【音视频 | opus】opus编解码库(opus-1.4)详细介绍以及使用——附带解码示例代码

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本文内容：介绍opus编解码库(opus-1.4)的使用
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一、概述

Opus是一款完全开放、免版税、高度通用的音频编解码器。Opus在互联网上的交互式语音和音乐传输方面无与伦比，但也适用于存储和流媒体应用。它被互联网工程任务组（IETF）标准化为 RFC 6716，它结合了Skype的SILK编解码器和Xiph.Org的CELT编解码器的技术。

Opus可以处理广泛的音频应用程序，包括IP语音、视频会议、游戏内聊天，甚至远程现场音乐表演。它可以从低比特率的窄带语音扩展到非常高质量的立体声音乐。支持的功能包括：

• 比特率从6 kb/s到510 kb/s

• 采样率从8kHz（窄带）到48kHz（全频带）

• 帧大小从2.5毫秒到60毫秒

• 支持恒定比特率（CBR）和可变比特率（VBR）

• 从窄带到全频带的音频带宽

• 支持语音和音乐

• 支持单声道和立体声

• 最多支持255个通道（多流帧）

• 可动态调整的比特率、音频带宽和帧大小

• 良好的丢失鲁棒性和丢包隐藏性（PLC）

• 浮点和定点实现

需要了解更多opus的内容，可以到opus官网：https://www.opus-codec.org 。

二、opus 库编译

下载 opus 库，点击链接：https://www.opus-codec.org/downloads/，本文下载的是opus-1.4.tar.gz。

✨2.1 编译环境

$ uname -a
Linux ubuntu 4.4.0-128-generic #154~14.04.1-Ubuntu SMP Fri May 25 14:58:51 UTC 2018 x86_64 x86_64 x86_64 GNU/Linux

$ lsb_release -a
No LSB modules are available.
Distributor ID: Ubuntu
Description:    Ubuntu 14.04.5 LTS
Release:        14.04
Codename:       trusty

$ gcc -v
Using built-in specs.
COLLECT_GCC=gcc
COLLECT_LTO_WRAPPER=/usr/lib/gcc/x86_64-linux-gnu/4.8/lto-wrapper
Target: x86_64-linux-gnu
Configured with: ../src/configure -v --with-pkgversion='Ubuntu 4.8.4-2ubuntu1~14.04.4' --with-bugurl=file:///usr/share/doc/gcc-4.8/README.Bugs --enable-languages=c,c++,java,go,d,fortran,objc,obj-c++ --prefix=/usr --program-suffix=-4.8 --enable-shared --enable-linker-build-id --libexecdir=/usr/lib --without-included-gettext --enable-threads=posix --with-gxx-include-dir=/usr/include/c++/4.8 --libdir=/usr/lib --enable-nls --with-sysroot=/ --enable-clocale=gnu --enable-libstdcxx-debug --enable-libstdcxx-time=yes --enable-gnu-unique-object --disable-libmudflap --enable-plugin --with-system-zlib --disable-browser-plugin --enable-java-awt=gtk --enable-gtk-cairo --with-java-home=/usr/lib/jvm/java-1.5.0-gcj-4.8-amd64/jre --enable-java-home --with-jvm-root-dir=/usr/lib/jvm/java-1.5.0-gcj-4.8-amd64 --with-jvm-jar-dir=/usr/lib/jvm-exports/java-1.5.0-gcj-4.8-amd64 --with-arch-directory=amd64 --with-ecj-jar=/usr/share/java/eclipse-ecj.jar --enable-objc-gc --enable-multiarch --disable-werror --with-arch-32=i686 --with-abi=m64 --with-multilib-list=m32,m64,mx32 --with-tune=generic --enable-checking=release --build=x86_64-linux-gnu --host=x86_64-linux-gnu --target=x86_64-linux-gnu
Thread model: posix
gcc version 4.8.4 (Ubuntu 4.8.4-2ubuntu1~14.04.4) 

✨2.2 opus-1.4 库编译

tar zxvf opus-1.4.tar.gz
cd opus-1.4/
./configure --prefix=`pwd`/result_gcc
make && make install

