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Android音視頻【三】硬解碼播放H264

2020-12-27 11:02:28 其他

人間觀察
窮人家的孩子真的是在社會上瞎混

遙遠的2020年馬上就過去了，天吶！！！

前兩篇介紹了下H264的知識和碼流結構，本篇就拿上篇從抖音/快手抽離的h264檔案實作在Android中進行解碼播放&以及介紹所涉及的知識，

本文代碼用kotlin來寫，最近在學習ing，加油吧，打工人，你要悄悄打工，

視頻效果

文章搞不了視頻，貼個圖吧，
H264DecoderDemo

軟硬編解碼

在介紹前我們需要知道什么是軟硬編解碼？

1.軟編解碼：是利用軟體本身或者說是使用CPU對原視頻進行編解碼的方式，

優點：兼容性好，

缺點：CPU占用率高，app記憶體占用率變高，可能會因CPU發熱而降頻、卡頓，無法流暢錄制、播放視頻等問題，

2.硬編解碼：使用非CPU進行編碼，如顯卡GPU、專用的DSP芯片、廠商芯片等，一般編解碼演算法固定所以采用芯片處理，

優點：編碼速度非常快且效率極高，CPU的占用率低，就算長時間高清錄制視頻手機也不會發燙，

缺點：但是兼容性不好，往往畫面不夠精細也很難解決（但是還可以沒到不能看的程度），

MediaCodec硬編解碼

一般Android中直播采集端/短視頻的編輯軟體都是默認采用硬編解碼，如果手機不支持再采用軟編解碼，硬編解碼是王道，

在Android中是使用MediaCodec類進行編解碼，MediaCodec是什么呢？ MediaCodec是Android提供的用于對音視頻進行編解碼的類，它通過訪問底層的codec來實作編解碼的功能，比如你要把攝像頭的視頻yuv資料編碼為h264/h265，pcm編碼為aac，h264/h265解碼為yuv，aac解碼為pcm等等，MediaCodec是Android 4.1 API16引入的，在Android 5.0 API21加入了異步模式，

MediaCodec呼叫的是系統注冊過的編解碼器，硬體廠商把自己的硬編解碼器注冊到系統中就是硬編解碼，如果硬體廠商注冊的是軟編解碼就是軟解碼，往往不同的硬體廠商是不一樣的，然后MediaCodec負責呼叫，

獲取手機所支持的編解碼器

不同的手機不一樣所支持的編解碼器不同，如何獲取手機支持哪些編解碼器呢？如下：

    @RequiresApi(Build.VERSION_CODES.LOLLIPOP)
    private fun getSupportCodec() {
        val list = MediaCodecList(MediaCodecList.REGULAR_CODECS)
        val codecs = list.codecInfos
        Log.d(TAG, "Decoders:")
        for (codec in codecs) {
            if (!codec.isEncoder) Log.d(TAG, codec.name)
        }
        Log.d(TAG, "Encoders:")
        for (codec in codecs) {
            if (codec.isEncoder) Log.d(TAG, codec.name)
        }
    }

