Android音视频【三】硬解码播放H264

作者: 后厂村追寻 | 来源:发表于2020-12-26 13:44 被阅读0次

人间观察
穷人家的孩子真的是在社会上瞎混

遥远的2020年马上就过去了，天呐！！！

前两篇介绍了下H264的知识和码流结构，本篇就拿上篇从抖音/快手抽离的h264文件实现在Android中进行解码播放&以及介绍所涉及的知识。

本文代码用kotlin来写，最近在学习ing，加油吧，打工人，你要悄悄打工。

视频效果

文章搞不了视频，贴个图吧。

H264DecoderDemo.png

软硬编解码

在介绍前我们需要知道什么是软硬编解码？

1.软编解码：是利用软件本身或者说是使用CPU对原视频进行编解码的方式。

优点：兼容性好。

缺点：CPU占用率高，app内存占用率变高，可能会因CPU发热而降频、卡顿，无法流畅录制、播放视频等问题。

2.硬编解码：使用非CPU进行编码，如显卡GPU、专用的DSP芯片、厂商芯片等。一般编解码算法固定所以采用芯片处理。

优点：编码速度非常快且效率极高，CPU的占用率低，就算长时间高清录制视频手机也不会发烫。

缺点：但是兼容性不好，往往画面不够精细也很难解决（但是还可以没到不能看的程度）。

MediaCodec硬编解码

一般Android中直播采集端/短视频的编辑软件都是默认采用硬编解码，如果手机不支持再采用软编解码。硬编解码是王道。

在Android中是使用MediaCodec类进行编解码。MediaCodec是什么呢？ MediaCodec是Android提供的用于对音视频进行编解码的类，它通过访问底层的codec来实现编解码的功能，比如你要把摄像头的视频yuv数据编码为h264/h265，pcm编码为aac，h264/h265解码为yuv，aac解码为pcm等等。MediaCodec是Android 4.1 API16引入的，在Android 5.0 API21加入了异步模式。

MediaCodec调用的是系统注册过的编解码器，硬件厂商把自己的硬编解码器注册到系统中就是硬编解码，如果硬件厂商注册的是软编解码就是软解码。往往不同的硬件厂商是不一样的。然后MediaCodec负责调用。

获取手机所支持的编解码器

不同的手机不一样所支持的编解码器不同，如何获取手机支持哪些编解码器呢？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)
        }
    }

输出

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，软解码器通常是OMX.google开头的，比如上面的OMX.google.h264.decoder。硬解码器是以OMX.[hardware_vendor]开头的，比如上面的OMX.hisi.video.decoder.avc 其中hisi应该是海思芯片。当然也有一些不按照这个规则来的，系统会认为他是软解码器。编码器的命名也是一样的。

从Android系统的源码可以判断出规则，
源码地址：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处理数据的类型

MediaCodec非常强大，支持的编解码数据类型有：压缩的音频数据、压缩的视频数据、原始音频数据和原始视频数据，以及支持不同的封装格式的编解码，如前文所诉如果是硬解码当然也是需要手机厂商支持的。可以设置Surface来获取/呈现原始的视频数据。MediaCodec的有关API的方法和每个方法的参数都有它的含义。可以在使用的时候慢慢深究。

MediaCodec的编解码流程

下图是Android官方文档提供的，官方文档很详细了。
https://developer.android.google.cn/reference/android/media/MediaCodec?hl=en

mediacodec的工作方式.png

MediaCodec处理输入数据产生输出数据，当异步处理数据时，使用一组输入输出ByteBuffer.流程通常是

将数据填入到预先设定的输入缓冲区(ByteBuffer)，
输入缓冲区填满数据后将其传给MediaCodec进行编解码处理。编解码处理完后它又填充到一个输出ByteBuffer中。
然后使用方就可以获取编解码后的数据，再把ByteBuffer释放回MediaCodec，往复循环。

需要注意的是Bufffer队列不是我们自己new对象后塞给MediaCodec，而是MediaCodec为了更好的控制Bufffer的处理，我们需要使用MediaCodec提供的方法获取然后塞给它数据并取出数据。