✨2.3 opus_demo 使用

opus-1.4 库编译之后，在opus-1.4/.libs目录会出现一个名为 opus_demo 的可执行程序，该程序的源码在opus-1.4/src/opus_demo.c 路径。

opus_demo 是演示 opus-1.4 库 API 函数的一个demo，功能是将PCM音频文件编码成opus数据，或者将opus数据解码成PCM文件。注意，它编码出来的opus并不能直接使用VLC播放，因为只是一些数据包，并没有封装成VLC可识别的音频文件。

使用下面命令进行opus编码，这里将48000Hz-16bit-2ch-ChengDu.pcm作为输入文件，输入采样率48000、通道数2、510000的比特流，最后编码输出 opus_demo.out 文件：

./opus_demo -e audio 48000 2 510000 48000Hz-16bit-2ch-ChengDu.pcm opus_demo.out

使用下面命令可以将上面的输出文件opus_demo.out还原回PCM音频文件opus_demo_dec.pcm

./opus_demo -d 48000 2 opus_demo.out opus_demo_dec.pcm

三、opus-1.4 库函数介绍

opus-1.4 的库函数都在 opus.h 头文件中，库函数总共分为下面6个部分，在头文件搜索defgroup可以依次跳到各个部分开头，现在只有前三个部分。：

• opus_encoder ：编码相关
• opus_decoder ：解码相关
• opus_repacketizer ：重新打包器相关
• opus_multistream
• opus_libinfo
• opus_custom

每个API函数在 opus.h 头文件中都要详细的英文解释，部分函数还有实例代码，如果还有不懂，就看opus_demo.c的代码，也有助于清楚怎么使用。

下面摘取个别常用的库函数:

✨3.1 opus 编码相关库函数

int opus_encoder_get_size(int channels);
功能：获取一个 OpusEncoder 结构体的大小
参数：
	channels：通道数，必须1或2；
返回值：以字节为单位的大小

//---------------------------------------
OpusEncoder *opus_encoder_create(opus_int32 Fs, int channels, int application, int *error);
功能：分配并初始化编码器状态
参数：
	Fs：采样率，必须是 8000, 12000, 16000, 24000, 48000 之一；
	channels：声道数，1或2；
	application：OPUS_APPLICATION_VOIP 或 OPUS_APPLICATION_AUDIO 或 PUS_APPLICATION_RESTRICTED_LOWDELAY
	error：输出参数，错误码；
返回值：成功返回编码器指针，失败返回NULL；

//---------------------------------------
int opus_encoder_init(OpusEncoder *st, opus_int32 Fs, int channels, int application);
功能：初始化之前分配的编码器状态；

//---------------------------------------
opus_int32 opus_encode(OpusEncoder *st, const opus_int16 *pcm, int frame_size, unsigned char *data, opus_int32 max_data_bytes);
功能：编码一个Opus帧；

//---------------------------------------
opus_int32 opus_encode_float(OpusEncoder *st, const float *pcm, int frame_size, unsigned char *data, opus_int32 max_data_bytes);
功能：从浮点输入编码一个Opus帧

//---------------------------------------
void opus_encoder_destroy(OpusEncoder *st);
功能：释放 opus_encoder_create 分配的 OpusEncoder 指针；

//---------------------------------------
int opus_encoder_ctl(OpusEncoder *st, int request, ...);
功能：在Opus编码器上执行控制功能。

✨3.2 opus 解码相关库函数

int opus_decoder_get_size(int channels);
功能：获取一个 OpusDecoder 结构体的大小
参数：
	channels：通道数，必须1或2；
返回值：以字节为单位的大小

//---------------------------------------
OpusDecoder *opus_decoder_create(opus_int32 Fs,int channels,int *error);
功能：分配并初始化解码器状态
参数：
	Fs：采样率，必须是 8000, 12000, 16000, 24000, 48000 之一；
	channels：声道数，1或2；
	error：输出参数，错误码；
返回值：成功返回解码器指针，失败返回NULL；

