[音视频]QQ视频通话、抖音的视频回显是如何实现的

作者: CODING技术小馆 | 来源:发表于2019-11-30 19:51 被阅读0次

QQ视频通话、抖音的视频回显是如何实现的

先说为什么会有这一篇文章：
2014年联想曾经做过一款短视频软件，叫“魔力秀”。可以说和现在的抖音基本是一样的，但因为“魔力秀App”出生于联想，注定无法在一个硬件公司成长为一棵参天大树，最终只发了一个版本就结束了。
当时“魔力秀App”的视频回显模块是我设计实现的，所以就有了这篇文章。
事过多年，将这篇文章拿出来整理，因为这项技术依然不过时，反而被广泛应用...

这篇文章之前叫做 Opengl ES中YUV420转RGB 是一个技术标题。整理时，发现用这个标题，大家实际是不知道这个技术有什么用，因此换了这个比较醒目的名字。

Opengl ES中YUV420转RGB 这项技术主要是实现视频高效、节省带宽的回显视频图像。

为什么说高效？
因为直接用 OpenGL ES 实现，本身绕开了Androi的层层封装；
而且Opengl 本身就是图形学接口，实现效率天然高效。
为什么说节省带宽？
因为网络传输中，采用的YUV420数据格式，本身是一种有损的数据格式。但由于格式的特性，色彩还原后基本对图像显示效果没有影响，因此在视频通话场景中广泛使用。

这里通过以下几个方面具体说明Opengl ES中YUV420转RGB 这项技术的实现方式：

先了解一个概念“灰度图”
YUV数据格式
YUV444和YUV420
YUV420转RGB
OpenGL ES中YUV420P转RGB

一、先了解一个概念“灰度图”

这里先了解一下灰度 Y 的概念。不知道大家是否看过老式的黑白电视机？
老式黑白电视机的图像就只有Y一个通道，老式黑白电视机上的图像就是灰度图成像（只用接收一个Y通道数据就能播放出电视画面，前辈们果然厉害... ；而后来的彩色电视用的是YUV数据信号，这样既兼容了老的黑白电视，又可以在新式彩色电视上显示彩色图像，前辈们太厉害了...）

灰度图的定义：
灰度值与RGB的计算公式
将“彩色图转”转化为“灰度图”shader实现

1.1、灰度图的定义：

把白色与黑色之间按对数关系分为若干等级,称为灰度。灰度分为256阶。

1.2、灰度值Y与RGB的计算公式：

Y = 0.299R + 0.587G + 0.114*B

电视台发出信号时，将RGB数据这样转化为Y 数据。老式黑白电视机接收到Y信号，就能展示图象了。

1.4、将“彩色图转”转化为“灰度图”shader实现

这里说一个技术实现，在OpenGL ES中，如何用shader片元着色器，把一个彩色纹理图转化为一个灰度图？

效果如下：

彩色图

转化后的灰度图

转化当然要用到我们上边说道的RGB 转 Y的公式，下边我们看具体的片源着色器 shader 代码实现：

// shader 片元着色器
precision mediump float;
varying vec2 vTextureCoord;
uniform sampler2D sTexture;

void main() {
        // 从纹理图sTexture 读取当前片元的RGB颜色
         vec4 color=texture2D(sTexture, vTextureCoord);
         // 公式计算灰度值
         float col=color.r*0.299+color.g*0.587+color.b*0.114;
         // 将生成的Y 灰度值设置给RGB通道
         color.r=col;
         color.g=col;
         color.b=col;
         // 传给片源着色器
         gl_FragColor =color;
}

在shader实现中，我特意加了注释。
了解glsl语法的同学，可以仔细读一下上边的代码实现；
当然不了解语法的同学，更要简单读一遍（glsl是一种类C语言，只要学过C语言应该就能读懂）

二、YUV数据格式

上边我们了解了灰度图的实现，这里我们介绍一个YUV数据格式。
主要分为以下几个部分:

YUV定义
使用YUV的好处
YUV与RGB转换公式
YUV444和YUV420

2.1、YUV

YUV的具体定义如下：

Y：就是灰度值；
UV：用来指定像素的颜色。

对于UV现在有些懵没关系，我们继续往下看

2.2、YUV与RGB转换公式

// RGB转YUV
Y= 0.299*R + 0.587*G + 0.114*B
U= -0.147*R - 0.289*G + 0.436*B = 0.492*(B- Y)
V= 0.615*R - 0.515*G - 0.100*B = 0.877*(R- Y)
//############################################
// YUV转RGB
R = Y + 1.140*V
G = Y - 0.394*U - 0.581*V
B = Y + 2.032*U

2.3、使用YUV的好处:

传输信号向后兼容老式黑白电视机（用于优化彩色视频信号的传输，使其向后相容老式黑白电视）
YUV420占用的带宽少(这个我们在前边提过，至于具体为什么，后边会有详细介绍)

YUV420与RGB视频信号传输相比，它最大的优点在于只需占用极少的频宽(后面来介绍)

2.4、YUV444和YUV420

前边我们一直说的YUV数据，其实是YUV420数据格式。YUV420数据格式在传输上UV色彩是有损传输，而YUV444 其实是一种无损的数据格式。
那为什么这里我们还是要说一下YUV444格式呢？
其实是为了后边实现 将YUV420数据还原成RGB做准备

首先介绍YUV444 数据格式：

YUV444：
一个像素点对应一个Y一个U一个V（YUV一一对应）
YUV444数据格式如下图所示：

YUV444数据格式

YUV444 中YUV通道一一对应，理解简单。下边这个是YUV420数据格式，UV数据有损。

YUV420：
一个像素点对应一个Y；
四个像素点对应一个U一个V；

具体数据格式如下：

YUV420数据格式

从上图可以看到，UV色彩通道是有损失的，这也是为什么YUV420在展示时，占用的带宽更少一下。

a、Y、U、V没有一一对应，图像有颜色损失
b、这也就是为什么占用的带宽少了；
c、同样网络传输中，占用的流量也同样减少了；
d、但对图像的色彩展示几乎没有影响

因为占用的流量较少，对色彩展示几乎没有影响，因此广泛应用于各中视频通话场景，视频回显场景等。

三、YUV420转RGB

哇去，基础知识终于说完了，这里说到我们的核心技术点：YUV420转RGB

第一个步骤YUV420转YUV444；
第二个步骤YUV444转RGB。

为什么要把YUV420转为YUV444？
因为在传输时，YUV420中的UV通道数据损失了。但我们渲染时，需要把这损失掉的UV色彩数据通道还原回来，再进行YUV444 转 RGB

先说 YUV420 转 YUV444

3.1、YUV420转YUV444

要把YUV420转为YUV444就得把“上图 YUV420” U与V中 “？” 的部分填满。

通过YUV420数据中，已有的U 与 Y数据，通过差值计算的方式，填补上空缺的部分。以下是差值运算的具体实现公式，差值计算如下（建议参照YUV420数据格式图来看，要不容易懵）：

U01 = (U00 + U02)/2; // 利用已有的 U00、U02来计算U01
U10 = (U00 + U20)/2; // 利用已有的 U00、U20来计算U10
U11 = (U00 + U02 + U20 + U22)/4;// 利用已有的 U00、U02、U20、U22来计算U11

//######################
V01 = (V00 + V02)/2; // 利用已有的 V00、V02来计算V01
V10 = (V00 + V20)/2; // 利用已有的 V00、V20来计算V10
V11 = (V00 + V02 + V20 + V22)/4; // 利用已有的 V00、V02、V20、V22来计算V11

经过以上公式，YUV420转YUV444 完成（数据补全成功），下边来说YUV444如何转RGB。

3.2、YUV444转RGB

YUV444转RGB是有现成公式的，我们直接拿来用就行了，YUV转RGB的公式：

R = Y + 1.140*V
G = Y - 0.394*U - 0.581*V
B = Y + 2.032*U

公式有了，那具体的代码实现是怎么实现的呢？

注：
一、二、三、四，这四点介绍的是YUV转RGB的基本原理，下边是具体实现。

四、OpenGL ES中YUV420P转RGB

这一节介绍具体技术实现，但开始时，还是要介绍两种数据格式（哎、我知道你们都烦了，我其实也烦，但还是得说）

YUV420p的数据格式
YUV420sp的数据格式(YUV420sp转RGB这里不做介绍)
YUV420sp 转RGB

4.1、YUV420p的数据格式

YUV420p的数据格式如下图所示（为一个byte[]）：

YUV420p

其中数据的4/6为Y；1/6为U；1/6为V。

4.2、YUV420sp的数据格式(YUV420sp转RGB这里不做介绍)

