WPF 應用程式發聲功能實戰：使用 NAudio 即時合成波形音訊

前言：為什麼在 WPF 中合成聲音？

現代 UI 不僅是視覺，聽覺回饋能大幅提升使用者體驗 (拖曳音效、操作確認音、無障礙提示)。WPF 雖無內建合成器，但透過 NAudio (CodePlex/GitHub) 可輕鬆實現**運行時波形合成**，無需外部音檔。

環境建置

1. 安裝 NuGet：Install-Package NAudio (或下載 1.3.8 版 DLL)
2. 專案屬性 → Build → **Platform target: x86** (NAudio 透過 P/Invoke 呼叫 Win32 waveOut API，需 32 位元)
3. 引用：using NAudio.Wave;

核心架構：IWaveProvider + WaveOut

• WaveOut：封裝 Win32 waveOut* API，管理輸出裝置、緩衝區、回調。
• IWaveProvider：你實作的介面，提供 WaveFormat (採樣率、聲道) 與 Read(byte[] buffer, int offset, int count) 填入波形資料。
• WaveProvider16：抽象基類，簡化 16-bit PCM 處理，直接用 short[] 而非 byte[]。

範例一：正弦波振盪器

class SineWaveOscillator : WaveProvider16
{
    private double _phaseAngle;
    public double Frequency { get; set; } = 440; // A4
    public short Amplitude { get; set; } = 8192; // 音量

    public SineWaveOscillator(int sampleRate = 44100) : base(sampleRate, 1) {} // Mono

    public override int Read(short[] buffer, int offset, int sampleCount)
    {
        for (int i = 0; i < sampleCount; i++)
        {
            buffer[offset + i] = (short)(Amplitude * Math.Sin(_phaseAngle));
            _phaseAngle += 2 * Math.PI * Frequency / WaveFormat.SampleRate;
            if (_phaseAngle > 2 * Math.PI) _phaseAngle -= 2 * Math.PI;
        }
        return sampleCount;
    }
}

// 播放啟動
var waveOut = new WaveOut();
var osc = new SineWaveOscillator(44100);
waveOut.Init(osc);
waveOut.Play(); // 非阻塞，背景執行緒持續呼叫 Read()

// 停止
osc.Amplitude = 0; // 靜音
waveOut.Stop();
waveOut.Dispose();

挑戰：即時頻率變化的「滑音」問題

WaveOut 預設緩衝區 300ms (3 個 100ms 緩衝區)。Read() 在 **UI 執行緒** 執行，填滿整個緩衝區期間頻率無法變更 → 聽起來像「半音階跳躍」而非平滑滑音。

解決方案：PortamentoSineWaveOscillator (對數音高 + 背景執行緒)

1. 對數音高模型 (MIDI 標準)

// MIDI Note 69 = A4 = 440Hz
// 每半音頻率比 = 2^(1/12)
public double Pitch
{
    get => 69 + 12 * Math.Log(Frequency / 440, 2);
    set => Frequency = 440 * Math.Pow(2, (value - 69) / 12);
}

優點：人耳感知為線性，拖曳距離映射音高極自然。

2. 緩衝區內部插值實現滑音

class PortamentoSineWaveOscillator : WaveProvider16
{
    private double _phaseAngle;
    private double _currentPitch, _targetPitch;
    private int _samplesRemainingInGlide;

    public double Pitch { get => _targetPitch; set => _targetPitch = value; }

    public override int Read(short[] buffer, int offset, int sampleCount)
    {
        // 若音高改變，計算本緩衝區內的插值步長
        if (_currentPitch != _targetPitch)
        {
            _samplesRemainingInGlide = sampleCount; // 簡化：單緩衝區完成滑音
        }

        for (int i = 0; i < sampleCount; i++)
        {
            // 線性插值音高
            if (_samplesRemainingInGlide > 0)
            {
                double t = 1.0 - (double)_samplesRemainingInGlide / sampleCount;
                double pitch = _currentPitch + (_targetPitch - _currentPitch) * t;
                double freq = 440 * Math.Pow(2, (pitch - 69) / 12);
                _phaseAngle += 2 * Math.PI * freq / WaveFormat.SampleRate;
                _samplesRemainingInGlide--;
            }
            else
            {
                _phaseAngle += 2 * Math.PI * Frequency / WaveFormat.SampleRate;
            }

            if (_phaseAngle > 2 * Math.PI) _phaseAngle -= 2 * Math.PI;
            buffer[offset + i] = (short)(Amplitude * Math.Sin(_phaseAngle));
        }
        _currentPitch = _targetPitch;
        return sampleCount;
    }
}

3. 強制 WaveOut 使用回調執行緒

var waveOut = new WaveOut(WaveCallbackInfo.FunctionCallback()); // 背景執行緒回調
// 或
var waveOut = new WaveOut(WaveCallbackInfo.NewWindow()); // 隱藏視窗訊息迴圈

此時 Read() 在背景執行緒執行，UI 執行緒可隨時修改 Pitch，滑音極順暢。

完整互動範例：AudibleDragging

• 視窗中心放 7 個彩色方塊
• 滑鼠拖曳方塊 → 計算到中心距離 → 映射 Pitch = 60 + 12 * distance / 200 (每 200 像素升一個八度)
• 拖曳過程中即時播放滑音，釋放停止

原始碼下載：文章附件或 NAudio 官方範例

進階：混音器與 MIDI 整合

• 繼承 WaveProvider16 實作 Mixer：多個 IWaveProvider 輸入 → 加權加總 → 輸出合成波形。
• NAudio 內建 MidiOut、MidiEvent 類別，可發送 MIDI 訊息給系統合成器/外部裝置，播放樂器音色。

效能與限制提醒

結語

WPF 配合 NAudio 即時合成波形，打破「應用程式應保持無聲」的傳統框架。從簡單的正弦波到複雜的加成合成、MIDI 控制，聲音成為 UI 互動的新維度。掌握 IWaveProvider、緩衝區管理與執行緒模型，即可為應用賦予豐富的聽覺體驗。