在Android上，預設的多媒體框架(multimedia framework)是OpenCORE 。OpenCORE的優點是兼顧了跨平台的移植性，而且已經過多方驗證，所以相對來說較為穩定；但是其缺點是過於龐大複雜，需要耗費相當多的時間去維護。從Android 2.0開始，Google引進了架構稍為簡潔的Stagefright，並且有逐漸取代OpenCORE的趨勢 (註1)。
[圖1] Stagefright在Android多媒體架構中的位置。
 
[圖2] Stagefright所涵蓋的模組 (註2)。
以下我們就先來看看Stagefright是如何播放一個影片檔。

Stagefright 在Android中是以shared library的形式存在(libstagefright.so)，其中的module -- AwesomePlayer可用來播放video/audio (註3)。AwesomePlayer提供許多API，可以讓上層的應用程式(Java/JNI)來呼叫，我們以一個簡單的程式來說明video playback的流程。

在Java中，若要播放一個影片檔，我們會這樣寫：

MediaPlayer mp = new MediaPlayer();
mp.setDataSource(PATH_TO_FILE); ...... (1)
mp.prepare(); ........................ (2)、(3)
mp.start(); .......................... (4)

在Stagefright中，則會看到相對應的處理；

(1) 將檔案的絕對路徑指定給mUri
status_t AwesomePlayer::setDataSource(const char* uri, ...)
{
  return setDataSource_l(uri, ...);
}

status_t AwesomePlayer::setDataSource_l(const char* uri, ...)
{
  mUri = uri;
}

(2) 啟動mQueue，作為event handler
status_t AwesomePlayer::prepare()
{
  return prepare_l();
}

status_t AwesomePlayer::prepare_l()
{
  prepareAsync_l();

  while (mFlags & PREPARING)
  {
    mPreparedCondition.wait(mLock);
  }
}

status_t AwesomePlayer::prepareAsync_l()
{
  mQueue.start();

  mFlags |= PREPARING;
  mAsyncPrepareEvent = new AwesomeEvent(
                             this
                             &AwesomePlayer::onPrepareAsyncEvent);
  mQueue.postEvent(mAsyncPrepareEvent);
}

(3) onPrepareAsyncEvent被觸發

 
void AwesomePlayer::onPrepareAsyncEvent()
{
  finishSetDataSource_l();

  initVideoDecoder(); ...... (3.3)
  initAudioDecoder();
}

status_t AwesomePlayer::finishSetDataSource_l()
{
  dataSource = DataSource::CreateFromURI(mUri.string(), ...);
  sp extractor =
                     MediaExtractor::Create(dataSource); ..... (3.1)

  return setDataSource_l(extractor); ......................... (3.2)
}

(3.1) 解析mUri所指定的檔案，並且根據其header來選擇對應的extractor
 
sp MediaExtractor::Create(const sp &source, ...)
{
  source->sniff(&tmp, ...);
  mime = tmp.string();

  if (!strcasecmp(mime, MEDIA_MIMETYPE_CONTAINER_MPEG4)
  {
    return new MPEG4Extractor(source);
  }
  else if (!strcasecmp(mime, MEDIA_MIMETYPE_AUDIO_MPEG))
  {
    return new MP3Extractor(source);
  }
  else if (!strcasecmp(mime, MEDIA_MIMETYPE_AUDIO_AMR_NB)
  {
    return new AMRExtractor(source);
  }
}

(3.2) 使用extractor對檔案做A/V的分離 (mVideoTrack/mAudioTrack)
 
status_t AwesomePlayer::setDataSource_l(const sp &extractor)
{
  for (size_t i = 0; i < extractor->countTracks(); ++i)
  {
    sp meta = extractor->getTrackMetaData(i);

    CHECK(meta->findCString(kKeyMIMEType, &mime));

    if (!haveVideo && !strncasecmp(mime, "video/", 6))
    {
      setVideoSource(extractor->getTrack(i));
      haveVideo = true;
    }
    else if (!haveAudio && !strncasecmp(mime, "audio/", 6))
    {
      setAudioSource(extractor->getTrack(i));
      haveAudio = true;
    }
  }
}

void AwesomePlayer::setVideoSource(sp source)
{
  mVideoTrack = source;
}

(3.3) 根據mVideoTrack中的編碼類型來選擇video decoder (mVideoSource)
 
status_t AwesomePlayer::initVideoDecoder()
{
  mVideoSource = OMXCodec::Create(mClient.interface(),
                                  mVideoTrack->getFormat(),
                                  false,
                                  mVideoTrack);
}