YUV420sp的数据格式如下图所示（为一个byte[]）：

YUV420sp

其中数据的4/6为Y；1/6为U；1/6为V。

4.3、YUV420sp 转RGB

其实大概原理就是：

将YUV420数据中的Y U V 数据分别取出来，分别生成三张纹理图
利用片元着色器每个片元执行一次的特性，将YUV420数据转为YUV444数据
从YUV444数据中，取出一一对应的YUV数据
最后，利用公式YUV444 转 RGB
完事大吉

以下为YUV三张纹理图效果图：

YUV三张纹理图

YUV420转YUV444

这里如何补全YUV420数据中UV部分的颜色数据？

这里有一个讨巧的方式：
在OpenGL ES生成纹理时，采用线性纹理采样方式。线性采样出U、V纹理中“？”部分的颜色值。这样就就可以拿到一一对应的YUV444数据。

对应的Java代码如下：

    /**
     * 
     * @param w
     * @param h
     * @param date
     *            数据
     * @param textureY
     * @param textureU
     * @param textureV
     * @param isUpdate
     *            是否为更新
     */
    public static boolean bindYUV420pTexture(int frameWidth, int frameHeight,
            byte frameData[], int textureY, int textureU, int textureV,
            boolean isUpdate) {

        if (frameData == null || frameData.length == 0) {
            return false;
        }
        Log.d(TAG, "----bindYUV420pTexture-----");

        if (isUpdate == false) {

            /**
             * 数据缓冲区
             */
            // Y
            ByteBuffer buffer = LeBuffer.byteToBuffer(frameData);
            // GLES20.glActiveTexture(GLES20.GL_TEXTURE0);
            GLES20.glBindTexture(GLES20.GL_TEXTURE_2D, textureY);

            GLES20.glTexParameteri(GLES20.GL_TEXTURE_2D,
                    GLES20.GL_TEXTURE_MIN_FILTER, GLES20.GL_LINEAR);// GL_LINEAR_MIPMAP_NEAREST
            GLES20.glTexParameteri(GLES20.GL_TEXTURE_2D,
                    GLES20.GL_TEXTURE_MAG_FILTER, GLES20.GL_LINEAR);

            GLES20.glTexParameteri(GLES20.GL_TEXTURE_2D,
                    GLES20.GL_TEXTURE_WRAP_S, GLES20.GL_CLAMP_TO_EDGE);
            GLES20.glTexParameteri(GLES20.GL_TEXTURE_2D,
                    GLES20.GL_TEXTURE_WRAP_T, GLES20.GL_CLAMP_TO_EDGE);

            /**
             * target 指定目标纹理,这个值必须是GL_TEXTURE_2D; level
             * 执行细节级别,0是最基本的图像级别,n表示第N级贴图细化级别; internalformat
             * 指定纹理中的颜色组件,可选的值有GL_ALPHA,GL_RGB,GL_RGBA,GL_LUMINANCE,
             * GL_LUMINANCE_ALPHA 等几种; width 指定纹理图像的宽度; height 指定纹理图像的高度; border
             * 指定边框的宽度; format 像素数据的颜色格式,可选的值参考internalformat; type
             * 指定像素数据的数据类型,可以使用的值有GL_UNSIGNED_BYTE
             * ,GL_UNSIGNED_SHORT_5_6_5,GL_UNSIGNED_SHORT_4_4_4_4
             * ,GL_UNSIGNED_SHORT_5_5_5_1; pixels 指定内存中指向图像数据的指针;
             * 
             */
            GLES20.glTexImage2D(GLES20.GL_TEXTURE_2D, 0, GLES20.GL_LUMINANCE,
                    frameWidth, frameHeight, 0, GLES20.GL_LUMINANCE,
                    GLES20.GL_UNSIGNED_BYTE, buffer);

