MediaCodec

簡(jiǎn)介

MediaCodec是 Android media 基礎(chǔ)框架的一部分，通常和 MediaExtractor, MediaSync, MediaMuxer, MediaCrypto, MediaDrm, Image, Surface和AudioTrack 一起使用。

MediaCodec_1.png

這張圖描述了MediaCodec的整體工作流程，一般情況下，由客戶端向MediaCodec申請(qǐng)一個(gè)空的輸入ByteBuffer，進(jìn)行數(shù)據(jù)填充，再將ByteBuffer發(fā)送給MediaCodec，MediaCodec會(huì)采用異步的方式處理這些輸入的數(shù)據(jù)，并將處理后的數(shù)據(jù)填充到輸出Buffer中，消費(fèi)者取到輸出Buffer進(jìn)行消費(fèi)后，需將緩沖區(qū)釋放，返還給MediaCodec。

數(shù)據(jù)

數(shù)據(jù)載體模式：

  • ByteBuffer模式：3種數(shù)據(jù)類(lèi)型都可使用ByteBuffer模式。這種模式下，通?？梢允褂肐mage類(lèi)和getInput/OutputImage(int)獲取原始視頻幀，下面會(huì)具體列舉到。

  • Surface模式：當(dāng)處理原始視頻數(shù)據(jù)時(shí)，應(yīng)該考慮使用Surface，而不是ByteBuffer來(lái)作為數(shù)據(jù)載體，這樣可以提高編解碼器性能。因?yàn)?，Surface使用的是更底層的視頻緩沖區(qū)，而不是將數(shù)據(jù)映射或復(fù)制到ByteBuffer中，效率更高。這種模式下，可以使用ImageReader類(lèi)來(lái)訪問(wèn)原始視頻幀，并且它仍然比ByteBuffer模式高效。

數(shù)據(jù)類(lèi)型：

1）壓縮數(shù)據(jù)：作為解碼器的輸入數(shù)據(jù)或者編碼器的輸出數(shù)據(jù)

  • 指定格式：通過(guò)MediaFormat.KEY_MIME來(lái)指定或獲取格式，編解碼器才知道如何處理這些數(shù)據(jù)。
  • 視頻數(shù)據(jù)：一般情況下，輸入給解碼器或從編碼器得到的一個(gè)ByteBuffer，都會(huì)是完整的一幀數(shù)據(jù)。除非設(shè)置了BUFFER_FLAG_PARTIAL_FRAME標(biāo)記，它表示了緩沖區(qū)只包含幀的一部分，解碼器會(huì)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行批處理，直到?jīng)]有該標(biāo)志的緩沖區(qū)出現(xiàn)，才開(kāi)始解碼。比如H264解碼，必須將分割符和NALU單元作為一個(gè)完整的數(shù)據(jù)幀，傳給解碼器才能正確解碼。
  • 音頻數(shù)據(jù)：音頻的要求則要稍微寬松，一個(gè)ByteBuffer可能包含多個(gè)編碼的音頻訪問(wèn)單元。

2） 原始音頻數(shù)據(jù)：ByteBuffer包含PCM音頻數(shù)據(jù)的整個(gè)幀，這是每個(gè)聲道按聲道順序的一個(gè)樣本，每個(gè)PCM音頻樣本都是16位帶符號(hào)整數(shù)或浮點(diǎn)數(shù)。格式為AudioFormat.ENCODING_PCM_16BIT才能做處理。

  • 解碼器輸出：通過(guò)getOutputFormat()來(lái)獲取MediaFormat
  • 編碼器輸入：通過(guò)getInputFormat()來(lái)獲取MediaFormat