(4)
status_t AwesomePlayer::play()
{
  return play_l();
}

status_t AwesomePlayer::play_l()
{
  postVideoEvent_l();
}

void AwesomePlayer::postVideoEvent_l(int64_t delayUs)
{
  mQueue.postEventWithDelay(mVideoEvent, delayUs);
}

void AwesomePlayer::onVideoEvent()
{
  mVideoSource->read(&mVideoBuffer, &options);
  [Check Timestamp]
  mVideoRenderer->render(mVideoBuffer);

  postVideoEvent_l();
}


(註1) 從Android2.3 (Gingerbread) 開始，預設的多媒體框架為 Stagefright。
(註2) Stagefright的架構尚不斷在演進中，本系列文章並未含括所有的模組。
(註3) Audio的播放是交由 AudioPlayer 來處理，請參考《Stagefright (6) - Audio Playback的流程》。

 
將mVideoEvent放入mQueue中，開始解碼播放，並交由mVideoRenderer來畫出


 
stagefright框架（二）- 和OpenMAX的運作
 
 
 
Stagefright的編解碼功能是利用OpenMAX框架，而且用的還是OpenCORE之OMX的實作，我們來看一下Stagefright和OMX是如何運作的。

 (1) OMX_Init
OMXClient mClient;

AwesomePlayer::AwesomePlayer()
{
  mClient.connect();
}

status_t OMXClient::connect()
{
  mOMX = service->getOMX();
}

sp MediaPlayerService::getOMX()
{
  mOMX = new OMX;
}

OMX::OMX() : mMaster(new OMXMaster)

OMXMaster::OMXMaster()
{
  addPlugin(new OMXPVCodecsPlugin);
}

OMXPVCodecsPlugin::OMXPVCodecsPlugin()
{
  OMX_MasterInit();
}

OMX_ERRORTYPE OMX_MasterInit() <-- under OpenCORE
{
  return OMX_Init();
}

(2) OMX_SendCommand
OMXCodec::function_name()
{
  mOMX->sendCommand(mNode, OMX_CommandStateSet, OMX_StateIdle);
}
status_t OMX::sendCommand(node, cmd, param)
{
  return findInstance(node)->sendCommand(cmd, param);
}
status_t OMXNodeInstance::sendCommand(cmd, param)
{
  OMX_SendCommand(mHandle, cmd, param, NULL);
}

 
(3)  其他作用在 OMX 元件的指令

其他作用在 OMX 元件的指令也和 OMX_SendCommand 的 call path 一樣，請見下表：
OMXCodec
OMX
OMXNodeInstance
 
useBuffer
useBuffer (OMX_UseBuffer)
 
getParameter
getParameter (OMX_GetParameter)
 
fillBuffer
fillBuffer (OMX_FillThisBuffer)
 
emptyBuffer
emptyBuffer (OMX_EmptyThisBuffer)









 


 (4) Callback Functions
OMX_CALLBACKTYPE OMXNodeInstance::kCallbacks =
{
  &OnEvent, <--------------- omx_message::EVENT
  &OnEmptyBufferDone, <----- omx_message::EMPTY_BUFFER_DONE
  &OnFillBufferDone <------- omx_message::FILL_BUFFER_DONE
}

 

 
stagefright框架（三）-選擇Video Decoder
 
在《 Stagefright (1) – Video Playback的流程 》中，我們並沒有詳述 Stagefright 是如何根據影片檔的類型來選擇適合的 video decoder ，現在，就讓我們來看一看。
(1) Video decoder是在onPrepareAsyncEvent中的initVideoDecoder被決定的

OMXCodec::Create()會回傳video decoder給mVideoSource。
status_t AwesomePlayer::initVideoDecoder()
{
  mVideoSource = OMXCodec::Create(mClient.interface(),
                                  mVideoTrack->getFormat(),
                                  false,
                                  mVideoTrack);
}

sp OMXCodec::Create(&omx, &meta, createEncoder, &source, matchComponentName)
{
  meta->findCString(kKeyMIMEType, &mime);

  findMatchingCodecs(mime, ..., &matchingCodecs); ........ (2)

  for (size_t i = 0; i < matchingCodecs.size(); ++i)
  {
    componentName = matchingCodecs[i].string();

    softwareCodec =
        InstantiateSoftwareCodec(componentName, ...); ..... (3)

    if (softwareCodec != NULL) return softwareCodec;
        
    err = omx->allocateNode(componentName, ..., &node); ... (4)

    if (err == OK)
    {
      codec = new OMXCodec(..., componentName, ...); ...... (5)
      return codec;
    }
  }
}

