「Android」Android视频编码那点破事（第一章）

作者: Alimin利民 | 来源:发表于2018-04-26 00:29 被阅读108次

第一章，使用SurfaceTexture作为Camera输出

Github：HardwareVideoCodec

在Android系统中，使用GPU对摄像头画面进行高效可控的渲染，几乎是必须的。说到GPU就不得不提OpenGL，一组GPU暴露给应用层使用的接口。

Tip：OpenGL是一组基于状态的系统，在这里没有对象，只有一系列的状态。包括申请的Texture、FBO和PBO都是以状态的形式存在的。当我们向系统申请一个Texture，系统不会直接给你返回一个Texture对象，而是一个编号，FBO和PBO也是一样的。

CameraPreviewPresenter.png

UML类图

正式开始之前我们先看一下这个模块的脑图和类图，以便对结构有个大概的了解。

CamerPreviewPresenter：序章介绍过了，一个全局控制器
Parameter：很重要的一个data类，包含了Camera、Encoder和Muxer初始化的一系列参数，再这里只用到Camera部分，也就是fps、previewWidth和previewHeight。
CameraWrapper：一个Camera的包装，对外暴露了SurfaceTexture.OnFrameAvailableListener接口，以及EGL，SurfaceTexture环境
CamerTextureWraper：EGL和SurfaceTexture的封装，其中textureId是OpenGL的纹理id，前面提到OpenGL是一个基于状态的系统，对SurfaceTexture的一系列处理都得通过textureId

首先，CameraPreviewPresenter需要实现SurfaceTexture.OnFrameAvailableListener接口，并且持有一个Parameter和一个CameraWrapper。cameraWrapper 会在init中初始化，parameter则是在CameraPreviewPresenter的调用处传进来。

class CameraPreviewPresenter(var parameter: Parameter,
                             private var cameraWrapper: CameraWrapper? = null)
    : SurfaceTexture.OnFrameAvailableListener{

    init {
        cameraWrapper = CameraWrapper.open(parameter, this)
    }
}

接下来在CameraWrapper里面，我们同样看到了Parameter，这个类会贯穿整个结构层级。onFrameAvailableListener也是由外部调用者赋值进来的，也就是CameraPreviewPresenter。

由于Camera的初始化是一个耗时任务，所以需要在线程中初始化，这里使用了一个HandlerThread。熟悉HandlerThread的人应该知道，HandlerThread会和一个Handler关联起来，通过Handler给Thread发送消息，从而实现子线程中的消息消费，具体的效果就是可以让线程以规定的顺序间歇性的处理我们的任务，而无须关心线程的等待问题。

class CameraWrapper(private var parameter: Parameter,
                    private var onFrameAvailableListener: SurfaceTexture.OnFrameAvailableListener,
                    var textureWrapper: TextureWrapper = CameraTextureWrapper()) {
    private var mHandlerThread = HandlerThread("Renderer_Thread")
    private var mHandler: Handler? = null
    private var mCamera: Camera? = null
    private var mCameras = 0
    private var mCameraIndex = Camera.CameraInfo.CAMERA_FACING_BACK
}

在CameraWrapper初始化时获取摄像头数量，并初始化开启HandlerThread线程，之后向HandlerThread发送准备消息，在子线程中准备Camera的初始化。

    init {
        mCameras = CameraHelper.getNumberOfCameras()
        initThread()
        mHandler?.removeMessages(PREPARE)
        mHandler?.sendEmptyMessage(PREPARE)
    }

Handler比较简单，只包含了一个Camera初始化的状态。代码就比较长了，在prepare()中，主要任务就是根据Parameter中的cameraIndex参数来打开前置或者后置摄像头，然后确定Camera的PreviewSize（预览分辨率）、ColorFormat（颜色格式）、FocusMode（对焦模式）、Fps（预览帧率）以及一些情景模式等。

    private fun initThread() {
        mHandlerThread.start()
        mHandler = object : Handler(mHandlerThread.looper) {
            override fun handleMessage(msg: Message) {
                when (msg.what) {
                    PREPARE -> {
                        prepare()
                    }
                }
            }
        }
    }

