FMOD 快速上手

聲音一向是遊戲中不可或缺的一部份,不管是動人的背景音樂或營造氣氛的音效,少了聲音就完全沒有玩遊戲的感覺,甚至許多遊戲的重點就放在聲音上,比如說利用聲音來判斷敵人的位置等等。

從遊戲開發者的角度來看,在聲音方面至少有以下的需求:

  1. 讀取音樂/音效檔案。當然,音樂資料不一定存在檔案上,也可能放在 CD 音軌上,甚至使用 streaming 的方式由網路傳輸 (很少見,但也並非不可能)。
  2. 背景播放。除了把聲音放出來,播放的同時也要能讓遊戲繼續執行。
  3. 混音。對於硬體來說,同一時間只能播放一個聲音。有些硬體內建混音的功能,因此可以同時播放多道聲音,不過數量還是有上限。超過上限時就需要把所有正在播出的聲音進行混合後,再送到音效卡上。
    (在 Windows 上,送到音效卡之前似乎會自行幫你混音,所以這點對 Windows 開發者也許不是太大的問題?)
  4. 各種聲音效果,比如設定聲源的位置以模擬方向與遠近的不同,或是設定速度來模擬運動物體的都卜勒效應 (Dopplar effect),甚至各種 DSP 處理等等。

而我今天要講的,稱之為 FMOD 的音效函式庫,正具備了以上所有功能。除此之外,它也有跨平台的優點,除了 Windows 外,也支援 MacOS、Linux 甚至所有的次世代主機,如 PS3、Xbox 360、Wii 等等。而且在非商業用途下完全免費,是個很理想的音效解決方案。

廢話不多說,下面就來講 FMOD 的使用。

系統簡介

在 FMOD 中主要有三種物件:System、Sound 以及 Channel。因為我才用一個晚上而已,所以像是 ChannelGroup、DSP 及 Geometry 的部份就不深入了…

  • System 管理與系統相關的工作,比如說從檔案系統中讀取聲音檨本、設定輸出的音效卡 (FMOD 可以同時控制多張音效卡)、設定 DSP buffer 大小、或是載入其它的 plug-in 等。
  • Sound 則是一段聲音的樣本 (sample),已經準備好送往音效卡播出。Sound 的內部格式可能有三種:無壓縮、壓縮或串流:
    • 無壓縮:最單純的格式,直接把所有資訊存在記憶體中,播放時幾乎不需要 CPU 資源,但也很吃記憶體。適合長度短、會重覆播放許多次的音效。
    • 壓縮:如果使用 mp3 或 ogg 之類的格式儲存聲音,可以把資料以尚未解壓縮的方式先讀進記憶體中,播放時再即時解壓縮。這會需要多一點 CPU 資源,但可以減少記憶體用量,適合中等長度的聲音。
    • 串流:在串流模式下,讀取和播放是同時進行的,而記憶體中只會保留一小部分的樣本,因此幾乎不吃記憶體,但缺點是無法重覆播放,必需重開檔案或重新連線才能再播放一次。適合很長的背景音樂或是由網路傳輸的聲音。
  • Channel 代表正在播放聲音的實體。對於 Channel,你可以設定它的音量、播放的時間點、或是它在 3D 空間中的位置與速度。一個 Channel 只能播放一個 Sound,但同一個 Sound 可以讓由不同的 Channel 共享並同時播放。

馬上就來寫一個簡單的音樂播放程式。

播放聲音

一開始我們要先產生一個 System 物件,這可以用 FMOD_Create_System 達成:

FMOD_SYSTEM* sys;
FMOD_RESULT r = FMOD_Create_System(&sys);
if(r != FMOD_OK){
    cerr << "Unable to create FMOD system: "
         << FMOD_ErrorString(r) << endl;
    exit(1);
}

所有 FMOD 的函式都會傳回 FMOD_RESULT 作為結果,我們可以檢查它是否等於 FMOD_OK 來判斷是否有錯誤發生。為了簡單起見,下面的程式碼中我會把這些檢查省略。(開始寫遊戲時可別省啊!)

接下來是對 System 初始化,並且載入一段 mp3 聲音:

FMOD_System_Init(sys, 32, FMOD_INIT_NORMAL, 0);
FMOD_SOUND* sound;
FMOD_System_CreateSound(sys, "test.mp3", FMOD_DEFAULT, 0, &sound);

FMOD_System_Init 中,第一個參數是先前產生的 System 物件,第二個 32 則表示這個系統最多可以有 32 的 Channel,也就是最多可以同時播放 32 道聲音。第三和第四個參數可以設定一些進階的選項,在這個例子中都使用預設值即可。

FMOD_System_CreateSound 則會產生一個 Sound 物件。第一個參數同樣是 System,第二個則是我們要載入的聲音檔名稱,FMOD 會自行判斷檔案格式並把它解壓縮。如果想用壓縮或串流的方式讀檔,則需要設定第三個參數,這邊我們就先使用預設值。

