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塞尚《樱桃和桃子》
iOS/Android 客户端开发同学如果想要开始学习音视频开发，最丝滑的方式是对音视频基础概念知识有一定了解后，再借助 iOS/Android 平台的音视频能力上手去实践音视频的采集 → 编码 → 封装 → 解封装 → 解码 → 渲染过程，并借助音视频工具来分析和理解对应的音视频数据。
在音视频工程示例这个栏目，我们将通过拆解采集 → 编码 → 封装 → 解封装 → 解码 → 渲染流程并实现 Demo 来向大家介绍如何在 iOS/Android 平台上手音视频开发。
这里是 Android 第八篇：Android 视频编码 Demo。这个 Demo 里包含以下内容：
- 1）实现一个视频采集模块；
- 2）实现两个视频编码模块
ByteBuffer、Surface，支持 H.264/H.265； - 3）串联视频采集和编码模块，将采集到的视频数据输入给编码模块进行编码，并存储为文件；
- 4）详尽的代码注释，帮你理解代码逻辑和原理。
在本文中，我们将详解一下 Demo 的具体实现和源码。读完本文内容相信就能帮你掌握相关知识。
不过，如果你的需求是：1）直接获得全部工程源码；2）想进一步咨询音视频技术问题；3）咨询音视频职业发展问题。可以根据自己的需要考虑是否加入『关键帧的音视频开发圈』。
想要了解视频编码，可以看看这几篇：
- 《视频编码（1）：H.264（AVC）》
- 《视频编码（2）：H.265（HEVC）》
- 《视频编码（3）：H.266（VVC）》
1、视频采集模块
在这个 Demo 中，视频采集模块 KFVideoCapture 的实现与《Android 视频采集 Demo》中一样，这里就不再重复介绍了，其接口如下：
KFIVideoCapture.java
public interface KFIVideoCapture {
///< 视频采集初始化。
public void setup(Context context, KFVideoCaptureConfig config, KFVideoCaptureListener listener, EGLContext eglShareContext);
///< 释放采集实例。
public void release();
///< 开始采集。
public void startRunning();
///< 关闭采集。
public void stopRunning();
///< 是否正在采集。
public boolean isRunning();
///< 获取 OpenGL 上下文。
public EGLContext getEGLContext();
///< 切换摄像头。
public void switchCamera();
}
2、视频 ByteBuffer 编码模块
在实现视频编码模块之前，我们先实现一个视频编码配置类 KFVideoEncoderConfig：
KFVideoEncoderConfig.java
public class KFVideoEncoderConfig {
public Size size = new Size(720,1280);
public int bitrate = 4 * 1024 * 1024;
public int fps = 30;
public int gop = 30 * 4;
public boolean isHEVC = false;
public int profile = MediaCodecInfo.CodecProfileLevel.AVCProfilebaseline;
public int profileLevel = MediaCodecInfo.CodecProfileLevel.AVCLevel1;
public KFVideoEncoderConfig() {
}
}
这里可以配置各种编码参数，但不同机型支持能力不同，通过此配置生成编码格式描述 MediaFormat。
接下来，我们来实现一个视频编码模块 KFByteBufferCodec，编码模块 KFByteBufferCodec 的实现与 《Android 音频编码 Demo》 中一样，这里就不再重复介绍了，其接口如下
KFMediaCodecInterface.java
public interface KFMediaCodecInterface {
public static final int KFMediaCodecInterfaceErrorCreate = -2000;
public static final int KFMediaCodecInterfaceErrorConfigure = -2001;
public static final int KFMediaCodecInterfaceErrorStart = -2002;
public static final int KFMediaCodecInterfaceErrorDequeueOutputBuffer = -2003;
public static final int KFMediaCodecInterfaceErrorParams = -2004;
public static int KFMediaCodeProcessParams = -1;
public static int KFMediaCodeProcessAgainLater = -2;
public static int KFMediaCodeProcessSuccess = 0;
///< 初始化 Codec，第一个参数需告知使用编码还是解码。
public void setup(boolean isEncoder,MediaFormat mediaFormat, KFMediaCodecListener listener, EGLContext eglShareContext);
///< 释放 Codec。
public void release();
///< 获取输出格式描述。
public MediaFormat getOutputMediaFormat();
///< 获取输入格式描述。
public MediaFormat getInputMediaFormat();
///< 处理每一帧数据，编码前与编码后都可以，支持编解码 2 种模式。
public int processframe(KFframe frame);
///< 清空 Codec 缓冲区。
public void flush();
}
