音视频开发之旅(五)MediaExtractor MediaMuxer 实现视频的解封装与合成

目录

  1. MediaExtractor MediaMuxer 能做什么
  2. 视频解封装和合成的API以及流程介绍
  3. 三个实践(视频解封装提取纯音轨和视频轨文件、再合成新视频、给视频换个背景音)
  4. 遇到的问题
  5. 收获

一、有什么实际应用

在我们日常使用短视频软件的时候,对视频的裁剪,拼凑,加入背景是很常用的操作,这些功能是如何实现的呐?其实是将视频多信道的分离出来,比如音轨和视频轨道分隔出来,可以做到二次合成。

今天我们通过对来MediaExtractor和MediaMuxer的学习分析和实践来实现 “把视频分离(提取&解封装)出纯音频和纯视频文件”、“替换背景音乐,合成新的视频文件”。

二、视频解封装和合成的API以及流程介绍

2.1 MediaExtractor:视频轨道提取器(解封装)

主要API介绍
setDataSource(path):path本地或者网络文件
getTrackCount:获取轨道数
getTrackFormat(i):对应轨道的格式 MediaFormat
selectTrack(I):切换到(选定)某个轨道
readSampleData(ByteBuffer byteBuff, int offset): 把指定轨道中的样本数据按偏移量读取到ByteBuffer字节缓冲区
advance(): 提取到下一帧数据 作用有点类似于cursor
unselectTrack(i)
release()
getSampleFlags: 获取数据的flag,数据为什么要用Sample来表示,因为音视频的数据是采样数据。
getSampleTime:返回当前的时间戳

数据提取(解封装)流程如下:

    //1. 构造MediaExtractor
    MediaExtractor mediaExtractor = new MediaExtractor();
    try {
        //2.设置数据源
        mediaExtractor.setDataSource(inputFile.getAbsolutePath());
        //3. 获取轨道数
        int trackCount = mediaExtractor.getTrackCount();
        Log.i(TAG, "demuxerMP4: trackCount=" + trackCount);
        //遍历轨道,查看音频轨或者视频轨道信息
        for (int i = 0; i < trackCount; i++) {
            //4. 获取某一轨道的媒体格式
            MediaFormat trackFormat = mediaExtractor.getTrackFormat(i);
            String keyMime = trackFormat.getString(MediaFormat.KEY_MIME);
            Log.i(TAG, "demuxerMp4: keyMime=" + keyMime);
            if (TextUtils.isEmpty(keyMime)) {
                continue;
            }
            //5.通过mime信息识别音轨或视频轨道,打印相关信息
            if (keyMime.startsWith("video/")) {
                //打印视频的宽高
                Log.i(TAG, "extractorAndMuxerMP4:                     videoWidth="+trackFormat.getInteger(MediaFormat.KEY_WIDTH)+" videoHeight="+trackFormat.getInteger(MediaFormat.KEY_HEIGHT));

            } else if (keyMime.startsWith("audio/")) {
                 //打印音轨的通道数以及比特率
                  Log.i(TAG, "extractorAndMuxerMP4: channelCount="+trackFormat.getInteger(MediaFormat.KEY_CHANNEL_COUNT)+" bitRate="+trackFormat.getInteger(MediaFormat.KEY_BIT_RATE));
            }
        }
    } catch (IOException e) {
        e.printStackTrace();
    } finally {
        mediaExtractor.release();
    }

2.2 MediaMuxer:合成(封装)

把音轨和视频轨道合成封装为新的视频
主要API介绍
MediaMuxer(path,format):path 输出文件的名称;foramt输出文件的格式,当前只支持mp4
addTrack(trackFormat):添加轨道,通常是使用MediaCodec.getOutputForma()或MediaExtractor.getTrackFormat(int index)来获取MediaFormat
start():开始封装合成
writeSampleData (int trackIndex, ByteBuffer byteBuf, MediaCodec.BufferInfo bufferInfo): 把数据写入到
stop()
release()

封装(合成)流程如下:

{
        MediaFormat trackFormat = mediaExtractor.getTrackFormat(i);
        MediaMuxer mediaMuxer;
        mediaExtractor.selectTrack(i);

        //1. 构造MediaMuxer
        mediaMuxer = new MediaMuxer(outputFile.getAbsolutePath(), MediaMuxer.OutputFormat.MUXER_OUTPUT_MPEG_4);
        //2. 添加轨道信息 参数为MediaFormat
        mediaMuxer.addTrack(trackFormat);
        //3. 开始合成
        mediaMuxer.start();

