NDK FFmpeg 音视频解码
该文章首发于微信公众号“字节流动”。
本博客 NDK 开发系列文章：
- NDK 编译的三种方式
- NDK 开发中引入第三方静态库和动态库
- NDK 开发中 Native 与 Java 交互
- NDK POSIX 多线程编程
- NDK Android OpenSL ES 音频采集与播放
- NDK FFmpeg 编译
- NDK FFmpeg 音视频解码
- NDK 直播流媒体服务器搭建
- NDK 直播推流与引流
- NDK 开发中快速定位 Crash 问题
封装格式
我们经常所说的视频格式，如 mp4 、 mkv 、 rmvb 、flv 等，表示的是音视频的封装格式，封装格式实质上是把音频数据、视频数据和字幕数据打包成一个文件的规范。从技术的角度来讲，优秀的音视频封装格式应该支持大多数音视频编码标准。
主要的封装格式:
| 名称 | 机构 | 支持的视频编码 | 支持的音频编码 | 使用领域 |
|---|---|---|---|---|
| AVI | 微软 | 几乎所有格式 | 几乎所有格式 | BT 下载影视 |
| MP4 | MPEG | MPEG-4 ， H.264 ， H.263 等 | AAC ， MPEG-1 等 | 互联网视频网站 |
| FLV | Adobe | VP6 ， H.264 | MP3 ， AAC 等 | 互联网视频网站 |
| MKV | CoreCodec | 几乎所有格式 | 几乎所有格式 | 互联网视频网站 |
| RMVB | Real Networks | RealVideo 8 ， 9 ， 10 | AAC ， Cook Codec | BT 下载影视 |
编码格式
编码的目的在于通过压缩算法降低数据量，提高数据的存储和传输效率。视频编码是将视频像素数据（ RGB ， YUV 等）压缩成为视频码流。音频编码是将音频采样数据（ PCM 等）压缩成为音频码流。
主要视频编码格式：
| 名称 | 机构 | 推出时间 | 使用领域 |
|---|---|---|---|
| H.265 | MPEG/ITU-T | 2013 | 研发中 |
| H.264 | MPEG/ITU-T | 2003 | 各个领域 |
| MPEG4 | MPEG | 2001 | 小众 |
| MPEG2 | MPEG | 1994 | 数字电视 |
| VP9 | 2013 | 研发中 | |
| VP8 | 2008 | 小众 |
主要音频编码格式：
| 名称 | 机构 | 推出时间 | 使用领域 |
|---|---|---|---|
| AAC | MPEG | 1997 | 各个领域 |
| AC-3 | Dolby | 1992 | 电影 |
| MP3 | MPEG | 1993 | 早期普及 |
| WMV | 微软 | 1999 | Windows |
音视频解码流程
- 解封装格式。将输入的按照一定格式封装的音视频数据，分离成为音频流压缩编码数据和视频流压缩编码数据。
- 解码。将视频和音频的压缩编码数据，解码成为非压缩的视频和音频原始数据。视频压缩数据通过解码输出为像素数据，如 YUV420P 、 RGB 等；音频压缩数据通过解码输出为非压缩的音频抽样数据，如 PCM 数据。
- 音视频同步。同步解码出来的视频和音频数据，并将音视频数据送至系统的声卡和显卡，播放和显示出来。
FFmpeg 函数库
FFmpeg 一般有 8 个函数库，各个函数库的功能如下：
| 函数库 | 功能 |
|---|---|
| avcodec | 音视频编解码 |
| avdevice | 多媒体设备输入输出 |
| avfilter | 滤镜特效 |
| avformat | 封装格式处理 |
| postproc | 后加工 |
| avutil | 工具库 |
| swresample | 音频采样数据格式转换 |
| swscale | 视频像素数据格式转换 |
FFmpeg 音视频解码
FFmpeg 音视频解码主要流程代码描述：
1. av_register_all() //注册组件
2. avformat_alloc_context //获取封装格式上下文
3. avformat_find_stream_info //获取输入文件信息
4. avcodec_find_decoder //获取解码器
5. avcodec_open2 //打开解码器
6. avcodec_decode_video2 或 avcodec_decode_audio4 //解码音视频帧
在 AS 工程中引入 FFmpeg 8 个动态库和 libyuv （负责视频像素数据格式转换）动态库。
工程的头文件目录：
工程的动态库目录：
Java 层 API ：
package com.haohao.ffmpeg;
import android.media.AudioFormat;
import android.media.AudioManager;
import android.media.AudioTrack;
import android.util.Log;
import android.view.Surface;
/**
* author: haohao
* time: 2017/12/19
* mail: [email protected]
* desc: AVUtils
*/
public class AVUtils {
private static final String TAG = "AVUtils";
private static AVCallback AVCallback;
private static AVCallback sAVCallback;
public static void registerCallback(AVCallback callback) {
sAVCallback = callback;
}
static {
System.loadLibrary("avfilter-5");
System.loadLibrary("avdevice-56");
System.loadLibrary("yuv");
System.loadLibrary("avutil-54");
System.loadLibrary("swresample-1");
System.loadLibrary("avcodec-56");
System.loadLibrary("avformat-56");
System.loadLibrary("swscale-3");
System.loadLibrary("postproc-53");
System.loadLibrary("native-lib");
}
/**
* 解码视频中的视频压缩数据
* @param input_file_path 输入的视频文件路径
* @param output_file_path 视频压缩数据解码后输出的 YUV 文件路径
*/
public static native void videoDecode(String input_file_path, String output_file_path);
/**
* 显示视频视频解码后像素数据
* @param input 输入的视频文件路径
