【Android 音视频开发打怪升级：音视频硬解码篇】三、音视频播放：音视频同步
【Android 音视频开发打怪升级：音视频硬解码篇】三、音视频播放：音视频同步
在上一篇文章定义的解码流程框架基类中，预留了几个虚函数，留给子类初始化自己的东西，本篇，就来看看如何实现。
一、音视频数据流分离提取器
上篇文章，多次提到音视频数据分离提取器，在实现音视频解码器子类之前，先把这个实现了。
封装Android原生提取器
之前提过，Android原生自带有一个MediaExtractor，用于音视频数据分离和提取，接来下就基于这个，做一个支持音视频提取的工具类MMExtractor：
class MMExtractor(path: String?) {
/**音视频分离器*/
private var mExtractor: MediaExtractor? = null
/**音频通道索引*/
private var mAudioTrack = -1
/**视频通道索引*/
private var mVideoTrack = -1
/**当前帧时间戳*/
private var mCurSampleTime: Long = 0
/**开始解码时间点*/
private var mStartPos: Long = 0
init {
//【1，初始化】
mExtractor = MediaExtractor()
mExtractor?.setDataSource(path)
}
/**
* 获取视频格式参数
*/
fun getVideoFormat(): MediaFormat? {
//【2.1，获取视频多媒体格式】
for (i in 0 until mExtractor!!.trackCount) {
val mediaFormat = mExtractor!!.getTrackFormat(i)
val mime = mediaFormat.getString(MediaFormat.KEY_MIME)
if (mime.startsWith("video/")) {
mVideoTrack = i
break
}
}
return if (mVideoTrack >= 0)
mExtractor!!.getTrackFormat(mVideoTrack)
else null
}
/**
* 获取音频格式参数
*/
fun getAudioFormat(): MediaFormat? {
//【2.2，获取音频频多媒体格式】
for (i in 0 until mExtractor!!.trackCount) {
val mediaFormat = mExtractor!!.getTrackFormat(i)
val mime = mediaFormat.getString(MediaFormat.KEY_MIME)
if (mime.startsWith("audio/")) {
mAudioTrack = i
break
}
}
return if (mAudioTrack >= 0) {
mExtractor!!.getTrackFormat(mAudioTrack)
} else null
}
/**
* 读取视频数据
*/
fun readBuffer(byteBuffer: ByteBuffer): Int {
//【3，提取数据】
byteBuffer.clear()
selectSourceTrack()
var readSampleCount = mExtractor!!.readSampleData(byteBuffer, 0)
if (readSampleCount < 0) {
return -1
}
mCurSampleTime = mExtractor!!.sampleTime
mExtractor!!.advance()
return readSampleCount
}
/**
* 选择通道
*/
private fun selectSourceTrack() {
if (mVideoTrack >= 0) {
mExtractor!!.selectTrack(mVideoTrack)
} else if (mAudioTrack >= 0) {
mExtractor!!.selectTrack(mAudioTrack)
}
}
/**
* Seek到指定位置，并返回实际帧的时间戳
*/
fun seek(pos: Long): Long {
mExtractor!!.seekTo(pos, MediaExtractor.SEEK_TO_PREVIOUS_SYNC)
return mExtractor!!.sampleTime
}
/**
* 停止读取数据
*/
fun stop() {
//【4，释放提取器】
mExtractor?.release()
mExtractor = null
}
fun getVideoTrack(): Int {
return mVideoTrack
}
fun getAudioTrack(): Int {
return mAudioTrack
}
fun setStartPos(pos: Long) {
mStartPos = pos
}
/**
* 获取当前帧时间
*/
fun getCurrentTimestamp(): Long {
return mCurSampleTime
}
}比较简单，直接把代码贴出来了。
关键部分有5个，做一下简单讲解：
- 【1，初始化】
很简单，两句代码：新建，然后设置音视频文件路径
mExtractor = MediaExtractor()
mExtractor?.setDataSource(path)- 【2.1/2.2，获取音视频多媒体格式】