        //4. 设置buffer
        ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(500 * 1024);
        MediaCodec.BufferInfo bufferInfo = new MediaCodec.BufferInfo();

        //5.通过mediaExtractor.readSampleData读取数据流
        int sampleSize = 0;
        while ((sampleSize = mediaExtractor.readSampleData(buffer, 0)) > 0) {
            bufferInfo.flags = mediaExtractor.getSampleFlags();
            bufferInfo.offset = 0;
            bufferInfo.size = sampleSize;
            bufferInfo.presentationTimeUs = mediaExtractor.getSampleTime();
            int isEOS = bufferInfo.flags & MediaCodec.BUFFER_FLAG_END_OF_STREAM;
            Log.i(TAG, "demuxerMp4:  flags=" + bufferInfo.flags + " size=" + sampleSize + " time=" + bufferInfo.presentationTimeUs + " outputName" + outputName+" isEOS="+isEOS);
            //6. 把通过mediaExtractor解封装的数据通过writeSampleData写入到对应的轨道
            mediaMuxer.writeSampleData(0, buffer, bufferInfo);
            mediaExtractor.advance();
        }
        Log.i(TAG, "extractorAndMuxer: " + outputName + "提取封装完成");

        mediaExtractor.unselectTrack(i);
        //6.关闭
        mediaMuxer.stop();
        mediaMuxer.release();
}

三、 实践(以及ffmpeg的实现)

1. 提取视频分离出纯音频和纯视频文件

private void extractorAndMuxerMP4() {
        tvOut.setText("");
        File inputFile = new File(getExternalFilesDir(Environment.DIRECTORY_MUSIC), "forme.mp4");
        if (!inputFile.exists()) {
            Toast.makeText(this, "文件不存在", Toast.LENGTH_SHORT).show();
            return;
        }

        //数据提取(解封装)
        //1. 构造MediaExtractor
        MediaExtractor mediaExtractor = new MediaExtractor();
        try {
            //2.设置数据源
            mediaExtractor.setDataSource(inputFile.getAbsolutePath());
            //3. 获取轨道数
            int trackCount = mediaExtractor.getTrackCount();
            Log.i(TAG, "demuxerMP4: trackCount=" + trackCount);
            //遍历轨道,查看音频轨或者视频轨道信息
            for (int i = 0; i < trackCount; i++) {
                //4. 获取某一轨道的媒体格式
                MediaFormat trackFormat = mediaExtractor.getTrackFormat(i);
                String keyMime = trackFormat.getString(MediaFormat.KEY_MIME);
                Log.i(TAG, "demuxerMp4: keyMime=" + keyMime);
                if (TextUtils.isEmpty(keyMime)) {
                    continue;
                }
                //5.通过mime信息识别音轨或视频轨道,打印相关信息
                if (keyMime.startsWith("video/")) {
                    File outputFile = extractorAndMuxer(mediaExtractor, i, "/video.mp4");
                    tvOut.setText("纯视频文件路径:" + outputFile.getAbsolutePath());
                    Log.i(TAG, "extractorAndMuxerMP4: videoWidth="+trackFormat.getInteger(MediaFormat.KEY_WIDTH)+" videoHeight="+trackFormat.getInteger(MediaFormat.KEY_HEIGHT));

                } else if (keyMime.startsWith("audio/")) {
                    File outputFile = extractorAndMuxer(mediaExtractor, i, "/audio.aac");

                    Log.i(TAG, "extractorAndMuxerMP4: channelCount="+trackFormat.getInteger(MediaFormat.KEY_CHANNEL_COUNT)+" bitRate="+trackFormat.getInteger(MediaFormat.KEY_BIT_RATE));

                    tvOut.setText(tvOut.getText().toString() + "\n纯音频路径:" + outputFile.getAbsolutePath());
                    tvOut.setVisibility(View.VISIBLE);
                }
            }
        } catch (IOException e) {
            e.printStackTrace();
        } finally {
            mediaExtractor.release();
        }

    }

    private File extractorAndMuxer(MediaExtractor mediaExtractor, int i, String outputName) throws IOException {
        MediaFormat trackFormat = mediaExtractor.getTrackFormat(i);
        MediaMuxer mediaMuxer;
        mediaExtractor.selectTrack(i);

        File outputFile = new File(getExternalFilesDir(Environment.DIRECTORY_MUSIC).getAbsolutePath() + outputName);
        if (outputFile.exists()) {
            outputFile.delete();
        }
        //1. 构造MediaMuxer
        mediaMuxer = new MediaMuxer(outputFile.getAbsolutePath(), MediaMuxer.OutputFormat.MUXER_OUTPUT_MPEG_4);
        //2. 添加轨道信息 参数为MediaFormat
        mediaMuxer.addTrack(trackFormat);
        //3. 开始合成
        mediaMuxer.start();

