FFmpeg 播放器实现音视频同步的三种方式

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发布于 2020-09-03 16:29:30

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FFmpeg 开发系列连载：

前文中，我们基于 FFmpeg 利用 OpenGL ES 和 OpenSL ES 分别实现了对解码后视频和音频的渲染，本文将实现播放器的最后一个重要功能：音视频同步。

老人们经常说，播放器对音频和视频的播放没有绝对的静态的同步，只有相对的动态的同步，实际上音视频同步就是一个“你追我赶”的过程。

音视频的同步方式有 3 种，即：音视频分别向系统时钟同步、音频向视频同步及视频向音频同步。

播放器结构

在实现音视频同步之前，我们先简单说下本文播放器的大致结构，方便后面实现不同的音视频同步方式。

播放器结构

如上图所示，音频解码和视频解码分别占用一个独立线程，线程里有一个解码循环，解码循环里不断对音视频编码数据进行解码，音视频解码帧不设置缓存 Buffer , 进行实时渲染，极大地方便了音视频同步的实现。

音视频解码线程独立分离的播放器模式，简单灵活，代码量小，面向初学者，可以很方便实现音视频同步。

音视和视频解码流程非常相似，所以我们可以将二者的解码器抽象为一个基类：

class DecoderBase : public Decoder {
public:
    DecoderBase()
    {};
    virtual~ DecoderBase()
    {};
    //开始播放
    virtual void Start();
    //暂停播放
    virtual void Pause();
    //停止
    virtual void Stop();
    //获取时长
    virtual float GetDuration()
    {
        //ms to s
        return m_Duration * 1.0f / 1000;
    }
    //seek 到某个时间点播放
    virtual void SeekToPosition(float position);
    //当前播放的位置，用于更新进度条和音视频同步
    virtual float GetCurrentPosition();
    virtual void ClearCache()
    {};
    virtual void SetMessageCallback(void* context, MessageCallback callback)
    {
        m_MsgContext = context;
        m_MsgCallback = callback;
    }
    //设置音视频同步的回调
    virtual void SetAVSyncCallback(void* context, AVSyncCallback callback)
    {
        m_AVDecoderContext = context;
        m_AudioSyncCallback = callback;
    }

protected:
    //解码数据的回调
    virtual void OnFrameAvailable(AVFrame *frame) = 0;

    AVCodecContext *GetCodecContext() {
        return m_AVCodecContext;
    }
private:
    int InitFFDecoder();
    void UnInitDecoder();
    //启动解码线程
    void StartDecodingThread();
    //音视频解码循环
    void DecodingLoop();
    //更新显示时间戳
    void UpdateTimeStamp();
    //音视频同步
    void AVSync();
    //解码一个packet编码数据
    int DecodeOnePacket();
    //线程函数
    static void DoAVDecoding(DecoderBase *decoder);

    //封装格式上下文
    AVFormatContext *m_AVFormatContext = nullptr;
    //解码器上下文
    AVCodecContext  *m_AVCodecContext = nullptr;
    //解码器
    AVCodec         *m_AVCodec = nullptr;
    //编码的数据包
    AVPacket        *m_Packet = nullptr;
    //解码的帧
    AVFrame         *m_Frame = nullptr;
    //数据流的类型
    AVMediaType      m_MediaType = AVMEDIA_TYPE_UNKNOWN;
    //文件地址
    char       m_Url[MAX_PATH] = {0};
    //当前播放时间
    long             m_CurTimeStamp = 0;
    //播放的起始时间
    long             m_StartTimeStamp = -1;
    //总时长 ms
    long             m_Duration = 0;
    //数据流索引
    int              m_StreamIndex = -1;
    //锁和条件变量
    mutex               m_Mutex;
    condition_variable  m_Cond;
    thread             *m_Thread = nullptr;
    //seek position
    volatile float      m_SeekPosition = 0;
    volatile bool       m_SeekSuccess = false;
    //解码器状态
    volatile int  m_DecoderState = STATE_UNKNOWN;
    void* m_AVDecoderContext = nullptr;
    AVSyncCallback m_AudioSyncCallback = nullptr;//用作音视频同步
};