    private fun prepare() {
        if (0 == mCameras) {
            debug_e("Unavailable camera")
            return
        }
        //如果没有前置摄像头，则强制使用后置摄像头
        if (parameter.cameraIndex == Camera.CameraInfo.CAMERA_FACING_FRONT && mCameras < 2)
            parameter.cameraIndex = Camera.CameraInfo.CAMERA_FACING_BACK
        mCameraIndex = parameter.cameraIndex

        val time = System.currentTimeMillis()
        mCamera = openCamera(mCameraIndex)
        debug_e("open time: ${System.currentTimeMillis() - time}")
        if (null == mCamera) return
        val cameraParam = mCamera!!.parameters
        CameraHelper.setPreviewSize(cameraParam, parameter)
        CameraHelper.setColorFormat(cameraParam, parameter)
        CameraHelper.setFocusMode(cameraParam, parameter)
        CameraHelper.setFps(cameraParam, parameter)
        CameraHelper.setAutoExposureLock(cameraParam, false)
        CameraHelper.setSceneMode(cameraParam, Camera.Parameters.SCENE_MODE_AUTO)
        CameraHelper.setFlashMode(cameraParam, Camera.Parameters.FLASH_MODE_OFF)
        CameraHelper.setAntibanding(cameraParam, Camera.Parameters.ANTIBANDING_AUTO)
        CameraHelper.setVideoStabilization(cameraParam, true)
        val fps = IntArray(2)
        cameraParam.getPreviewFpsRange(fps)
        debug_v("Config: Size(${parameter.previewWidth}x${parameter.previewHeight})\n" +
                "Format(${cameraParam.previewFormat})\n" +
                "FocusMode(${cameraParam.focusMode})\n" +
                "Fps(${fps[0]}-${fps[1]})\n" +
                "AutoExposureLock(${cameraParam.autoExposureLock})\n" +
                "SceneMode(${cameraParam.sceneMode})\n" +
                "FlashMode(${cameraParam.flashMode})\n" +
                "Antibanding(${cameraParam.antibanding})\n" +
                "VideoStabilization(${cameraParam.videoStabilization})")
        try {
            mCamera!!.parameters = cameraParam
            mPrepare = true
            if (mRequestPreview) {
                startPreview()
                mRequestPreview = false
                mPrepare = false
            }
        } catch (e: Exception) {
            mCamera!!.release()
            debug_e("Camera $mCameraIndex open failed. Please check parameters")
        }
    }

Tip：关于previewSize的选择，由于Android的摄像头分辨率是固定的，我们必须从中选择一个合适的分辨率进行预览，最后会裁剪送进Render和Encoder。这里遵循一个最小裁剪像素原则，不需要过多复杂的判断，保证选择的都是最合适的分辨率，代码如下

        fun setPreviewSize(cameraParam: Camera.Parameters, videoParam: Parameter) {
            val supportSizes = cameraParam.supportedPreviewSizes
            var bestWidth = 0
            var bestHeight = 0
            for (size in supportSizes) {
                if (size.width >= videoParam.previewWidth//预览宽大于输出宽
                        && size.height >= videoParam.previewHeight//预览高大于输出高
                        && (size.width * size.height < bestWidth * bestHeight || 0 == bestWidth * bestHeight)) {//选择像素最少的分辨率
                    bestWidth = size.width
                    bestHeight = size.height
                }
            }
            debug_v("target preview size: " + videoParam.previewWidth + "x" + videoParam.previewHeight + ", best: " + bestWidth + "x" + bestHeight)
            videoParam.previewWidth = bestWidth
            videoParam.previewHeight = bestHeight
            videoParam.check()
            cameraParam.setPreviewSize(videoParam.previewWidth, videoParam.previewHeight)
        }

