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iOS AVDemo（3）：音频封装，采集编码并封装为 M4A丨音视频工程示例

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这个公众号会路线图 式的遍历分享音视频技术：音视频基础(完成) → 音视频工具(完成) → 音视频工程示例(进行中) → 音视频工业实战(准备)。

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 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。

你可以在关注微信公众号后，在公众号发送消息『AVDemo』来获取 Demo 的全部源码。

这里是第三篇：iOS 音频封装 Demo。这个 Demo 里包含以下内容：

  • 1）实现一个音频采集模块；
  • 2）实现一个音频编码模块；
  • 3）实现一个音频封装模块；
  • 4）串联音频采集、编码、封装模块，将采集到的音频数据输入给 AAC 编码模块进行编码，再将编码后的数据输入给 M4A 封装模块封装和存储；
  • 5）详尽的代码注释，帮你理解代码逻辑和原理。

你可以在关注本公众号后，在公众号发送消息『AVDemo』来获取 Demo 的全部源码。

1、音频采集模块

在这个 Demo 中，音频采集模块 KFAudioCapture 的实现与 《iOS 音频采集 Demo》 中一样，这里就不再重复介绍了，其接口如下：

KFAudioCapture.h

#import 
#import 
#import "KFAudioConfig.h"

NS_ASSUME_NONNULL_BEGIN

@interface KFAudioCapture : NSObject
+ (instancetype)new NS_UNAVAILABLE;
- (instancetype)init NS_UNAVAILABLE;
- (instancetype)initWithConfig:(KFAudioConfig *)config;

@property (nonatomic, strong, readonly) KFAudioConfig *config;
@property (nonatomic, copy) void (^sampleBufferOutputCallBack)(CMSampleBufferRef sample); // 音频采集数据回调。
@property (nonatomic, copy) void (^errorCallBack)(NSError *error); // 音频采集错误回调。

- (void)startRunning; // 开始采集音频数据。
- (void)stopRunning; // 停止采集音频数据。
@end

NS_ASSUME_NONNULL_END

2、音频编码模块

同样的，音频编码模块 KFAudioEncoder 的实现与《iOS 音频编码 Demo》中一样，这里就不再重复介绍了，其接口如下：

#import 
#import 

NS_ASSUME_NONNULL_BEGIN

@interface KFAudioEncoder : NSObject
+ (instancetype)new NS_UNAVAILABLE;
- (instancetype)init NS_UNAVAILABLE;
- (instancetype)initWithAudioBitrate:(NSInteger)audioBitrate;

@property (nonatomic, assign, readonly) NSInteger audioBitrate; // 音频编码码率。
@property (nonatomic, copy) void (^sampleBufferOutputCallBack)(CMSampleBufferRef sample); // 音频编码数据回调。
@property (nonatomic, copy) void (^errorCallBack)(NSError *error); // 音频编码错误回调。

- (void)encodeSampleBuffer:(CMSampleBufferRef)buffer; // 编码。
@end

NS_ASSUME_NONNULL_END

3、音频封装模块

接下来，我们来实现一个音频封装模块，在这里输入编码后的数据，输出封装后的文件。

这次我们要封装的格式是 M4A，属于 MPEG-4 标准，通常普通的 MPEG-4 文件扩展名是 .mp4，只包含音频的 MPEG-4 文件扩展名用 .m4a。所以，其实我们这里实现的是一个 MP4 封装模块，支持将音频编码数据封装成 M4A，也支持将音视频数据封装成 MP4。关于 MP4 格式，可以看一看《MP4 格式》这篇文章了解一下。

由于 MP4 封装涉及到一些参数设置，所以我们先实现一个 KFMuxerConfig 类用于定义 MP4 封装的参数的配置。这里包括了：封装文件输出地址、封装文件类型、图像变换信息这几个参数。

KFMuxerConfig.h

#import 
#import 
#import "KFMediaBase.h"

NS_ASSUME_NONNULL_BEGIN

@interface KFMuxerConfig : NSObject
@property (nonatomic, strong) NSURL *outputURL; // 封装文件输出地址。
@property (nonatomic, assign) KFMediaType muxerType; // 封装文件类型。
@property (nonatomic, assign) CGAffineTransform preferredTransform; // 图像的变换信息。比如：视频图像旋转。
@end

NS_ASSUME_NONNULL_END

KFMuxerConfig.m

#import "KFMuxerConfig.h"

@implementation KFMuxerConfig

- (instancetype)init {
    self = [super init];
    if (self) {
        _muxerType = KFMediaAV;
        _preferredTransform = CGAffineTransformIdentity;
    }
    return self;
}

