FFmpeg及音频简介
文章目录
- 一、音视频的应用场景
- 二、ffmpeg简介
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- 1.ffmpeg命令
- 2.ffmpeg编译目录介绍
- 三、音频简介
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- 1.声音三要素
- 2.音频处理流程
- 3.音频采集
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- 3.1 PCM和WAV
- 3.2 命令行采集音频
- 3.3 命令行播放PCM
- 4. 音频编码
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- 4.1 音频编码过程
- 4.2 几种常见的音频编码器比较
- 4.3 AAC音频编码器介绍
- 4.4 音频重采样
- 4.5 音频重采样和编码的ffmpeg编码步骤
一、音视频的应用场景
互动直播系统
娱乐直播系统
音视频特效
音视频剪辑
二、ffmpeg简介
FFmpeg是一套可以用来记录、转换数字音频、视频，并能将其转化为流的开源计算机程序。采用LGPL或GPL许可证。它提供了录制、转换以及流化音视频的完整解决方案。它包含了非常先进的音频/视频编解码库libavcodec，为了保证高可移植性和编解码质量，libavcodec里很多code都是从头开发的。
FFmpeg在Linux平台下开发，但它同样也可以在其它操作系统环境中编译运行，包括Windows、Mac OS X等。前面的"FF"代表"Fast Forward"。 FFmpeg编码库可以使用GPU加速。
1.ffmpeg命令
ffmpeg：编解码，音频处理，特效；可以推流至流媒体服务器；
ffplay：播放器，依赖于ffmpeg；从流媒体服务器拉取音视频流；支持本地流播放；
vlc：依赖域ffmpeg，也支持使用rtmp协议从流媒体服务拉流
2.ffmpeg编译目录介绍
bin文件夹下：
ffmpeg命令：推送，音视频处理
ffplay命令：拉流
ffprole：侦测多媒体文件，文件信息等
include文件夹：
libavcodec：编解码
libavfilter：滤镜 特效
libavutil：基本工具
libswresample：音频重采样
libavdevice：管理设备
libavformat：文件格式处理
libpostproc：
libswscale：视频的缩放等处理
lib文件夹：
包含静态和动态库，与include一样
share文件夹：
文档相关内容，使用手册等
三、音频简介
1.声音三要素
1.音调
音频的快慢 男生->女生->儿童
人类听觉范围
20hz - 20khz， 人声范围85-1100hz。
声音的震动频率即为HZ
2.音量
震动的幅度
3.音色
谐波：绿色为基频，橙色和蓝色的频率（一次谐波和二次谐波）叠加后，得到粉色的真实频率。粉色频率的小波动端成为称为谐波
2.音频处理流程
音频处理流程： 采集，编码（缩小数据量），解码，播放
音频数据流转：
1）通过各种api采集到音频数据后，格式为PCM，是数字信号
2）通过编码器得到aac/mp3等编码格式的文件
3）数据外层再套一层mp4/flv等格式，得到可识别的多媒体文件
3.音频采集
音频采集的原理就是对声音进行模数转换，对连续的声音进行——量化采样
常见的采样率：48000/s（常用），44.1k，32000/s，16000/s，8000/s（已经非常低了）
3.1 PCM和WAV
采集到的原始音频数据就是PCM格式，WAV是指音频文件格式
WAV格式如下：
chunkSize表示在chunkSize后还有多少字节
其他的子chunksize同理
3.2 命令行采集音频
Android端音频采集：
audio recorder（偏底层，采集音频数据，需要调用其他api保存为多媒体文件）
media recorder（偏上层，可以直接将音频数据保存为多媒体文件）
IOS端音频采集：
audio unit：捕获音频，对音频处理（常用于直播）
AV foundation：偏上层
windows端音频采集：
Direct show
Open AL
Audio core（Win7后）
端太多了 但可以统一使用ffmpeg进行音频采集
两种方式
1）命令方式采集音频
采集ffmpeg -f avfoundation -i :0 out.wav
-f avfoundation：采用avfoundation库采集(如果切换操作系统，则依赖库做响应调整)
-i :0表示采集音频，冒号前为视频，冒号后为音频。
采集数据存为out.wav
播放ffplay out.wav
2）API方式
3.3 命令行播放PCM
ffplay -ar 44100 -ac 2 -f f32le audio.pcm
ar为采样率
ac为通道数，2路
f为采样大小，32位
linux下的命令
ffplay -ar 44100 -ac 2 -f s16le audio.pcm
4. 音频编码
4.1 音频编码过程
音频编码实际就是音频压缩技术，如果不进行任何压缩，每秒中的pcm数据就是1M。
希望编码做到最小且最快