在上面完成参数初始化后，开启摄像头预览startPreview。这里比较重要的一点就是预览输出方向为SurfaceTexture，也就是OpenGL的一个纹理，而不是屏幕，我们可以把它看作一个缓冲区。SurfaceTexture的创建被包含在CameraTextureWrapper中。

    fun startPreview(): Boolean {
        mRequestPreview = true
        if (!mPrepare) return false
        if (null == mCamera) return false
        textureWrapper.surfaceTexture!!.setOnFrameAvailableListener(onFrameAvailableListener)
        return try {
            mCamera!!.setPreviewTexture(textureWrapper.surfaceTexture)
            mCamera!!.startPreview()
            true
        } catch (e: Exception) {
            release()
            debug_e("Start preview failed")
            e.printStackTrace()
            false
        }
    }

Tip：关于Camer预览的问题，大多数人都会选择onPreviewFrame(byte[] data, Camera camera)的回调数据，但是因为这里使用了OpenGL，所以必须使用SurfaceTexture.OnFrameAvailableListener。我们可以看到，这个回调是没有返回data的，所以我们一开始必须自己生成一个SurfaceTexture并设置给Camera，让摄像头把数据绘制到一个OpenGL的纹理上，也可以看作是一个缓冲区，这时候数据会保存在GPU内存中。而我们这么才能拿到这个数据呢，一切秘密都在这个SurfaceTexture的id（textureId）中。

CameraTextureWrapper的初始化，先来看一下它的抽象父类TextureWrapper。很简单，就是一些基础代码，当然包含了一些必要的属性

abstract class TextureWrapper(open var surfaceTexture: SurfaceTexture? = null,
                              var texture: BaseTexture? = null,
                              open var textureId: Int? = null,
                              var egl: Egl? = null) {

    abstract fun drawTexture(transformMatrix: FloatArray?)

    open fun release() {
        if (null != surfaceTexture) {
            surfaceTexture!!.release()
            surfaceTexture = null
        }
    }
}

由于使用OpenGL生成TextureId会有一些未知的错误，所以这里直接给定textureId=10，然后new一个SurfaceTexture。

    init {
        /**
         * 使用createTexture()会一直返回0，导致一些错误
         */
        textureId = 10
        intTexture()
    }
    private fun intTexture() {
        if (null != textureId)
            surfaceTexture = SurfaceTexture(textureId!!)
    }

EGL的初始化，由于egl需要在同一个线程中初始化，否则会报错，所以这里只给出了一个外部调用的方法，在适当时刻才初始化EGL。

    fun initEGL(width: Int, height: Int) {
        egl = Egl()
        egl!!.initEGL()
        egl!!.makeCurrent()
        texture = CameraTexture(width, height, textureId!!)
        debug_e("camera textureId: ${textureId}")
    }

接下来是一个很重要的类CameraTexture，这是一套OpenGL纹理绘制的封装，在之后的很多地方都会用到，包括滤镜渲染，屏幕绘制。

首先生成一组纹理的定点数据verticesBuffer，然后便宜链接OpenGL的定点和片元程序createProgram，并且保存程序中的一些变量位置，以便在drawTexture中给他们指定参数。

在drawTexture(transformMatrix: FloatArray?) 中我们可以看到OpenGL一系列的状态切换。重要！重要！重要！

由于这里使用了FBO，作用是把Camera中的数据绘制到FBO（帧缓存对象），所以需要先绑定一个输出FBOGLES20.glBindFramebuffer(GLES20.GL_FRAMEBUFFER, frameBuffer!!)
指定接下来OpenGL需要使用的程序GLES20.glUseProgram(shaderProgram!!)
激活0号纹理GLES20.glActiveTexture(GLES20.GL_TEXTURE0)
绑定一个输入纹理到扩展纹理，这里必须指定GL_TEXTURE_EXTERNAL_OES、GLES20.glBindTexture(GLES11Ext.GL_TEXTURE_EXTERNAL_OES, textureId)，这里需要注意的是，这个textureId跟1.中的FBO是成对的，一个进，一个出。
给纹理坐标赋值GLES20.glUniform1i(uTextureLocation, 0)
给顶点赋值enableVertex(aPositionLocation, aTextureCoordinateLocation, buffer!!, verticesBuffer!!)
给定一个变换矩阵GLES20.glUniformMatrix4fv(uTextureMatrix, 1, false, transformMatrix, 0)，这个矩阵由SurfaceTexture给出，不指定的话会造成画面错乱。
一些列初始化之后就可以进行纹理绘制了drawer.draw()
最后进行一些状态初始化操作，防止影响下一个OpenGL流程。至此，一个纹理绘制流程结束，今后的纹理绘制都是大同小异的。

