基本软件合成器的延迟会随着时间的推移而增加

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，但我似乎在播放音频本身时遇到了问题。

我使用 jackd 作为我的音频服务器，因为可以为低延迟应用程序配置它，例如在我的情况下，实时 MIDI 乐器，使用 alsa 作为jackd 后端。

在我的程序中，我使用 RtAudio 这是一个相当著名的 C++ 库，用于连接到各种声音服务器并提供对它们的基本流操作。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振幅的正弦波相加，以便在输出上产生复杂的波形，例如锯齿波或方波。

现在，问题不在于一开始的延迟很高，因为这可能会被解决或归咎于很多事情，例如 MIDI 输入或其他。问题是我的软合成器和最终音频输出之间的延迟开始时非常低，几分钟后，它变得高得无法忍受。

因为我打算用它来玩 "live"，即在我家里，我真的懒得去玩，因为我的击键和我听到的音频反馈之间的延迟越来越长。

我一直试图减少重现问题的代码库，但我不能再减少了。

#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();
}

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

一起编译

程序需要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权）。由于 jackd 的默认采样率为 48 kHz，因此我运行使用 ./synth 48000 的程序。

alsa 可以用作声音服务器，但我更喜欢尽可能使用 jackd，原因不明，包括 pulseaudio 和 alsa 交互。

如果您完全进入运行程序，您应该听到希望不会太烦人的锯齿波定期播放和不播放，并在播放开始和停止时显示控制台输出。当 noteOn 设置为 true 时，合成器开始以任何频率产生锯齿波，并在 noteOn 设置为 false 时停止。

一开始你会看到，noteOn true 和 false 几乎完美地对应了音频的播放和停止，但渐渐地，音频源开始滞后落后，直到它在我的机器上大约 1 分到 1 分 30 秒开始变得非常明显。

我 99% 确定它与我的程序无关，原因如下。

"audio" 通过程序采用此路径。

按键被按下
时钟在 sample_processing_thread 中以 48 kHz 滴答并调用 Synthesizer::get_sample 并将输出传递给 std::queue 用作稍后的样本缓冲区.
只要 RtAudio 流需要样本，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不断增加的原因是时钟滴答作响，但它以与流消耗样本相同的速率滴答作响，所以不可能是这样。如果时钟走得慢，RtAudio 会抱怨流低于运行s，并且会出现明显的音频损坏，但这种情况不会发生。

虽然时钟可以点击得更快，但我认为情况并非如此，因为我已经多次自行测试时钟，虽然它确实显示出一点点抖动，但顺序如下纳秒，这是可以预料的。时钟本身没有累积延迟。

因此，延迟增加的唯一可能来源是 RtAudio 的内部功能或声音服务器本身。我已经 google 闲逛了一段时间，但没有找到任何用处。

我已经尝试解决这个问题一两周了，我已经测试了我这边所有可能出错的地方，它按预期工作，所以我真的不知道可能是什么发生。

我试过的

检查时钟是否有某种累积延迟：没有注意到累积延迟
计算按键与生成音频的第一个样本之间的延迟，以查看此延迟是否随时间增长：延迟不随时间增长
计算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）：延迟不随时间增长

Answer 1

我认为您的 get_samples 线程生成音频的速度比 streamCallback 消耗音频的速度快或慢。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程序使用多线程，则需要在生产者和消费者之间进行适当的同步。复杂得多。不过简而言之，步骤如下。

用相当小的 fixed-length 循环缓冲区替换您的队列。从技术上讲，std::queue 也可以，只是速度较慢，因为 pointer-based，您需要手动限制 max.size.
在生产者线程中实现无限循环检查缓冲区中是否有空 space，如果有 space 则生成更多音频，如果没有，则等待消费者消费来自缓冲区的数据。
在consumer streamCallback回调中，将循环缓冲区中的数据复制到output_buf。如果没有足够的可用数据，则唤醒生产者线程并等待它生产数据。

不幸的是，要有效地实现它是非常棘手的。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，并且只会使用单个硬件线程。一种方法是单个 std::mutex 在移动 pointers/size/ofset 时保护缓冲区（但在 reading/writing 数据时解锁），以及两个 std::condition_variable，一个用于生产者在没有数据时休眠缓冲区中空闲 space，当缓冲区中没有数据时，另一个供消费者休眠。

基本软件合成器的延迟会随着时间的推移而增加

Basic software synthesizer grows in latency over time

c++

synthesizer

sound-synthesis

jack

rtaudio