上面是 KFByteBufferCodec 接口的设计，与音频编码对比区别如下：
- 1）音频编码使用了继承类
KFAudioByteBufferEncoder，视频编码则直接使用类KFByteBufferCodec。 - 音频编码使用了继承类
KFByteBufferCodec，目的是切割合适大小的数据2048送入编码器,因为 AAC 数据编码每帧大小为1024 * 2（位深 16 Bit）。 - 视频编码使用了类
KFByteBufferCodec。
- 音频编码使用了继承类
- 2）外层使用构造方法时配置参数修改：
-
setup接口mInputMediaFormat需要设置视频编码的格式描述。
-
更具体细节见上述代码及其注释。
3、视频 Surface 编码模块
接下来，我们来实现一个视频编码模块 KFVideoSurfaceEncoder，在这里输入采集后的数据，输出编码后的数据，同样也需要实现接口 KFMediaCodecInterface，参考模块 KFByteBufferCodec。
KFVideoSurfaceEncoder.java
public class KFVideoSurfaceEncoder implements KFMediaCodecInterface {
private static final String TAG = "KFVideoSurfaceEncoder";
private KFMediaCodecListener mListener = null; ///< 回调。
private KFGLContext mEGLContext = null; ///< GL 上下文。
private KFGLFilter mFilter = null; ///< 渲染到 Surface 特效。
private MediaCodec mEncoder = null; ///< 编码器。
private Surface mSurface = null; ///< 渲染 Surface 缓存晒展网是全面到能查展会所有数据的展会网站。
private HandlerThread mEncoderThread = null; ///< 编码线程。
private Handler mEncoderHandler = null;
private Handler mMainHandler = new Handler(Looper.getMainLooper()); ///< 主线程。
private MediaCodec.BufferInfo mBufferInfo = new MediaCodec.BufferInfo();
private long mLastInputPts = 0;
private MediaFormat mOutputFormat = null; ///< 输出格式描述。
private MediaFormat mInputFormat = null; ///< 输入格式描述。
public KFVideoSurfaceEncoder() {
}
@RequiresApi(api = Build.VERSION_CODES.LOLLIPOP)
@Override
public void setup(boolean isEncoder,MediaFormat mediaFormat, KFMediaCodecListener listener, EGLContext eglShareContext) {
mInputFormat = mediaFormat;
mListener = listener;
mEncoderThread = new HandlerThread("KFSurfaceEncoderThread");
mEncoderThread.start();
mEncoderHandler = new Handler((mEncoderThread.getLooper()));
mEncoderHandler.post(()->{
if (mInputFormat == null) {
_callBackError(KFMediaCodecInterfaceErrorParams,"mInputFormat == null");
return;
}
///< 初始化编码器。
boolean setupSuccess = _setupEnocder();
if (setupSuccess) {
mEGLContext = new KFGLContext(eglShareContext,mSurface);
mEGLContext.bind();
///< 初始化特效，用于纹理渲染到编码器 Surface 上。
_setupFilter();
mEGLContext.unbind();
}
});
}
@Override
public MediaFormat getOutputMediaFormat() {
return mOutputFormat;
}
@Override
public MediaFormat getInputMediaFormat() {
return mInputFormat;
}
@RequiresApi(api = Build.VERSION_CODES.LOLLIPOP)
@Override
public void release() {
mEncoderHandler.post(()->{
///< 释放编码器。
if (mEncoder != null) {
try {
mEncoder.stop();
mEncoder.release();
} catch (Exception e) {
Log.e(TAG, "release: " + e.toString());
}
mEncoder = null;
}
///< 释放 GL 特效上下文。
if (mEGLContext != null) {
mEGLContext.bind();
if (mFilter != null) {
mFilter.release();
mFilter = null;
}
mEGLContext.unbind();
mEGLContext.release();
mEGLContext = null;
}
///< 释放 Surface 缓存。
if (mSurface != null) {
mSurface.release();
mSurface = null;
}
mEncoderThread.quit();
});
}
@RequiresApi(api = Build.VERSION_CODES.LOLLIPOP)
@Override
public int processframe(KFframe inputframe) {