獲取音頻采樣數(shù)據(jù)的示例代碼如下：

/**
  * 根據(jù)聲道獲取采樣數(shù)據(jù)
  */
 short[] getSamplesForChannel(MediaCodec codec, int bufferId, int channelIx) {
  //獲取輸出緩沖區(qū)
  ByteBuffer outputBuffer = codec.getOutputBuffer(bufferId);
  //獲取音頻編碼格式
  MediaFormat format = codec.getOutputFormat(bufferId);
  //轉(zhuǎn)換字節(jié)順序和Short類(lèi)型
  ShortBuffer samples = outputBuffer.order(ByteOrder.nativeOrder()).asShortBuffer();
  //獲取聲道數(shù)
  int numChannels = format.getInteger(MediaFormat.KEY_CHANNEL_COUNT);
  if (channelIx < 0 || channelIx >= numChannels) {
    return null;
  }
  //獲取存儲(chǔ)采樣數(shù)據(jù)
  short[] res = new short[samples.remaining() / numChannels];
  for (int i = 0; i < res.length; ++i) {
    res[i] = samples.get(i * numChannels + channelIx);
  }
  return res;
 }

3） 原始視頻數(shù)據(jù)：在ByteBuffer模式下，視頻緩沖區(qū)根據(jù)MediaFormat.KEY_COLOR_FORMAT來(lái)進(jìn)行布局。通過(guò)getCodecInfo().getCapabilitiesForType().colorFormats可以獲取到支持的顏色格式數(shù)組，它包含3種顏色格式：

  • native raw video format: KEY_COLOR_FORMAT為COLOR_FormatSurface，表示該數(shù)據(jù)將是GraphicBuffer元數(shù)據(jù)的引用，在OMX中(即軟編解碼)中，被稱(chēng)為OMX_COLOR_FormatAndroidOpaque，這類(lèi)格式的數(shù)據(jù)可以作為Surface模式的輸入和輸出。

  • flexible YUV buffers：比如CodecCapabilities.COLOR_FormatYUV420Flexible，Surface模式和ByteBuffer模式2中模式，都可以作為輸入和輸出。

  • other, specific formats: 除了以上2種，只支持ByteBuffer模式，在MediaCodecInfo.CodecCapabilities中可以看到許多不同的格式，只要后綴為flexible類(lèi)型的，如，CodecCapabilities.COLOR_FormatRGBFlexible， 都可以使用Image類(lèi)的getInput/OutputImage(int)來(lái)獲取原始視頻幀。

Build.VERSION_CODES.LOLLIPOP_MR1（5.1）以后，編解碼器都支持YUV420P

生命周期和狀態(tài)

MediaCodec有3種狀態(tài)：Stopped，Executing和Released，其中Stopped和Released又各自細(xì)分成3種子狀態(tài)，如下圖所示：


MediaCodec_4.png

1）Stopped：

  • Uninitialized：當(dāng)通過(guò)工廠方法了成功創(chuàng)建編解碼器后，此時(shí)處于Uninitialized子狀態(tài)
  • Configured：通過(guò)configure方法配置編解碼器，此時(shí)處于Configured子狀態(tài)，接著，需要調(diào)用start方法來(lái)啟動(dòng)，讓編解碼器進(jìn)入Executing狀態(tài)的Flushed子狀態(tài)，才能輸入數(shù)據(jù)給編解碼器處理
  • Error：

2）Executing：

  • Flushed：執(zhí)行start方法后，此時(shí)處于Flushed子狀態(tài)
  • Running ：當(dāng)?shù)谝粋€(gè)輸入緩沖區(qū)被出隊(duì)，編解碼器便進(jìn)入Running子狀態(tài)，這意味著，大部分時(shí)間編解碼器都處于此狀態(tài)
  • End-of-Stream：當(dāng)給編解碼器發(fā)送一個(gè)帶有End-of-Stream標(biāo)記的Buffer后，編解碼器就切換為End-of-Stream子狀態(tài)，此時(shí)，編解碼器不再接收輸入數(shù)據(jù)，但仍舊會(huì)繼續(xù)輸出，直到end-of-stream標(biāo)記輸出

3）Released：

  • Released：Stopped和Executing都可切換至此狀態(tài)，當(dāng)使用編碼器操作完成后，應(yīng)該調(diào)用release方法，使編解碼器進(jìn)入此狀態(tài)