class CameraTexture(width: Int, height: Int,
                    textureId: Int) : BaseFrameBufferTexture(width, height, textureId) {
    init {
        verticesBuffer = createShapeVerticesBuffer(CAMERA_TEXTURE_VERTICES)

        createProgram()
        initFrameBuffer()
    }
    private fun createProgram() {
        shaderProgram = createProgram(VERTEX_SHADER, FRAGMENT_SHADER)
        aPositionLocation = getAttribLocation("aPosition")
        uTextureLocation = getUniformLocation("uTexture")
        aTextureCoordinateLocation = getAttribLocation("aTextureCoord")
        uTextureMatrix = getUniformLocation("uTextureMatrix")
    }

    override fun drawTexture(transformMatrix: FloatArray?) {
        if (null == transformMatrix)
            throw RuntimeException("TransformMatrix can not be null")
        GLES20.glBindFramebuffer(GLES20.GL_FRAMEBUFFER, frameBuffer!!)
        GLES20.glUseProgram(shaderProgram!!)
        GLES20.glActiveTexture(GLES20.GL_TEXTURE0)
        GLES20.glBindTexture(GLES11Ext.GL_TEXTURE_EXTERNAL_OES, textureId)
        GLES20.glUniform1i(uTextureLocation, 0)
        enableVertex(aPositionLocation, aTextureCoordinateLocation, buffer!!, verticesBuffer!!)
        GLES20.glUniformMatrix4fv(uTextureMatrix, 1, false, transformMatrix, 0)

        drawer.draw()

        GLES20.glFinish()
        GLES20.glDisableVertexAttribArray(aPositionLocation)
        GLES20.glDisableVertexAttribArray(aTextureCoordinateLocation)
        GLES20.glBindTexture(GLES11Ext.GL_TEXTURE_EXTERNAL_OES, GLES20.GL_NONE)
        GLES20.glUseProgram(GLES20.GL_NONE)
        GLES20.glBindFramebuffer(GLES20.GL_FRAMEBUFFER, GLES20.GL_NONE)
    }
}

BaseFrameBufferTexture是CameraTexture的父类，也是BaseTexture的扩展子类，增加了对FBO的支持。所以在这里自然是对FBO进行初始化，大致的流程是：

申请两个数组，用来分别保存frameBuffer和frameBufferTexture，需要注意的是他们是一堆孪生兄弟，别看他们的值可能是一样的就以为是一个东西，他们也有值不一样的时候。简单来讲，frameBuffer就是一块缓冲区，也就是前面提到的FBO，这里遵循取数据使用frameBufferTexture，存数据使用frameBuffer
分别绑定frameBuffer和frameBufferTexture，告诉OpenGL我现在要操作他们了。
指定frameBuffer的大小和颜色格式GLES20.glTexImage2D(GLES20.GL_TEXTURE_2D, 0, GLES20.GL_RGBA, width, height, 0, GLES20.GL_RGBA, GLES20.GL_UNSIGNED_BYTE, null)，这里的width和height其实就是我们要输出的视频的大小，之后我们会使用OpenGL的glViewport指定画面区域，达到裁剪的目的。
设定过滤器，告诉OpenGL当画面过大或过小时应该怎么处理

GLES20.glTexParameterf(GLES20.GL_TEXTURE_2D,
                GLES20.GL_TEXTURE_MAG_FILTER, GLES20.GL_LINEAR.toFloat())
GLES20.glTexParameterf(GLES20.GL_TEXTURE_2D,
                GLES20.GL_TEXTURE_MIN_FILTER, GLES20.GL_LINEAR.toFloat())

告诉OpenGL当画面超出边界时在横竖方向该怎么处理

GLES20.glTexParameterf(GLES20.GL_TEXTURE_2D,
                GLES20.GL_TEXTURE_WRAP_S, GLES20.GL_CLAMP_TO_EDGE.toFloat())
GLES20.glTexParameterf(GLES20.GL_TEXTURE_2D,
                GLES20.GL_TEXTURE_WRAP_T, GLES20.GL_CLAMP_TO_EDGE.toFloat())