篇幅有限，代码贴多了容易导致视觉疲劳，完整实现代码见阅读原文，这里只贴出几个关键函数。

解码循环。

void DecoderBase::DecodingLoop() {
    LOGCATE("DecoderBase::DecodingLoop start, m_MediaType=%d", m_MediaType);
    {
        std::unique_lock<std::mutex> lock(m_Mutex);
        m_DecoderState = STATE_DECODING;
        lock.unlock();
    }

    for(;;) {
        while (m_DecoderState == STATE_PAUSE) {
            std::unique_lock<std::mutex> lock(m_Mutex);
            LOGCATE("DecoderBase::DecodingLoop waiting, m_MediaType=%d", m_MediaType);
            m_Cond.wait_for(lock, std::chrono::milliseconds(10));
            m_StartTimeStamp = GetSysCurrentTime() - m_CurTimeStamp;
        }

        if(m_DecoderState == STATE_STOP) {
            break;
        }

        if(m_StartTimeStamp == -1)
            m_StartTimeStamp = GetSysCurrentTime();

        if(DecodeOnePacket() != 0) {
            //解码结束，暂停解码器
            std::unique_lock<std::mutex> lock(m_Mutex);
            m_DecoderState = STATE_PAUSE;
        }
    }
    LOGCATE("DecoderBase::DecodingLoop end");
}

获取当前时间戳。

void DecoderBase::UpdateTimeStamp() {
    LOGCATE("DecoderBase::UpdateTimeStamp");
    //参照 ffplay 
    std::unique_lock<std::mutex> lock(m_Mutex);
    if(m_Frame->pkt_dts != AV_NOPTS_VALUE) {
        m_CurTimeStamp = m_Frame->pkt_dts;
    } else if (m_Frame->pts != AV_NOPTS_VALUE) {
        m_CurTimeStamp = m_Frame->pts;
    } else {
        m_CurTimeStamp = 0;
    }

    m_CurTimeStamp = (int64_t)((m_CurTimeStamp * av_q2d(m_AVFormatContext->streams[m_StreamIndex]->time_base)) * 1000);

}

解码一个 packet 的编码数据。

int DecoderBase::DecodeOnePacket() {
    int result = av_read_frame(m_AVFormatContext, m_Packet);
    while(result == 0) {
        if(m_Packet->stream_index == m_StreamIndex) {
            if(avcodec_send_packet(m_AVCodecContext, m_Packet) == AVERROR_EOF) {
                //解码结束
                result = -1;
                goto __EXIT;
            }

            //一个 packet 包含多少 frame?
            int frameCount = 0;
            while (avcodec_receive_frame(m_AVCodecContext, m_Frame) == 0) {
                //更新时间戳
                UpdateTimeStamp();
                //同步
                AVSync();
                //渲染
                LOGCATE("DecoderBase::DecodeOnePacket 000 m_MediaType=%d", m_MediaType);
                OnFrameAvailable(m_Frame);
                LOGCATE("DecoderBase::DecodeOnePacket 0001 m_MediaType=%d", m_MediaType);
                frameCount ++;
            }
            LOGCATE("BaseDecoder::DecodeOneFrame frameCount=%d", frameCount);
            //判断一个 packet 是否解码完成
            if(frameCount > 0) {
                result = 0;
                goto __EXIT;
            }
        }
        av_packet_unref(m_Packet);
        result = av_read_frame(m_AVFormatContext, m_Packet);
    }

__EXIT:
    av_packet_unref(m_Packet);
    return result;
}

音视频向系统时钟同步

音视频向系统时钟同步，顾名思义，系统时钟的更新是按照时间的增加而增加，获取音视频解码帧时与系统时钟进行对齐操作。

简而言之就是，当前音频或视频播放时间戳大于系统时钟时，解码线程进行休眠，直到时间戳与系统时钟对齐。

音视频向系统时钟同步。

void DecoderBase::AVSync() {
    LOGCATE("DecoderBase::AVSync");
    long curSysTime = GetSysCurrentTime();
    //基于系统时钟计算从开始播放流逝的时间
    long elapsedTime = curSysTime - m_StartTimeStamp;

    //向系统时钟同步
    if(m_CurTimeStamp > elapsedTime) {
        //休眠时间
        auto sleepTime = static_cast<unsigned int>(m_CurTimeStamp - elapsedTime);//ms
        av_usleep(sleepTime * 1000);
    }
}