輸出

2020-12-25 19:16:00.914 13115-13115/com.bj.gxz.h264decoderdemo D/H264: Decoders:
2020-12-25 19:16:00.914 13115-13115/com.bj.gxz.h264decoderdemo D/H264: OMX.google.aac.decoder
2020-12-25 19:16:00.914 13115-13115/com.bj.gxz.h264decoderdemo D/H264: OMX.google.amrnb.decoder
2020-12-25 19:16:00.915 13115-13115/com.bj.gxz.h264decoderdemo D/H264: OMX.google.amrwb.decoder
2020-12-25 19:16:00.915 13115-13115/com.bj.gxz.h264decoderdemo D/H264: OMX.google.flac.decoder
2020-12-25 19:16:00.915 13115-13115/com.bj.gxz.h264decoderdemo D/H264: OMX.google.g711.alaw.decoder
2020-12-25 19:16:00.915 13115-13115/com.bj.gxz.h264decoderdemo D/H264: OMX.google.g711.mlaw.decoder
2020-12-25 19:16:00.915 13115-13115/com.bj.gxz.h264decoderdemo D/H264: OMX.google.gsm.decoder
2020-12-25 19:16:00.915 13115-13115/com.bj.gxz.h264decoderdemo D/H264: OMX.google.mp3.decoder
2020-12-25 19:16:00.915 13115-13115/com.bj.gxz.h264decoderdemo D/H264: OMX.google.opus.decoder
2020-12-25 19:16:00.915 13115-13115/com.bj.gxz.h264decoderdemo D/H264: OMX.google.raw.decoder
2020-12-25 19:16:00.915 13115-13115/com.bj.gxz.h264decoderdemo D/H264: OMX.google.vorbis.decoder
2020-12-25 19:16:00.915 13115-13115/com.bj.gxz.h264decoderdemo D/H264: OMX.hisi.video.decoder.avc
2020-12-25 19:16:00.915 13115-13115/com.bj.gxz.h264decoderdemo D/H264: OMX.google.h264.decoder
2020-12-25 19:16:00.915 13115-13115/com.bj.gxz.h264decoderdemo D/H264: OMX.google.h263.decoder
2020-12-25 19:16:00.915 13115-13115/com.bj.gxz.h264decoderdemo D/H264: OMX.hisi.video.decoder.hevc
2020-12-25 19:16:00.915 13115-13115/com.bj.gxz.h264decoderdemo D/H264: OMX.google.hevc.decoder
2020-12-25 19:16:00.915 13115-13115/com.bj.gxz.h264decoderdemo D/H264: OMX.hisi.video.decoder.mpeg2
2020-12-25 19:16:00.915 13115-13115/com.bj.gxz.h264decoderdemo D/H264: OMX.hisi.video.decoder.mpeg4
2020-12-25 19:16:00.915 13115-13115/com.bj.gxz.h264decoderdemo D/H264: OMX.google.mpeg4.decoder
2020-12-25 19:16:00.915 13115-13115/com.bj.gxz.h264decoderdemo D/H264: OMX.hisi.video.decoder.vp8
2020-12-25 19:16:00.915 13115-13115/com.bj.gxz.h264decoderdemo D/H264: OMX.google.vp8.decoder
2020-12-25 19:16:00.915 13115-13115/com.bj.gxz.h264decoderdemo D/H264: OMX.google.vp9.decoder
2020-12-25 19:16:00.915 13115-13115/com.bj.gxz.h264decoderdemo D/H264: Encoders:
2020-12-25 19:16:00.915 13115-13115/com.bj.gxz.h264decoderdemo D/H264: OMX.google.aac.encoder
2020-12-25 19:16:00.915 13115-13115/com.bj.gxz.h264decoderdemo D/H264: OMX.google.amrnb.encoder
2020-12-25 19:16:00.915 13115-13115/com.bj.gxz.h264decoderdemo D/H264: OMX.google.amrwb.encoder
2020-12-25 19:16:00.915 13115-13115/com.bj.gxz.h264decoderdemo D/H264: OMX.google.flac.encoder
2020-12-25 19:16:00.915 13115-13115/com.bj.gxz.h264decoderdemo D/H264: OMX.hisi.video.encoder.avc
2020-12-25 19:16:00.915 13115-13115/com.bj.gxz.h264decoderdemo D/H264: OMX.google.h264.encoder
2020-12-25 19:16:00.915 13115-13115/com.bj.gxz.h264decoderdemo D/H264: OMX.google.h263.encoder
2020-12-25 19:16:00.915 13115-13115/com.bj.gxz.h264decoderdemo D/H264: OMX.hisi.video.encoder.hevc
2020-12-25 19:16:00.915 13115-13115/com.bj.gxz.h264decoderdemo D/H264: OMX.google.mpeg4.encoder
2020-12-25 19:16:00.915 13115-13115/com.bj.gxz.h264decoderdemo D/H264: OMX.google.vp8.encoder
2020-12-25 19:16:00.915 13115-13115/com.bj.gxz.h264decoderdemo D/H264: OMX.google.vp9.encoder

看一下命名方式，軟解碼器通常是OMX.google開頭的，比如上面的OMX.google.h264.decoder，硬解碼器是以OMX.[hardware_vendor]開頭的，比如上面的OMX.hisi.video.decoder.avc 其中hisi應該是海思芯片，當然也有一些不按照這個規則來的，系統會認為他是軟解碼器， 編碼器的命名也是一樣的，

從Android系統的原始碼可以判斷出規則，
原始碼地址：http://androidos.net.cn/android/6.0.1_r16/xref/frameworks/av/media/libstagefright/OMXCodec.cpp

static bool IsSoftwareCodec(const char *componentName) {
    if (!strncmp("OMX.google.", componentName, 11)) {
        return true;
    }

    if (!strncmp("OMX.", componentName, 4)) {
        return false;
    }

    return true;
}

MediaCodec處理資料的型別

MediaCodec非常強大，支持的編解碼資料型別有： 壓縮的音頻資料、壓縮的視頻資料、原始音頻資料和原始視頻資料，以及支持不同的封裝格式的編解碼，如前文所訴如果是硬解碼當然也是需要手機廠商支持的，可以設定Surface來獲取/呈現原始的視頻資料，MediaCodec的有關API的方法和每個方法的引數都有它的含義，可以在使用的時候慢慢深究，