最后保存frameBuffer和frameBufferTexture以供使用。

abstract class BaseFrameBufferTexture(var width: Int,
                                      var height: Int,
                                      textureId: Int,
                                      var frameBuffer: Int? = null,
                                      var frameBufferTexture: Int? = null) : BaseTexture(textureId) {

    fun initFrameBuffer() {
        val frameBuffer = IntArray(1)
        val frameBufferTex = IntArray(1)
        GLES20.glGenFramebuffers(1, frameBuffer, 0)
        GLES20.glGenTextures(1, frameBufferTex, 0)
        GLES20.glBindTexture(GLES20.GL_TEXTURE_2D, frameBufferTex[0])
        GLES20.glTexImage2D(GLES20.GL_TEXTURE_2D, 0, GLES20.GL_RGBA, width, height, 0, GLES20.GL_RGBA, GLES20.GL_UNSIGNED_BYTE, null)
        GLES20.glTexParameterf(GLES20.GL_TEXTURE_2D,
                GLES20.GL_TEXTURE_MAG_FILTER, GLES20.GL_LINEAR.toFloat())
        GLES20.glTexParameterf(GLES20.GL_TEXTURE_2D,
                GLES20.GL_TEXTURE_MIN_FILTER, GLES20.GL_LINEAR.toFloat())
        GLES20.glTexParameterf(GLES20.GL_TEXTURE_2D,
                GLES20.GL_TEXTURE_WRAP_S, GLES20.GL_CLAMP_TO_EDGE.toFloat())
        GLES20.glTexParameterf(GLES20.GL_TEXTURE_2D,
                GLES20.GL_TEXTURE_WRAP_T, GLES20.GL_CLAMP_TO_EDGE.toFloat())
        GLES20.glBindFramebuffer(GLES20.GL_FRAMEBUFFER, frameBuffer[0])
        GLES20.glFramebufferTexture2D(GLES20.GL_FRAMEBUFFER, GLES20.GL_COLOR_ATTACHMENT0, GLES20.GL_TEXTURE_2D, frameBufferTex[0], 0)
        GLES20.glBindTexture(GLES20.GL_TEXTURE_2D, 0)
        GLES20.glBindFramebuffer(GLES20.GL_FRAMEBUFFER, 0)
        val error = GLES20.glGetError()
        if (error != GLES20.GL_NO_ERROR) {
            val msg = "initFrameBuffer: glError 0x" + Integer.toHexString(error)
            debug_e(msg)
            return
        }
        this.frameBuffer = frameBuffer[0]
        this.frameBufferTexture = frameBufferTex[0]
        debug_e("enable frame buffer: ${this.frameBuffer}, ${this.frameBufferTexture}")
    }
}

在BaseTexture中主要处理顶点和片元程序的编译链接，还有顶点坐标的生成。这里时固定化的流程，所有的OpenGL程序都是按照这个流程生成。

abstract class BaseTexture(var textureId: Int,
                           var buffer: FloatBuffer? = null,
                           var verticesBuffer: FloatBuffer? = null,
                           var shaderProgram: Int? = null,
                           var drawer: GLDrawer = GLDrawer()) : Texture {
    companion object {
        var COORDS_PER_VERTEX = 2
        var TEXTURE_COORDS_PER_VERTEX = 2
        private val DRAW_INDICES = shortArrayOf(0, 1, 2, 0, 2, 3)
        //每行前两个值为顶点坐标，后两个为纹理坐标
        val VERTICES_SQUARE = floatArrayOf(
                -1.0f, 1.0f,
                -1.0f, -1.0f,
                1.0f, -1.0f,
                1.0f, 1.0f)
    }

    init {
        buffer = createShapeVerticesBuffer(VERTICES_SQUARE)
    }

    fun createShapeVerticesBuffer(array: FloatArray): FloatBuffer {
        val result = ByteBuffer.allocateDirect(4 * array.size).order(ByteOrder.nativeOrder()).asFloatBuffer()
        result.put(array).position(0)
        return result
    }

    fun createProgram(vertex: String, fragment: String): Int {
        val vertexShader = loadShader(GLES20.GL_VERTEX_SHADER, vertex)
        val fragmentShader = loadShader(GLES20.GL_FRAGMENT_SHADER, fragment)
        return linkProgram(vertexShader!!, fragmentShader!!)
    }

