3. 音频采集与预处理：麦克风权限获取、采样率设置、音频缓冲区管理、降噪与增益控制

音频采集是VAD算法的第一道关卡。说白了，麦克风拿不到干净的数据，后面算法再牛也白搭。我最早做语音项目时，就吃过采样率不匹配的亏——模型跑得飞起，结果识别率惨不忍睹。后来才发现，麦克风采集的是16kHz，模型却等的是8kHz。

这一章，咱们把音频采集和预处理的几个关键环节拆开揉碎。从权限获取到增益控制，每一步都有坑。

3.1 麦克风权限获取

移动端和桌面端，权限获取的方式完全不同。我建议你直接按平台分开处理。

3.1.1 Android 权限

Android 6.0 以上需要动态申请。你需要在 AndroidManifest.xml 里声明，然后在运行时调用 requestPermissions。

<uses-permission android:name="android.permission.RECORD_AUDIO" />

代码里这样写：

if (ContextCompat.checkSelfPermission(this, Manifest.permission.RECORD_AUDIO)
        != PackageManager.PERMISSION_GRANTED) {
    ActivityCompat.requestPermissions(this,
            new String[]{Manifest.permission.RECORD_AUDIO},
            REQUEST_CODE);
}
注意： 用户拒绝后，不要反复弹窗。我曾经见过一个App，用户拒绝三次还继续弹，直接被用户卸载了。建议引导用户去设置里手动开启。

3.1.2 iOS 权限

iOS 需要在 Info.plist 里添加描述：

<key>NSMicrophoneUsageDescription</key>
<string>我们需要麦克风权限来采集语音</string>

然后调用 AVAudioSession 请求权限：

AVAudioSession.sharedInstance().requestRecordPermission { granted in
    if granted {
        // 开始采集
    } else {
        // 提示用户
    }
}

3.1.3 Web 端权限

Web 端用 getUserMedia，注意必须走 HTTPS：

navigator.mediaDevices.getUserMedia({ audio: true })
    .then(function(stream) {
        // 拿到音频流
    })
    .catch(function(err) {
        console.log('麦克风被拒绝: ' + err.message);
    });
小技巧： 我习惯在用户点击“开始录音”按钮时才请求权限，而不是页面加载时。这样用户有心理预期，授权率会高很多。

3.2 采样率设置

采样率决定了音频的时间分辨率。VAD 模型通常用 16kHz，因为人声的主要能量集中在 300Hz-3400Hz，16kHz 完全够用。

常见的采样率对比：

采样率 适用场景 优缺点
8kHz 电话语音 数据量小，但高频信息丢失
16kHz VAD、语音识别 平衡质量和数据量，推荐
44.1kHz 音乐、高保真 数据量大，VAD 不需要

为什么 VAD 推荐 16kHz？因为大多数预训练模型都是基于 16kHz 训练的。你如果用 8kHz 的数据去跑 16kHz 的模型，效果会打折扣。反过来，44.1kHz 的数据下采样到 16kHz，反而会引入混叠噪声。

设置采样率的代码示例（Android AudioRecord）：

int sampleRate = 16000;
int bufferSize = AudioRecord.getMinBufferSize(sampleRate,
        AudioFormat.CHANNEL_IN_MONO,
        AudioFormat.ENCODING_PCM_16BIT);

AudioRecord recorder = new AudioRecord(MediaRecorder.AudioSource.MIC,
        sampleRate,
        AudioFormat.CHANNEL_IN_MONO,
        AudioFormat.ENCODING_PCM_16BIT,
        bufferSize);
核心原则： 采集端和模型端的采样率必须一致。如果不一致，一定要做重采样。我建议在采集端就固定为 16kHz，省去后续麻烦。

3.3 音频缓冲区管理

缓冲区管理是音频采集的难点。缓冲区太小，容易丢数据；缓冲区太大，延迟高。VAD 要求低延迟，所以缓冲区不能太大。

3.3.1 缓冲区大小怎么定？

我一般按 20ms-30ms 的时长来算。16kHz 采样率下，20ms 就是 320 个采样点。公式很简单：

bufferSize = sampleRate * durationInSeconds
// 20ms: 16000 * 0.02 = 320
// 30ms: 16000 * 0.03 = 480

实际开发中，我会用 getMinBufferSize 获取系统建议值，然后取最大值：

int desiredSize = 320; // 20ms
int minSize = AudioRecord.getMinBufferSize(16000,
        AudioFormat.CHANNEL_IN_MONO,
        AudioFormat.ENCODING_PCM_16BIT);
int finalBufferSize = Math.max(desiredSize, minSize);