MediaCodec的編解碼流程

下圖是Android官方檔案提供的，官方檔案很詳細了，
https://developer.android.google.cn/reference/android/media/MediaCodec?hl=en

mediacodec的作業方式

MediaCodec處理輸入資料產生輸出資料，當異步處理資料時，使用一組輸入輸出ByteBuffer.流程通常是

  1. 將資料填入到預先設定的輸入緩沖區(ByteBuffer)，
  2. 輸入緩沖區填滿資料后將其傳給MediaCodec進行編解碼處理，編解碼處理完后它又填充到一個輸出ByteBuffer中，
  3. 然后使用方就可以獲取編解碼后的資料，再把ByteBuffer釋放回MediaCodec，往復回圈，

需要注意的是Bufffer佇列不是我們自己new物件后塞給MediaCodec，而是MediaCodec為了更好的控制Bufffer的處理，我們需要使用MediaCodec提供的方法獲取然后塞給它資料并取出資料，

MediaCodec API

  • MediaCodec的創建
    • createDecoderByType/createEncoderByType：根據特定MIME型別(比如"video/avc")創建codec，Decoder就是解碼器，Encoder就是編碼器，
    • createByCodecName：知道組件的確切名稱(如OMX.google.h264.decoder)的時候，根據組件名創建codec，使用MediaCodecList可以獲取組件的名稱，如上文所介紹，
  • configure：配置解碼器或者編碼器，比如你可以配置把解碼的資料通過surface進行展示，本文的后續就是解碼h264的demo就是配置surface來把yuv資料渲染到此surface上，
  • start：開始編解碼，處于等待資料的到來，
  • 資料的處理，開始編解碼
    • dequeueInputBuffer：回傳有效的輸入buffer的索引
    • queueInputBuffer：輸入流入佇列，一般是把資料塞給它
    • dequeueOutputBuffer：從輸出佇列中取出編/解碼后的資料，如果輸入的資料多，你可能要回圈讀取，一般在寫代碼的時候是需要回圈呼叫的
    • releaseOutputBuffer：釋放ByteBuffer資料回傳給MediaCodec
    • getInputBuffers：獲取需要編解碼資料的輸入流佇列，回傳的是一個ByteBuffer陣列
    • getOutputBuffers：獲取編解碼之后的資料輸出流佇列，回傳的是一個ByteBuffer陣列
  • flush：清空的輸入和輸出佇列buffer
  • stop： 停止編解碼器進行編解碼
  • release：釋放編解碼器

從上面的api中也大概看到了MediaCodec編解碼器API的生命周期，具體的可以再看下官網，

MediaCodec的同步異步編解碼

同步方式

官方示例

MediaCodec codec = MediaCodec.createByCodecName(name);
 codec.configure(format, …);
 MediaFormat outputFormat = codec.getOutputFormat(); // option B
 codec.start();
 for (;;) {
  int inputBufferId = codec.dequeueInputBuffer(timeoutUs);
  if (inputBufferId >= 0) {
    ByteBuffer inputBuffer = codec.getInputBuffer(…);
    // fill inputBuffer with valid data
    …
    codec.queueInputBuffer(inputBufferId, …);
  }
  int outputBufferId = codec.dequeueOutputBuffer(…);
  if (outputBufferId >= 0) {
    ByteBuffer outputBuffer = codec.getOutputBuffer(outputBufferId);
    MediaFormat bufferFormat = codec.getOutputFormat(outputBufferId); // option A
    // bufferFormat is identical to outputFormat
    // outputBuffer is ready to be processed or rendered.
    …
    codec.releaseOutputBuffer(outputBufferId, …);
  } else if (outputBufferId == MediaCodec.INFO_OUTPUT_FORMAT_CHANGED) {
    // Subsequent data will conform to new format.
    // Can ignore if using getOutputFormat(outputBufferId)
    outputFormat = codec.getOutputFormat(); // option B
  }
 }
 codec.stop();
 codec.release();

流程大概如下：

- 創建并配置MediaCodec物件
- 回圈直到完成：
  - 如果輸入buffer準備好了
    - 讀取一段輸入，將其填充到輸入buffer中進行編解碼
  - 如果輸出buffer準備好了：
    - 從輸出buffer中獲取編解碼后資料進行處理，
- 處理完畢后，銷毀 MediaCodec 物件，