(2) 根據mVideoTrack的MIME從kDecoderInfo挑出合適的components
void OMXCodec::findMatchingCodecs(mime, ..., matchingCodecs)
{
  for (int index = 0;; ++index)
  {
    componentName = GetCodec(
                       kDecoderInfo,
                       sizeof(kDecoderInfo)/sizeof(kDecoderInfo[0]),
                       mime,
                       index);

    matchingCodecs->push(String8(componentName));
  }
}

static const CodecInfo kDecoderInfo[] =
{
  ...
  { MEDIA_MIMETYPE_VIDEO_MPEG4, "OMX.qcom.video.decoder.mpeg4" },
  { MEDIA_MIMETYPE_VIDEO_MPEG4, "OMX.TI.Video.Decoder" },
  { MEDIA_MIMETYPE_VIDEO_MPEG4, "M4vH263Decoder" },
  ...
}
GetCodec會依據mime從kDecoderInfo挑出所有的component name，然後存到matchingCodecs中。

 (3) 根據matchingCodecs中component的順序，我們會先去檢查其是否為software decoder
static sp InstantiateSoftwareCodec(name, ...)
{
  FactoryInfo kFactoryInfo[] =
  {
    ...
    FACTORY_REF(M4vH263Decoder)
    ...
  };

  for (i = 0; i < sizeof(kFactoryInfo)/sizeof(kFactoryInfo[0]); ++i)
  {
    if (!strcmp(name, kFactoryInfo[i].name))
      return (*kFactoryInfo[i].CreateFunc)(source);
  }
}

所有的software decoder都會被列在kFactoryInfo中，我們藉由傳進來的name來對應到適合的decoder。

 (4) 如果該component不是software decoder，則試著去配置對應的OMX component
status_t OMX::allocateNode(name, ..., node)
{
  mMaster->makeComponentInstance(
                           name,
                           &OMXNodeInstance::kCallbacks,
                           instance,
                           handle);
}

OMX_ERRORTYPE OMXMaster::makeComponentInstance(name, ...)
{
  plugin->makeComponentInstance(name, ...);
}

OMX_ERRORTYPE OMXPVCodecsPlugin::makeComponentInstance(name, ...)
{
  return OMX_MasterGetHandle(..., name, ...);
}

OMX_ERRORTYPE OMX_MasterGetHandle(...)
{
  return OMX_GetHandle(...);
}

(5) 若該component為OMX deocder，則回傳；否則繼續檢查下一個component

 
 
 
stagefright框架（四）-Video Buffer傳輸流程
 
 
 
這篇文章將介紹Stagefright中是如何和OMX video decoder傳遞buffer。

(1) OMXCodec會在一開始的時候透過read函式來傳送未解碼的data給decoder，並且要求decoder將解碼後的data傳回來
status_t OMXCodec::read(...)
{
  if (mInitialBufferSubmit)
  {
    mInitialBufferSubmit = false;

    drainInputBuffers(); <----- OMX_EmptyThisBuffer
    fillOutputBuffers(); <----- OMX_FillThisBuffer
  }

  ...
}

void OMXCodec::drainInputBuffers()
{
  Vector *buffers = &mPortBuffers[kPortIndexInput];

  for (i = 0; i < buffers->size(); ++i)
  {
    drainInputBuffer(&buffers->editItemAt(i));
  }
}

void OMXCodec::drainInputBuffer(BufferInfo *info)
{
  mOMX->emptyBuffer(...);
}

void OMXCodec::fillOutputBuffers()
{
  Vector *buffers = &mPortBuffers[kPortIndexOutput];

  for (i = 0; i < buffers->size(); ++i)
  {
    fillOutputBuffer(&buffers->editItemAt(i));
  }
}

void OMXCodec::fillOutputBuffer(BufferInfo *info)
{
  mOMX->fillBuffer(...);
}

(2) Decoder從input port讀取資料後，開始進行解碼，並且回傳EmptyBufferDone通知OMXCodec
void OMXCodec::on_message(const omx_message &msg)
{
  switch (msg.type)
  {
    case omx_message::EMPTY_BUFFER_DONE:
    {
      IOMX::buffer_id buffer = msg.u.extended_buffer_data.buffer;
      drainInputBuffer(&buffers->editItemAt(i));
    }
  }
}