        //4. 设置buffer
        ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(500 * 1024);
        MediaCodec.BufferInfo bufferInfo = new MediaCodec.BufferInfo();

        //5.通过mediaExtractor.readSampleData读取数据流
        int sampleSize = 0;
        while ((sampleSize = mediaExtractor.readSampleData(buffer, 0)) > 0) {
            bufferInfo.flags = mediaExtractor.getSampleFlags();
            bufferInfo.offset = 0;
            bufferInfo.size = sampleSize;
            bufferInfo.presentationTimeUs = mediaExtractor.getSampleTime();
            int isEOS = bufferInfo.flags & MediaCodec.BUFFER_FLAG_END_OF_STREAM;
            Log.i(TAG, "demuxerMp4:  flags=" + bufferInfo.flags + " size=" + sampleSize + " time=" + bufferInfo.presentationTimeUs + " outputName" + outputName+" isEOS="+isEOS);
            //6. 把通过mediaExtractor解封装的数据通过writeSampleData写入到对应的轨道
            mediaMuxer.writeSampleData(0, buffer, bufferInfo);
            mediaExtractor.advance();
        }
        Log.i(TAG, "extractorAndMuxer: " + outputName + "提取封装完成");

        mediaExtractor.unselectTrack(i);
        //6.关闭
        mediaMuxer.stop();
        mediaMuxer.release();
        return outputFile;
    }

2. 把纯音频文件和纯视频文件(封装)合成为视频文件

/**
     * 把音轨和视频轨再合成新的视频
     */
    private String muxerMp4(String inputAudio , String outPutVideo) {
        File videoFile = new File(getExternalFilesDir(Environment.DIRECTORY_MUSIC), "video.mp4");
        File audioFile = new File(getExternalFilesDir(Environment.DIRECTORY_MUSIC), inputAudio);
        File outputFile = new File(getExternalFilesDir(Environment.DIRECTORY_MUSIC), outPutVideo);

        if (outputFile.exists()) {
            outputFile.delete();
        }
        if (!videoFile.exists()) {
            Toast.makeText(this, "视频源文件不存在", Toast.LENGTH_SHORT).show();
            return "";
        }
        if (!audioFile.exists()) {
            Toast.makeText(this, "音频源文件不存在", Toast.LENGTH_SHORT).show();
            return "";
        }

        MediaExtractor videoExtractor = new MediaExtractor();
        MediaExtractor audioExtractor = new MediaExtractor();

        try {
            MediaMuxer mediaMuxer = new MediaMuxer(outputFile.getAbsolutePath(), MediaMuxer.OutputFormat.MUXER_OUTPUT_MPEG_4);
            int videoTrackIndex = 0;
            int audioTrackIndex = 0;

            //先添加视频轨道
            videoExtractor.setDataSource(videoFile.getAbsolutePath());
            int trackCount = videoExtractor.getTrackCount();
            Log.i(TAG, "muxerToMp4: trackVideoCount=" + trackCount);

            for (int i = 0; i < trackCount; i++) {
                MediaFormat trackFormat = videoExtractor.getTrackFormat(i);
                String mimeType = trackFormat.getString(MediaFormat.KEY_MIME);
                if (TextUtils.isEmpty(mimeType)) {
                    continue;
                }
                if (mimeType.startsWith("video/")) {
                    videoExtractor.selectTrack(i);

                    videoTrackIndex = mediaMuxer.addTrack(trackFormat);
                    Log.i(TAG, "muxerToMp4: videoTrackIndex=" + videoTrackIndex);
                    break;
                }
            }

            //再添加音频轨道
            audioExtractor.setDataSource(audioFile.getAbsolutePath());
            int trackCountAduio = audioExtractor.getTrackCount();
            Log.i(TAG, "muxerToMp4: trackCountAduio=" + trackCountAduio);
            for (int i = 0; i < trackCountAduio; i++) {
                MediaFormat trackFormat = audioExtractor.getTrackFormat(i);
                String mimeType = trackFormat.getString(MediaFormat.KEY_MIME);
                if (TextUtils.isEmpty(mimeType)) {
                    continue;
                }
                if (mimeType.startsWith("audio/")) {
                    audioExtractor.selectTrack(i);
                    audioTrackIndex = mediaMuxer.addTrack(trackFormat);
                    Log.i(TAG, "muxerToMp4: audioTrackIndex=" + audioTrackIndex);
                    break;
                }