* @param surface 用于显示视频视频解码后的 RGBA 像素数据
*/
public static native void videoRender(String input, Surface surface);
/**
* 解码视频中的音频压缩数据
* @param input 输入的视频文件路径
* @param output 音频压缩数据解码后输出的 PCM 文件路径
*/
public static native void audioDecode(String input, String output);
/**
* 播放视频中的音频数据
* @param input 输入的视频文件路径
*/
public static native void audioPlay(String input);
/**
* 创建一个 AudioTrack 对象，用于播放音频,在 Native 层中调用。
*/
public static AudioTrack createAudioTrack(int sampleRate, int num_channel) {
int audioFormat = AudioFormat.ENCODING_PCM_16BIT;
Log.i(TAG, "声道数:" + num_channel);
int channelConfig;
if (num_channel == 1) {
channelConfig = android.media.AudioFormat.CHANNEL_OUT_MONO;
} else if (num_channel == 2) {
channelConfig = android.media.AudioFormat.CHANNEL_OUT_STEREO;
} else {
channelConfig = android.media.AudioFormat.CHANNEL_OUT_STEREO;
}
int bufferSize = AudioTrack.getMinBufferSize(sampleRate, channelConfig, audioFormat);
AudioTrack audioTrack = new AudioTrack(
AudioManager.STREAM_MUSIC,
sampleRate, channelConfig,
audioFormat,
bufferSize, AudioTrack.MODE_STREAM);
return audioTrack;
}
public interface AVCallback {
void onFinish();
}
}
MySurfaceView.java
/**
* author: haohao
* time: 2017/12/20
* mail: [email protected]
* desc: MySurfaceView
*/
public class MySurfaceView extends SurfaceView {
public MySurfaceView(Context context) {
super(context);
}
public MySurfaceView(Context context, AttributeSet attrs) {
super(context, attrs);
}
public MySurfaceView(Context context, AttributeSet attrs, int defStyleAttr) {
super(context, attrs, defStyleAttr);
}
private void init(){
// 设置像素绘制格式为 RGBA_8888
SurfaceHolder holder = getHolder();
holder.setFormat(PixelFormat.RGBA_8888);
}
}
activity_main.xml
<FrameLayout xmlns:android="http://schemas.android.com/apk/res/android"
xmlns:app="http://schemas.android.com/apk/res-auto"
xmlns:tools="http://schemas.android.com/tools"
android:layout_width="match_parent"
android:layout_height="match_parent">
<com.haohao.ffmpeg.MySurfaceView
android:id="@+id/my_surface_view"
android:layout_width="match_parent"
android:layout_height="match_parent" />
<LinearLayout
android:layout_width="match_parent"
android:layout_height="wrap_content"
android:orientation="vertical">
<LinearLayout
android:layout_width="match_parent"
android:layout_height="wrap_content"
android:alpha="0.7"
android:orientation="horizontal">
<Button
android:id="@+id/video_decode_btn"
android:layout_width="0dp"
android:layout_weight="1"
android:layout_height="wrap_content"
android:text="视频解码" />
<Button
android:id="@+id/video_render_btn"
android:layout_width="0dp"
android:layout_weight="1"
android:layout_height="wrap_content"
android:text="视频渲染" />
LinearLayout>
<LinearLayout
android:layout_width="match_parent"
android:layout_height="wrap_content"
android:alpha="0.7"
android:orientation="horizontal">
<Button
android:id="@+id/audio_decode_btn"
android:layout_width="0dp"
android:layout_weight="1"
android:layout_height="wrap_content"
android:text="音频解码" />
<Button
android:id="@+id/audio_play_btn"
android:layout_width="0dp"
android:layout_weight="1"
android:layout_height="wrap_content"
android:text="音频播放" />
LinearLayout>
