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Android音视频开发——H264的基本概念

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封装格式 。

编码的本质就是压缩数据

音频编码的作用: 将音频采样数据( PCM 等)压缩成音频码流,从而降低音频的数据量。 常用的音频编码方式有以下几种:

H264压缩技术主要采用了以下几种方法对视频数据进行压缩。包括:

经过压缩后的帧分为:I帧,P帧和B帧:

除了I/P/B帧外,还有图像序列GOP。

组成码流的结构中,包含了以下几个部分,从大到小依次是:

H264视频序列,图像,片组,片,NALU,宏块,像素

H264功能分为两层:

1.H264视频序列包括一系列的NAL单元,每个NAL单元包含一个RBSP。

2.一个原始的H.264由 N个NALU单元组成

3.NALU单元由[StartCode][NALU Header][NALU Payload]三部分组成

5.NAL Header

由三部分组成forbidden_bit(1bit)(禁止位),nal_reference_bit(2bits)(优先级,,值越大,该NAL越重要),nal_unit_type(5bits)(类型)

nal_unit_type

6.NAL的解码单元的流程如下

android怎么读

Android发音:['ændrɔid]。中文也读:安卓。

简介:

Android是一个以Linux为基础的半开源操作系统,主要用于移动设备,由Google和开放手持设备联盟开发与领导。 Android 系统最初由安迪·鲁宾(Andy Rubin)制作,最初主要支持手机。2005年8月17日被Google收购。2007年11月5日,Google与84家硬件制造商、软件开发商及电信营运商组成开放手持设备联盟(Open Handset Alliance)来共同研发改良Android系统并生产搭载Android的智慧型手机,并逐渐拓展到平板电脑及其他领域上。随后,Google以Apache免费开源许可证的授权方式,发布了Android的源代码。

Android-X86是由Beyounn和Cwhuang主持设计的。提供了一套完整的可行源代码树,配套文档以及Live CD与Live USB。Android系统主要应用在智能手机以及平板电脑设备上。日前,越来越多使用英特尔和AMD处理器的计算机也开始运行Android系统。

Android -- 音视频基础知识

帧,是视频的一个基本概念,表示一张画面,如上面的翻页动画书中的一页,就是一帧。一个视频就是由许许多多帧组成的。

帧率,即单位时间内帧的数量,单位为:帧/秒 或fps(frames per second)。一秒内包含多少张图片,图片越多,画面越顺滑,过渡越自然。 帧率的一般以下几个典型值:

24/25 fps:1秒 24/25 帧,一般的电影帧率。

30/60 fps:1秒 30/60 帧,游戏的帧率,30帧可以接受,60帧会感觉更加流畅逼真。

85 fps以上人眼基本无法察觉出来了,所以更高的帧率在视频里没有太大意义。

这里我们只讲常用到的两种色彩空间。

RGB的颜色模式应该是我们最熟悉的一种,在现在的电子设备中应用广泛。通过R G B三种基础色,可以混合出所有的颜色。

这里着重讲一下YUV,这种色彩空间并不是我们熟悉的。这是一种亮度与色度分离的色彩格式。

早期的电视都是黑白的,即只有亮度值,即Y。有了彩色电视以后,加入了UV两种色度,形成现在的YUV,也叫YCbCr。

Y:亮度,就是灰度值。除了表示亮度信号外,还含有较多的绿色通道量。

U:蓝色通道与亮度的差值。

V:红色通道与亮度的差值。

音频数据的承载方式最常用的是 脉冲编码调制 ,即 PCM 。

在自然界中,声音是连续不断的,是一种模拟信号,那怎样才能把声音保存下来呢?那就是把声音数字化,即转换为数字信号。

我们知道声音是一种波,有自己的振幅和频率,那么要保存声音,就要保存声音在各个时间点上的振幅。

而数字信号并不能连续保存所有时间点的振幅,事实上,并不需要保存连续的信号,就可以还原到人耳可接受的声音。

根据奈奎斯特采样定理:为了不失真地恢复模拟信号,采样频率应该不小于模拟信号频谱中最高频率的2倍。

根据以上分析,PCM的采集步骤分为以下步骤:

采样率,即采样的频率。

上面提到,采样率要大于原声波频率的2倍,人耳能听到的最高频率为20kHz,所以为了满足人耳的听觉要求,采样率至少为40kHz,通常为44.1kHz,更高的通常为48kHz。

采样位数,涉及到上面提到的振幅量化。波形振幅在模拟信号上也是连续的样本值,而在数字信号中,信号一般是不连续的,所以模拟信号量化以后,只能取一个近似的整数值,为了记录这些振幅值,采样器会采用一个固定的位数来记录这些振幅值,通常有8位、16位、32位。

位数越多,记录的值越准确,还原度越高。

最后就是编码了。由于数字信号是由0,1组成的,因此,需要将幅度值转换为一系列0和1进行存储,也就是编码,最后得到的数据就是数字信号:一串0和1组成的数据。

整个过程如下:

声道数,是指支持能不同发声(注意是不同声音)的音响的个数。 单声道:1个声道

双声道:2个声道

立体声道:默认为2个声道

立体声道(4声道):4个声道

码率,是指一个数据流中每秒钟能通过的信息量,单位bps(bit per second)

码率 = 采样率 * 采样位数 * 声道数

这里的编码和上面音频中提到的编码不是同个概念,而是指压缩编码。

我们知道,在计算机的世界中,一切都是0和1组成的,音频和视频数据也不例外。由于音视频的数据量庞大,如果按照裸流数据存储的话,那将需要耗费非常大的存储空间,也不利于传送。而音视频中,其实包含了大量0和1的重复数据,因此可以通过一定的算法来压缩这些0和1的数据。

特别在视频中,由于画面是逐渐过渡的,因此整个视频中,包含了大量画面/像素的重复,这正好提供了非常大的压缩空间。

因此,编码可以大大减小音视频数据的大小,让音视频更容易存储和传送。

视频编码格式有很多,比如H26x系列和MPEG系列的编码,这些编码格式都是为了适应时代发展而出现的。

其中,H26x(1/2/3/4/5)系列由ITU(International Telecommunication Union)国际电传视讯联盟主导

MPEG(1/2/3/4)系列由MPEG(Moving Picture Experts Group, ISO旗下的组织)主导。

当然,他们也有联合制定的编码标准,那就是现在主流的编码格式H264,当然还有下一代更先进的压缩编码标准H265。

H264是目前最主流的视频编码标准,所以我们后续的文章中主要以该编码格式为基准。

H264由ITU和MPEG共同定制,属于MPEG-4第十部分内容。

我们已经知道,视频是由一帧一帧画面构成的,但是在视频的数据中,并不是真正按照一帧一帧原始数据保存下来的(如果这样,压缩编码就没有意义了)。

H264会根据一段时间内,画面的变化情况,选取一帧画面作为完整编码,下一帧只记录与上一帧完整数据的差别,是一个动态压缩的过程。

在H264中,三种类型的帧数据分别为

I帧:帧内编码帧。就是一个完整帧。

P帧:前向预测编码帧。是一个非完整帧,通过参考前面的I帧或P帧生成。

B帧:双向预测内插编码帧。参考前后图像帧编码生成。B帧依赖其前最近的一个I帧或P帧及其后最近的一个P帧。

全称:Group of picture。指一组变化不大的视频帧。

GOP的第一帧成为关键帧:IDR

IDR都是I帧,可以防止一帧解码出错,导致后面所有帧解码出错的问题。当解码器在解码到IDR的时候,会将之前的参考帧清空,重新开始一个新的序列,这样,即便前面一帧解码出现重大错误,也不会蔓延到后面的数据中。

DTS全称:Decoding Time Stamp。标示读入内存中数据流在什么时候开始送入解码器中进行解码。也就是解码顺序的时间戳。

PTS全称:Presentation Time Stamp。用于标示解码后的视频帧什么时候被显示出来。

前面我们介绍了RGB和YUV两种图像色彩空间。H264采用的是YUV。

YUV存储方式分为两大类:planar 和 packed。

planar如下:

packed如下:

上面说过,由于人眼对色度敏感度低,所以可以通过省略一些色度信息,即亮度共用一些色度信息,进而节省存储空间。因此,planar又区分了以下几种格式:YUV444、 YUV422、YUV420。

YUV 4:4:4采样,每一个Y对应一组UV分量。

YUV 4:2:2采样,每两个Y共用一组UV分量。

YUV 4:2:0采样,每四个Y共用一组UV分量。

其中,最常用的就是YUV420。

YUV420属于planar存储方式,但是又分两种类型:

YUV420P:三平面存储。数据组成为YYYYYYYYUUVV(如I420)或YYYYYYYYVVUU(如YV12)。

YUV420SP:两平面存储。分为两种类型YYYYYYYYUVUV(如NV12)或YYYYYYYYVUVU(如NV21)

原始的PCM音频数据也是非常大的数据量,因此也需要对其进行压缩编码。

和视频编码一样,音频也有许多的编码格式,如:WAV、MP3、WMA、APE、FLAC等等,音乐发烧友应该对这些格式非常熟悉,特别是后两种无损压缩格式。

但是,我们今天的主角不是他们,而是另外一个叫AAC的压缩格式。

AAC是新一代的音频有损压缩技术,一种高压缩比的音频压缩算法。在MP4视频中的音频数据,大多数时候都是采用AAC压缩格式。

AAC格式主要分为两种:ADIF、ADTS。

ADIF:Audio Data Interchange Format。音频数据交换格式。这种格式的特征是可以确定的找到这个音频数据的开始,不需进行在音频数据流中间开始的解码,即它的解码必须在明确定义的开始处进行。这种格式常用在磁盘文件中。

ADTS:Audio Data Transport Stream。音频数据传输流。这种格式的特征是它是一个有同步字的比特流,解码可以在这个流中任何位置开始。它的特征类似于mp3数据流格式。

ADIF数据格式:

ADTS 一帧 数据格式(中间部分,左右省略号为前后数据帧):

AAC内部结构也不再赘述,可以参考AAC 文件解析及解码流程

细心的读者可能已经发现,前面我们介绍的各种音视频的编码格式,没有一种是我们平时使用到的视频格式,比如:mp4、rmvb、avi、mkv、mov...