            }



            //再进行合成
            mediaMuxer.start();

            ByteBuffer byteBuffer = ByteBuffer.allocate(500 * 1024);

            MediaCodec.BufferInfo bufferInfo = new MediaCodec.BufferInfo();
            int sampleSize = 0;

            while ((sampleSize = videoExtractor.readSampleData(byteBuffer, 0)) > 0) {

                bufferInfo.flags = videoExtractor.getSampleFlags();
                bufferInfo.offset = 0;
                bufferInfo.size = sampleSize;
                bufferInfo.presentationTimeUs = videoExtractor.getSampleTime();
                mediaMuxer.writeSampleData(videoTrackIndex, byteBuffer, bufferInfo);
                videoExtractor.advance();
            }

            int audioSampleSize = 0;

            MediaCodec.BufferInfo audioBufferInfo = new MediaCodec.BufferInfo();


            while ((audioSampleSize = audioExtractor.readSampleData(byteBuffer, 0)) > 0) {

                audioBufferInfo.flags = audioExtractor.getSampleFlags();
                audioBufferInfo.offset = 0;
                audioBufferInfo.size = audioSampleSize;
                audioBufferInfo.presentationTimeUs = audioExtractor.getSampleTime();
                mediaMuxer.writeSampleData(audioTrackIndex, byteBuffer, audioBufferInfo);
                audioExtractor.advance();
            }

            //最后释放资源
            videoExtractor.release();
            audioExtractor.release();
            mediaMuxer.stop();
            mediaMuxer.release();

        } catch (IOException e) {
            e.printStackTrace();
            return "";

        }
        return outputFile.getAbsolutePath();

    }

3. 替换背景音乐,合成新的视频文件

其实和第二步一样了,通过传入不同的aac音频源即可,这里需要注意一点,mediamuxer 只支持 aac 格式的,不支持mp3,否则会报如下异常,所以需要先把mp3转为aac。可以采用ffmpeg如下命令截取和转换

java.lang.IllegalStateException: Failed to add the track to the muxer
        at android.media.MediaMuxer.nativeAddTrack(Native Method)
        at android.media.MediaMuxer.addTrack(MediaMuxer.java:638)

—> 添加音轨不是aac格式,而是mp3格式时,在medimuter.addTrack(audioFromat)时会报上述错误,解决方案:把mp3转成aac

ffmpeg -i 输入.mp3 -acodec aac 输出.aac -y

四、遇到的问题

4.1 在合成写入数据时报 IllegalArgumentException: trackIndex is invalid

java.lang.IllegalArgumentException: trackIndex is invalid
        at android.media.MediaMuxer.writeSampleData(MediaMuxer.java:669)
        —>  mediaMuxer.writeSampleData(0,buffer,bufferInfo);
原因和方案:  解封装时候输出的trackIndex不对导致,因为不管是纯音轨还是纯视频轨道文件只有一个轨道。

4.2 解码出来的存视频文件的长度比原视频少了,而音频的长度一致。

和视频源有关系,有的原视频最后几秒只有音频播放画面不动,就是这种情况,刚开时不知道,还以为是什么bug,最后通过ffmpeg直接对原视频进行提取,得到的结果一样。

用ffmpeg命令提取纯视频 对比看下
ffmpeg -i 输入.mp4 -vcodec copy -an 输出.mp4 -y 查看生成的视频也是一样。
说明这个视频中视频流就是比音频流要短。

ffmpeg -i 输入.mp4 -acodec copy -vn 输出.aac -y 查看生成的音频流。和通过medieExtractor和mediamuxter提取的一致。

4.3 mediaExtractor.advance()时报IllegalArgumentException: bufferInfo must specify a valid buffer

通过查看bufferinfo的信息此时flags和presntationTimeUs都为-1,是advance调用时间不对引起

java.lang.IllegalArgumentException: bufferInfo must specify a valid buffer offset, size and presentation time
        at android.media.MediaMuxer.writeSampleData(MediaMuxer.java:682)
        
解决方案: 先调mediaMuxer.writeSampleData 后再mediaExtractor.advance();

4.4 合成时报如下错误,这个mediaMuxer.start之前没有添加轨道导致(流程不熟导致)

java.lang.IllegalStateException: Failed to start the muxer
        at android.media.MediaMuxer.nativeStart(Native Method)
        at android.media.MediaMuxer.start(MediaMuxer.java:452)

start之前只是构造了mediaMuxer但没有mediaMuxer.addTrack(trackFormat);