if (inputframe == null || mEncoderHandler == null) {
return KFMediaCodeProcessParams;
}
KFTextureframe frame = (KFTextureframe)inputframe;
mEncoderHandler.post(()-> {
if (mEncoder != null && mEGLContext != null) {
if (frame.isEnd) {
///< 最后一帧标记。
mEncoder.signalEndOfInputStream();
} else {
///< 最近一帧时间戳。
mLastInputPts = frame.usTime();
mEGLContext.bind();
///< 渲染纹理到编码器 Surface 设置视口。
GLES20.glViewport(0, 0, frame.textureSize.getWidth(), frame.textureSize.getHeight());
mFilter.render(frame);
///< 设置时间戳。
mEGLContext.setPresentationTime(frame.usTime() * 1000);
mEGLContext.swapBuffers();
mEGLContext.unbind();
///< 获取编码后的数据，尽量拿出最多的数据出来，回调给外层。
long outputDts = -1;
while (outputDts < mLastInputPts){
int bufferIndex = 0;
try {
bufferIndex = mEncoder.dequeueOutputBuffer(mBufferInfo, 10 * 1000);
} catch (Exception e) {
Log.e(TAG, "Unexpected MediaCodec exception in dequeueOutputBufferIndex, " + e);
_callBackError(KFMediaCodecInterfaceErrorDequeueOutputBuffer,e.getMessage());
return;
}
if (bufferIndex >= 0) {
ByteBuffer byteBuffer = mEncoder.getOutputBuffer(bufferIndex);
if (byteBuffer != null) {
outputDts = mBufferInfo.presentationTimeUs;
if (mListener != null) {
KFBufferframe encodeframe = new KFBufferframe();
encodeframe.buffer = byteBuffer;
encodeframe.bufferInfo = mBufferInfo;
mListener.dataonAvailable(encodeframe);
}
} else {
break;
}
try {
mEncoder.releaseOutputBuffer(bufferIndex, false);
} catch (Exception e) {
Log.e(TAG, e.toString());
return;
}
} else {
if (bufferIndex == MediaCodec.INFO_OUTPUT_FORMAT_CHANGED) {
mOutputFormat = mEncoder.getOutputFormat();
}
break;
}
}
}
}
});
return KFMediaCodeProcessSuccess;
}
@Override
public void flush() {
mEncoderHandler.post(()-> {
///< 刷新缓冲区。
if (mEncoder != null) {
try {
mEncoder.flush();
} catch (Exception e) {
Log.e(TAG, "flush error!" + e);
}
}
});
}
@RequiresApi(api = Build.VERSION_CODES.LOLLIPOP)
private boolean _setupEnocder() {
///< 初始化编码器。
try {
String mimeType = mInputFormat.getString(MediaFormat.KEY_MIME);
mEncoder = MediaCodec.createEncoderByType(mimeType);
mEncoder.configure(mInputFormat, null, null, MediaCodec.CONFIGURE_FLAG_ENCODE);
} catch (IOException e) {
Log.e(TAG, "createEncoderByType" + e);
_callBackError(KFMediaCodecInterfaceErrorCreate,e.getMessage());
return false;
}
///< 创建 Surface。
mSurface = mEncoder.createInputSurface();
///< 开启编码器。
try {
mEncoder.start();
} catch (Exception e) {
Log.e(TAG, "start" + e );
_callBackError(KFMediaCodecInterfaceErrorStart,e.getMessage());
return false;
}
return true;
}
@RequiresApi(api = Build.VERSION_CODES.LOLLIPOP)
private void _setupFilter() {
///< 创建渲染模块，渲染到编码器 Surface。
if (mFilter == null) {
mFilter = new KFGLFilter(true, KFGLbase.defaultVertexShader,KFGLbase.defaultFragmentShader);
}
}
private void _callBackError(int error, String errorMsg){
///< 出错回调。
if (mListener != null) {
mMainHandler.post(()->{