OMXCodec收到EMPTY_BUFFER_DONE之後，繼續傳送下一個未解碼的資料給decoder。

 (3) Decoder將解碼完的資料送到output port，並回傳FillBufferDone通知OMXCodec
void OMXCodec::on_message(const omx_message &msg)
{
  switch (msg.type)
  {
    case omx_message::FILL_BUFFER_DONE:
    {
      IOMX::buffer_id buffer = msg.u.extended_buffer_data.buffer;
      fillOutputBuffer(info);

      mFilledBuffers.push_back(i);
      mBufferFilled.signal();
    }
  }
}

OMXCodec收到FILL_BUFFER_DONE之後，將解碼後的資料放入mFilledBuffers，發出mBufferFilled信號，並且要求decoder繼續送出資料。

 (4) read函式在後段等待mBufferFilled信號。當mFilledBuffers被填入資料後，read函式將其指定給buffer指標，並回傳給AwesomePlayer
status_t OMXCodec::read(MediaBuffer **buffer, ...)
{
  ...

  while (mFilledBuffers.empty())
  {
    mBufferFilled.wait(mLock);
  }

  BufferInfo *info = &mPortBuffers[kPortIndexOutput].editItemAt(index);
  info->mMediaBuffer->add_ref();
  *buffer = info->mMediaBuffer;
}

 
 


stagefright框架（五）-Video Rendering
 
 
 
AwesomePlayer::onVideoEvent除了透過OMXCodec::read取得解碼後的資料外，還必須將這些資料(mVideoBuffer)傳給video renderer，以便畫到螢幕上去。

(1) 要將mVideoBuffer中的資料畫出來之前，必須先建立mVideoRenderer
void AwesomePlayer::onVideoEvent()
{
  ...

  if (mVideoRenderer == NULL)
  {
    initRenderer_l();
  }

  ...
}

void AwesomePlayer::initRenderer_l()
{
  if (!strncmp("OMX.", component, 4))
  {
    mVideoRenderer = new AwesomeRemoteRenderer(
                           mClient.interface()->createRenderer(
                                                  mISurface,
                                                  component,
                                                  ...)); .......... (2)
  }
  else
  {
    mVideoRenderer = new AwesomeLocalRenderer(
                           ...,
                           component,
                           mISurface); ............................ (3)
  }
}

(2) 如果video decoder是OMX component，則建立一個AwesomeRemoteRenderer作為mVideoRenderer

從上段的程式碼(1)來看，AwesomeRemoteRenderer的本質是由OMX::createRenderer所創建的。createRenderer會先建立一個hardware renderer -- SharedVideoRenderer (libstagefrighthw.so)；若失敗，則建立software renderer -- SoftwareRenderer (surface)。
sp OMX::createRenderer(...)
{
  VideoRenderer *impl = NULL;

  libHandle = dlopen("libstagefrighthw.so", RTLD_NOW);

  if (libHandle)
  {
    CreateRendererFunc func = dlsym(libHandle, ...);

    impl = (*func)(...); <----------------- Hardware Renderer
  }

  if (!impl)
  {
    impl = new SoftwareRenderer(...); <---- Software Renderer
  }
}

(3) 如果video decoder是software component，則建立一個AwesomeLocalRenderer作為mVideoRenderer

AwesomeLocalRenderer的constructor會呼叫本身的init函式，其所做的事和OMX::createRenderer一模一樣。
void AwesomeLocalRenderer::init(...)
{
  mLibHandle = dlopen("libstagefrighthw.so", RTLD_NOW);

  if (mLibHandle)
  {
    CreateRendererFunc func = dlsym(...);

    mTarget = (*func)(...); <---------------- Hardware Renderer
  }

  if (mTarget == NULL)
  {
    mTarget = new SoftwareRenderer(...); <--- Software Renderer
  }
}

 

(4) mVideoRenderer一經建立就可以開始將解碼後的資料傳給它
void AwesomePlayer::onVideoEvent()
{
  if (!mVideoBuffer)
  {
    mVideoSource->read(&mVideoBuffer, ...);
  }

  [Check Timestamp]

  if (mVideoRenderer == NULL)
  {
    initRenderer_l();
  }

  mVideoRenderer->render(mVideoBuffer); <----- Render Data
}

 

 

 
stagefright框架（六）-Audio Playback的流程
 
到目前為止，我們都只著重在video處理的部分，對於audio卻隻字未提。這篇文章將會開始audio處理的流程。

Stagefright中關於audio的部分是交由AudioPlayer來處理，它是在AwesomePlayer::play_l中被建立的。


(1) 當上層應用程式要求播放影音時，AudioPlayer同時被建立出來，並且被啟動
status_t AwesomePlayer::play_l()
{
  ...