狀態(tài)重置：

  • flush：在Executing狀態(tài)下，調(diào)用flush方法，來(lái)使編解碼器回到Flushed子狀態(tài)
  • stop：在Executing狀態(tài)下，調(diào)用stop方法，使編解碼器進(jìn)入U(xiǎn)ninitialized子狀態(tài)，此時(shí)可以調(diào)用configure方法來(lái)重新配置，進(jìn)入下一輪循環(huán)
  • reset：在某些情況下，編解碼器會(huì)出現(xiàn)異常，此時(shí)應(yīng)該使用reset而不是stop方法，使編解碼進(jìn)入U(xiǎn)ninitialized狀態(tài)，事實(shí)上，reset可以在任何時(shí)候被調(diào)用，如果異常發(fā)生后，不準(zhǔn)備重新使用編解碼器，那應(yīng)該調(diào)用release進(jìn)行釋放

創(chuàng)建

通過(guò)編解碼器類(lèi)型和編解碼器名字2種方式，可以創(chuàng)建編解碼器，它們分別對(duì)應(yīng)以下工廠方法：

//根據(jù)編碼器類(lèi)型創(chuàng)建解碼器
public static MediaCodec createEncoderByType(@NonNull String type)
//根據(jù)解碼器類(lèi)型創(chuàng)建解碼器
public static MediaCodec createDecoderByType(@NonNull String type)
//根據(jù)編解碼器名字創(chuàng)建編解碼器
public static MediaCodec createByCodecName(@NonNull String name)

MediaFormat包含了許多類(lèi)型，如下：

public final class MediaFormat {
      。。。。。
    //視頻類(lèi)型
    public static final String MIMETYPE_VIDEO_VP8 = "video/x-vnd.on2.vp8";
    public static final String MIMETYPE_VIDEO_VP9 = "video/x-vnd.on2.vp9";
    public static final String MIMETYPE_VIDEO_AV1 = "video/av01";
    public static final String MIMETYPE_VIDEO_AVC = "video/avc";
    public static final String MIMETYPE_VIDEO_HEVC = "video/hevc";
  
    //音頻類(lèi)型
    public static final String MIMETYPE_AUDIO_AMR_NB = "audio/3gpp";
    public static final String MIMETYPE_AUDIO_AMR_WB = "audio/amr-wb";
    public static final String MIMETYPE_AUDIO_MPEG = "audio/mpeg";
    public static final String MIMETYPE_AUDIO_AAC = "audio/mp4a-latm";
    public static final String MIMETYPE_AUDIO_QCELP = "audio/qcelp";
    public static final String MIMETYPE_AUDIO_VORBIS = "audio/vorbis";
    public static final String MIMETYPE_AUDIO_OPUS = "audio/opus";
      。。。。。
}

在創(chuàng)建解碼器時(shí)，如果是本地文件或者網(wǎng)絡(luò)流，可以配合使用MediaExtractor解封裝器來(lái)做格式提取，如下：

//mTrackIndex為視頻軌索引獲取格式
MediaFormat decoderFormat = mediaExtractor.getTrackFormat(mTrackIndex);
//創(chuàng)建解碼器
MediaCodec decoder = MediaCodec.createDecoderByType(decoderFormat.getString(MediaFormat.KEY_MIME));

在創(chuàng)建編碼器時(shí)，可以直接指定期望的編碼類(lèi)型，如下：

//指定格式
MediaFormat encoderFormat = MediaFormat.createVideoFormat(MediaFormat.MIMETYPE_VIDEO_AVC, width, height);
//創(chuàng)建編碼器
MediaCodec encoder =  MediaCodec.createEncoderByType(encoderFormat.getString(MediaFormat.KEY_MIME));

以上是硬編解碼器的創(chuàng)建，如果創(chuàng)建失敗，可以通過(guò)指定軟解碼器名字來(lái)創(chuàng)建，如下：

//創(chuàng)建軟解碼器
MediaCodec decoder = MediaCodec.createByCodecName("OMX.google.h264.decoder");
//創(chuàng)建軟編碼器
MediaCodec encoder = MediaCodec.createByCodecName("OMX.google.h264.encoder");