LinearLayout>
FrameLayout>
MainActivity.java
public class MainActivity extends AppCompatActivity implements View.OnClickListener, AVUtils.AVCallback {
private static final String TAG = "MainActivity";
private static final String BASE_PATH = Environment.getExternalStorageDirectory().getAbsolutePath() + File.separatorChar;
private String input_video_file_path = BASE_PATH
+ "input.mp4";
private String output_video_file_path = BASE_PATH
+ "output.yuv";
private String input_audio_file_path = BASE_PATH
+ "hello.mp3";
private String output_audio_file_path = BASE_PATH
+ "hello.pcm";
private String video_src = BASE_PATH
+ "ffmpeg.mp4";
private Button mDecodeVideoBtn;
private Button mVideoRenderBtn;
private Button mAudioPlayBtn, mAudioDecodeBtn;
private ProgressDialog mProgressDialog;
private ExecutorService mExecutorService;
private MySurfaceView mySurfaceView;
@Override
protected void onCreate(Bundle savedInstanceState) {
super.onCreate(savedInstanceState);
setContentView(R.layout.activity_main);
if (Build.VERSION.SDK_INT >= Build.VERSION_CODES.M) {
requestPermissions(new String[]{Manifest.permission.READ_EXTERNAL_STORAGE, Manifest.permission.WRITE_EXTERNAL_STORAGE, Manifest.permission.MOUNT_UNMOUNT_FILESYSTEMS}, 0);
}
mDecodeVideoBtn = (Button)findViewById(R.id.video_decode_btn);
mVideoRenderBtn = (Button)findViewById(R.id.video_render_btn);
mAudioDecodeBtn = (Button) findViewById(R.id.audio_decode_btn);
mAudioPlayBtn = (Button)findViewById(R.id.audio_play_btn);
mySurfaceView = (MySurfaceView) findViewById(R.id.my_surface_view);
mDecodeVideoBtn.setOnClickListener(this);
mVideoRenderBtn.setOnClickListener(this);
mAudioDecodeBtn.setOnClickListener(this);
mAudioPlayBtn.setOnClickListener(this);
AVUtils.registerCallback(this);
mProgressDialog = new ProgressDialog(this);
mProgressDialog.setCanceledOnTouchOutside(false);
mExecutorService = Executors.newFixedThreadPool(2);
}
@Override
public void onClick(View view) {
int id = view.getId();
switch (id) {
case R.id.video_decode_btn:
mProgressDialog.setMessage("正在解码...");
mProgressDialog.show();
mExecutorService.submit(new Runnable() {
@Override
public void run() {
AVUtils.videoDecode(input_video_file_path, output_video_file_path);
}
});
break;
case R.id.video_render_btn:
mExecutorService.submit(new Runnable() {
@Override
public void run() {
AVUtils.videoRender(input_video_file_path, mySurfaceView.getHolder().getSurface());
}
});
break;
case R.id.audio_decode_btn:
mProgressDialog.setMessage("正在解码...");
mProgressDialog.show();
mExecutorService.submit(new Runnable() {
@Override
public void run() {
AVUtils.audioDecode(input_audio_file_path, output_audio_file_path);
}
});
break;
case R.id.audio_play_btn:
mExecutorService.submit(new Runnable() {
@Override
public void run() {
AVUtils.audioPlay(input_video_file_path);
}
});
break;
}
}
@Override
public void onFinish() {
runOnUiThread(new Runnable() {
@Override
public void run() {
if (mProgressDialog.isShowing()) {
mProgressDialog.dismiss();
}
Toast.makeText(MainActivity.this, "解码完成", Toast.LENGTH_SHORT).show();
}
});
}
@Override
protected void onDestroy() {
super.onDestroy();
mExecutorService.shutdown();