  mAudioPlayer = new AudioPlayer(mAudioSink, ...);
  mAudioPlayer->start(...);

  ...
}

(2) AudioPlayer在啟動的過程中會先去讀取第一筆解碼後的資料，並且開啟audio output
status_t AudioPlayer::start(...)
{
  mSource->read(&mFirstBuffer);

  if (mAudioSink.get() != NULL)
  {
    mAudioSink->open(..., &AudioPlayer::AudioSinkCallback, ...);
    mAudioSink->start();
  }
  else
  {
    mAudioTrack = new AudioTrack(..., &AudioPlayer::AudioCallback, ...);
    mAudioTrack->start();
  }
}

從AudioPlayer::start的程式碼來看，AudioPlayer似乎並沒有將mFirstBuffer傳給audio output。

 (3) 開啟audio output的同時，AudioPlayer會將callback函式設給它，之後每當callback函式被呼叫，AudioPlayer便去audio decoder讀取解碼後的資料

size_t AudioPlayer::AudioSinkCallback(audioSink, buffer, size, ...)
{
  return fillBuffer(buffer, size);
}
void AudioPlayer::AudioCallback(..., info)
{
  buffer = info;
  fillBuffer(buffer->raw, buffer->size);
}
size_t AudioPlayer::fillBuffer(data, size)
{
  mSource->read(&mInputBuffer, ...);
  memcpy(data, mInputBuffer->data(), ...);
}

解碼後audio資料的讀取就是由callback函式所驅動，但是callback函式又是怎麼由audio output去驅動的，目前從程式碼上還看不出來。另外一方面，從上面的程式片段可以看出，fillBuffer將資料(mInputBuffer)複製到data之後，audio output應該會去取用data。


 (5) 至於audio decoder的工作流程則和video decoder相同，可參閱《Stagefright (4) - Video Buffer傳輸流程》

 
 
stagefright框架（七）-Audio和Video的同步
 
講完了audio和video的處理流程，接下來要看的是audio和video同步化(synchronization)的問題。OpenCORE的做法是設置一個主clock，而audio和video就分別以此作為輸出的依據。而在Stagefright中，audio的輸出是透過callback函式來驅動，video則根據audio的timestamp來做同步。以下是詳細的說明：

(1) 當callback函式驅動AudioPlayer讀取解碼後的資料時，AudioPlayer會取得兩個時間戳 -- mPositionTimeMediaUs和mPositionTimeRealUs
size_t AudioPlayer::fillBuffer(data, size)
{
  ...

  mSource->read(&mInputBuffer, ...);

  mInputBuffer->meta_data()->findInt64(kKeyTime, &mPositionTimeMediaUs);
  mPositionTimeRealUs = ((mNumFramesPlayed + size_done / mFrameSize) * 1000000) / mSampleRate;

  ...
}

mPositionTimeMediaUs是資料裡面所載明的時間戳(timestamp)；mPositionTimeRealUs則是播放此資料的實際時間(依據frame number及sample rate得出)。

 (2) Stagefright中的video便依據從AudioPlayer得出來之兩個時間戳的差值，作為播放的依據
void AwesomePlayer::onVideoEvent()
{
  ...

  mVideoSource->read(&mVideoBuffer, ...);
  mVideoBuffer->meta_data()->findInt64(kKeyTime, &timeUs);

  mAudioPlayer->getMediaTimeMapping(&realTimeUs, &mediaTimeUs);
  mTimeSourceDeltaUs = realTimeUs - mediaTimeUs;

  nowUs = ts->getRealTimeUs() - mTimeSourceDeltaUs;
  latenessUs = nowUs - timeUs;

  ...
}

AwesomePlayer從AudioPlayer取得realTimeUs(即mPositionTimeRealUs)和mediaTimeUs(即mPositionTimeMediaUs)，並算出其差值mTimeSourceDeltaUs。

 (3) 最後我們將該video資料做排程
void AwesomePlayer::onVideoEvent()
{
  ...
  if (latenessUs > 40000)
  {
    mVideoBuffer->release();
    mVideoBuffer = NULL;

    postVideoEvent_l();
    return;
  }
  if (latenessUs < -10000)
  {
    postVideoEvent_l(10000);
    return;
  }

  mVideoRenderer->render(mVideoBuffer);

  ...
}