@end

其中用到的 KFMediaType 是定义在 KFMediaBase.h 中的一个枚举：

KFMediaBase.h

#ifndef KFMediaBase_h
#define KFMediaBase_h

#import 

typedef NS_ENUM(NSInteger, KFMediaType) {
    KFMediaNone = 0,
    KFMediaAudio = 1 << 0, // 仅音频。
    KFMediaVideo = 1 << 1, // 仅视频。
    KFMediaAV = KFMediaAudio | KFMediaVideo,  // 音视频都有。
};

#endif /* KFMediaBase_h */

接下来，我们来实现 KFMP4Muxer 模块。

KFMP4Muxer.h

#import 
#import 
#import "KFMuxerConfig.h"

NS_ASSUME_NONNULL_BEGIN

@interface KFMP4Muxer : NSObject
+ (instancetype)new NS_UNAVAILABLE;
- (instancetype)init NS_UNAVAILABLE;
- (instancetype)initWithConfig:(KFMuxerConfig *)config;

@property (nonatomic, strong, readonly) KFMuxerConfig *config;
@property (nonatomic, copy) void (^errorCallBack)(NSError *error); // 封装错误回调。

- (void)startWriting; // 开始封装写入数据。
- (void)cancelWriting; // 取消封装写入数据。
- (void)appendSampleBuffer:(CMSampleBufferRef)sampleBuffer; // 添加封装数据。
- (void)stopWriting:(void (^)(BOOL success, NSError *error))completeHandler; // 停止封装写入数据。
@end

NS_ASSUME_NONNULL_END

上面是 KFMP4Muxer 的接口设计，除了初始化方法，主要是有获取封装配置以及封装错误回调的接口，另外就是开始写入封装数据、取消写入封装数据、添加封装数据、停止写入封装数据的接口。

在上面的添加封装数据接口中，我们使用的是依然 CMSampleBufferRef[1] 作为参数类型，再次体现了它作为 iOS 音视频处理 pipeline 中的流通货币的通用性。关于这点，我们在《iOS 音频采集 Demo》和《iOS 音频编码 Demo》两篇文章中都提到过。

在这个 Demo 里我们通过 CMSampleBufferRef 打包的是编码后的 AAC 数据，将其作为输入送给封装模块。

#import "KFMP4Muxer.h"
#import 

#define KFMP4MuxerAddOutputError 1000
#define KFMP4MuxerMaxQueueCount 10000

// 封装器的状态机。
typedef NS_ENUM(NSInteger, KFMP4MuxerStatus) {
    KFMP4MuxerStatusUnknown = 0,
    KFMP4MuxerStatusRunning = 1,
    KFMP4MuxerStatusFailed = 2,
    KFMP4MuxerStatusCompleted = 3,
    KFMP4MuxerStatusCancelled = 4,
};

@interface KFMP4Muxer () {
    CMSimpleQueueRef _audioQueue; // 音频数据队列。
    CMSimpleQueueRef _videoQueue; // 视频数据队列。
}
@property (nonatomic, strong, readwrite) KFMuxerConfig *config;
@property (nonatomic, strong) AVAssetWriter *muxWriter; // 封装器实例。
@property (nonatomic, strong) AVAssetWriterInput *writerVideoInput; // Muxer 的视频输入。
@property (nonatomic, strong) AVAssetWriterInput *writerAudioInput; // Muxer 的音频输入。
@property (nonatomic, strong) dispatch_queue_t muxerQueue;
@property (nonatomic, strong) dispatch_semaphore_t semaphore;
@property (nonatomic, assign) KFMP4MuxerStatus muxerStatus;
@end

@implementation KFMP4Muxer
#pragma mark - LifeCycle
- (instancetype)initWithConfig:(KFMuxerConfig *)config {
    self = [super init];
    if (self) {
        _config = config;
        _muxerQueue = dispatch_queue_create("com.KeyFrameKit.muxerQueue", DISPATCH_QUEUE_SERIAL); // 封装任务队列。
        _semaphore = dispatch_semaphore_create(1);
        CMSimpleQueueCreate(kCFAllocatorDefault, KFMP4MuxerMaxQueueCount, &_audioQueue);
        CMSimpleQueueCreate(kCFAllocatorDefault, KFMP4MuxerMaxQueueCount, &_videoQueue);
    }
    
    return self;
}

- (void)dealloc {
    dispatch_semaphore_wait(_semaphore, DISPATCH_TIME_FOREVER);
    [self _reset]; // 清理。
    dispatch_semaphore_signal(_semaphore);
}