3.3.2 环形缓冲区

采集线程和 VAD 处理线程是异步的。我习惯用环形缓冲区（Ring Buffer）来解耦。这样采集线程只管写，处理线程只管读，互不阻塞。

一个简单的环形缓冲区实现：

public class RingBuffer {
    private short[] buffer;
    private int writeIndex = 0;
    private int readIndex = 0;
    private int size;

    public RingBuffer(int size) {
        this.size = size;
        this.buffer = new short[size];
    }

    public synchronized void write(short[] data) {
        for (short s : data) {
            buffer[writeIndex] = s;
            writeIndex = (writeIndex + 1) % size;
            if (writeIndex == readIndex) {
                // 缓冲区满了，覆盖旧数据
                readIndex = (readIndex + 1) % size;
            }
        }
    }

    public synchronized int read(short[] out) {
        int count = 0;
        while (readIndex != writeIndex && count < out.length) {
            out[count++] = buffer[readIndex];
            readIndex = (readIndex + 1) % size;
        }
        return count;
    }
}
注意： 环形缓冲区一定要处理好读写冲突。我早期项目里因为没加同步，导致 VAD 偶尔检测不到语音，排查了两天才发现是数据被覆盖了。

3.4 降噪与增益控制

麦克风采集的原始信号，通常包含环境噪声。VAD 算法对信噪比敏感，噪声大会导致误检。所以预处理阶段，降噪和增益控制是标配。

3.4.1 降噪方法

我常用的降噪方法有三种：

  • 谱减法： 简单粗暴，适合稳态噪声。但容易产生“音乐噪声”。
  • 维纳滤波： 效果更好，但计算量大。移动端慎用。
  • RNNoise： 基于深度学习的降噪，效果好，但需要模型文件。

对于 VAD 前端，我推荐用谱减法，因为它轻量、实时。代码示例：

// 简单的谱减法降噪
public void spectralSubtraction(short[] input, short[] output, float[] noiseProfile) {
    int n = input.length;
    float[] magnitude = new float[n];
    float[] phase = new float[n];

    // 计算幅度谱和相位谱
    for (int i = 0; i < n; i++) {
        magnitude[i] = Math.abs((float) input[i]);
        phase[i] = (float) Math.atan2(0, input[i]);
    }

    // 减去噪声谱
    for (int i = 0; i < n; i++) {
        float sub = magnitude[i] - noiseProfile[i];
        magnitude[i] = Math.max(sub, 0.0f);
    }

    // 重建信号
    for (int i = 0; i < n; i++) {
        output[i] = (short) (magnitude[i] * Math.cos(phase[i]));
    }
}
经验之谈： 噪声谱需要在静音段估计。我通常在前 200ms 采集噪声样本，然后更新噪声谱。如果环境变化，需要重新估计。

3.4.2 增益控制

增益控制是为了让音频信号幅度保持在合理范围。太大会削波，太小会淹没在噪声里。

我习惯用自动增益控制（AGC），目标 RMS 值设为 -26dBFS。这是语音通信的常用标准。

public void applyAGC(short[] input, short[] output, float targetRMS) {
    float sum = 0;
    for (short s : input) {
        sum += s * s;
    }
    float rms = (float) Math.sqrt(sum / input.length);
    float gain = targetRMS / (rms + 1e-10f);
    // 限制增益范围，防止削波
    gain = Math.min(gain, 10.0f);

    for (int i = 0; i < input.length; i++) {
        int val = (int) (input[i] * gain);
        output[i] = (short) Math.max(-32768, Math.min(32767, val));
    }
}
注意： 增益不要太大。我曾经遇到过增益设到 20，结果安静环境下底噪被放大，VAD 一直误判为有语音。建议增益上限控制在 10 以内。

3.5 本章知识体系

下面这张图，把音频采集与预处理的流程串起来了。你可以把它当作一个检查清单。

音频采集与预处理流程 麦克风权限获取 采样率设置（16kHz） 音频缓冲区管理 降噪（谱减法） 增益控制（AGC） 预处理后的音频数据 说明： 降噪和增益控制是并行处理 顺序可以互换，但建议先降噪后增益

嗯，到这里，音频采集与预处理的核心内容就讲完了。权限获取、采样率、缓冲区、降噪和增益，每一步都直接影响 VAD 的效果。我建议你在实际项目中，先把这些基础打牢，再往上堆算法。

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