}
}
nativelib.c
#include " , "([BLjava/lang/String;)V");
jbyteArray jb_arr = (*env)->NewByteArray(env, strlen(s));
(*env)->SetByteArrayRegion(env, jb_arr, 0, strlen(s), s);
jstring charset = (*env)->NewStringUTF(env, "UTF-8");
return (*env)->NewObject(env, string_cls, mid, jb_arr, charset);
}
JNIEXPORT void JNICALL
Java_com_haohao_ffmpeg_AVUtils_videoDecode(JNIEnv *env, jclass type, jstring input_,
jstring output_) {
//访问静态方法
jmethodID mid = (*env)->GetStaticMethodID(env, type, "onNativeCallback", "()V");
//需要转码的视频文件(输入的视频文件)
const char *input = (*env)->GetStringUTFChars(env, input_, 0);
const char *output = (*env)->GetStringUTFChars(env, output_, 0);
//注册所有组件
av_register_all();
//封装格式上下文，统领全局的结构体，保存了视频文件封装格式的相关信息
AVFormatContext *pFormatCtx = avformat_alloc_context();
//打开输入视频文件
if (avformat_open_input(&pFormatCtx, input, NULL, NULL) != 0) {
LOGE("%s", "无法打开输入视频文件");
return;
}
//获取视频文件信息，例如得到视频的宽高
if (avformat_find_stream_info(pFormatCtx, NULL) < 0) {
LOGE("%s", "无法获取视频文件信息");
return;
}
//获取视频流的索引位置
//遍历所有类型的流（音频流、视频流、字幕流），找到视频流
int v_stream_idx = -1;
int i = 0;
for (; i < pFormatCtx->nb_streams; i++) {
//判断视频流
if (pFormatCtx->streams[i]->codec->codec_type == AVMEDIA_TYPE_VIDEO) {
v_stream_idx = i;
break;
}
}
if (v_stream_idx == -1) {
LOGE("%s", "找不到视频流\n");
return;
}
//根据视频的编码方式，获取对应的解码器
AVCodecContext *pCodecCtx = pFormatCtx->streams[v_stream_idx]->codec;
//根据编解码上下文中的编码 id 查找对应的解码器
AVCodec *pCodec = avcodec_find_decoder(pCodecCtx->codec_id);
if (pCodec == NULL) {
LOGE("%s", "找不到解码器，或者视频已加密\n");
return;
}
//打开解码器，解码器有问题（比如说我们编译FFmpeg的时候没有编译对应类型的解码器）
if (avcodec_open2(pCodecCtx, pCodec, NULL) < 0) {
LOGE("%s", "解码器无法打开\n");
return;
}
//输出视频信息
LOGI("视频的文件格式：%s", pFormatCtx->iformat->name);
LOGI("视频时长：%lld", (pFormatCtx->duration) / (1000 * 1000));
LOGI("视频的宽高：%d,%d", pCodecCtx->width, pCodecCtx->height);
LOGI("解码器的名称：%s", pCodec->name);
//准备读取
//AVPacket用于存储一帧一帧的压缩数据（H264）
//缓冲区，开辟空间
AVPacket *packet = (AVPacket *) av_malloc(sizeof(AVPacket));
//AVFrame用于存储解码后的像素数据(YUV)
//内存分配
AVFrame *pFrame = av_frame_alloc();
//YUV420
AVFrame *pFrameYUV = av_frame_alloc();
//只有指定了AVFrame的像素格式、画面大小才能真正分配内存
//缓冲区分配内存
uint8_t *out_buffer = (uint8_t *) av_malloc(
avpicture_get_size(AV_PIX_FMT_YUV420P, pCodecCtx->width, pCodecCtx->height));
//初始化缓冲区
avpicture_fill((AVPicture *) pFrameYUV, out_buffer, AV_PIX_FMT_YUV420P, pCodecCtx->width,
pCodecCtx->height);
//用于转码（缩放）的参数，转之前的宽高，转之后的宽高，格式等
struct SwsContext *sws_ctx = sws_getContext(pCodecCtx->width, pCodecCtx->height,
pCodecCtx->pix_fmt,
pCodecCtx->width, pCodecCtx->height,
AV_PIX_FMT_YUV420P,
SWS_BICUBIC, NULL, NULL, NULL);
int got_picture, ret;
//输出文件
FILE *fp_yuv = fopen(output, "wb+");
int frame_count = 0;
//一帧一帧的读取压缩数据
while (av_read_frame(pFormatCtx, packet) >= 0) {
//只要视频压缩数据（根据流的索引位置判断）
if (packet->stream_index == v_stream_idx) {
//解码一帧视频压缩数据，得到视频像素数据
ret = avcodec_decode_video2(pCodecCtx, pFrame, &got_picture, packet);
if (ret < 0) {
LOGE("%s", "解码错误");
return;
}
//为 0 说明解码完成，非0正在解码
if (got_picture) {
//AVFrame转为像素格式YUV420，宽高
//2 6输入、输出数据
//3 7输入、输出画面一行的数据的大小 AVFrame 转换是一行一行转换的
//4 输入数据第一列要转码的位置 从0开始
//5 输入画面的高度