音频编码的方法通常通过消除冗余信息和无损压缩，如zip，rar，gz来完成。
消除冗余信息：
冗余信息包含人耳听觉范围外的音频（20HZ到20000HZ外的数据）以及被掩蔽掉的音频信号（一些被主要音频信号遮蔽的话外音）。
其中音频信号遮蔽分为时域遮蔽和频域遮蔽，如下图所示
频域遮蔽效应是指：高频率高声强的声音会对附近频率的声音产生遮蔽效应。
时域遮蔽效应是指：相同频域下，声强高的会屏蔽掉声强低的声音，同时该声音会对前后时域的声音都有一定的遮蔽效应。
无损压缩
无损压缩的原理就是熵编码。
使用的熵编码进行无损编码，其基本原理是将用短的编码替代高频的词汇、句子，用长的句代表低频词。
熵编码常用的三种方法：
（1）哈夫曼编码：使用一串二进制数代替一串特别长的字符。特点是：频率越高的编码越少，频率越低的编码越长。
（2）算术编码：通过二进制小数进行编码。
（3）香农编码
总结来看，音频编码过程如下，包含了冗余信息的消除和无损编码。其中时域转频域变换和心理声学模型属于冗余信息消除，量化编码属于无损压缩技术。
4.2 几种常见的音频编码器比较
一、常见的音频编码器
（1）OPUS：目前较新的音频编码器，WebRTC默认使用OPUS；延迟小，压缩率高。应用在在线教育，视频会议
（2）AAC：在直播系统中应用比较广泛的编码器；（分软件和硬件）不适合实时性要求较高的场景
（3）Ogg：软件收费，应用比较少；
（4）Speex：显著的特点是支持回音消除，是七八年前应用非常广泛的编码器；
（5）G.711：固话、电话使用的窄带音频编码器，但是音损非常严重，不适合实时通信；
（6）其他：iLBC、AMR。
网上评测结果：OPUS>AAC>Ogg
二、不同音频编码器的音频编码质量比较
OPUS对不同的网络质量（窄带、宽带、超宽带、全带）都有对应的码流选择
三、不同音频编码器的音频编码码率
不同编码器在不同的延时对码率的支持范围。
4.3 AAC音频编码器介绍
一、产生
AAC全称为Advanced Audio Coding。研发目的：取代MP3格式。与MP3格式的比较：MP3的压缩率比较低，压缩后的文件大；AAC的压缩率比较高，保真性强，即使压缩成很小的数据，还原度仍然很高。
最初是基于MPEG-2的音频编码技术，在MPEG-4标准出现后，AAC加入了SBR技术和PS技术。
二、常用的规格
三、AAC编码家族规格之间的关系
四、AAC格式
因此ADTS的数据比ADIF的数据多，好处是能按流的方式处理，可以从任何位置开始播放，适用于直播系统
A：前12bit表示ADTS头
D：是否进行CRC，7、9字节通过该字段决定
E：判断编码为AAC LC还是AAC HE V1还是AAC HE V2
F：采样率
具体格式的组成可以从官网获取：https://www.p23.nl/projects/aac-header/
在开发的过程当中，FFmpeg提供了相应的API可以填充参数生成ADTS格式的数据，减少了编程的工作量。
五、ffmpeg生成AAC数据
从mp4文件中生成aac数据
ffmpeg -i xxx.mp4 -vn -c:a libfdk_aac -ar 44100 -channels 2 -profile:a aac_he_v2 xxx.aac
-i ***mp4表示输入的多媒体文件，文件中需要包括音频
-vn：no video，过滤视频
-c:a： c表示编码器coder，a表示音频，即音频编码器。指定音频编码器使用fdkaac；也支持libopus
-ar：表示音频采样率
-channels：表示声道数
-profile:a：表示对音频编码的一些参数配置，设置为aac_he_v2
命令行的参数格式见如下：
http://ffmpeg.org/ffmpeg-codecs.html#libfdk_005faac
4.4 音频重采样
什么是重采样？
三元组（采样大小，采样频率，声道数量）中任何一个或多个值发生变化都称为重采样
为什么进行重采样？
从设备采集的音频数据与编码器要求的数据不一致
扬声器要求的音频数据与要播放的音频数据不一致
更方便运算
如何知道是否需要进行重采样
了解音频设备的参数，是为了知道从设备采集的音频数据是什么样的
了解ffmpeg源码，确定编码器要求的数据格式是什么样的（ffmpeg源码支持跨平台，支持多种编码，因此在源码中可以看到需要的三元组参数）
4.5 音频重采样和编码的ffmpeg编码步骤
音频重采样
几个重要的ffmpeg的API
swr_alloc_set_opts:创建上下文，设置重采样的参数
swr_init：初始化上下文
swr_convert:对音频帧的转化
swr_free:释放上下文
音频编码
几个重要api
创建编码器 avcodec_find_encoder
创建上下文 avcodec_alloc_context3
打开编码器 avcodec_open2
发送数据给编码器 avcodec_send_frame
从编码器接收数据 avcodec_receive_packet
结构体：AVFrame（大多数为未编码数据）和AVPacket（大多数为编码数据，之前的课程使用find_input_format是把设备当成多媒体文件处理，读出的数据采用AVPacket存储，应该转换为AVFrame，但哪怕转换为AVFrame，其实也没有做解码处理）