            /**
             * 
             */
            // U
            buffer.clear();
            buffer = LeBuffer.byteToBuffer(frameData);
            buffer.position(frameWidth * frameHeight);
            //
            // GLES20.glActiveTexture(GLES20.GL_TEXTURE1);
            GLES20.glBindTexture(GLES20.GL_TEXTURE_2D, textureU);

            GLES20.glTexParameteri(GLES20.GL_TEXTURE_2D,
                    GLES20.GL_TEXTURE_MIN_FILTER, GLES20.GL_LINEAR);// GL_LINEAR_MIPMAP_NEAREST
            GLES20.glTexParameteri(GLES20.GL_TEXTURE_2D,
                    GLES20.GL_TEXTURE_MAG_FILTER, GLES20.GL_LINEAR);

            GLES20.glTexParameteri(GLES20.GL_TEXTURE_2D,
                    GLES20.GL_TEXTURE_WRAP_S, GLES20.GL_CLAMP_TO_EDGE);
            GLES20.glTexParameteri(GLES20.GL_TEXTURE_2D,
                    GLES20.GL_TEXTURE_WRAP_T, GLES20.GL_CLAMP_TO_EDGE);

            GLES20.glTexImage2D(GLES20.GL_TEXTURE_2D, 0, GLES20.GL_LUMINANCE,
                    frameWidth / 2, frameHeight / 2, 0, GLES20.GL_LUMINANCE,
                    GLES20.GL_UNSIGNED_BYTE, buffer);

            /**
             * 
             */
            // V
            buffer.clear();
            buffer = LeBuffer.byteToBuffer(frameData);
            buffer.position(frameWidth * frameHeight * 5 / 4);
            //
            // GLES20.glActiveTexture(GLES20.GL_TEXTURE2);
            GLES20.glBindTexture(GLES20.GL_TEXTURE_2D, textureV);

            GLES20.glTexParameteri(GLES20.GL_TEXTURE_2D,
                    GLES20.GL_TEXTURE_MIN_FILTER, GLES20.GL_LINEAR);// GL_LINEAR_MIPMAP_NEAREST
            GLES20.glTexParameteri(GLES20.GL_TEXTURE_2D,
                    GLES20.GL_TEXTURE_MAG_FILTER, GLES20.GL_LINEAR);

            GLES20.glTexParameteri(GLES20.GL_TEXTURE_2D,
                    GLES20.GL_TEXTURE_WRAP_S, GLES20.GL_CLAMP_TO_EDGE);
            GLES20.glTexParameteri(GLES20.GL_TEXTURE_2D,
                    GLES20.GL_TEXTURE_WRAP_T, GLES20.GL_CLAMP_TO_EDGE);

            GLES20.glTexImage2D(GLES20.GL_TEXTURE_2D, 0, GLES20.GL_LUMINANCE,
                    frameWidth / 2, frameHeight / 2, 0, GLES20.GL_LUMINANCE,
                    GLES20.GL_UNSIGNED_BYTE, buffer);

        } else {
            /**
             * Y
             */
            ByteBuffer buffer = LeBuffer.byteToBuffer(frameData);
            GLES20.glBindTexture(GLES20.GL_TEXTURE_2D, textureY);
            GLES20.glTexSubImage2D(GLES20.GL_TEXTURE_2D, 0, 0, 0, frameWidth,
                    frameHeight, GLES20.GL_LUMINANCE, GLES20.GL_UNSIGNED_BYTE,
                    buffer);

            /**
             * U
             */
            //
            buffer.clear();
            buffer = LeBuffer.byteToBuffer(frameData);
            buffer.position(frameWidth * frameHeight);
            //
            GLES20.glBindTexture(GLES20.GL_TEXTURE_2D, textureU);
            GLES20.glTexSubImage2D(GLES20.GL_TEXTURE_2D, 0, 0, 0,
                    frameWidth / 2, frameHeight / 2, GLES20.GL_LUMINANCE,
                    GLES20.GL_UNSIGNED_BYTE, buffer);
            /**
             * V
             */
            //
            buffer.clear();
            buffer = LeBuffer.byteToBuffer(frameData);
            buffer.position(frameWidth * frameHeight * 5 / 4);
            //
            GLES20.glBindTexture(GLES20.GL_TEXTURE_2D, textureV);
            GLES20.glTexSubImage2D(GLES20.GL_TEXTURE_2D, 0, 0, 0,
                    frameWidth / 2, frameHeight / 2, GLES20.GL_LUMINANCE,
                    GLES20.GL_UNSIGNED_BYTE, buffer);
        }
        return true;
    }