最後就是把聲音放出來:

FMOD_CHANNEL* channel;
FMOD_System_PlaySound(sys, FMOD_CHANNEL_FREE, sound, 0, &channel);

FMOD_System_PlaySound 會讓某個 channel 開始播放聲音。其中第二個參數可以指定我們要拿哪一個 Channel 來播放,傳入 FMOD_CHANNEL_FREE 則是叫 FMOD 自行找一個可使用的 Channel 來播放。

但,程式並非到此就結束,別忘了聲音播放是在背景執行的,如果在這邊就結束程式,聲音也會馬上停止。因為這只是個簡單的播放程式,因此只要進入一段迴圈等聲音播完即可:

FMOD_BOOL playing = 1;
while(playing){
#ifdef WIN32
    Sleep(10);
#else
    usleep(10000);
#endif
    FMOD_Channel_IsPlaying(channel, &playing);
    FMOD_System_Update(sys);
}

我使用了 Unix 上的 usleep,因此迴圈中的程式碼每 0.01 秒會執行一次。Windows 上則改用 Sleep

FMOD_Channel_IsPlaying 可以拿來檢查 Channel 是否已經放完全部的聲音,因此聲音播放完就可以跳出迴圈。FMOD_System_Update 則是更新 System,包括呼叫 callback 或是設定聲音的 3D 位置等。在這例子中可能不太重要,但若使用到其它功能時就一定要呼叫 update 了。

最後播放完,則使用 FMOD_Sound_ReleaseFMOD_System_Release 釋放系統資源:

FMOD_Sound_Release(snd);
FMOD_System_Release(sys);

這麼一來這個簡單的播放程式就完成了!

加入 3D 效果

接下來我們加上一點 3D 效果吧。首先我們要在建立 Sound 時指定 3D 的功能:

FMOD_System_CreateSound(
    sys,
    "test.mp3",
    FMOD_LOOP_OFF | FMOD_3D | FMOD_HARDWARE,
    0,
    &sound
);

這邊看起來有點複雜,但其實只是指定這個聲音並不重覆播放 (FMOD_LOOP_OFF)、加入 3D 效果 (FMOD_3D) 以及使用硬體加速 (FMOD_HARDWARE)。先前所使用的 FMOD_DEFAULT 其實只是把 3D 改成 2D 而已,其它選項完全相同。

接下來我們可以用 FMOD_Channel_Set3DAttributes 來設定 Channel 在空間中的位置及速度:

FMOD_VECTOR pos;
pos.x = 0.0f;
pos.y = 0.0f;
pos.z = 2.0f;
FMOD_Channel_Set3DAttributes(channel, &pos, NULL);

第二個參數即為位置,使用者預設是位於 (0,0,0) 的地方,前方為正Z軸,左方為正X,上方為正Y。第三個參數則是速度,如果不需要模擬都卜勒效應,給 NULL 即可。

上面的程式碼會把音源放在使用者前方兩個單位的位置。當然,如果聲源不會移動,就沒有意思了:

while(playing){
#ifdef WIN32
    Sleep(10);
#else
    usleep(10000);
#endif
    FMOD_Channel_IsPlaying(channel, &playing);
 
    unsigned int msec;
    FMOD_Channel_GetPosition(channel, &msec, FMOD_TIMEUNIT_MS);
 
    float angle = 3.1415926f * msec / 4000.0f;
    pos.x = 2.0f * sin(angle);
    pos.z = 2.0f * cos(angle);
    FMOD_Channel_Set3DAttributes(channel, &pos, NULL);
    FMOD_System_Update(sys);
}

這邊我們會讓聲源繞著使用者轉圈圈,使用 FMOD_Channel_GetPosition 可以得到目前播放的時間點,由這個時間乘上速度 (八秒鐘一圈,也就是四秒鐘所轉動的弧度π),即可得到轉動角,再套上 sin/cos 就可以得到新的位置了。

完整的程式碼在這裡:sample.cpp。這支程式加了一些錯誤處理,並且使用命令列參數當作播放檔案。執行時要先等一段時間 (因為使用非壓縮的方式),然後應該能聽到聲音在繞著使用者轉圈圈。

結語

FMOD 在使用上還滿簡單的,複雜的解壓縮、混音、硬體控制等全部都被包裝起來,因此遊戲製作人員不需要再花額外的功夫處理。唯一不滿的地方就是它的 C++ interface 實在設計不良,完全沒有用到 C++ 威力 (連 OOP 都沾不上邊),這也是為什麼我都使用 C interface 的原因:兩者並沒有明顯的不同。

撇開這不談,FMOD 功能夠強、跨平台又免費,的確很適合製作遊戲。當然早有許多商業或免費遊戲使用 FMOD 來播放聲音。


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