#pragma mark - Public Method
- (void)startWriting {
    // 开始写入。
    __weak typeof(self) weakSelf = self;
    dispatch_async(self.muxerQueue, ^{
        dispatch_semaphore_wait(weakSelf.semaphore, DISPATCH_TIME_FOREVER);
        [weakSelf _reset]; // 清理。
        weakSelf.muxerStatus = KFMP4MuxerStatusRunning; // 标记状态。
        dispatch_semaphore_signal(weakSelf.semaphore);
    });
}

- (void)cancelWriting {
    // 取消写入。
    __weak typeof(self) weakSelf = self;
    dispatch_async(self.muxerQueue, ^{
        dispatch_semaphore_wait(weakSelf.semaphore, DISPATCH_TIME_FOREVER);
        if (weakSelf.muxWriter && weakSelf.muxWriter.status == AVAssetWriterStatusWriting) {
            [weakSelf.muxWriter cancelWriting];
        }
        weakSelf.muxerStatus = KFMP4MuxerStatusCancelled; // 标记状态。
        dispatch_semaphore_signal(weakSelf.semaphore);
    });
}

- (void)appendSampleBuffer:(CMSampleBufferRef)sampleBuffer {
    if (!sampleBuffer || !CMSampleBufferGetDataBuffer(sampleBuffer) || self.muxerStatus != KFMP4MuxerStatusRunning) {
        return;
    }

    // 异步添加数据。

    __weak typeof(self) weakSelf = self;
    CFRetain(sampleBuffer);
    dispatch_async(self.muxerQueue, ^{
        dispatch_semaphore_wait(weakSelf.semaphore, DISPATCH_TIME_FOREVER);
        
        // 1、添加数据到队列。
        [weakSelf _enqueueSampleBuffer:sampleBuffer];
        
        // 2、第一次添加数据时，创建 Muxer 实例并触发写数据操作。
        if (!weakSelf.muxWriter) {
            // 检查数据是否正常。队列里面有数据则表示对应的数据携带的音视频格式信息是正常的，这个在初始化 Muxer 的输入源时需要用到。
            if (![weakSelf _checkFormatDescriptionLoadSuccess]) {
                CFRelease(sampleBuffer);
                dispatch_semaphore_signal(weakSelf.semaphore);
                return;
            }
            
            // 创建 Muxer 实例。
            NSError *error = nil;
            BOOL success = [weakSelf _setupMuxWriter:&error];
            if (!success) {
                weakSelf.muxerStatus = KFMP4MuxerStatusFailed;
                CFRelease(sampleBuffer);
                dispatch_semaphore_signal(weakSelf.semaphore);
                [weakSelf _callBackError:error];
                return;
            }
            
            // 开始封装写入。
            success = [weakSelf.muxWriter startWriting];
            if (success) {
                // 启动封装会话，传入数据起始时间。这个起始时间是音视频 pts 的最小值。
                [weakSelf.muxWriter startSessionAtSourceTime:[weakSelf _sessionSourceTime]];
            }
        }
        
        // 3、检查 Muxer 状态。
        if (!weakSelf.muxWriter || weakSelf.muxWriter.status != AVAssetWriterStatusWriting) {
            weakSelf.muxerStatus = KFMP4MuxerStatusFailed;
            CFRelease(sampleBuffer);
            dispatch_semaphore_signal(weakSelf.semaphore);
            [weakSelf _callBackError:weakSelf.muxWriter.error];
            return;
        }

        // 4、做音视频数据交织。
        [weakSelf _avInterLeavedSample];
        
        CFRelease(sampleBuffer);
        dispatch_semaphore_signal(weakSelf.semaphore);
    });
}

- (void)stopWriting:(void (^)(BOOL success, NSError *error))completeHandler {
    // 停止写入。
    __weak typeof(self) weakSelf = self;
    dispatch_async(self.muxerQueue, ^{
        dispatch_semaphore_wait(weakSelf.semaphore, DISPATCH_TIME_FOREVER);
        [weakSelf _stopWriting:^(BOOL success, NSError *error) {
            weakSelf.muxerStatus = success ? KFMP4MuxerStatusCompleted : KFMP4MuxerStatusFailed;
            dispatch_semaphore_signal(weakSelf.semaphore);
            if (completeHandler) {
                completeHandler(success, error);
            }
        }];
    });
}

#pragma mark - Private Method
- (BOOL)_setupMuxWriter:(NSError **)error {
    if (!self.config.outputURL) {
        *error = [NSError errorWithDomain:NSStringFromClass([KFMP4Muxer class]) code:40003 userInfo:nil];
        return NO;
    }
    