音频和视频是一样的：
1）遍历视频文件中所有的通道，一般是音频和视频两个通道；
2） 然后获取对应通道的编码格式，判断是否包含"video/"或者"audio/"开头的编码格式；
3）最后通过获取的索引，返回对应的音视频多媒体格式信息。
- 【3，提取数据】
重点看看如何提取数据：
1）readBuffer(byteBuffer: ByteBuffer)中的参数就是解码器传进来的，用于存放待解码数据的缓冲区。
2）selectSourceTrack()方法中，根据当前选择的通道（同时只选择一个音/视频通道），调用mExtractor!!.selectTrack(mAudioTrack)将通道切换正确。
3）然后读取数据：
var readSampleCount = mExtractor!!.readSampleData(byteBuffer, 0)此时，将返回读取到的音视频数据流的大小，小于0表示数据已经读完。
4）进入下一帧：先记录当前帧的时间戳，然后调用advance进入下一帧，这时读取指针将自动移动到下一帧开头。
//记录当前帧的时间戳
mCurSampleTime = mExtractor!!.sampleTime
//进入下一帧
mExtractor!!.advance()- 【4，释放提取器】
客户端退出解码的时候，需要调用stop是否提取器相关资源。
说明：seek(pos: Long)方法，主要用于跳播，快速将数据定位到指定的播放位置，但是，由于视频中，除了I帧以外，PB帧都需要依赖其他的帧进行解码，所以，通常只能seek到I帧，但是I帧通常和指定的播放位置有一定误差，因此需要指定seek靠近哪个关键帧，有以下三种类型： SEEK_TO_PREVIOUS_SYNC：跳播位置的上一个关键帧 SEEK_TO_NEXT_SYNC：跳播位置的下一个关键帧 SEEK_TO_CLOSEST_SYNC：距离跳播位置的最近的关键帧
到这里你就可以明白，为什么我们平时在看视频时，拖动进度条释放以后，视频通常会在你释放的位置往前一点
封装音频和视频提取器
上面封装的工具中，可以支持音频和视频的数据提取，下面我们将利用这个工具，用于分别提取音频和视频的数据。
先回顾一下，上篇文章定义的提取器模型：
interface IExtractor {
fun getFormat(): MediaFormat?
/**
* 读取音视频数据
*/
fun readBuffer(byteBuffer: ByteBuffer): Int
/**
* 获取当前帧时间
*/
fun getCurrentTimestamp(): Long
/**
* Seek到指定位置，并返回实际帧的时间戳
*/
fun seek(pos: Long): Long
fun setStartPos(pos: Long)
/**
* 停止读取数据
*/
fun stop()
}有了上面封装的工具，一切就变得很简单了，做一个代理转接就行了。
- 视频提取器
class VideoExtractor(path: String): IExtractor {
private val mMediaExtractor = MMExtractor(path)
override fun getFormat(): MediaFormat? {
return mMediaExtractor.getVideoFormat()
}
override fun readBuffer(byteBuffer: ByteBuffer): Int {
return mMediaExtractor.readBuffer(byteBuffer)
}
override fun getCurrentTimestamp(): Long {
return mMediaExtractor.getCurrentTimestamp()
}
override fun seek(pos: Long): Long {
return mMediaExtractor.seek(pos)
}
override fun setStartPos(pos: Long) {
return mMediaExtractor.setStartPos(pos)
}
override fun stop() {
mMediaExtractor.stop()
}
}- 音频提取器
class AudioExtractor(path: String): IExtractor {
private val mMediaExtractor = MMExtractor(path)
override fun getFormat(): MediaFormat? {
return mMediaExtractor.getAudioFormat()
}
override fun readBuffer(byteBuffer: ByteBuffer): Int {
return mMediaExtractor.readBuffer(byteBuffer)
}
override fun getCurrentTimestamp(): Long {
return mMediaExtractor.getCurrentTimestamp()
}
override fun seek(pos: Long): Long {
return mMediaExtractor.seek(pos)
}
override fun setStartPos(pos: Long) {
return mMediaExtractor.setStartPos(pos)
}
override fun stop() {
mMediaExtractor.stop()
}
}二、视频播放