没错,这些我们熟悉的视频格式,其实是包裹了音视频编码数据的容器,用来把以特定编码标准编码的视频流和音频流混在一起,成为一个文件。

例如:mp4支持H264、H265等视频编码和AAC、MP3等音频编码。

我们在一些播放器中会看到,有硬解码和软解码两种播放形式给我们选择,但是我们大部分时候并不能感觉出他们的区别,对于普通用户来说,只要能播放就行了。

那么他们内部究竟有什么区别呢?

在手机或者PC上,都会有CPU、GPU或者解码器等硬件。通常,我们的计算都是在CPU上进行的,也就是我们软件的执行芯片,而GPU主要负责画面的显示(是一种硬件加速)。

所谓软解码,就是指利用CPU的计算能力来解码,通常如果CPU的能力不是很强的时候,一则解码速度会比较慢,二则手机可能出现发热现象。但是,由于使用统一的算法,兼容性会很好。

硬解码,指的是利用手机上专门的解码芯片来加速解码。通常硬解码的解码速度会快很多,但是由于硬解码由各个厂家实现,质量参差不齐,非常容易出现兼容性问题。

MediaCodec 是Android 4.1(api 16)版本引入的编解码接口,是所有想在Android上开发音视频的开发人员绕不开的坑。

由于Android碎片化严重,虽然经过多年的发展,Android硬解已经有了很大改观,但实际上各个厂家实现不同, 还是会有一些意想不到的坑。

相对于FFmpeg,Android原生硬解码还是相对容易入门一些,所以接下来,我将会从MediaCodec入手,讲解如何实现视频的编解码,以及引入OpenGL实现对视频的编辑,最后才引入FFmpeg来实现软解,算是一个比较常规的音视频开发入门流程吧。

Android音视频:Android支持的媒体格式

下表描述了Android平台内置的媒体格式支持。不保证在所有Android平台版本上都可用的编解码器在括号中注明,例如:(Android 3.0+)。请注意,任何给定的移动设备都可能支持表中未列出的其他格式或文件类型。 Android兼容性定义的第5部分指定设备必须支持的媒体格式才能与Android 8.1兼容。。

下表列出了使用H.264 Baseline Profile编解码器建议播放的Android媒体框架视频编码配置文件和参数。相同的建议适用于主要配置文件编解码器,仅在Android 6.0及更高版本中可用。

下表列出了使用VP8媒体编解码器建议播放的Android媒体框架视频编码配置文件和参数。

设备实现必须支持动态视频分辨率和帧速率切换,通过同一流中的标准Android API实时为所有VP8,VP9,H.264和H.265编解码器提供支持,并达到在该设备下的每个编解码器支持的最大分辨率。

支持Dolby Vision解码器的实现必须遵循以下准则:

对于通过HTTP或RTSP流式传输的视频内容,还有其他要求:

音频和视频播放支持以下网络协议:

[本章完...]

Android音视频开发-前言

Android音视频开发,我想很多开发者都知道这个概念,音视频开发不仅需要掌握图像、音频、视频的基础知识,并且还需要掌握如何对它们进行采集、渲染、处理、传输等一系列的开发和应用,因此,音视频开发是一门涉及到很多内容的领域,主要内容如下(一图胜千言)

采集,在音视频开发中主要针对的是数据从哪里来的问题。图像、视频的可视化数据来自摄像头这毫无疑问,而音频数据则是来自麦克风,关于 采集 的知识点涉及到如下内容:

渲染,在音视频开发中主要针对的是数据展现的问题。我们知道,图像、视频最终都是要绘制到视图(View层)上面,而音频最终都是要输出到扬声器,因此,做音视频渲染,就要掌握如下的技术知识:

渲染,在音视频开发中主要针对的是数据如何加工的问题,那具体怎么处理?如下图:

针对图像和音视频的处理,实现方式除了使用系统的 API,大多数也会使用一些优秀的第三方库,通过掌握这些第三方库的原理和使用方法,基本上就可以满足日常音视频处理工作了,这些库包括但不限于:

传输,在音视频开发中主要针对的是数据共享的问题,采集完并处理数据以后,我们如何快速传输数据这一难题又摆在了面前,试想如果一个以音视频为主导业务的APP如果在播放过程中非常卡顿的话,用户体验那会是非常糟糕的。因此,解决传输的问题也就摆在了我们的面前。那么,数据究竟如何实现传输共享呢 ?共享,实现细则最重要的一点,就是协议,因此需要具体掌握的协议如下:

总体来说 Android音视频开发属于高级研发工程师涉及到的领域,市场上对于Android音视频开发工程师提供的薪资真的是very very可观的,另外,Android音视频开发的学习系列文章主要是参考 Jhuster前辈 的博客和指导意见,这里在次感谢前辈们的无私分享,前辈也给出了具体的学习任务线,具体内容如下:

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