通常，以"OMX.google."為前綴的名字，即為軟編解碼類(lèi)型

初始化配置

void configure (MediaFormat format, Surface surface, MediaCrypto crypto, int flags)

void configure (MediaFormat format, Surface surface, int flags, MediaDescrambler descrambler)

  • MediaCrypto和MediaDescrambler：用于加解密處理，都是可空參數(shù)，如果不涉及加密和解密，它們沒(méi)有區(qū)別，會(huì)執(zhí)行同一個(gè)重載方法

  • flags：傳入MediaCodec.CONFIGURE_FLAG_ENCODE時(shí)（它的值為1），用來(lái)指定創(chuàng)建編碼器，奇怪的是MediaCodec沒(méi)有定義一個(gè)類(lèi)似MediaCodec.CONFIGURE_FLAG_DECODE的常量用于創(chuàng)建解碼器，這里通常直接傳入0來(lái)指定創(chuàng)建解碼器

  • Surface：調(diào)用releaseOutputBuffer(int index, boolean render)方法將render設(shè)置為true，解碼器會(huì)將輸出數(shù)據(jù)渲染到此處指定的Surface，當(dāng)Surface不再使用或顯示時(shí)，緩沖區(qū)會(huì)自動(dòng)釋放給編解碼器

以下為編解碼配置的示例代碼：

//解碼器配置
decoder.configure(decoderFormat, new Surface(new SurfaceTexture(getTextureId())), null, 0);
decoder.start()

這里指定了解碼器最終輸出渲染的表面，用來(lái)輸出到開(kāi)辟好的紋理空間

//編碼器配置
encoder.configure(encoderFormat, null, null, MediaCodec.CONFIGURE_FLAG_ENCODE);
Surface surface = encoder.createInputSurface()
encoder.start()

編碼器創(chuàng)建的Surface只能用于硬件加速api的渲染輸入，如OpenGL，這就是Surface模式的用法，比如編碼器創(chuàng)建了自己的Surface，可以用來(lái)關(guān)聯(lián)EGL做為編碼器的數(shù)據(jù)輸入，替代ByteBuffer輸入方式。
還有另一種方式，也可以使用createPersistentInputSurface ()來(lái)創(chuàng)建Surface，其他的編碼器隨后可以調(diào)用setInputSurface(Surface)方法來(lái)繼續(xù)使用這個(gè)Surface，但同一時(shí)間內(nèi)，只能一個(gè)編解碼器使用。

createInputSurface和setInputSurface方法必須在configure方法之后，start方法之前調(diào)用，否則拋IllegalStateException異常。
持久化表面必須使用createPersistentInputSurface創(chuàng)建，否則拋IllegalArgumentException異常。

特殊數(shù)據(jù)

某些格式如，AAC和MPEG4，H.264和H.265要求幀數(shù)據(jù)的前綴，包含設(shè)置數(shù)據(jù)或編解碼器特定數(shù)據(jù)的緩沖區(qū)，如sps和pps。處理此類(lèi)壓縮格式時(shí)，必須在start方法之后且任何幀數(shù)據(jù)之前，將這些數(shù)據(jù)輸送給編解碼器。這類(lèi)數(shù)據(jù)用BUFFER_FLAG_CODEC_CONFIG來(lái)做標(biāo)記。

通常不使用ByteBuffer來(lái)直接提交，而是在configure方法時(shí)通過(guò)MediaFormat進(jìn)行設(shè)置，它在start方法調(diào)用后，會(huì)直接提交給編解碼器。編解碼器同樣會(huì)輸出到輸出緩沖區(qū)中，因此，在進(jìn)行編碼往Muxer寫(xiě)入數(shù)據(jù)時(shí)，攜帶BUFFER_FLAG_CODEC_CONFIG標(biāo)記的數(shù)據(jù)不用再次寫(xiě)入，它應(yīng)該通過(guò)MediaFormat傳遞給Muxer。