    // 1、清理写入路径的文件。
    if ([[NSFileManager defaultManager] fileExistsAtPath:self.config.outputURL.path]) {
        [[NSFileManager defaultManager] removeItemAtPath:self.config.outputURL.path error:nil];
    }
    
    
    // 2、创建封装器实例。
    if (_muxWriter) {
        return YES;
    }
    // 使用 AVAssetWriter 作为封装器，类型使用 AVFileTypeMPEG4。M4A 格式是遵循 MPEG4 规范的一种音频格式。
    _muxWriter = [[AVAssetWriter alloc] initWithURL:self.config.outputURL fileType:AVFileTypeMPEG4 error:error];
    if (*error) {
        return NO;
    }
    _muxWriter.movieTimeScale = 1000000000;
    _muxWriter.shouldOptimizeForNetworkUse = YES; // 这个选项会将 MP4 的 moov box 前置。
    
    // 3、当封装内容包含视频时，创建 Muxer 的视频输入。
    if ((self.config.muxerType & KFMediaVideo) && !_writerVideoInput) {
        // 从队列中的视频数据里获取视频格式信息，用于初始化视频输入源。
        CMVideoFormatDescriptionRef videoDecscription = CMSampleBufferGetFormatDescription((CMSampleBufferRef)CMSimpleQueueGetHead(_videoQueue));
        _writerVideoInput = [AVAssetWriterInput assetWriterInputWithMediaType:AVMediaTypeVideo outputSettings:nil sourceFormatHint:videoDecscription];
        _writerVideoInput.expectsMediaDataInRealTime = YES; // 输入是否为实时数据源，比如相机采集。
        _writerVideoInput.transform = self.config.preferredTransform; // 画面是否做变换。
        if ([self.muxWriter canAddInput:self.writerVideoInput]) {
            [self.muxWriter addInput:self.writerVideoInput];
        } else {
            *error = self.muxWriter.error ? self.muxWriter.error : [NSError errorWithDomain:NSStringFromClass([KFMP4Muxer class]) code:KFMP4MuxerAddOutputError userInfo:nil];
            return NO;
        }
    }
    
    // 4、当封装内容包含音频时，创建 Muxer 的音频输入。
    if ((self.config.muxerType & KFMediaAudio) && !_writerAudioInput) {
        // 从队列中的音频数据里获取音频格式信息，用于初始化音频输入源。
        CMAudioFormatDescriptionRef audioDecscription = CMSampleBufferGetFormatDescription((CMSampleBufferRef)CMSimpleQueueGetHead(_audioQueue));
        _writerAudioInput = [AVAssetWriterInput assetWriterInputWithMediaType:AVMediaTypeAudio outputSettings:nil sourceFormatHint:audioDecscription];
        _writerAudioInput.expectsMediaDataInRealTime = YES; // 输入是否为实时数据源，比如麦克风采集。
        if ([self.muxWriter canAddInput:self.writerAudioInput]) {
            [self.muxWriter addInput:self.writerAudioInput];
        } else {
            *error = self.muxWriter.error ? self.muxWriter.error : [NSError errorWithDomain:NSStringFromClass([KFMP4Muxer class]) code:KFMP4MuxerAddOutputError userInfo:nil];
            return NO;
        }
    }

    return YES;
}

- (void)_enqueueSampleBuffer:(CMSampleBufferRef)sampleBuffer {
    CFRetain(sampleBuffer);
    // 音频、视频的格式信息正确才能入队。因为后面创建 Muxer 实例的输入源时也需要从队列中的音视频数据中获取相关格式信息。
    if (CMFormatDescriptionGetMediaType(CMSampleBufferGetFormatDescription(sampleBuffer)) == kCMMediaType_Audio) {
        CMSimpleQueueEnqueue(_audioQueue, sampleBuffer); // 音频数据入队列。
    } else if (CMFormatDescriptionGetMediaType(CMSampleBufferGetFormatDescription(sampleBuffer)) == kCMMediaType_Video) {
        CMSimpleQueueEnqueue(_videoQueue, sampleBuffer); // 视频数据入队列。
    }
}

- (void)_flushMuxer {
    // 将队列数据消费掉。
    [self _appendAudioSample];
    [self _appendVideoSample];
}

- (void)_appendAudioSample {
    // 音频写入封装。
    while (self.writerAudioInput && self.writerAudioInput.readyForMoreMediaData && CMSimpleQueueGetCount(_audioQueue) > 0) {
        CMSampleBufferRef audioSample = (CMSampleBufferRef)CMSimpleQueueDequeue(_audioQueue);
        [self.writerAudioInput appendSampleBuffer:audioSample];
        CFRelease(audioSample);
    }
}