代码说明：
已上代码便是将传入的帧数据byte frameData[]，转为三张纹理图的代码。
代码的16行、5051行、7576行分别为从byte frameData[]中分别取出Y、U、V数据的代码。
代码5659行、代码8184行分别为设置U、V纹理的采样方式为线性采样的代码。
以上代码运行结束，内存中会生成三张纹理图像。
将三张纹理图像传入“片元着色器”执行下一步骤。

YUV444转RGB

YUV一一对应的纹理有了，这里该介绍如何实现YUV444转RGB了：

按照YUV转RGB的公式，将Y、U、V一一对应的取出，进行YUV转RGB操作，生成像素点。

对应片元着色器 shader 代码实现：

recision mediump float;
// 片元着色器中 输入了Y U V三张纹理
uniform sampler2D sTexture_y;
uniform sampler2D sTexture_u;
uniform sampler2D sTexture_v;

varying vec2 vTextureCoord;

//YUV 转 RGB的 shader 实现
void getRgbByYuv(in float y, in float u, in float v, inout float r, inout float g, inout float b){  
    //
    y = 1.164*(y - 0.0625);
    u = u - 0.5;
    v = v - 0.5;
    //
    r = y + 1.596023559570*v;
    g = y - 0.3917694091796875*u - 0.8129730224609375*v;
    b = y + 2.017227172851563*u;
}

void main() {
    //
    float r,g,b;
    
    // 从YUV三张纹理中，采样出一一对应的YUV数据
    float y = texture2D(sTexture_y, vTextureCoord).r;
    float u = texture2D(sTexture_u, vTextureCoord).r;
    float v = texture2D(sTexture_v, vTextureCoord).r;
    // YUV 转 RGB
    getRgbByYuv(y, u, v, r, g, b);
    
    // 最终颜色赋值
    gl_FragColor = vec4(r,g,b, 1.0); 
}

五、完事大吉

源码真的是懒得整理，所以，大家还是理解了实现原理，自己动手去敲吧，不要找我要代码了！！！
源码真的是懒得整理，所以，大家还是理解了实现原理，自己动手去敲吧，不要找我要代码了！！！
源码真的是懒得整理，所以，大家还是理解了实现原理，自己动手去敲吧，不要找我要代码了！！！

========== THE END ==========

wx_gzh.jpg

[音视频]QQ视频通话、抖音的视频回显是如何实现的

QQ视频通话、抖音的视频回显是如何实现的

一、先了解一个概念“灰度图”

1.1、灰度图的定义：

1.2、灰度值Y与RGB的计算公式：

1.4、将“彩色图转”转化为“灰度图”shader实现

二、YUV数据格式

2.1、YUV

2.2、YUV与RGB转换公式

2.3、使用YUV的好处:

2.4、YUV444和YUV420

三、YUV420转RGB

3.1、YUV420转YUV444

3.2、YUV444转RGB

四、OpenGL ES中YUV420P转RGB

4.1、YUV420p的数据格式

4.2、YUV420sp的数据格式(YUV420sp转RGB这里不做介绍)

4.3、YUV420sp 转RGB

五、完事大吉

========== THE END ==========

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二、YUV数据格式

2.1、YUV

2.2、YUV与RGB转换公式

2.3、使用YUV的好处:

2.4、YUV444和YUV420

三、YUV420转RGB

3.1、YUV420转YUV444

3.2、YUV444转RGB

四、OpenGL ES中YUV420P转RGB

4.1、YUV420p的数据格式

4.2、YUV420sp的数据格式(YUV420sp转RGB这里不做介绍)

4.3、YUV420sp 转RGB

五、完事大吉

========== THE END ==========

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