MediaCodec API

MediaCodec的创建
- createDecoderByType/createEncoderByType：根据特定MIME类型(比如"video/avc")创建codec。Decoder就是解码器，Encoder就是编码器。
- createByCodecName：知道组件的确切名称(如OMX.google.h264.decoder)的时候，根据组件名创建codec。使用MediaCodecList可以获取组件的名称，如上文所介绍。
configure：配置解码器或者编码器。比如你可以配置把解码的数据通过surface进行展示，本文的后续就是解码h264的demo就是配置surface来把yuv数据渲染到此surface上。
start：开始编解码，处于等待数据的到来。
数据的处理，开始编解码
- dequeueInputBuffer：返回有效的输入buffer的索引
- queueInputBuffer：输入流入队列。一般是把数据塞给它
- dequeueOutputBuffer：从输出队列中取出编/解码后的数据，如果输入的数据多，你可能要循环读取，一般在写代码的时候是需要循环调用的
- releaseOutputBuffer：释放ByteBuffer数据返回给MediaCodec
- getInputBuffers：获取需要编解码数据的输入流队列，返回的是一个ByteBuffer数组
- getOutputBuffers：获取编解码之后的数据输出流队列，返回的是一个ByteBuffer数组
flush：清空的输入和输出队列buffer
stop：停止编解码器进行编解码
release：释放编解码器

从上面的api中也大概看到了MediaCodec编解码器API的生命周期，具体的可以再看下官网。

MediaCodec的同步异步编解码

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：

- 创建并配置MediaCodec对象
- 循环直到完成：
  - 如果输入buffer准备好了
    - 读取一段输入，将其填充到输入buffer中进行编解码
  - 如果输出buffer准备好了：
    - 从输出buffer中获取编解码后数据进行处理。
- 处理完毕后，销毁 MediaCodec 对象。

异步方式

在Android 5.0, API21，引入了异步模式。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 onError(…) {
    …
  }
 });
 codec.configure(format, …);
 mOutputFormat = codec.getOutputFormat(); // option B
 codec.start();
 // wait for processing to complete
 codec.stop();
 codec.release();

- 创建并配置MediaCodec对象。
- 给MediaCodec对象设置回调MediaCodec.Callback
- 在onInputBufferAvailable回调中：
    - 读取一段输入，将其填充到输入buffer中进行编解码
- 在onOutputBufferAvailable回调中：
    - 从输出buffer中获取进行编解码后数据进行处理。
- 处理完毕后，销毁 MediaCodec 对象。

解码h264视频

我们就解码一个h264的视频（拿上篇从抖音/快手抽离的h264文件）。h265也一样，只要你明白了h264。h265的编码方式和原理和码流结构，都是小菜一碟。为了更明白h264的码流数据，我们demo就一次性把文件读如刀内存的byte数据中。

处理我们分两种方式，都能正常播放，只是我们更清楚的了解h264码流数据。

是我们按照h264的码流结构，每次截取一个NAL单元（NALU）塞给MediaCodec，包含最开始的SPS,PPS。
是我们就固定截取几k，然后塞给MediaCodec

首先初始化MediaCodec

    var bytes: ByteArray? = null
    var mediaCodec: MediaCodec
    init {
        // demo测试，为方便一次性读取到内存
        bytes = FileUtil.getBytes(path)
        // video/avc就是H264，创建解码器
        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单元（NALU）方式

    private fun decodeSplitNalu() {
        if (bytes == null) {
            return
        }
        // 数据开始下标
        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) {
                // 分割出一帧数据
                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
                }
                // 填充数据
                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) {
                // 这里用简单的时间方式保持视频的fps，不然视频会播放很快
                // demo 的H264文件是30fps
                try {
                    sleep(33)
                } catch (e: InterruptedException) {
                    e.printStackTrace()
                }
                // 参数2 渲染到surface上，surface就是mediaCodec.configure的参数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的启始码
            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的启始码
            } 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：固定字节数据塞入

    private fun findNextFrameFix(bytes: ByteArray, startIndex: Int, totalSizeIndex: Int): Int {
        // 每次最好数据里大点，不然就像弱网的情况，数据流慢导致视频卡
        val len = startIndex + 40000
        return if (len > totalSizeIndex) totalSizeIndex else len
    }

说明：在真实的项目中一般是网络/数据流的方式塞入，这里只是为了demo演示MediaCodec解码h264文件进行播放。

保存解码h264视频的yuv数据为图片

我们在哪里进行保存里，就如前问所说，肯定是在h264解码后进行保存，解码后的数据为yuv数据。也就是在dequeueOutputBuffer后取出解码后的数据，然后用YuvImage类的compressToJpeg保存为Jpeg图片即可。我们3s保存一张吧。
局部代码：

                // 3s 保存一张图片
                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}")
                        }

                        // 将NV21格式图片，以质量70压缩成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()
                    }
                }

最后说明一点就是硬解码是非常快，很高效率的，播放视频是需要PTS时间戳处理的。demo的处理方法就是让它渲染慢一点（demo视频文件是30fps，也就是1000ms/30=33ms一帧yuv数据），所以在mediaCodec.releaseOutputBuffer(outIndex, true)前在sleep（33ms）来达到正常的播放速度。

文章源代码

https://github.com/ta893115871/H264DecoderDemo

如果描述不正确的，欢迎指正。

Android音视频【三】硬解码播放H264

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软硬编解码

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