- (void)_appendVideoSample {
    // 视频写入封装。
    while (self.writerVideoInput && self.writerVideoInput.readyForMoreMediaData && CMSimpleQueueGetCount(_videoQueue) > 0) {
        CMSampleBufferRef videoSample = (CMSampleBufferRef)CMSimpleQueueDequeue(_videoQueue);
        [self.writerVideoInput appendSampleBuffer:videoSample];
        CFRelease(videoSample);
    }
}

- (void)_avInterLeavedSample {
    // 当同时封装音频和视频时，需要做好交织，这样可以提升音视频播放时的体验。
    if ((self.config.muxerType & KFMediaAudio) && (self.config.muxerType & KFMediaVideo)) { // 同时封装音频和视频。
        while (CMSimpleQueueGetCount(_audioQueue) > 0 && CMSimpleQueueGetCount(_videoQueue) > 0) {
            if (self.writerAudioInput.readyForMoreMediaData && self.writerVideoInput.readyForMoreMediaData) {
                // 音频、视频队列数据各出队 1 个。
                CMSampleBufferRef audioHeader = (CMSampleBufferRef)CMSimpleQueueGetHead(_audioQueue);
                CMTime audioDtsTime = CMSampleBufferGetPresentationTimeStamp(audioHeader);
                CMSampleBufferRef videoHeader = (CMSampleBufferRef)CMSimpleQueueGetHead(_videoQueue);
                CMTime videoDtsTime = CMSampleBufferGetDecodeTimeStamp(videoHeader).value > 0 ? CMSampleBufferGetDecodeTimeStamp(videoHeader) : CMSampleBufferGetPresentationTimeStamp(videoHeader);
                // 比较 dts 较小者写入封装。
                if (CMTimeGetSeconds(audioDtsTime) >= CMTimeGetSeconds(videoDtsTime)) {
                    CMSampleBufferRef videoSample = (CMSampleBufferRef)CMSimpleQueueDequeue(_videoQueue);
                    [self.writerVideoInput appendSampleBuffer:videoSample];
                    CFRelease(videoSample);
                } else {
                    CMSampleBufferRef audioSample = (CMSampleBufferRef)CMSimpleQueueDequeue(_audioQueue);
                    [self.writerAudioInput appendSampleBuffer:audioSample];
                    CFRelease(audioSample);
                }
            } else {
                break;
            }
        }
    } else if (self.config.muxerType & KFMediaAudio) { // 只封装音频。
        [self _appendAudioSample];
    } else if (self.config.muxerType & KFMediaVideo) { // 只封装视频。
        [self _appendVideoSample];
    }
}

- (BOOL)_checkFormatDescriptionLoadSuccess {
    // 检查数据是否正常。
    if (!_muxWriter) {
        if ((self.config.muxerType & KFMediaAudio) && (self.config.muxerType & KFMediaVideo)) {
            return CMSimpleQueueGetCount(_videoQueue) > 0 && CMSimpleQueueGetCount(_audioQueue) > 0;
        } else if (self.config.muxerType & KFMediaAudio) {
            return CMSimpleQueueGetCount(_audioQueue) > 0;
        } else if (self.config.muxerType & KFMediaVideo) {
            return CMSimpleQueueGetCount(_videoQueue) > 0;
        }
    }
    
    return NO;
}

- (CMTime)_sessionSourceTime {
    // 数据起始时间：音视频 pts 的最小值。
    CMSampleBufferRef audioFirstBuffer = (CMSampleBufferRef)CMSimpleQueueGetHead(_audioQueue);
    CMSampleBufferRef videoFirstBuffer = (CMSampleBufferRef)CMSimpleQueueGetHead(_videoQueue);
    if (audioFirstBuffer && videoFirstBuffer) {
        Float64 audioPtsTime = CMTimeGetSeconds(CMSampleBufferGetPresentationTimeStamp(audioFirstBuffer));
        Float64 videoPtsTime = CMTimeGetSeconds(CMSampleBufferGetPresentationTimeStamp(videoFirstBuffer));
        return audioPtsTime >= videoPtsTime ? CMSampleBufferGetPresentationTimeStamp(videoFirstBuffer) : CMSampleBufferGetPresentationTimeStamp(audioFirstBuffer);
    } else if (audioFirstBuffer) {
        return CMSampleBufferGetPresentationTimeStamp(audioFirstBuffer);
    } else if (videoFirstBuffer) {
        return CMSampleBufferGetPresentationTimeStamp(videoFirstBuffer);
    }
    
    return kCMTimeInvalid;
}

- (void)_stopWriting:(void (^)(BOOL success, NSError *error))completeHandler {
    // 1、状态不对，回调错误。
    if (!self.muxWriter || self.muxWriter.status == AVAssetWriterStatusCompleted || self.muxWriter.status == AVAssetWriterStatusCancelled || self.muxWriter.status == AVAssetWriterStatusUnknown) {
        if (completeHandler) {
            completeHandler(NO, self.muxWriter.error ? self.muxWriter.error : [NSError errorWithDomain:NSStringFromClass(self.class) code:self.muxWriter.status userInfo:nil]);
        }
        return;
    }
    