    /**
     * 加载着色器，GL_VERTEX_SHADER代表生成顶点着色器，GL_FRAGMENT_SHADER代表生成片段着色器
     */
    fun loadShader(type: Int, shaderSource: String): Int {
        //创建Shader
        val shader = GLES20.glCreateShader(type)
        if (shader == 0) {
            throw RuntimeException("Create Shader Failed!" + GLES20.glGetError())
        }
        //加载Shader代码
        GLES20.glShaderSource(shader, shaderSource)
        //编译Shader
        GLES20.glCompileShader(shader)
        return shader
    }

    /**
     * 将两个Shader链接至program中
     */
    fun linkProgram(verShader: Int, fragShader: Int): Int {
        //创建program
        val program = GLES20.glCreateProgram()
        if (program == 0) {
            throw RuntimeException("Create Program Failed!" + GLES20.glGetError())
        }
        //附着顶点和片段着色器
        GLES20.glAttachShader(program, verShader)
        GLES20.glAttachShader(program, fragShader)
        //链接program
        GLES20.glLinkProgram(program)
        //告诉OpenGL ES使用此program
        GLES20.glUseProgram(program)
        return program
    }

    fun enableVertex(posLoc: Int, texLoc: Int, shapeBuffer: FloatBuffer, texBuffer: FloatBuffer) {
        GLES20.glEnableVertexAttribArray(posLoc)
        GLES20.glEnableVertexAttribArray(texLoc)
        GLES20.glVertexAttribPointer(posLoc, COORDS_PER_VERTEX,
                GLES20.GL_FLOAT, false,
                COORDS_PER_VERTEX * 4, shapeBuffer)
        GLES20.glVertexAttribPointer(texLoc, TEXTURE_COORDS_PER_VERTEX,
                GLES20.GL_FLOAT, false,
                TEXTURE_COORDS_PER_VERTEX * 4, texBuffer)
    }

    fun getAttribLocation(name: String): Int {
        return GLES20.glGetAttribLocation(shaderProgram!!, name)
    }

    fun getUniformLocation(name: String): Int {
        return GLES20.glGetUniformLocation(shaderProgram!!, name)
    }

    fun release() {
        if (null != shaderProgram)
            GLES20.glDeleteProgram(shaderProgram!!)
    }

    class GLDrawer(var drawIndecesBuffer: ShortBuffer? = null) {
        init {
            drawIndecesBuffer = ByteBuffer.allocateDirect(2 * DRAW_INDICES.size).order(ByteOrder.nativeOrder()).asShortBuffer()
            drawIndecesBuffer?.put(DRAW_INDICES)
            drawIndecesBuffer?.position(0)
        }

        fun draw() {
            GLES20.glClearColor(0.0f, 0.0f, 0.0f, 0.0f)
            GLES20.glClear(GLES20.GL_COLOR_BUFFER_BIT)
            GLES20.glDrawElements(GLES20.GL_TRIANGLES, drawIndecesBuffer!!.limit(),
                    GLES20.GL_UNSIGNED_SHORT, drawIndecesBuffer)
        }
    }

流程比较多，可能讲的不是很到位，请配合源码阅读，如有错误，欢迎纠正。当然，这里可以选择更为简单的GLSurfaceView，但是在某些情况下，TextureView有不可替代的作用，详情可以去搜索一下TextureView和GLSurfaceView的区别。

至此，所有的TextureView渲染环境已经初始化完成了，之后在Render线程中初始化这个camerWrapper的EGL环境，就可以在SurfaceTexture.OnFrameAvailableListener回调中执行drawTexture方法把摄像头数据绘制到FBO中了，下一章会讲到。

「Android」Android视频编码那点破事（第一章）

第一章，使用SurfaceTexture作为Camera输出

Github：HardwareVideoCodec

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