我们先来定义一个视频解码器子类，继承BaseDecoder
class VideoDecoder(path: String,
sfv: SurfaceView?,
surface: Surface?): BaseDecoder(path) {
private val TAG = "VideoDecoder"
private val mSurfaceView = sfv
private var mSurface = surface
override fun check(): Boolean {
if (mSurfaceView == null && mSurface == null) {
Log.w(TAG, "SurfaceView和Surface都为空，至少需要一个不为空")
mStateListener?.decoderError(this, "显示器为空")
return false
}
return true
}
override fun initExtractor(path: String): IExtractor {
return VideoExtractor(path)
}
override fun initSpecParams(format: MediaFormat) {
}
override fun configCodec(codec: MediaCodec, format: MediaFormat): Boolean {
if (mSurface != null) {
codec.configure(format, mSurface , null, 0)
notifyDecode()
} else {
mSurfaceView?.holder?.addCallback(object : SurfaceHolder.Callback2 {
override fun surfaceRedrawNeeded(holder: SurfaceHolder) {
}
override fun surfaceChanged(holder: SurfaceHolder, format: Int, width: Int, height: Int) {
}
override fun surfaceDestroyed(holder: SurfaceHolder) {
}
override fun surfaceCreated(holder: SurfaceHolder) {
mSurface = holder.surface
configCodec(codec, format)
}
})
return false
}
return true
}
override fun initRender(): Boolean {
return true
}
override fun render(outputBuffers: ByteBuffer,
bufferInfo: MediaCodec.BufferInfo) {
}
override fun doneDecode() {
}
}上篇文章中，定义好了解码流程框架，子类定义就很简单清晰了，只需按部就班，填写基类中预留的虚函数即可。
- 检查参数
可以看到，视频解码支持两种类型渲染表面，一个是SurfaceView，一个Surface。当其实最后都是传递Surface给MediaCodec
- SurfaceView应该是大家比较熟悉的View了，最常使用的就是用来做MediaPlayer的显示。当然也可以绘制图片、动画等。
- Surface应该不是很常用了，这里为了支持后续使用OpenGL来渲染视频，所以预先做了支持。
- 生成数据提取器
override fun initExtractor(path: String): IExtractor {
return VideoExtractor(path)
}配置解码器
解码器的配置只需一句代码：
codec.configure(format, mSurface , null, 0)不知道在上一篇文章，你有没有发现，在BaseDecoder初始化解码器的方法initCodec()中， 调用了configCodec方法后，会进入waitDecode方法，将线程挂起。
abstract class BaseDecoder(private val mFilePath: String): IDecoder {
//省略其他
......
private fun initCodec(): Boolean {
try {
val type = mExtractor!!.getFormat()!!.getString(MediaFormat.KEY_MIME)
mCodec = MediaCodec.createDecoderByType(type)
if (!configCodec(mCodec!!, mExtractor!!.getFormat()!!)) {
waitDecode()
}
mCodec!!.start()
mInputBuffers = mCodec?.inputBuffers
mOutputBuffers = mCodec?.outputBuffers
} catch (e: Exception) {
return false
}
return true
}
}初始化Surface
就是因为考虑到一个问题，SurfaceView的创建是有一个时间过程的，并非马上可以使用，需要通过CallBack来监听它的状态。
在surface初始化完毕后，再配置MediaCodec。
override fun surfaceCreated(holder: SurfaceHolder) {
mSurface = holder.surface