數(shù)據(jù)處理

1）同步方式：

系統(tǒng)版本5.0之前只能使用同步方式來(lái)處理，整個(gè)過(guò)程如開(kāi)頭的流程圖所示，下面以解碼流程為例：

  /**
   * 解封裝
   */
 private int drainExtractor(long timeoutUs) {
        if (mIsExtractorEOS) return DRAIN_STATE_NONE;
        int trackIndex = mExtractor.getSampleTrackIndex();
        if (trackIndex >= 0 && trackIndex != mTrackIndex) {
            return DRAIN_STATE_NONE;
        }
        //步驟1
        int result = mDecoder.dequeueInputBuffer(timeoutUs);
        if (result < 0) return DRAIN_STATE_NONE;
        if (trackIndex < 0) {
            mIsExtractorEOS = true;
            mDecoder.queueInputBuffer(result, 0, 0, 0, MediaCodec.BUFFER_FLAG_END_OF_STREAM);
            return DRAIN_STATE_NONE;
        }
        //步驟2
        ByteBuffer buffer = mDecoder.getInputBuffer(result);
        int sampleSize = mExtractor.readSampleData(buffer, 0);
        boolean isKeyFrame = (mExtractor.getSampleFlags() & MediaExtractor.SAMPLE_FLAG_SYNC) != 0;
        //步驟3
        mDecoder.queueInputBuffer(result, 0, sampleSize, mExtractor.getSampleTime(), isKeyFrame ? MediaCodec.BUFFER_FLAG_KEY_FRAME : 0);
        mExtractor.advance();

        return DRAIN_STATE_CONSUMED;
}

步驟1：從解碼器獲取輸入緩沖區(qū)的id

  • timeoutUs == 0，立即返回
  • timeoutUs < 0，無(wú)限期等待
  • timeoutUs > 0，等待“timeoutUs”微秒超時(shí)

步驟2：根據(jù)緩沖id獲取輸入緩沖區(qū)

步驟3：將充滿數(shù)據(jù)的輸入緩沖求傳遞給解碼器，最后的flags標(biāo)記有幾種類(lèi)型

  • BUFFER_FLAG_KEY_FRAME：是否關(guān)鍵幀
  • BUFFER_FLAG_CODEC_CONFIG：是否sps和pps等特殊數(shù)據(jù)，通常應(yīng)該用MediaFormat做傳遞
  • BUFFER_FLAG_PARTIAL_FRAME：通常一個(gè)ByteBuffer包含一幀完整視頻數(shù)據(jù)，除非指定該標(biāo)志，出現(xiàn)該標(biāo)記解碼器會(huì)批量處理多個(gè)緩沖區(qū)，直到?jīng)]有該標(biāo)記出現(xiàn)，才進(jìn)行解碼，大多數(shù)情況下不會(huì)使用
  • BUFFER_FLAG_END_OF_STREAM：結(jié)束輸入數(shù)據(jù)給解碼器，除非調(diào)用flush方法，否則不要再向編解碼器輸入緩沖區(qū)，可以在最后一個(gè)帶有有效數(shù)據(jù)的緩沖區(qū)上加上此標(biāo)記，也可以用一個(gè)空的緩沖區(qū)
    來(lái)傳遞，此時(shí)的pts可為0

下面從解碼器獲取輸出數(shù)據(jù)：

private int drainDecoder(long timeoutUs) throws InterruptedException {
        if (mIsDecoderEOS) return DRAIN_STATE_NONE;
        //1
        int result = mDecoder.dequeueOutputBuffer(mBufferInfo, timeoutUs);
        switch (result) {
            case MediaCodec.INFO_TRY_AGAIN_LATER:
                return DRAIN_STATE_NONE;
            case MediaCodec.INFO_OUTPUT_BUFFERS_CHANGED:
            case MediaCodec.INFO_OUTPUT_FORMAT_CHANGED:
                return DRAIN_STATE_SHOULD_RETRY_IMMEDIATELY;
        }
        //2
        if ((mBufferInfo.flags & MediaCodec.BUFFER_FLAG_END_OF_STREAM) != 0) {
            mEncoder.signalEndOfInputStream();
            mIsDecoderEOS = true;
            mBufferInfo.size = 0;
        }
        //3
        boolean doRender = (mBufferInfo.size > 0);
        mDecoder.releaseOutputBuffer(result, doRender);
        ......
        return DRAIN_STATE_CONSUMED;
}

