Android FFmpeg系列02--音视频基础

本文主要分为音视频的一些基础概念和FFmpeg相关的基础概念两个部分

音视频基础

封装/解封装

• 封装：将视频码流/音频码流按照一定的格式存储在容器（文件）中，常见的封装格式为MP4、FLV、MKV等
• 解封装：封装的逆过程，将音视频文件分离为音频、视频等码流的过程，比如将MP4解封装为H.264和AAC

编码/解码

• 编码：将原始的视频数据（RGB、YUV等）压缩为视频码流，音频数据（PCM等）压缩为音频码流的过程叫做编码。音\视频原始数据如果不经过压缩编码的话，通常体积是非常大的，不利于存储和网络传输。常见的视频编码标准有H.263，H.264，MPEG2等，音频编码标准AAC，MP3，AC-3等
• 解码：编码的逆过程，将音\视频压缩编码的数据转为原始数据

软编（解）/硬编（解）

• 软编（解）：使用CPU进行编解码处理
• 硬编（解）：使用非CPU进行编解码，如显卡GPU、专用的DSP、FPGA等

软编（解）的时候CPU负载重，性能比硬编（解）低，但是通用性更好；硬编（解）性能高但是兼容性问题比较突出，特别是在Android平台，碎片化严重，MediaCodec的坑也是不少

视频帧率

视频一秒显示的帧数

音频采样率

即取样频率，指录音设备在单位时间内对模拟信号采样的多少采样率越高，声音的质量越好，还原越真实。目前主流采集卡上，采样频率一般共分为11025Hz、22050Hz、24000Hz、44100Hz、48000Hz五个等级

不过人耳的分辨能力有限，太高的频率也区分不出来。人耳能感觉到的最低波长为1.7cm，即20000Hz，因此要满足人耳的听觉要求，根据奈奎斯特采样定理，1s采样至少需要40000次，即40kHz

音视频同步

音视频文件经过解封装后，音频/视频解码便开始独立进行，渲染也是独立的。在音频流中播放速度按照音频采样率进行，视频流中播放速度按照帧率进行

理想情况下音视频独立播放是同步的，但实际上如果不做音视频同步处理，基本上都会出现音画不同步的问题，造成的原因主要还是一帧的播放时间很难控制在理想情况，音视频每帧的解码和渲染的耗时不同，可能造成每帧都存在一定误差且误差会逐渐积累

音视频同步的三种方式：视频参考音频时钟、音频/视频参考外部时钟、音频参考视频时钟，常用的是前两种，更详细的内容后面更新到FFmpeg音视频同步的时候再细说～

码率

也叫比特率，单位时间内音频/视频的比特数量。比特率越高文件大小越大，消耗的带宽也就越多，一般用kbps（千比特/秒）来表示

音频比特率：采样率 * 采样精度 * 声道数

视频比特率：帧率 * 每帧数据大小

声道数

即声音的通道的数目。常见的有单声道，双声道，4声道，5.1声道等

采样位数

即采样值，采样精度，用来衡量声音波动变化的一个参数，一般有8bit，16bit等。

分辨率

视频画面的大小或尺寸

I、P、B帧

• I帧（内部编码帧）：使用帧内压缩，不使用运动补偿，不依赖其它帧所以可以独立解码为一幅完整的图像。I帧图像的压缩倍数相对较低
• P帧（前向预测帧）：采用帧间编码方式，同时利用了空间和时间上的相关性。P帧图像只采用前向时间预测，可以提高压缩效率和图像质量
• B帧（双向内插帧）：采用帧间编码方式且双向时间预测，提供了最高的压缩比。B帧既参考之前的I帧或P帧，也参考后面的P帧，所以会造成视频帧的解码顺序和显示顺序不同

GOP

GOP（Group Of Pictures）：一组连续的图像，由一个I帧开始和多个B/P帧组成，是编/解码器存取的基本单位

GOP分为闭合GOP和开放GOP

闭合GOP以一个被称为IDR（即时解码刷新）的I帧开始，当解码器遇到IDR帧时，会立即刷新解码图片缓冲区，在IDR之前出现的帧都不能作为该GOP内B/P帧的参考帧，这样就形成了图片序列的中断，可以防止错误的持续传递

（图片来自参考1）

开放GOP和闭合GOP相反，允许其内的帧参考其他GOP内的帧

（两种GOP更详细的作用和差异推荐阅读文末的参考1）

DTS、PTS

• DTS（Decoding Time Stamp）：解码时间戳，告知解码器在什么时间点解码这一帧的数据
• PTS（Presentation Time Stamp）：显示时间戳，告知播放器什么时间点显示这一帧数据

下面这张图非常方便的辅助理解GOP，I/B/P帧和DTS和PTS

（图片来自网络）

FFmpeg基础

常用so

• libavformat：封装了Protocal/demuxer/muxer层，FFmpeg能否支持一种封装格式的视频的封装和解封装，依赖这个库。例如mp4、flv等容器的封装和解封装；rtmp、rtsp等协议的封装和解封装；
• libavcodec：编码解码模块，封装了codec层。如libx264、FDK-AAC等库因为License的关系不会被FFmpeg带上，如需要可以通过第三方codec插件的形式注册添加到FFmpeg
• libavutil：核心工具模块，提供音视频处理的一些基本操作，比如数学函数、错误码及错误处理、内存相关管理等
• libswresample：音频重采样，可以对数字音频进行声道数、数据格式、采样率等多种基本信息的转换
• libswscale：图像格式转换，比如将YUV转RGB等
• libavfilter：音视频滤镜模块，包含了音频特效和视频特效的处理

重要结构体

• AVFormatContext：在FFmpeg开发中是一个贯穿整个流程的数据结构，存储了整个音视频流和metadata信息
• AVCodecContext：存储视频/音频流使用解码方式的相关数据
• AVStream：存储一个视频/音频流的相关数据，每个AVStream对应一个AVCodecContext，每个AVCodecContext对应一个AVCodec，包含该视频/音频流对应的编解码器
• AVPacket：保存了解复用（demuxer）之后的压缩数据和附加信息，比如pts，dts，duration等
• AVFrame：保存解码后的原始数据

（图片来自网络）

最重要的结构体大概就这几个，我们先知道有这些东西和作用即可，后面在开发中慢慢完善知识树

时间基（time_base）

在FFmpeg中，对时间基time_base的理解也是一个非常基础且重要的点

time_base是时间戳的单位，时间戳乘以时间基可以得到实际的时间值（以秒为单位），我们可以把time_base看作一个时钟脉冲，dts/pts等看作时钟脉冲的计数

例如某一个视频帧dts是40，pts是100，time_base是1/1000秒，那么该视频帧的解码时间点是40ms，显示时间点是100ms

FFmpeg有三种time_base，用ffprob探测音视频文件时可以看到有tbr，tbn，tbc

• tbn对应容器中的时间基，值为AVStream.time_base的倒数
• tbc对应编解码器中的时间基，值为AVCodecContext.time_base的倒数
• tbr是从视频流中猜算得到，可能是帧率或者场率（帧率的2倍）

参考

1.【什么是闭合GOP和开放GOP】

https://cloud.tencent.com/developer/article/1919128

2.【FFMPEG中最关键的结构体之间的关系】

https://blog.csdn.net/leixiaohua1020/article/details/11693997

3.【FFMPEG时间戳详解】

https://www.cnblogs.com/leisure_chn/p/10584910.html

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