
            { listenerLock.withLock { listener } },
            audioRecordWithBufferSize.audioRecord,
            sourceChannelCount,
            audioRecordWithBufferSize.bufferSize,
            channelCount == 2
        )
    }

    private fun getMultiChannelAudioRecordSampleRate(sampleRate: Int): SampleRate =
        when (sampleRate) {
            16000 -> SampleRate.SAMPLING_RATE_16000
            32000 -> SampleRate.SAMPLING_RATE_32000
            48000 -> SampleRate.SAMPLING_RATE_48000
            else -> throw IllegalArgumentException("Unsupported sample rate. $sampleRate")
        }
}

internal class MultiChannelAudioRecordWrapper(
    private val listener: () -> ThinkletAudioRecordWrapperRepository.Listener?,
    private val audioRecord: AudioRecord,
    private val sourceChannelCount: Channel,
    private val sourceBufferSize: Int,
    private val isStereoOutput: Boolean
) : AudioRecordWrapper() {

    override fun getState(): Int = audioRecord.state

    override fun release() = audioRecord.release()

    override fun startRecording() = audioRecord.startRecording()

    override fun getRecordingState(): Int = audioRecord.recordingState

    override fun stop() = audioRecord.stop()

    override fun read(byteBuffer: ByteBuffer, bufferSize: Int): Int {
        val sourceBuffer = ByteArray(sourceBufferSize)
        val readCount = audioRecord.read(sourceBuffer, 0, sourceBufferSize)
        if (readCount > 0) {
            listener()?.onRawAudioData(sourceBuffer)
            return compressChannel(
                sourceBuffer, sourceChannelCount, isStereoOutput, byteBuffer,
                bufferSize
            )
        }
        Logging.w("Read data from multi channel audio is empty!")
        return 0
    }

    override fun getAudioSessionId(): Int = audioRecord.audioSessionId

    override fun getTimestamp(audioTimestamp: AudioTimestamp, timeBase: Int): Int =
        audioRecord.getTimestamp(audioTimestamp, timeBase)

    @RequiresApi(29)
    override fun getActiveRecordingConfiguration(): AudioRecordingConfiguration? =
        audioRecord.activeRecordingConfiguration

    @RequiresApi(29)
    override fun registerAudioRecordingCallback(
        executor: Executor,
        callback: AudioRecordingCallback
    ) = audioRecord.registerAudioRecordingCallback(executor, callback)

    @RequiresApi(29)
    override fun unregisterAudioRecordingCallback(callback: AudioRecordingCallback) =
        audioRecord.unregisterAudioRecordingCallback(callback)

    companion object {
        private fun compressChannel(
            sourceByteArray: ByteArray,
            sourceChannelCount: Channel,
            isStereoOutput: Boolean,
            outByteBuffer: ByteBuffer,
            outBufferSize: Int
        ): Int {
            val compressedData = MultiChannelAudioCompressor
                .compressPcm16bitAudio(sourceByteArray, sourceChannelCount, isStereoOutput)
            if (compressedData == null) {
                Logging.w("Compressed data is empty!")
                return 0
            }
            val writtenDataSize = min(compressedData.size, outBufferSize)
            outByteBuffer.put(compressedData, 0, writtenDataSize)
            return writtenDataSize
        }
    }
}

要点を抜粋すると、read()コールバック内にて、収録された音声が圧縮処理される前段でListenerに圧縮前の音声データを渡します。

    override fun read(byteBuffer: ByteBuffer, bufferSize: Int): Int {
        val sourceBuffer = ByteArray(sourceBufferSize)
        val readCount = audioRecord.read(sourceBuffer, 0, sourceBufferSize)
        if (readCount > 0) {
            listener()?.onRawAudioData(sourceBuffer)
            return compressChannel(
                sourceBuffer, sourceChannelCount, isStereoOutput, byteBuffer,
                bufferSize
            )
        }
        Logging.w("Read data from multi channel audio is empty!")
        return 0
    }