異步方式

在Android 5.0, API21，引入了異步模式，官方示例：

MediaCodec codec = MediaCodec.createByCodecName(name);
 MediaFormat mOutputFormat; // member variable
 codec.setCallback(new MediaCodec.Callback() {
  @Override
  void onInputBufferAvailable(MediaCodec mc, int inputBufferId) {
    ByteBuffer inputBuffer = codec.getInputBuffer(inputBufferId);
    // fill inputBuffer with valid data
    …
    codec.queueInputBuffer(inputBufferId, …);
  }
 
  @Override
  void onOutputBufferAvailable(MediaCodec mc, int outputBufferId, …) {
    ByteBuffer outputBuffer = codec.getOutputBuffer(outputBufferId);
    MediaFormat bufferFormat = codec.getOutputFormat(outputBufferId); // option A
    // bufferFormat is equivalent to mOutputFormat
    // outputBuffer is ready to be processed or rendered.
    …
    codec.releaseOutputBuffer(outputBufferId, …);
  }
 
  @Override
  void onOutputFormatChanged(MediaCodec mc, MediaFormat format) {
    // Subsequent data will conform to new format.
    // Can ignore if using getOutputFormat(outputBufferId)
    mOutputFormat = format; // option B
  }
 
  @Override
  void one rror(…) {
    …
  }
 });
 codec.configure(format, …);
 mOutputFormat = codec.getOutputFormat(); // option B
 codec.start();
 // wait for processing to complete
 codec.stop();
 codec.release();

- 創建并配置MediaCodec物件，
- 給MediaCodec物件設定回呼MediaCodec.Callback
- 在onInputBufferAvailable回呼中：
    - 讀取一段輸入，將其填充到輸入buffer中進行編解碼
- 在onOutputBufferAvailable回呼中：
    - 從輸出buffer中獲取進行編解碼后資料進行處理，
- 處理完畢后，銷毀 MediaCodec 物件，

解碼h264視頻

我們就解碼一個h264的視頻（拿上篇從抖音/快手抽離的h264檔案），h265也一樣，只要你明白了h264，h265的編碼方式和原理和碼流結構，都是小菜一碟，為了更明白h264的碼流資料，我們demo就一次性把檔案讀如刀記憶體的byte資料中，

處理我們分兩種方式，都能正常播放，只是我們更清楚的了解h264碼流資料，

  • 是我們按照h264的碼流結構，每次截取一個NAL單元（NALU）塞給MediaCodec，包含最開始的SPS,PPS，
  • 是我們就固定截取幾k，然后塞給MediaCodec

首先 初始化MediaCodec

    var bytes: ByteArray? = null
    var mediaCodec: MediaCodec
    init {
        // demo測驗，為方便一次性讀取到記憶體
        bytes = FileUtil.getBytes(path)
        // video/avc就是H264，創建解碼器
        mediaCodec = MediaCodec.createDecoderByType("video/avc")
        val mediaFormat = MediaFormat.createVideoFormat("video/avc", width, height)
        mediaFormat.setInteger(MediaFormat.KEY_FRAME_RATE, 15)
        mediaCodec.configure(mediaFormat, surface, null, 0)
    }

方式一：分割NAL單元（NALU）方式

    private fun decodeSplitNalu() {
        if (bytes == null) {
            return
        }
        // 資料開始下標
        var startFrameIndex = 0
        val totalSizeIndex = bytes!!.size - 1
        Log.i(TAG, "totalSize=$totalSizeIndex")
        val inputBuffers = mediaCodec.inputBuffers
        val info = MediaCodec.BufferInfo()
        while (true) {
            // 1ms=1000us 微妙
            val inIndex = mediaCodec.dequeueInputBuffer(10_000)
            if (inIndex >= 0) {
                // 分割出一幀資料
                if (totalSizeIndex == 0 || startFrameIndex >= totalSizeIndex) {
                    Log.e(TAG, "startIndex >= totalSize-1 ,break")
                    break
                }
                val nextFrameStartIndex: Int =
                    findNextFrame(bytes!!, startFrameIndex + 1, totalSizeIndex)
                if (nextFrameStartIndex == -1) {
                    Log.e(TAG, "nextFrameStartIndex==-1 break")
                    break
                }
                // 填充資料
                val byteBuffer = inputBuffers[inIndex]
                byteBuffer.clear()
                byteBuffer.put(bytes!!, startFrameIndex, nextFrameStartIndex - startFrameIndex)

                mediaCodec.queueInputBuffer(inIndex, 0, nextFrameStartIndex - startFrameIndex, 0, 0)

                startFrameIndex = nextFrameStartIndex

            }
            var outIndex = mediaCodec.dequeueOutputBuffer(info, 10_000)
            
            while (outIndex >= 0) {
                // 這里用簡單的時間方式保持視頻的fps，不然視頻會播放很快
                // demo 的H264檔案是30fps
                try {
                    sleep(33)
                } catch (e: InterruptedException) {
                    e.printStackTrace()
                }
                // 引數2 渲染到surface上，surface就是mediaCodec.configure的引數2
                mediaCodec.releaseOutputBuffer(outIndex, true)
                outIndex = mediaCodec.dequeueOutputBuffer(info, 0)
            }
        }
    }