//---------------------------------------
int opus_decoder_init(OpusDecoder *st, opus_int32 Fs, int channels);
功能：初始化之前分配的解码器状态；

//---------------------------------------
int opus_decode(OpusDecoder *st, const unsigned char *data, opus_int32 len,
    opus_int16 *pcm, int frame_size, int decode_fec);
功能：解码一个Opus数据包。

//---------------------------------------
int opus_decode_float(OpusDecoder *st, const unsigned char *data, opus_int32 len,
    float *pcm, int frame_size, int decode_fec);
功能：用浮点输出解码一个Opus数据包。

//---------------------------------------
int opus_decoder_ctl(OpusDecoder *st, int request, ...);
功能：在Opus解码器上执行控制功能。

//---------------------------------------
void opus_decoder_destroy(OpusDecoder *st);
功能：释放 opus_decoder_create分配的 OpusDecoder 指针；

//---------------------------------------
int opus_packet_parse(const unsigned char *data,opus_int32 len, unsigned char *out_toc,
   const unsigned char *frames[48],opus_int16 size[48],int *payload_offset);

//---------------------------------------  
OPUS_EXPORT OPUS_WARN_UNUSED_RESULT int opus_packet_get_bandwidth(const unsigned char *data) OPUS_ARG_NONNULL(1);

/** Gets the number of samples per frame from an Opus packet.
  * @param [in] data char*: Opus packet.
  *                                  This must contain at least one byte of
  *                                  data.
  * @param [in] Fs opus_int32: Sampling rate in Hz.
  *                                     This must be a multiple of 400, or
  *                                     inaccurate results will be returned.
  * @returns Number of samples per frame.
  */
OPUS_EXPORT OPUS_WARN_UNUSED_RESULT int opus_packet_get_samples_per_frame(const unsigned char *data, opus_int32 Fs) OPUS_ARG_NONNULL(1);

/** Gets the number of channels from an Opus packet.
  * @param [in] data char*: Opus packet
  * @returns Number of channels
  * @retval OPUS_INVALID_PACKET The compressed data passed is corrupted or of an unsupported type
  */
OPUS_EXPORT OPUS_WARN_UNUSED_RESULT int opus_packet_get_nb_channels(const unsigned char *data) OPUS_ARG_NONNULL(1);

/** Gets the number of frames in an Opus packet.
  * @param [in] packet char*: Opus packet
  * @param [in] len opus_int32: Length of packet
  * @returns Number of frames
  * @retval OPUS_BAD_ARG Insufficient data was passed to the function
  * @retval OPUS_INVALID_PACKET The compressed data passed is corrupted or of an unsupported type
  */
OPUS_EXPORT OPUS_WARN_UNUSED_RESULT int opus_packet_get_nb_frames(const unsigned char packet[], opus_int32 len) OPUS_ARG_NONNULL(1);

/** Gets the number of samples of an Opus packet.
  * @param [in] packet char*: Opus packet
  * @param [in] len opus_int32: Length of packet
  * @param [in] Fs opus_int32: Sampling rate in Hz.
  *                                     This must be a multiple of 400, or
  *                                     inaccurate results will be returned.
  * @returns Number of samples
  * @retval OPUS_BAD_ARG Insufficient data was passed to the function
  * @retval OPUS_INVALID_PACKET The compressed data passed is corrupted or of an unsupported type
  */
OPUS_EXPORT OPUS_WARN_UNUSED_RESULT int opus_packet_get_nb_samples(const unsigned char packet[], opus_int32 len, opus_int32 Fs) OPUS_ARG_NONNULL(1);

/** Gets the number of samples of an Opus packet.
  * @param [in] dec OpusDecoder*: Decoder state
  * @param [in] packet char*: Opus packet
  * @param [in] len opus_int32: Length of packet
  * @returns Number of samples
  * @retval OPUS_BAD_ARG Insufficient data was passed to the function
  * @retval OPUS_INVALID_PACKET The compressed data passed is corrupted or of an unsupported type
  */
OPUS_EXPORT OPUS_WARN_UNUSED_RESULT int opus_decoder_get_nb_samples(const OpusDecoder *dec, const unsigned char packet[], opus_int32 len) OPUS_ARG_NONNULL(1) OPUS_ARG_NONNULL(2);