5ch音声データをファイル書き込みするクラスの実装

RawAudioRecCaptureRepositoryクラスを作成し、動画撮影時に5ch音声データをRAWファイルに書き込む処理を実装します。
Flowを使用することで、非同期ストリーム処理でファイル書き込みを行います。
Flowの活用事例としては、以下の記事でも記載があります。

https://zenn.dev/fairydevices/articles/b2bb6932918fb1#kotlin-flow-の活用

ソースコード全文は以下の様になります。

RawAudioRecCaptureRepository.kt (全文)
RawAudioRecCaptureRepository.kt
package com.example.fd.video.recorder.camerax

import com.example.fd.video.recorder.util.Logging
import kotlinx.coroutines.CoroutineScope
import kotlinx.coroutines.Job
import kotlinx.coroutines.channels.awaitClose
import kotlinx.coroutines.flow.Flow
import kotlinx.coroutines.flow.callbackFlow
import kotlinx.coroutines.launch
import java.io.File
import java.io.IOException
import kotlin.coroutines.cancellation.CancellationException

internal class RawAudioRecCaptureRepository(
    private val coroutineScope: CoroutineScope,
    private val audioRecordWrapperRepository: ThinkletAudioRecordWrapperRepository
) {
    private var recordingJob: Job? = null

    fun startRecording(
        outputFile: File,
    ) {
        stopRecording()
        if (!outputFile.createNewFile()) throw IOException("Failed to create output file: ${outputFile.absolutePath}")

        recordingJob = coroutineScope.launch {
            try {
                val audioDataFlow = createAudioDataFlow()
                audioDataFlow.collect { writeToFile(outputFile, it) }
            } catch (e: CancellationException) {
                throw e
            } catch (e: IOException) {
                Logging.e("Recording failed $e")
            }
        }
    }

    fun stopRecording() {
        recordingJob?.cancel()
        recordingJob = null
        audioRecordWrapperRepository.setCallback(null)
    }

    private fun createAudioDataFlow(): Flow<ByteArray> = callbackFlow {
        audioRecordWrapperRepository.setCallback { data ->
            if (data.isNotEmpty()) {
                trySend(data.copyOf())
            }
        }

        awaitClose {
            audioRecordWrapperRepository.setCallback(null)
        }
    }

    private fun writeToFile(outputFile: File, data: ByteArray) {
        try {
            if (outputFile.exists()) {
                outputFile.appendBytes(data)
            }
        } catch (e: IOException) {
            Logging.e("Failed to write audio data $e")
        }
    }
}

要点を抜粋すると、先ほどThinkletAudioRecordWrapperRepositoryで定義したsetCallbackをcallbackFlowに設定することで、取り出した圧縮前の音声データをFlowに送信しています。

    private fun createAudioDataFlow(): Flow<ByteArray> = callbackFlow {
        audioRecordWrapperRepository.setCallback { data ->
            if (data.isNotEmpty()) {
                trySend(data.copyOf())
            }
        }

        awaitClose {
            audioRecordWrapperRepository.setCallback(null)
        }
    }

そして、Flowからファイル書き込みのストリーム処理を行います。

        recordingJob = coroutineScope.launch {
            try {
                val audioDataFlow = createAudioDataFlow()
                audioDataFlow.collect { writeToFile(outputFile, it) }
            } catch (e: CancellationException) {
                throw e
            } catch (e: IOException) {
                Logging.e("Recording failed $e")
            }
        }

ThinkletRecorderクラスに5ch音声データ出力機能を追加する

ThinkletRecorderクラスに先ほど実装したRawAudioRecCaptureRepositoryを追加し、動画撮影に合わせて5ch音声ファイル出力もされるように改修します。
こちらは変更箇所の差分を折りたたみ表示しますので、適宜ご参照ください。

ThinkletRecorder.kt(差分)
ThinkletRecorder.kt
@@ -41,6 +41,7 @@ internal class ThinkletRecorder private constructor(
     private val context: Context,
     private val recorder: Recorder,
     private val recordEventListener: (VideoRecordEvent) -> Unit,
+    private val rawAudioRecCaptureRepository: RawAudioRecCaptureRepository,
     private val recorderListenerExecutor: ExecutorService = Executors.newSingleThreadExecutor(),
     private val fileSize: Long = BuildConfig.FILE_SIZE
 ) {
@@ -50,7 +51,7 @@ internal class ThinkletRecorder private constructor(
     private var recording: Recording? = null

     @RequiresPermission(Manifest.permission.RECORD_AUDIO)
-    fun startRecording(outputFile: File): Boolean = recordingLock.withLock {
+    fun startRecording(outputFile: File, outputAudioFile: File): Boolean = recordingLock.withLock {
         if (recording != null) {
             Logging.w("already recording")
             return false
@@ -75,6 +76,7 @@ internal class ThinkletRecorder private constructor(
             e.printStackTrace()
             return false
         }
+        rawAudioRecCaptureRepository.startRecording(outputAudioFile)
         return true
     }
@@ -90,6 +92,7 @@ internal class ThinkletRecorder private constructor(
     fun requestStop() {
         recordingLock.withLock {
             recording?.close()
+            rawAudioRecCaptureRepository.stopRecording()
         }
     }