configCodec(codec, format)
}如果使用OpenGL直接传递surface进来，直接配置MediaCodec即可。
渲染
上文提到过，视频的渲染并不需要客户端手动去渲染，只需提供绘制表面surface，调用releaseOutputBuffer，将2个参数设置为true即可。所以，这里也不用在做什么操作了。
mCodec!!.releaseOutputBuffer(index, true)三、音频播放
有了上面视频播放器的基础以后，音频播放器也是分分钟搞定的事了。
class AudioDecoder(path: String): BaseDecoder(path) {
/**采样率*/
private var mSampleRate = -1
/**声音通道数量*/
private var mChannels = 1
/**PCM采样位数*/
private var mPCMEncodeBit = AudioFormat.ENCODING_PCM_16BIT
/**音频播放器*/
private var mAudioTrack: AudioTrack? = null
/**音频数据缓存*/
private var mAudioOutTempBuf: ShortArray? = null
override fun check(): Boolean {
return true
}
override fun initExtractor(path: String): IExtractor {
return AudioExtractor(path)
}
override fun initSpecParams(format: MediaFormat) {
try {
mChannels = format.getInteger(MediaFormat.KEY_CHANNEL_COUNT)
mSampleRate = format.getInteger(MediaFormat.KEY_SAMPLE_RATE)
mPCMEncodeBit = if (format.containsKey(MediaFormat.KEY_PCM_ENCODING)) {
format.getInteger(MediaFormat.KEY_PCM_ENCODING)
} else {
//如果没有这个参数，默认为16位采样
AudioFormat.ENCODING_PCM_16BIT
}
} catch (e: Exception) {
}
}
override fun configCodec(codec: MediaCodec, format: MediaFormat): Boolean {
codec.configure(format, null , null, 0)
return true
}
override fun initRender(): Boolean {
val channel = if (mChannels == 1) {
//单声道
AudioFormat.CHANNEL_OUT_MONO
} else {
//双声道
AudioFormat.CHANNEL_OUT_STEREO
}
//获取最小缓冲区
val minBufferSize = AudioTrack.getMinBufferSize(mSampleRate, channel, mPCMEncodeBit)
mAudioOutTempBuf = ShortArray(minBufferSize/2)
mAudioTrack = AudioTrack(
AudioManager.STREAM_MUSIC,//播放类型：音乐
mSampleRate, //采样率
channel, //通道
mPCMEncodeBit, //采样位数
minBufferSize, //缓冲区大小
AudioTrack.MODE_STREAM) //播放模式：数据流动态写入，另一种是一次性写入
mAudioTrack!!.play()
return true
}
override fun render(outputBuffer: ByteBuffer,
bufferInfo: MediaCodec.BufferInfo) {
if (mAudioOutTempBuf!!.size < bufferInfo.size / 2) {
mAudioOutTempBuf = ShortArray(bufferInfo.size / 2)
}
outputBuffer.position(0)
outputBuffer.asShortBuffer().get(mAudioOutTempBuf, 0, bufferInfo.size/2)
mAudioTrack!!.write(mAudioOutTempBuf!!, 0, bufferInfo.size / 2)
}
override fun doneDecode() {
mAudioTrack?.stop()
mAudioTrack?.release()
}
}初始化流程和视频是一样的，不一样的地方有三个：
1. 初始化解码器
音频不需要surface，直接传null
codec.configure(format, null , null, 0)2. 获取参数不一样
音频播放需要获取采样率，通道数，采样位数等
3. 需要初始化一个音频渲染器：AudioTrack
由于解码出来的数据是PCM数据，所以直接使用AudioTrack播放即可。在initRender() 中对其进行初始化。
- 根据通道数量配置单声道和双声道
- 根据采样率、通道数、采样位数计算获取最小缓冲区