sws_scale(sws_ctx, pFrame->data, pFrame->linesize, 0, pCodecCtx->height,
pFrameYUV->data, pFrameYUV->linesize);
//输出到YUV文件
//AVFrame像素帧写入文件
//data解码后的图像像素数据（音频采样数据）
//Y 亮度 UV 色度（压缩了） 人对亮度更加敏感
//U V 个数是Y的1/4
int y_size = pCodecCtx->width * pCodecCtx->height;
fwrite(pFrameYUV->data[0], 1, y_size, fp_yuv);
fwrite(pFrameYUV->data[1], 1, y_size / 4, fp_yuv);
fwrite(pFrameYUV->data[2], 1, y_size / 4, fp_yuv);
frame_count++;
LOGI("解码第%d帧", frame_count);
}
}
//释放资源
av_free_packet(packet);
}
fclose(fp_yuv);
av_frame_free(&pFrame);
avcodec_close(pCodecCtx);
avformat_free_context(pFormatCtx);
(*env)->ReleaseStringUTFChars(env, input_, input);
(*env)->ReleaseStringUTFChars(env, output_, output);
//通知 Java 层解码完毕
(*env)->CallStaticVoidMethod(env, type, mid);
}
//使用这两个 Window 相关的头文件需要在 CMake 脚本中引入 android 库
#include CMakeLists.txt
cmake_minimum_required(VERSION 3.4.1)
include_directories(${CMAKE_SOURCE_DIR}/src/main/cpp/include)
set(jnilibs "${CMAKE_SOURCE_DIR}/src/main/jniLibs")
set(CMAKE_LIBRARY_OUTPUT_DIRECTORY ${jnilibs}/${ANDROID_ABI})
add_library( # Sets the name of the library.
native-lib
# Sets the library as a shared library.
SHARED
# Provides a relative path to your source file(s).
src/main/cpp/native-lib.c)
# 添加 FFmpeg 的 8 个函数库和 yuvlib 库
add_library(avutil-54 SHARED IMPORTED )
set_target_properties(avutil-54 PROPERTIES IMPORTED_LOCATION "${jnilibs}/${ANDROID_ABI}/libavutil-54.so")
add_library(swresample-1 SHARED IMPORTED )
set_target_properties(swresample-1 PROPERTIES IMPORTED_LOCATION "${jnilibs}/${ANDROID_ABI}/libswresample-1.so")
add_library(avcodec-56 SHARED IMPORTED )
set_target_properties(avcodec-56 PROPERTIES IMPORTED_LOCATION "${jnilibs}/${ANDROID_ABI}/libavcodec-56.so")
add_library(avformat-56 SHARED IMPORTED )
set_target_properties(avformat-56 PROPERTIES IMPORTED_LOCATION "${jnilibs}/${ANDROID_ABI}/libavformat-56.so")
add_library(swscale-3 SHARED IMPORTED )
set_target_properties(swscale-3 PROPERTIES IMPORTED_LOCATION "${jnilibs}/${ANDROID_ABI}/libswscale-3.so")
add_library(postproc-53 SHARED IMPORTED )
set_target_properties(postproc-53 PROPERTIES IMPORTED_LOCATION "${jnilibs}/${ANDROID_ABI}/libpostproc-53.so")
add_library(avfilter-5 SHARED IMPORTED )
set_target_properties(avfilter-5 PROPERTIES IMPORTED_LOCATION "${jnilibs}/${ANDROID_ABI}/libavfilter-5.so")
add_library(avdevice-56 SHARED IMPORTED )
set_target_properties(avdevice-56 PROPERTIES IMPORTED_LOCATION "${jnilibs}/${ANDROID_ABI}/libavdevice-56.so")
add_library(yuv SHARED IMPORTED )
set_target_properties(yuv PROPERTIES IMPORTED_LOCATION "${jnilibs}/${ANDROID_ABI}/libyuv.so")
find_library( # Sets the name of the path variable.
log-lib
# Specifies the name of the NDK library that
# you want CMake to locate.
log )
#找到 Android 系统 Window 绘制相关的库
find_library(
android-lib
android
)
target_link_libraries( native-lib
${log-lib}
${android-lib}
avutil-54
swresample-1
avcodec-56
avformat-56
swscale-3
postproc-53
avfilter-5
avdevice-56
yuv)
PS：
- 注意添加文件读写权限。
- 关注公众号
字节流动，并在后台回复ffmpeglib获取相应的函数库。
参考文章
雷霄骅博客 http://blog.csdn.net/leixiaohua1020/article/details/15811977
Jason 的 NDK 开发高级教程
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