    // 2、消费掉队列中剩余的数据。
    // 先做剩余数据的音视频交织。
    [self _avInterLeavedSample];
    // 消费剩余数据。
    [self _flushMuxer];
    
    // 3、标记视频输入和音频输入为结束状态。
    [self _markVideoAsFinished];
    [self _markAudioAsFinished];
    
    // 4、结束写入。
    __weak typeof(self) weakSelf = self;
    [self.muxWriter finishWritingWithCompletionHandler:^{
        BOOL complete = weakSelf.muxWriter.status == AVAssetWriterStatusCompleted;
        if (completeHandler) {
            completeHandler(complete, complete ? nil : weakSelf.muxWriter.error);
        }
    }];
}

- (void)_markVideoAsFinished {
    // 标记视频输入源为结束状态。
    if (self.muxWriter.status == AVAssetWriterStatusWriting && self.writerVideoInput) {
        [self.writerVideoInput markAsFinished];
    }
}

- (void)_markAudioAsFinished {
    // 标记音频输入源为结束状态。
    if (self.muxWriter.status == AVAssetWriterStatusWriting && self.writerAudioInput) {
        [self.writerAudioInput markAsFinished];
    }
}

- (void)_reset {
    // 取消写入操作。
    if (_muxWriter && _muxWriter.status == AVAssetWriterStatusWriting) {
        [_muxWriter cancelWriting];
    }
    
    // 清理实例。
    _muxWriter = nil;
    _writerVideoInput = nil;
    _writerVideoInput = nil;
    
    // 清理音频和视频数据队列。
    while (CMSimpleQueueGetCount(_audioQueue) > 0) {
        CMSampleBufferRef sampleBuffer = (CMSampleBufferRef) CMSimpleQueueDequeue(_audioQueue);
        CFRelease(sampleBuffer);
    }
    while (CMSimpleQueueGetCount(_videoQueue) > 0) {
        CMSampleBufferRef sampleBuffer = (CMSampleBufferRef) CMSimpleQueueDequeue(_videoQueue);
        CFRelease(sampleBuffer);
    }
}

- (void)_callBackError:(NSError *)error {
    if (error && self.errorCallBack) {
        dispatch_async(dispatch_get_main_queue(), ^{
            self.errorCallBack(error);
        });
    }
}

@end

上面是 KFMP4Muxer 的实现，从代码上可以看到主要有这几个部分：

  • 1）创建封装器实例及对应的音频和视频数据输入源。第一次调用 -appendSampleBuffer: 添加待封装数据时才会创建封装器实例。
    • 在 -_setupMuxWriter: 方法中实现。音频和视频的输入源分别是 writerAudioInput 和 writerVideoInput。
  • 2）用两个队列作为缓冲区，分别管理音频和视频待封装数据。
    • 这两个队列分别是 _audioQueue 和 _videoQueue。
    • 每次当外部调用 -appendSampleBuffer: 方法送入待封装数据时，其实都是先调用 -_enqueueSampleBuffer: 把数据放入两个队列中的一个，以便根据情况进行后续的音视频数据交织。
  • 3）同时封装音频和视频数据时，进行音视频数据交织。
    • 在 -_avInterLeavedSample 方法中实现音视频数据交织。当带封装的数据既有音频又有视频，就需要根据他们的时间戳信息进行交织，这样便于在播放该音视频时提升体验。
  • 4）音视频数据写入封装。
    • 同时封装音频和视频数据时，在做完音视频交织后，即分别将交织后的音视频数据写入对应的 writerAudioInput 和 writerVideoInput。在 -_avInterLeavedSample 中实现。
    • 单独封装音频或视频数据时，则直接将数据写入对应的 writerAudioInput 和 writerVideoInput。分别在 -_appendAudioSample 和 -_appendVideoSample 方法中实现。
  • 5）停止写入。
    • 在 -stopWriting: → -_stopWriting: 方法中实现。
    • 在停止前，还需要消费掉 _audioQueue 和 _videoQueue 的剩余数据，要调用 -_avInterLeavedSample → -_flushMuxer。
    • 并将视频输入源和音频输入源标记位结束，分别在 -_markVideoAsFinished 和 -_markAudioAsFinished 方法中实现。
  • 6）贯穿整个封装过程的状态机管理。
    • 在枚举 KFMP4MuxerStatus 中定义了封装器的各种状态，对于封装器的状态机管理贯穿在封装的整个过程中。
  • 7）错误回调。
    • 在 -callBackError: 方法向外回调错误。
  • 8）清理封装器实例及数据缓冲区。
    • 在 -dealloc 方法中实现。需要调用 -_reset 方法清理封装器实例、音频和视频输入源、音频和视频缓冲区。