AudioTrack.getMinBufferSize(mSampleRate, channel, mPCMEncodeBit)- 创建AudioTrack，并启动
mAudioTrack = AudioTrack(
AudioManager.STREAM_MUSIC,//播放类型：音乐
mSampleRate, //采样率
channel, //通道
mPCMEncodeBit, //采样位数
minBufferSize, //缓冲区大小
AudioTrack.MODE_STREAM) //播放模式：数据流动态写入，另一种是一次性写入
mAudioTrack!!.play()4. 手动渲染音频数据，实现播放
最后就是将解码出来的数据写入AudioTrack，实现播放。
有一点注意的点是，需要把解码数据由ByteBuffer类型转换为ShortBuffer，这时Short数据类型的长度要减半。
四、调用并播放
以上，基本实现了音视频的播放流程，如无意外，在页面上调用以上音视频解码器，就可以实现播放了。
简单看下页面和相关调用。
main_activity.xml
<?xml version="1.0" encoding="utf-8"?>
<android.support.constraint.ConstraintLayout
xmlns:android="http://schemas.android.com/apk/res/android"
xmlns:tools="http://schemas.android.com/tools"
xmlns:app="http://schemas.android.com/apk/res-auto"
android:layout_width="match_parent"
android:layout_height="match_parent"
tools:context=".MainActivity">
<SurfaceView android:id="@+id/sfv"
app:layout_constraintTop_toTopOf="parent"
android:layout_width="match_parent"
android:layout_height="200dp"/>
</android.support.constraint.ConstraintLayout>MainActivity.kt
class MainActivity : AppCompatActivity() {
override fun onCreate(savedInstanceState: Bundle?) {
super.onCreate(savedInstanceState)
setContentView(R.layout.activity_main)
initPlayer()
}
private fun initPlayer() {
val path = Environment.getExternalStorageDirectory().absolutePath + "/mvtest.mp4"
//创建线程池
val threadPool = Executors.newFixedThreadPool(2)
//创建视频解码器
val videoDecoder = VideoDecoder(path, sfv, null)
threadPool.execute(videoDecoder)
//创建音频解码器
val audioDecoder = AudioDecoder(path)
threadPool.execute(audioDecoder)
//开启播放
videoDecoder.goOn()
audioDecoder.goOn()
}
}至此，基本上实现音视频的解码和播放。但是如果你真正把代码跑起来的话，你会发现：视频和音频为什么不同步啊，视频就像倍速播放一样，一下就播完了，但是音频却很正常。
这就要引出下一个不可避免的问题了，那就是音视频同步。
五、音视频同步
同步信号来源
由于视频和音频是两个独立的任务在运行，视频和音频的解码速度也不一样，解码出来的数据也不一定马上就可以显示出来。
在第一篇文章的时候有说过，解码有两个重要的时间参数：PTS和DTS，分别用于表示渲染的时间和解码时间，这里就需要用到PTS。
播放器中一般存在三个时间，音频的时间，视频的时间，还有另外一个就是系统时间。这样可以用来实现同步的时间源就有三个：
- 视频时间戳
- 音频时间戳
- 外部时间戳
- 视频PTS
通常情况下，由于人类对声音比较敏感，并且视频解码的PTS通常不是连续，而音频的PTS是比较连续的，如果以视频为同步信号源的话，基本上声音都会出现异常，而画面的播放也会像倍速播放一样。
- 音频PTS
那么剩下的两个选择中，以音频的PTS作为同步源，让画面适配音频是比较不错的一种选择。
但是这里不采用，而是使用系统时间作为同步信号源。因为如果以音频PTS作为同步源的话，需要比较复杂的同步机制，音频和视频两者之间也有比较多的耦合。
- 系统时间
而系统时间作为统一信号源则非常适合，音视频彼此独立互不干扰，同时又可以保证基本一致。
实现音视频同步
要实现音视频之间的同步，这里需要考虑的有两个点：
1. 比对
在解码数据出来以后，检查PTS时间戳和当前系统流过的时间差距，快则延时，慢则直接播放
2. 矫正
在进入暂停或解码结束，重新恢复播放时，需要将系统流过的时间做一下矫正，将暂停的时间减去，恢复真正的流逝时间，即已播放时间。
重新看回BaseDecoder解码流程：
abstract class BaseDecoder(private val mFilePath: String): IDecoder {
//省略其他
......