NALU分割方法

    private fun findNextFrame(bytes: ByteArray, startIndex: Int, totalSizeIndex: Int): Int {
        for (i in startIndex..totalSizeIndex) {
            // 00 00 00 01 H264的啟始碼
            if (bytes[i].toInt() == 0x00 && bytes[i + 1].toInt() == 0x00 && bytes[i + 2].toInt() == 0x00 && bytes[i + 3].toInt() == 0x01) {
//                Log.e(TAG, "bytes[i+4]=0X${Integer.toHexString(bytes[i + 4].toInt())}")
//                Log.e(TAG, "bytes[i+4]=${(bytes[i + 4].toInt().and(0X1F))}")
                return i
                // 00 00 01 H264的啟始碼
            } else if (bytes[i].toInt() == 0x00 && bytes[i + 1].toInt() == 0x00 && bytes[i + 2].toInt() == 0x01) {
//                Log.e(TAG, "bytes[i+3]=0X${Integer.toHexString(bytes[i + 3].toInt())}")
//                Log.e(TAG, "bytes[i+3]=${(bytes[i + 3].toInt().and(0X1F))}")
                return i
            }
        }
        return -1
    }

方式一：固定位元組資料塞入

    private fun findNextFrameFix(bytes: ByteArray, startIndex: Int, totalSizeIndex: Int): Int {
        // 每次最好資料里大點，不然就像弱網的情況，資料流慢導致視頻卡
        val len = startIndex + 40000
        return if (len > totalSizeIndex) totalSizeIndex else len
    }

說明：在真實的專案中一般是網路/資料流的方式塞入，這里只是為了demo演示MediaCodec解碼h264檔案進行播放，

保存解碼h264視頻的yuv資料為圖片

我們在哪里進行保存里，就如前問所說，肯定是在h264解碼后進行保存，解碼后的資料為yuv資料，也就是在dequeueOutputBuffer后取出解碼后的資料，然后用YuvImage類的compressToJpeg保存為Jpeg圖片即可，我們3s保存一張吧，
區域代碼：

                // 3s 保存一張圖片
                if (System.currentTimeMillis() - saveImage > 3000) {
                    saveImage = System.currentTimeMillis()

                    val byteBuffer: ByteBuffer = mediaCodec.outputBuffers[outIndex]
                    byteBuffer.position(info.offset)
                    byteBuffer.limit(info.offset + info.size)
                    val ba = ByteArray(byteBuffer.remaining())
                    byteBuffer.get(ba)

                    try {
                        val parent =
                            File(Environment.getExternalStorageDirectory().absolutePath + "/h264pic/")
                        if (!parent.exists()) {
                            parent.mkdirs()
                            Log.d(TAG, "parent=${parent.absolutePath}")
                        }

                        // 將NV21格式圖片，以質量70壓縮成Jpeg
                        val path = "${parent.absolutePath}/${System.currentTimeMillis()}-frame.jpg"
                        Log.e(TAG, "path:$path")
                        val fos = FileOutputStream(File(path))
                        val yuvImage = YuvImage(ba, ImageFormat.NV21, width, height, null)
                        yuvImage.compressToJpeg(
                            Rect(0, 0, yuvImage.getWidth(), yuvImage.getHeight()),
                            80, fos)
                        fos.flush()
                        fos.close()
                    } catch (e: IOException) {
                        e.printStackTrace()
                    }
                }

最后說明一點就是硬解碼是非常快，很高效率的，播放視頻是需要PTS時間戳處理的，demo的處理方法就是讓它渲染慢一點（demo視頻檔案是30fps，也就是1000ms/30=33ms一幀yuv資料），所以在mediaCodec.releaseOutputBuffer(outIndex, true)前在sleep（33ms）來達到正常的播放速度，

文章源代碼

https://github.com/ta893115871/H264DecoderDemo

如果描述不正確的，歡迎指正，

轉載請註明出處，本文鏈接：https://www.uj5u.com/qita/240910.html

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