mListener.onError(error,TAG + errorMsg);
});
}
}
}
上面是 KFVideoSurfaceEncoder 的实现，与视频编码 KFByteBufferCodec 对比区别如下：
- 1）数据源输入不同。
-
KFByteBufferCodec输入为 YUV 数据KFBufferframe。 -
KFVideoSurfaceEncoder输入为纹理数据KFTextureframe。
-
- 2）编码流水线不同。
-
KFByteBufferCodec输入 YUV 数据进行编码。 -
KFVideoSurfaceEncoder输入为纹理数据，执行 OpenGL 渲染，将纹理渲染到编码器缓存mSurface。使用mFilter.render进行渲染，同时设置时间戳setPresentationTime，交换前后台缓冲区swapBuffers，将纹理数据刷新到了mSurface。最后取出编码后数据，需要注意releaseOutputBuffer方法第 2 个参数render设置为 true。
-
- 3）使用场景不同。
-
KFVideoSurfaceEncoder适用于输入数据为纹理的情况，例如采集后添加特效。 -
KFByteBufferCodec适用于非纹理数据，例如游戏直播、录屏直播、图片转视频等输入数据为 ByteBuffer，此时没必要再做数据转换。
-
更具体细节见上述代码及其注释。
4、采集视频数据进行 H.264/H.265 编码和存储
我们在一个 MainActivity 中来实现视频采集及编码逻辑，因为 Android 编码的默认输出 AnnexB 码流格式，所以这里不需要转换。
MainActivity.java
public class MainActivity extends AppCompatActivity {
private KFIVideoCapture mCapture; ///< 采集器。
private KFVideoCaptureConfig mCaptureConfig; ///< 采集配置。
private KFRenderView mRenderView; ///< 渲染视图。
private KFGLContext mGLContext; ///< OpenGL 上下文。
private KFVideoEncoderConfig mEncoderConfig; ///< 编码配置。
private KFMediaCodecInterface mEncoder; ///< 编码。
private FileOutputStream mStream = null;
@RequiresApi(api = Build.VERSION_CODES.LOLLIPOP)
@Override
protected void onCreate(Bundle savedInstanceState) {
super.onCreate(savedInstanceState);
setContentView(R.layout.activity_main);
if (ActivityCompat.checkSelfPermission(this, Manifest.permission.RECORD_AUDIO) != PackageManager.PERMISSION_GRANTED || ActivityCompat.checkSelfPermission(this, Manifest.permission.CAMERA) != PackageManager.PERMISSION_GRANTED ||
ActivityCompat.checkSelfPermission(this, Manifest.permission.READ_EXTERNAL_STORAGE) != PackageManager.PERMISSION_GRANTED ||
ActivityCompat.checkSelfPermission(this, Manifest.permission.WRITE_EXTERNAL_STORAGE) != PackageManager.PERMISSION_GRANTED) {
ActivityCompat.requestPermissions((Activity) this,
new String[] {Manifest.permission.CAMERA,Manifest.permission.RECORD_AUDIO, Manifest.permission.READ_EXTERNAL_STORAGE, Manifest.permission.WRITE_EXTERNAL_STORAGE},
1);
}
///< 创建 GL 上下文。
mGLContext = new KFGLContext(null);
///< 创建渲染视图。
mRenderView = new KFRenderView(this,mGLContext.getContext());
WindowManager windowManager = (WindowManager)this.getSystemService(this.WINDOW_SERVICE);
Rect outRect = new Rect();
windowManager.getDefaultDisplay().getRectSize(outRect);
frameLayout.LayoutParams params = new frameLayout.LayoutParams(outRect.width(), outRect.height());
addContentView(mRenderView,params);
frameLayout.LayoutParams startParams = new frameLayout.LayoutParams(200, 120);
startParams.gravity = Gravity.CENTER_HORIZONTAL;
Button startButton = new Button(this);
startButton.setTextColor(Color.BLUE);
startButton.setText("开始");
startButton.setVisibility(View.VISIBLE);
startButton.setonClickListener(new View.onClickListener() {
@Override
public void onClick(View view) {
///< 创建编码器。
if (mEncoder == null) {