更具体细节见上述代码及其注释。

4、采集音频数据进行 AAC 编码以及 M4A 封装和存储

我们还是在一个 ViewController 中来实现采集音频数据进行 AAC 编码、M4A 封装和存储的逻辑。

KFAudioCaptureViewController.m

#import "KFAudioMuxerViewController.h"
#import 
#import "KFAudioCapture.h"
#import "KFAudioEncoder.h"
#import "KFMP4Muxer.h"

@interface KFAudioMuxerViewController ()
@property (nonatomic, strong) KFAudioConfig *audioConfig;
@property (nonatomic, strong) KFAudioCapture *audioCapture;
@property (nonatomic, strong) KFAudioEncoder *audioEncoder;
@property (nonatomic, strong) KFMuxerConfig *muxerConfig;
@property (nonatomic, strong) KFMP4Muxer *muxer;
@end

@implementation KFAudioMuxerViewController
#pragma mark - Property
- (KFAudioConfig *)audioConfig {
   if (!_audioConfig) {
       _audioConfig = [KFAudioConfig defaultConfig];
   }
   
   return _audioConfig;
}

- (KFAudioCapture *)audioCapture {
   if (!_audioCapture) {
       __weak typeof(self) weakSelf = self;
       _audioCapture = [[KFAudioCapture alloc] initWithConfig:self.audioConfig];
       _audioCapture.errorCallBack = ^(NSError* error) {
           NSLog(@"KFAudioCapture error:%zi %@", error.code, error.localizedDescription);
       };
       // 音频采集数据回调。在这里采集的 PCM 数据送给编码器。
       _audioCapture.sampleBufferOutputCallBack = ^(CMSampleBufferRef sampleBuffer) {
           [weakSelf.audioEncoder encodeSampleBuffer:sampleBuffer];
       };
   }
   
   return _audioCapture;
}

- (KFAudioEncoder *)audioEncoder {
   if (!_audioEncoder) {
       __weak typeof(self) weakSelf = self;
       _audioEncoder = [[KFAudioEncoder alloc] initWithAudioBitrate:96000];
       _audioEncoder.errorCallBack = ^(NSError* error) {
           NSLog(@"KFAudioEncoder error:%zi %@", error.code, error.localizedDescription);
       };
       // 音频编码数据回调。这里编码的 AAC 数据送给封装器。
       // 与之前将编码后的 AAC 数据存储为 AAC 文件不同的是，这里编码后送给封装器的 AAC 数据是没有添加 ADTS 头的，因为我们这里封装的是 M4A 格式，不需要 ADTS 头。
       _audioEncoder.sampleBufferOutputCallBack = ^(CMSampleBufferRef sampleBuffer) {
           [weakSelf.muxer appendSampleBuffer:sampleBuffer];
       };
   }
   
   return _audioEncoder;
}

- (KFMuxerConfig *)muxerConfig {
   if (!_muxerConfig) {
       _muxerConfig = [[KFMuxerConfig alloc] init];
       NSString *audioPath = [[NSSearchPathForDirectoriesInDomains(NSDocumentDirectory, NSUserDomainMask, YES) lastObject] stringByAppendingPathComponent:@"test.m4a"];
       NSLog(@"M4A file path: %@", audioPath);
       [[NSFileManager defaultManager] removeItemAtPath:audioPath error:nil];
       _muxerConfig.outputURL = [NSURL fileURLWithPath:audioPath];
       _muxerConfig.muxerType = KFMediaAudio;
   }
   
   return _muxerConfig;
}

- (KFMP4Muxer *)muxer {
   if (!_muxer) {
       _muxer = [[KFMP4Muxer alloc] initWithConfig:self.muxerConfig];
       _muxer.errorCallBack = ^(NSError* error) {
           NSLog(@"KFMP4Muxer error:%zi %@", error.code, error.localizedDescription);
       };
   }
   
   return _muxer;
}

#pragma mark - Lifecycle
- (void)viewDidLoad {
   [super viewDidLoad];
   