步驟1：從解碼器獲取輸出緩沖區(qū)和緩沖區(qū)信息，result返回緩沖區(qū)索引或常量值

  • INFO_TRY_AGAIN_LATER：獲取超時(shí)
  • INFO_OUTPUT_BUFFERS_CHANGED：表明輸出緩沖區(qū)數(shù)據(jù)已更改，在5.0前，此時(shí)用getOutputBuffers方法獲取緩沖區(qū)數(shù)組，5.0后，此方式已過(guò)期，可以忽略
  • INFO_OUTPUT_FORMAT_CHANGED：表明輸出格式已更改，后續(xù)數(shù)據(jù)將采用新的格式，此時(shí)可以通過(guò)getOutputFormat方法來(lái)獲取新的格式，隨后如果不出現(xiàn)超時(shí)，通常開(kāi)始返回正確的輸出緩沖區(qū)索引

步驟2：接受到帶有BUFFER_FLAG_END_OF_STREAM標(biāo)記的緩沖區(qū)，表明所有解碼數(shù)據(jù)已輸出完成，不會(huì)再有輸出，signalEndOfInputStream方法通知編碼器輸入結(jié)束

步驟3：使用完輸出緩沖區(qū)后，調(diào)用releaseOutputBuffer釋放回給解碼器，doRender為true，則緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)會(huì)渲染到在configure方法中配置的Surface

可以不立即queueinputbuffer/releaseOutputBuffer到編解碼器，但持有input/outputbuffer可能會(huì)使編解碼器停止工作，并且此行為取決于設(shè)備。 編解碼器有可能在產(chǎn)生輸出緩沖區(qū)之前暫停，直到所有未完成的緩沖區(qū)queueinputbuffer/releaseOutputBuffer。 因此，用戶最好每次獲得緩沖區(qū)后執(zhí)行釋放操作。

2）異步方式：

在系統(tǒng)版本5.0及以上增加了異步處理方式，同步方式仍可以使用，但官方推薦首選異步方式，它的流程狀態(tài)和同步方式稍微有些不同，再調(diào)用start方法后，狀態(tài)自動(dòng)切換為Running子狀態(tài)，并且在調(diào)用flush方法后，必須再次調(diào)用start使?fàn)顟B(tài)流轉(zhuǎn)為Running狀態(tài)，才能開(kāi)始輸入數(shù)據(jù)。


image.png

異步方式的代碼示例如下：

 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 onError(…) {
    …
  }
 });
 codec.configure(format, …);
 mOutputFormat = codec.getOutputFormat(); // option B
 codec.start();
 // wait for processing to complete
 codec.stop();
 codec.release();

setCallback方法必須在configure方法之前被調(diào)用，并且不應(yīng)該再使用getInputBuffers，getOutputBuffers，dequeueInputBuffer和dequeueOutputBuffer方法。

最后

當(dāng)編解碼器使用Surface模式作為數(shù)據(jù)輸入源或輸出源時(shí)，對(duì)應(yīng)的緩沖區(qū)無(wú)法訪問(wèn)：

  • 輸出源：使用輸出Surface時(shí)，數(shù)據(jù)處理幾乎與ByteBuffer模式相同。但是，輸出緩沖區(qū)將不可訪問(wèn)，并表示為空值。例如，getOutputBuffer / Image（int）將返回null，getOutputBuffers將返回僅包含null的數(shù)組。

  • 輸入源：使用輸入Surface時(shí)，沒(méi)有可訪問(wèn)的輸入緩沖區(qū)，因?yàn)榫彌_區(qū)會(huì)自動(dòng)從輸入表面?zhèn)鬟f到編解碼器。調(diào)用dequeueInputBuffer會(huì)拋出IllegalStateException，并且getInputBuffers返回一個(gè)不可寫(xiě)入的偽造ByteBuffer數(shù)組。調(diào)用signalEndOfInputStream以信號(hào)流結(jié)束后，輸入表面將立即停止向編解碼器提交數(shù)據(jù)。

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