4.5 在把音轨和视频轨道合成新视频时,复用了MediaTractor导致异常

java.io.IOException: Failed to instantiate extractor.
com.av.mediajourney W/System.err:     at android.media.MediaExtractor.nativeSetDataSource(Native Method)
com.av.mediajourney W/System.err:     at android.media.MediaExtractor.setDataSource(MediaExtractor.java:203)

解决:在把视频轨道的源文件路径通过setDataSource设置到mediaextractor后,再把音轨的源文件setdataSource就报了这个错误
正确的做法是针对每一个源设置一个MediaExtractor,不同共用

4.6 把纯音轨和纯视频轨道合成新视频后,播放视频没有声音 时间是对的,但是没有声音

猜测 会不会是因为轨道0是视频,轨道1是音频的原因? 用ffmpeg对比查看了下原视频和合成的视频这点有些差异,尝试调下顺序看下。
—>调整后没有效果。。。继续通过两证ffmpeg -i输出信息定位,发现metaChange不同
—>折腾了半天也没结果,最后通过ffplay来播放合成的视频,一切正常,只能说播放器的原因吧,也可能在合成时设置不全导致部分播放器无法播放,暂时不得结果

4.7 还出现一种情况是合成后的时长变成了音频加视频的时长总和了

原因是bufferInfo.presentationTimeUs的值不对导致。
异常实现如下:
`  ByteBuffer byteBuffer = ByteBuffer.allocate(500 * 1024);
        //先计算出视频帧间隔时间
        long smapleTime = 0;
        videoExtractor.readSampleData(byteBuffer, 0);
        if (videoExtractor.getSampleFlags() == MediaExtractor.SAMPLE_FLAG_SYNC) {
            videoExtractor.advance();
        }
        videoExtractor.readSampleData(byteBuffer, 0);
        long secondTime = videoExtractor.getSampleTime();
        videoExtractor.advance();
        long thirdtime = videoExtractor.getSampleTime();
        smapleTime = Math.abs(thirdtime - secondTime);
        Log.i(TAG, "muxerStart: smapleTime=" + smapleTime);

        videoExtractor.unselectTrack(videoTrackIndex);
        videoExtractor.selectTrack(videoTrackIndex);

        MediaCodec.BufferInfo bufferInfo = new MediaCodec.BufferInfo();
        int sampleSize = 0;

        while ((sampleSize = videoExtractor.readSampleData(byteBuffer, 0)) > 0) {

            bufferInfo.flags = videoExtractor.getSampleFlags();
            bufferInfo.offset = 0;
            bufferInfo.size = sampleSize;
            bufferInfo.presentationTimeUs += smapleTime;
            //bufferInfo.presentationTimeUs = videoExtractor.getSampleTime();
            mediaMuxer.writeSampleData(videoTrackIndex, byteBuffer, bufferInfo);
            videoExtractor.advance();
        }

        int audioSampleSize = 0;
        ByteBuffer audioByteBuffer = ByteBuffer.allocate(500 * 1024);

        MediaCodec.BufferInfo audioBufferInfo = new MediaCodec.BufferInfo();


        while ((audioSampleSize = audioExtractor.readSampleData(byteBuffer, 0)) > 0) {

            audioBufferInfo.flags = audioExtractor.getSampleFlags();
            audioBufferInfo.offset = 0;
            audioBufferInfo.size = audioSampleSize;
            audioBufferInfo.presentationTimeUs += smapleTime;
            
// audioBufferInfo.presentationTimeUs = videoExtractor.getSampleTime();
            mediaMuxer.writeSampleData(audioTrackIndex, audioByteBuffer, audioBufferInfo);
            audioExtractor.advance();
        }

这些遇到的问题一部分是对mediaExtractor和mediaMuxer的流程不熟悉导致。而有些需要借助ffpmpeg和ffplay进行协助分析排查。

五、参考

[Android 音视频学习:使用 MediaExtractor 和 MediaMuxer 解析和封装 mp4 文件](https://mp.weixin.qq.com/s/KsOdAnTCQ7B_V7agZ0OwXQ)
[Android 视频分离和合成(MediaMuxer和MediaExtractor)](https://blog.csdn.net/zhi184816/article/details/52514138)

六、收获

  1. 了解MediaExtractor和Mediamuxer的作用
  2. MediaExtractor和Mediamuxer熟悉API和使用流程
  3. 提取音轨和视频轨然后进行再合成或者替换音轨实现换背景音乐
  4. 遇到问题的分析解决以及复盘。

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