/**
* 开始解码时间，用于音视频同步
*/
private var mStartTimeForSync = -1L
final override fun run() {
if (mState == DecodeState.STOP) {
mState = DecodeState.START
}
mStateListener?.decoderPrepare(this)
//【解码步骤：1. 初始化，并启动解码器】
if (!init()) return
Log.i(TAG, "开始解码")
while (mIsRunning) {
if (mState != DecodeState.START &&
mState != DecodeState.DECODING &&
mState != DecodeState.SEEKING) {
Log.i(TAG, "进入等待：$mState")
waitDecode()
// ---------【同步时间矫正】-------------
//恢复同步的起始时间，即去除等待流失的时间
mStartTimeForSync = System.currentTimeMillis() - getCurTimeStamp()
}
if (!mIsRunning ||
mState == DecodeState.STOP) {
mIsRunning = false
break
}
if (mStartTimeForSync == -1L) {
mStartTimeForSync = System.currentTimeMillis()
}
//如果数据没有解码完毕，将数据推入解码器解码
if (!mIsEOS) {
//【解码步骤：2. 见数据压入解码器输入缓冲】
mIsEOS = pushBufferToDecoder()
}
//【解码步骤：3. 将解码好的数据从缓冲区拉取出来】
val index = pullBufferFromDecoder()
if (index >= 0) {
// ---------【音视频同步】-------------
if (mState == DecodeState.DECODING) {
sleepRender()
}
//【解码步骤：4. 渲染】
render(mOutputBuffers!![index], mBufferInfo)
//【解码步骤：5. 释放输出缓冲】
mCodec!!.releaseOutputBuffer(index, true)
if (mState == DecodeState.START) {
mState = DecodeState.PAUSE
}
}
//【解码步骤：6. 判断解码是否完成】
if (mBufferInfo.flags == MediaCodec.BUFFER_FLAG_END_OF_STREAM) {
Log.i(TAG, "解码结束")
mState = DecodeState.FINISH
mStateListener?.decoderFinish(this)
}
}
doneDecode()
release()
}
}- 在不考虑暂停、恢复的情况下，什么时候进行时间同步呢？
答案是：数据解码出来以后，渲染之前。
解码器进入解码状态以后，来到【解码步骤：3. 将解码好的数据从缓冲区拉取出来】，这时如果数据是有效的，那么进入比对。
// ---------【音视频同步】-------------
final override fun run() {
//......
//【解码步骤：3. 将解码好的数据从缓冲区拉取出来】
val index = pullBufferFromDecoder()
if (index >= 0) {
// ---------【音视频同步】-------------
if (mState == DecodeState.DECODING) {
sleepRender()
}
//【解码步骤：4. 渲染】
render(mOutputBuffers!![index], mBufferInfo)
//【解码步骤：5. 释放输出缓冲】
mCodec!!.releaseOutputBuffer(index, true)
if (mState == DecodeState.START) {
mState = DecodeState.PAUSE
}
}
//......
}
private fun sleepRender() {
val passTime = System.currentTimeMillis() - mStartTimeForSync
val curTime = getCurTimeStamp()
if (curTime > passTime) {
Thread.sleep(curTime - passTime)
}
}
override fun getCurTimeStamp(): Long {
return mBufferInfo.presentationTimeUs / 1000
}同步的原理如下：
进入解码前，获取当前系统时间，存放在mStartTimeForSync，一帧数据解码出来以后，计算当前系统时间和mStartTimeForSync的距离，也就是已经播放的时间，如果当前帧的PTS大于流失的时间，进入sleep，否则直接渲染。
- 考虑暂停情况下的时间矫正
在进入暂停以后，由于系统时间一直在走，而mStartTimeForSync并没有随着系统时间累加，所以当恢复播放以后，重新将mStartTimeForSync加上这段暂停的时间段。
只不过计算方法有多种：
一种是记录暂停的时间，恢复时用系统时间减去暂停时间，就是暂停的时间段，然后用mStartTimeForSync加上这段暂停的时间段，就是新的mStartTimeForSync；
另一个种是用恢复播放时的系统时间，减去当前正要播放的帧的PTS，得出的值就是mStartTimeForSync。
这里采用第二种
if (mState != DecodeState.START &&
mState != DecodeState.DECODING &&
mState != DecodeState.SEEKING) {
Log.i(TAG, "进入等待：$mState")
waitDecode()
// ---------【同步时间矫正】-------------
//恢复同步的起始时间，即去除等待流失的时间
mStartTimeForSync = System.currentTimeMillis() - getCurTimeStamp()
}至此，从解码到播放，再到音视频同步，一个简单的播放器就做完了。