音视频向系统时钟同步可以最大限度减少丢帧跳帧现象，但是前提是系统时钟不能受其他耗时任务影响。

音频向视频同步

音频向视频同步，就是音频的时间戳向视频的时间戳对齐。由于视频有固定的刷新频率，即 FPS ，我们根据 PFS 确定每帧的渲染时长，然后以此来确定视频的时间戳。

当音频时间戳大于视频时间戳，或者超过一定的阈值，音频播放器一般插入静音帧、休眠或者放慢播放。反之，就需要跳帧、丢帧或者加快音频播放。

void DecoderBase::AVSync() {
    LOGCATE("DecoderBase::AVSync");
    if(m_AVSyncCallback != nullptr) {
        //音频向视频同步,传进来的 m_AVSyncCallback 用于获取视频时间戳
        long elapsedTime = m_AVSyncCallback(m_AVDecoderContext);
        LOGCATE("DecoderBase::AVSync m_CurTimeStamp=%ld, elapsedTime=%ld", m_CurTimeStamp, elapsedTime);

        if(m_CurTimeStamp > elapsedTime) {
            //休眠时间
            auto sleepTime = static_cast<unsigned int>(m_CurTimeStamp - elapsedTime);//ms
            av_usleep(sleepTime * 1000);
        }
    }
}

音频向视频同步时，解码器设置。

//创建解码器
m_VideoDecoder = new VideoDecoder(url);
m_AudioDecoder = new AudioDecoder(url);

//设置渲染器
m_VideoDecoder->SetVideoRender(OpenGLRender::GetInstance());
m_AudioRender = new OpenSLRender();
m_AudioDecoder->SetVideoRender(m_AudioRender);

//设置视频时间戳回调
m_AudioDecoder->SetAVSyncCallback(m_VideoDecoder, VideoDecoder::GetVideoDecoderTimestampForAVSync);

音频向视频同步方式的优点是，视频可以将每一帧播放出来，画面流畅度最优。

但是由于人耳对声音相对眼睛对图像更为敏感，音频在与视频对齐时，插入静音帧、丢帧或者变速播放操作，用户可以轻易察觉，体验较差。

视频向音频同步

视频向音频同步的方式比较常用，刚好利用了人耳朵对声音变化比眼睛对图像变化更为敏感的特点。

音频按照固定的采样率播放，为视频提供对齐基准，当视频时间戳大于音频时间戳时，渲染器不进行渲染或者重复渲染上一帧，反之，进行跳帧渲染。

void DecoderBase::AVSync() {
    LOGCATE("DecoderBase::AVSync");
    if(m_AVSyncCallback != nullptr) {
        //视频向音频同步,传进来的 m_AVSyncCallback 用于获取音频时间戳
        long elapsedTime = m_AVSyncCallback(m_AVDecoderContext);
        LOGCATE("DecoderBase::AVSync m_CurTimeStamp=%ld, elapsedTime=%ld", m_CurTimeStamp, elapsedTime);

        if(m_CurTimeStamp > elapsedTime) {
            //休眠时间
            auto sleepTime = static_cast<unsigned int>(m_CurTimeStamp - elapsedTime);//ms
            av_usleep(sleepTime * 1000);
        }
    }
}

音频向视频同步时，解码器设置。

//创建解码器
m_VideoDecoder = new VideoDecoder(url);
m_AudioDecoder = new AudioDecoder(url);

//设置渲染器
m_VideoDecoder->SetVideoRender(OpenGLRender::GetInstance());
m_AudioRender = new OpenSLRender();
m_AudioDecoder->SetVideoRender(m_AudioRender);

//设置音频时间戳回调
m_VideoDecoder->SetAVSyncCallback(m_AudioDecoder, AudioDecoder::GetAudioDecoderTimestampForAVSync);

结语

播放器实现音视频同步的这三种方式中，选择哪一种方式合适要视具体的使用场景而定，比如你对画面流畅度要求很高，可以选择音频向视频同步；你要单独实现视频或音频播放，直接向系统时钟同步更为方便。

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原始发表：2020-08-31，如有侵权请联系 cloudcommunity@tencent.com 删除

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