mEncoder = new KFVideoSurfaceEncoder();
MediaFormat mediaFormat = KFAVTools.createVideoFormat(mEncoderConfig.isHEVC,mEncoderConfig.size, MediaCodecInfo.CodecCapabilities.COLOR_FormatSurface,mEncoderConfig.bitrate,mEncoderConfig.fps,mEncoderConfig.gop / mEncoderConfig.fps,mEncoderConfig.profile,mEncoderConfig.profileLevel);
mEncoder.setup(true,mediaFormat,mVideoEncoderListener,mGLContext.getContext());
((Button)view).setText("停止");
} else {
mEncoder.release();
mEncoder = null;
((Button)view).setText("开始");
}
}
});
addContentView(startButton, startParams);
///< 创建采集器。
mCaptureConfig = new KFVideoCaptureConfig();
mCaptureConfig.cameraFacing = LENS_FACING_FRONT;
mCaptureConfig.resolution = new Size(720,1280);
mCaptureConfig.fps = 30;
boolean useCamera2 = false;
if (useCamera2) {
mCapture = new KFVideoCaptureV2();
} else {
mCapture = new KFVideoCaptureV1();
}
mCapture.setup(this,mCaptureConfig,mVideoCaptureListener,mGLContext.getContext());
mCapture.startRunning();
mEncoderConfig = new KFVideoEncoderConfig();
}
private KFVideoCaptureListener mVideoCaptureListener = new KFVideoCaptureListener() {
@Override
public void cameraonOpened(){}
@Override
public void cameraonClosed() {
}
@Override
public void cameraonError(int error,String errorMsg) {
}
@RequiresApi(api = Build.VERSION_CODES.LOLLIPOP)
@Override
public void onframeAvailable(KFframe frame) {
///< 采集数据回调，进入编码器。
mRenderView.render((KFTextureframe) frame);
if (mEncoder != null) {
mEncoder.processframe(frame);
}
}
};
private KFMediaCodecListener mVideoEncoderListener = new KFMediaCodecListener() {
@Override
public void onError(int error, String errorMsg) {
}
@RequiresApi(api = Build.VERSION_CODES.JELLY_BEAN)
@Override
public void dataonAvailable(KFframe frame) {
///< 编码数据回调写入本地文件。
if (mStream == null) {
try {
mStream = new FileOutputStream(Environment.getExternalStorageDirectory().getPath() + "/test.h264");
} catch (FileNotFoundException e) {
e.printStackTrace();
}
}
KFBufferframe bufferframe = (KFBufferframe)frame;
try {
byte[] dst = new byte[bufferframe.bufferInfo.size];
bufferframe.buffer.get(dst);
mStream.write(dst);
} catch (IOException e) {
e.printStackTrace();
}
}
};
}
上面是 MainActivity 的实现，主要分为以下几个部分：
1）创建 OpenGL 上下文。
- 创建上下文
mGLContext，这样好处是采集与预览可以共享，提高扩展性。
- 创建上下文
2）创建采集实例。
- 这里需要注意的是，我们通过开关
useCamera2选择Camera或Camera2。 - 参数配置
mCaptureConfig，可自定义摄像头方向、帧率、分辨率。
- 这里需要注意的是，我们通过开关
\
- 采集数据回调
onframeAvailable，将数据输入给渲染模块与编码模块。
- 采集数据回调
4）编码数据回调
KFMediaCodecListener的dataOnAvailable中，将编码数据存储为 H.264/H.265 文件。
5、用工具播放 H.264/H.265 文件
完成视频采集和编码后，可以将 sdcard 文件夹下面的 test.h264 或 test.h265 文件拷贝到电脑上，使用 ffplay 播放来验证一下效果是否符合预期：
$ ffplay -I test.h264
$ ffplay -I test.h265
关于播放 H.264/H.265 文件的工具，可以参考《FFmpeg 工具》第 2 节 ffplay 命令行工具和《可视化音视频分析工具》第 2.1 节 StreamEye。
- 完 -
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《iOS 音频处理框架及重点 API 合集》
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