/** Applies soft-clipping to bring a float signal within the [-1,1] range. If
  * the signal is already in that range, nothing is done. If there are values
  * outside of [-1,1], then the signal is clipped as smoothly as possible to
  * both fit in the range and avoid creating excessive distortion in the
  * process.
  * @param [in,out] pcm float*: Input PCM and modified PCM
  * @param [in] frame_size int Number of samples per channel to process
  * @param [in] channels int: Number of channels
  * @param [in,out] softclip_mem float*: State memory for the soft clipping process (one float per channel, initialized to zero)
  */
OPUS_EXPORT void opus_pcm_soft_clip(float *pcm, int frame_size, int channels, float *softclip_mem);

四、opus 解码流程及源码

opus 解码流程：
1、创建 opus 解码器：opus_decoder_create；
2、配置 opus 解码器：opus_decoder_ctl；
3、取出 opus 包；
4、使用 opus_decode 函数对 opus 包解码；

示例代码：

/**
 * @file opusDec.h
 * @author wkd_007
 * @date 2023-10-27 15:47:38
 */
#ifndef	__OPUS_DEC_H__
#define __OPUS_DEC_H__

#include "opus/opus.h"

#define MAX_OPUS_DEC_FRAME  48000   // opus解码最大采样点个数，如果个数时间小于120ms，可能停止解码，这里设置1000ms的个数
#define OPUS_DEC_CHANNELS   2
class COpusDec
{
public:
    COpusDec();
    ~COpusDec();

    int CreateOpusDecoder(int sampleRate, int channels);
    int OpusDecode(unsigned char* in_data, int in_len, short *out_buf);

private:
    OpusDecoder *decoder;   // opus 解码器指针
    int sample_rate;        // 采样率
    int channel_num;        // 通道数
};
#endif// __OPUS_DEC_H__

/**
 * @file 	opusDec.cpp
 * @author 	wkd_007
 * @brief 	opus 解码
 * @date 	2023-10-27 15:38:43
 */

#include 
#include "opusDec.h"

COpusDec::COpusDec()
{
	decoder = NULL;
	sample_rate = 0;
	channel_num = 0;
}

COpusDec::~COpusDec()
{
	sample_rate = 0;
	channel_num = 0;
	if(decoder)
	{
		opus_decoder_destroy(decoder);
		decoder = NULL;
	}
}

int COpusDec::CreateOpusDecoder(int sampleRate, int channels)
{
	int err = 0;
    decoder = opus_decoder_create(sampleRate, channels, &err);
	if(err != OPUS_OK || decoder == NULL)
    {
        printf("[%s %d]err=%d decoderIsNULL=%d\n",__FILE__,__LINE__,err, decoder == NULL);
        return -1;
	}
    opus_decoder_ctl(decoder, OPUS_SET_LSB_DEPTH(16));
    sample_rate = sampleRate;
    channel_num = channels;
	return err;
}

int COpusDec::OpusDecode(unsigned char* in_data, int in_len, short *out_buf)
{
	if(decoder == NULL)
		return -1;
    int frame_size = opus_decode(decoder, in_data, in_len, out_buf, MAX_OPUS_DEC_FRAME, 0);
    if (frame_size < 0)
    {
       printf("[%s %d] frame_size=%d in_len=%d\n",__FILE__,__LINE__, frame_size,in_len);
       return frame_size;
    }
    return frame_size;
}

五、总结

本文介绍了opus-1.4 库的下载、编译，demo程序的使用，以及简单介绍常用的opus编解码库函数 ，最后给出opus解码示例代码；

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参考资料：
从RTP包中分析OPUS码流：https://blog.csdn.net/hclbeloved/article/details/115528990
libopus 实现pcm 编码到opus：https://blog.csdn.net/sinat_27720649/article/details/126530085