C#使用 NAudio 实现音频可视化的方法

WasapiLoopbackCapture cap = new WasapiLoopbackCapture();
cap.DataAvailable += (sender, e) =>      // 录制数据可用时触发此事件, 参数中包含音频数据
{
    float[] allSamples = Enumerable      // 提取数据中的采样
        .Range(0, e.BytesRecorded / 4)   // 除以四是因为, 缓冲区内每 4 个字节构成一个浮点数, 一个浮点数是一个采样
        .Select(i => BitConverter.ToSingle(e.Buffer, i * 4))  // 转换为 float
        .ToArray();    // 转换为数组
    // 获取采样后, 在这里进行详细处理
}
cap.StartRecording();   // 开始录制

// 设定我们已经将刚刚的采样保存到了变量 AllSamples 中, 类型为 float[]
int channelCount = cap.WaveFormat.Channels;   // WasapiLoopbackCapture 的 WaveFormat 指定了当前声音的波形格式, 其中包含就通道数
float[][] channelSamples = Enumerable
    .Range(0, channelCount)
    .Select(channel => Enumerable
        .Range(0, AllSamples.Length / channelCount)
        .Select(i => AllSamples[channel + i * channelCount])
        .ToArray())
    .ToArray();

// 设定我们已经将分开了的采样保存到了变量 ChannelSamples 中, 类型为 float[][]
// 例如通道数为2, 那么左声道的采样为 ChannelSamples[0], 右声道为 ChannelSamples[1]
float[] averageSamples = Enumerable
    .Range(0, AllSamples.Length / channelCount)
    .Select(index => Enumerable
        .Range(0, channelCount)
        .Select(channel => ChannelSamples[channel][index])
        .Average())
    .ToArray();

// 设定 g 为窗口的 Graphics 对象, windowHeight 为窗口的显示区域高度
// 设定通道采样平均值为 AverageSamples, 类型为 float[]
Point[] points = AverageSamples
    .Select((v, i) => new Point(i, windowHeight - v))
    .ToArray();   // 将数据转换为一个个的坐标点
g.DrawLines(Pens.Black, points);   // 连接这些点, 画线

// 我们将对 AverageSamples 进行傅里叶变换, 得到一个复数数组

// 因为对于快速傅里叶变换算法, 需要数据长度为 2 的 n 次方, 这里进行
float log = Math.Ceiling(Math.Log(AverageSamples.Length, 2));   // 取对数并向上取整
int newLen = (int)Math.Pow(2, log);                             // 计算新长度
float[] filledSamples = new float[newLen];
Array.Copy(AverageSamples, filledSamples, AverageSamples.Length);   // 拷贝到新数组
Complex[] complexSrc = filledSamples
    .Select(v => new Complex(){ X = v })        // 将采样转换为复数
    .ToArray();
FastFourierTransform(false, log, complexSrc);   // 进行傅里叶变换

// 变换之后, complexSrc 则已经被处理过, 其中存储了频域信息

// NAudio 的傅里叶变换结果中, 似乎不存在直流分量(这使我们的处理更加方便了), 但它也是有共轭什么的(也就是数据左右对称, 只有一半是有用的)
// 仍然使用刚刚的 complexSrc 作为变换结果, 它的类型是 Complex[]

Complex[] halfData = complexSrc
    .Take(complexSrc.Length / 2)
    .ToArray();    // 一半的数据
float[] dftData = halfData
    .Select(v => Math.Sqrt(v.X * v.X + v.Y * v.Y))  // 取复数的模
    .ToArray();    // 将复数结果转换为我们所需要的频率幅度

// 其实, 到这里你完全可以把这些数据绘制到窗口上, 这已经算是频域图象了, 但是对于音乐可视化来讲, 某些频率的数据我们完全不需要
// 例如 10000Hz 的频率, 我们完全没必要去绘制它, 取 最小频率 ~ 2500Hz 足矣
// 对于变换结果, 每两个数据之间所差的频率计算公式为 采样率/采样数, 那么我们要取的个数也可以由 2500 / (采样率 / 采样数) 来得出
int count = 2500 / (cap.WaveFormat.SampleRate / filledSamples.Length);
float[] finalData = dftData.Take(count).ToArray();

// 设定 g 为窗口的 Graphics 对象, height 为窗口高度
PointF[] points = finalData
    .Select((v, i) => new PointF(i, height - v))
    .ToArray();
g.DrawCurve(Pens.Purple, points);    // Graphics 可以直接绘制曲线