@@ -107,6 +110,7 @@ internal class ThinkletRecorder private constructor(
          * @param analyzer カメラAnalyzer
          * @param previewSurfaceProvider プレビューを表示する[PreviewView]から取得した[Preview.SurfaceProvider]
          * @param recordEventListener CameraX側からの[VideoRecordEvent]イベントを受け取るリスナー
+         * @param rawAudioRecCaptureRepository 5ch音声の録音を行う[RawAudioRecCaptureRepository]
          * @param recorderExecutor [recordEventListener]の実行スレッドを指定する[ExecutorService]
          */
         @MainThread
@@ -117,6 +121,7 @@ internal class ThinkletRecorder private constructor(
             analyzer: ImageAnalysis.Analyzer?,
             previewSurfaceProvider: Preview.SurfaceProvider? = null,
             recordEventListener: (VideoRecordEvent) -> Unit = {},
+            rawAudioRecCaptureRepository: RawAudioRecCaptureRepository,
             recorderExecutor: ExecutorService = Executors.newSingleThreadExecutor()
         ): ThinkletRecorder? {
             CameraXPatch.apply()
@@ -150,7 +155,12 @@ internal class ThinkletRecorder private constructor(

             val cameraProvider = ProcessCameraProvider.getInstance(context).await()
             bind(cameraProvider, lifecycleOwner, useCaseGroup)
-            return ThinkletRecorder(context, recorder, recordEventListener)
+            return ThinkletRecorder(
+                context,
+                recorder,
+                recordEventListener,
+                rawAudioRecCaptureRepository
+            )
         }

         @MainThread

RecorderStateクラスに5ch音声出力対応版マイクモジュール選択機能を追加する

RecorderStateクラスに、RawAudioRecCaptureRepositoryとThinkletAudioRecordWrapperRepositoryを追加します。
変更後の差分全体は以下の通りです。

RecorderState.kt(差分)
RecorderState.kt
@@ -1,5 +1,7 @@
 package com.example.fd.video.recorder

+import ai.fd.thinklet.camerax.ThinkletAudioRecordWrapperFactory
+import ai.fd.thinklet.camerax.ThinkletAudioSettingsPatcher
 import ai.fd.thinklet.camerax.ThinkletMic
 import ai.fd.thinklet.camerax.mic.ThinkletMics
 import ai.fd.thinklet.camerax.mic.multichannel.FiveCh
@@ -26,7 +28,10 @@ import androidx.lifecycle.Lifecycle
 import androidx.lifecycle.LifecycleOwner
 import androidx.lifecycle.lifecycleScope
 import androidx.lifecycle.repeatOnLifecycle
+import com.example.fd.video.recorder.camerax.RawAudioRecCaptureRepository
 import com.example.fd.video.recorder.camerax.ThinkletRecorder
+import com.example.fd.video.recorder.camerax.impl.ThinkletAudioRecordWrapperRepositoryImpl
+import com.example.fd.video.recorder.util.Logging
 import kotlinx.coroutines.Dispatchers
 import kotlinx.coroutines.awaitCancellation
 import kotlinx.coroutines.launch
@@ -69,6 +74,12 @@ class RecorderState(

     private val vision: Vision? = if (enableVision) Vision() else null

+    private val thinkletAudioRecordWrapperRepository = ThinkletAudioRecordWrapperRepositoryImpl()
+    private val rawAudioRecCaptureRepository = RawAudioRecCaptureRepository(
+        coroutineScope = lifecycleOwner.lifecycleScope,
+        audioRecordWrapperRepository = thinkletAudioRecordWrapperRepository,
+    )
+
     init {
         lifecycleOwner.lifecycleScope.launch {
             lifecycleOwner.repeatOnLifecycle(Lifecycle.State.CREATED) {
@@ -120,7 +131,8 @@ class RecorderState(
                     mic = micType(),
                     analyzer = vision,
                     previewSurfaceProvider = surfaceProvider,
-                    recordEventListener = ::handleRecordEvent
+                    rawAudioRecCaptureRepository = rawAudioRecCaptureRepository,
+                    recordEventListener = ::handleRecordEvent,
                 )
             }
         }
@@ -154,7 +166,11 @@ class RecorderState(
         withContext(Dispatchers.Main) {
             Toast.makeText(context, "StartRecord: ${file.absoluteFile}", Toast.LENGTH_LONG).show()
         }
-        this.startRecording(file)
+        val audioFile = File(
+            context.getExternalFilesDir(null),
+            "${SimpleDateFormat("yyyyMMdd_HHmmss", Locale.JAPAN).format(Date())}.raw"
+        )
+        this.startRecording(file, audioFile)
     }