   [self setupAudioSession];
   [self setupUI];
   
   // 完成音频编码后，可以将 App Document 文件夹下面的 test.m4a 文件拷贝到电脑上，使用 ffplay 播放：
   // ffplay -I test.m4a
}

#pragma mark - Setup
- (void)setupUI {
   self.edgesForExtendedLayout = UIRectEdgeAll;
   self.extendedLayoutIncludesOpaqueBars = YES;
   self.title = @"Audio Muxer";
   self.view.backgroundColor = [UIColor whiteColor];
   
   
   // Navigation item.
   UIBarButtonItem *startBarButton = [[UIBarButtonItem alloc] initWithTitle:@"Start" style:UIBarButtonItemStylePlain target:self action:@selector(start)];
   UIBarButtonItem *stopBarButton = [[UIBarButtonItem alloc] initWithTitle:@"Stop" style:UIBarButtonItemStylePlain target:self action:@selector(stop)];
   self.navigationItem.rightBarButtonItems = @[startBarButton, stopBarButton];

}

- (void)setupAudioSession {
   NSError *error = nil;
   
   // 1、获取音频会话实例。
   AVAudioSession *session = [AVAudioSession sharedInstance];

   // 2、设置分类和选项。
   [session setCategory:AVAudioSessionCategoryPlayAndRecord withOptions:AVAudioSessionCategoryOptionMixWithOthers | AVAudioSessionCategoryOptionDefaultToSpeaker error:&error];
   if (error) {
       NSLog(@"AVAudioSession setCategory error.");
       error = nil;
       return;
   }
   
   // 3、设置模式。
   [session setMode:AVAudioSessionModeVideoRecording error:&error];
   if (error) {
       NSLog(@"AVAudioSession setMode error.");
       error = nil;
       return;
   }

   // 4、激活会话。
   [session setActive:YES error:&error];
   if (error) {
       NSLog(@"AVAudioSession setActive error.");
       error = nil;
       return;
   }
}

#pragma mark - Action
- (void)start {
   // 启动采集器。
   [self.audioCapture startRunning];
   // 启动封装器。
   [self.muxer startWriting];
}

- (void)stop {
   // 停止采集器。
   [self.audioCapture stopRunning];
   // 停止封装器。
   [self.muxer stopWriting:^(BOOL success, NSError * _Nonnull error) {
       NSLog(@"KFMP4Muxer %@", success ? @"success" : [NSString stringWithFormat:@"error %zi %@", error.code, error.localizedDescription]);
   }];
}

@end

上面是 KFAudioMuxerViewController 的实现，其中主要包含这几个部分：

  • 1）在采集音频前需要设置 AVAudioSession[2] 为正确的采集模式。
    • 在 -setupAudioSession 中实现。
  • 2）通过启动和关闭音频采集和封装来驱动整个采集、编码、封装流程。
    • 分别在 -start 和 -stop 中实现开始和停止动作。
  • 3）在采集模块 KFAudioCapture 的数据回调中将数据交给编码模块 KFAudioEncoder 进行编码。
    • 在 KFAudioCapture 的 sampleBufferOutputCallBack 回调中实现。
  • 4）在编码模块 KFAudioEncoder 的数据回调中获取编码后的 AAC 裸流数据，并将数据交给封装器 KFMP4Muxer 进行封装。
    • 在 KFAudioEncoder 的 sampleBufferOutputCallBack 回调中实现。
  • 5）在调用 -stop 停止整个流程后，如果没有出现错误，封装的 M4A 文件会被存储到 muxerConfig 设置的路径。

5、用工具播放 M4A 文件

完成音频采集和编码后，可以将 App Document 文件夹下面的 test.m4a 文件拷贝到电脑上，使用 ffplay 播放来验证一下音频采集是效果是否符合预期：

$ ffplay -I test.m4a

关于播放 M4A 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 1.1 节 Adobe Audition。

上面我们讲过 M4A 格式是属于 MPEG-4 标准，所以我们这里还可以用《可视化音视频分析工具》第 3.1 节 MP4Box.js 等工具来查看它的格式：

Demo 生成的 M4A 文件结构

参考资料

[1]CMSampleBufferRef: https://developer.apple.com/documentation/coremedia/cmsamplebufferref/

[2]AVAudioSession: https://developer.apple.com/documentation/avfaudio/avaudiosession/

推荐阅读

《iOS AVDemo（2）：音频编码》

《iOS AVDemo（1）：音频采集》

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