     @WorkerThread
@@ -199,10 +215,23 @@ class RecorderState(
         return when (mic) {
             "5ch" -> ThinkletMics.FiveCh
             "xfe" -> ThinkletMics.Xfe(checkNotNull(context.getSystemService<AudioManager>()))
+            "raw" -> buildThinkletMic(thinkletAudioRecordWrapperRepository)
             else -> null
         }
     }

+    private fun buildThinkletMic(
+        thinkletAudioRecordWrapperRepository: ThinkletAudioRecordWrapperFactory,
+    ): ThinkletMic {
+        Logging.d("RawAudioEnabled!")
+        return object : ThinkletMic {
+            override fun getAudioSettingsPatcher(): ThinkletAudioSettingsPatcher? = null
+
+            override fun getAudioRecordWrapperFactory(): ThinkletAudioRecordWrapperFactory? =
+                thinkletAudioRecordWrapperRepository
+        }
+    }
+
     companion object {
         /**
          * カメラが横向きかどうかを判定する

要点を抜粋すると、5ch音声データのファイルパス定義と、ビルド設定値micTypeがrawである時に、5ch音声出力対応版マイクモジュールを使用する設定を追加します。

         return when (mic) {
             "5ch" -> ThinkletMics.FiveCh
             "xfe" -> ThinkletMics.Xfe(checkNotNull(context.getSystemService<AudioManager>()))
+            "raw" -> buildThinkletMic(thinkletAudioRecordWrapperRepository)
             else -> null
         }
     }

+    private fun buildThinkletMic(
+        thinkletAudioRecordWrapperRepository: ThinkletAudioRecordWrapperFactory,
+    ): ThinkletMic {
+        Logging.d("RawAudioEnabled!")
+        return object : ThinkletMic {
+            override fun getAudioSettingsPatcher(): ThinkletAudioSettingsPatcher? = null
+
+            override fun getAudioRecordWrapperFactory(): ThinkletAudioRecordWrapperFactory? =
+                thinkletAudioRecordWrapperRepository
+        }
+    }

ビルド設定値の指定

app/build.gradle.ktsでビルド設定値micTypeをrawに設定します。

app/build.gradle.kts
@@ -21,7 +21,7 @@ android {
         // 録画に使うマイクのタイプ
-        val micType = "xfe" // or "5ch" or "xfe" or "normal"
+        val micType = "raw" // or "5ch" or "xfe" or "raw" or "normal"

動作確認方法

1.実装したアプリケーションをビルドし、THINKLETへインストールします。

以下のコマンドまたはAndroidStudioから実行してください。

#コマンドでビルドとインストールを行う場合
./gradlew installDebug

2.インストールしたアプリケーションで録画を行います。

3.THINKLET内の動画ファイル(.mp4)と同じディレクトリ階層に、5ch音声ファイル(.raw)が存在することを確認します。

#コマンド例
adb shell ls /sdcard/Android/data/com.example.fd.video.recorder/files/

4.adbコマンドで、5ch音声ファイル(.raw)をPC側にコピーします。

#コマンド例
adb pull /sdcard/Android/data/com.example.fd.video.recorder/files/ {PC側で保存したいディレクトリ名}

5.Audacityで5ch音声ファイル(.raw)をインポートします。この時、チャンネル数5チャンネル、サンプリング周波数48000Hzを指定します。

https://www.audacityteam.org/

6.Audacity上で5ch音声として再生できることを確認します。

おわりに

今回は、CameraXフォークを応用して、THINKLETでの5ch音声録音をアプリケーションに実装する方法について説明しました。動画とTHINKLET装着者視点での5ch音声を組み合わせることにより、音響解析等で役立つ場面が多々あると思われます。本記事を参考にご活用くだされば幸いです。

フェアリーデバイセズ公式
フェアリーデバイセズ公式Publication

フェアリーデバイセズのエンジニア・サイエンティストを中心に情報発信をしている Publication です。THINKLET / LINKLET サービスを支える技術情報や先端的な研究情報を中心に公開しています。

Discussion