音视频小白系统入门课-2

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课程传送门：音视频小白系统入门课 音视频基础+ffmpeg原理

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音视频编解码

可以通过ffmpeg -f avfoundation -list_devices true -i "" 查看Mac设备支持的设备编号

编解码器

上下行网络一般是非对称的（下行带宽一般更大，因为大多数终端都是拉取数据）

压缩-质量 trade off

压缩方法：

• 消除冗余信息：有损压缩

  • 剔除人类听觉范围外的音频 （20Hz-20kHz)

  • 被遮蔽的音频信号(心理声学模型)

    • 频域遮蔽
      

    • 时域遮蔽

    

• 无损压缩：熵编码

  • 哈夫曼编码
  • 算数编码
  • 香农编码

  

常见的音频编解码器：

• OPUS：新兴、延迟小、压缩率高，WebRTC
• AAC：应用广泛，支持好，取代mp3
• Ogg：收费
• Speex：混音消除，以前流行
• G.711：窄带音频，固定电话，声音损耗严重

压缩效果：OPUS > AAC > Ogg

AAC编解码器：

• AAC LC（基础，128k）
• AAC HE V1（废弃，按64k左右）+ SBR技术，按频谱分开保存
• AAC HE V2（添加新技术）+ PS技术，多声道差异保存

AAC格式：

• ADIF（Audio Data Interchange Format）：从头解码，多用在磁盘文件
• ADTS（Audio Data Transport Stream）：每一帧有一个同步字，大一些，可以在音频流的任意位置解码

ADTS结构：7/9个字节，2字节CRC校验

Audio Object Types：

1 AAC Main
2 AAC LC

5 SBR : AAC HE V1

29 PS：AAC HE V2

Sampling Frequency Index：

4 44100 Hz

11 48000 HZ

ADTS头规范验证：http://p23.nl/projects/aac-header

• ffmpeg -i demo.mp3 -vn -c:a libfdk_aac -ar 44100 -channel_layout mono/stereo -profile:a aac_he_v2 demo_mp3.aac
  • -i 指定输入源
  • -vn 过滤视频
  • -c:a libfdk_aac codec:audio 音频编码器指定为fdk_aac
  • -ar 44100 采样率44.1kHz
  • -channel_layout stereo 立体声采样
  • -profile:a aac_he_v2设置音频编码格式

为了支持libfdk_aac库，对于brew安装的ffmpeg需要使用homebrew-ffmpeg第三方库安装支持fdk-aac的版本；对于源码安装的ffmpeg，需要在configure时打开libfdk-aac选项重新编译

音频重采样：转换音频三元组（采样率、位深/采样大小、通道数）

什么是重采样？

• 目标：将音频从一种采样格式（如 48000Hz F32LE 单声道）转换为另一种（如 44100Hz S16LE 单声道）。
• 关键操作：
  • 采样率转换（如 48kHz → 44.1kHz）：通过插值/抽取算法（如线性插值、sinc 滤波）调整样本数量。
  • 格式转换（如 F32LE → S16LE）：量化位深，可能涉及缩放（如 float [-1,1] → int16 [-32768,32767]）。
  • 声道布局调整（如 立体声 → 单声道）：混合或选择声道。

为什么要重采样：

• 音频设备采集数据与编码器要求数据不一致
• 扬声器要求的音频数据和播放数据不一致
• 方便运算：混音消除等场景使用单声道会方便运算

如何知道对应设备要求的规格？

1. 了解音频设备的参数
2. 查看ffmpeg的源码

为什么不把swr_init合并到swr_alloc_set_opts2中？

(1) 灵活性：允许动态修改配置- 用户可能在 `alloc` 后需要 调整参数（例如根据实际输入动态修改声道布局），再调用 `swr_init()`。如果合并，每次修改都要重新分配内存，效率更低。(2) 延迟初始化：节省资源- 某些场景下，`SwrContext` 可能被创建但 不立即使用（如预初始化一组转换器）。合并会导致无用的计算（如滤波器系数）提前执行。(3) 错误处理的清晰性- 分离设计允许：- 先检查 `alloc` 是否成功（内存分配问题）。- 再检查 `init` 是否成功（参数兼容性问题）。合并后难以区分错误类型。

为什么可以逐帧处理？

- 状态保持：`SwrContext` 内部会缓存部分样本，处理跨帧的连续性（例如 48kHz → 44.1kHz 时，一帧输入可能对应不完整输出帧）。
- 增量处理：每次调用 `swr_convert()` 时：- 输入：当前帧的音频数据（如 `2048字节 F32LE`）。- 输出：尽可能多的重采样后数据（可能比输入少/多，取决于采样率比）。- 剩余未处理的样本会暂存在 `SwrContext` 中，等待下一帧输入。

nb_sample 的作用

（1）定义- `nb_sample` 表示 单次处理的音频样本数（注意是“样本数”而非“字节数”）。- 例如：若音频是单声道 `F32LE`（每个样本占4字节），`2048字节` 对应 `2048 / 4 = 512` 个样本，此时 `nb_sample = 512`。
- 它决定了每次调用 `swr_convert()` 时，输入/输出缓冲区的有效数据量。（2）为什么需要它？- 分块处理：音频数据通常是流式分块传输的（比如每次从设备读取一帧），`nb_sample` 告诉重采样器当前块有多少有效样本需要处理。
- 缓冲区管理：输入/输出缓冲区需要预分配足够空间，`nb_sample` 用于计算缓冲区大小（如 `av_samples_alloc_array_and_samples()`）。

为什么 swr_src_data 是 uint8_t**（二级指针）？

根本原因：FFmpeg 对多声道音频的通用设计FFmpeg 的音频处理 API（如 `swr_convert`、`av_samples_alloc_array_and_samples`）需要兼容 多声道音频的平面（Planar）存储格式。对于多声道音频（如立体声、5.1声道），数据可能按以下两种方式存储：- 交错（Interleaved）：`[LRLRLR...]`（左右声道数据交替排列）
- 平面（Planar）：`[LLLL...]` + `[RRRR...]`（每个声道单独连续存储）**内存布局示例**假设立体声（2声道）音频：- **Planar 模式**：```cswr_src_data[0] = 左声道数据指针 (LLLL...)swr_src_data[1] = 右声道数据指针 (RRRR...)```- **Interleaved 模式**：```cswr_src_data[0] = 所有声道交织数据指针 (LRLRLR...)swr_src_data[1] = NULL (未使用)```

AAC 编码器的输入要求

AAC 编码器（如 `libfdk_aac` 或 FFmpeg 内置的 `aac`）通常支持以下格式：**采样格式（Sample Format）**：- 必须为 **`AV_SAMPLE_FMT_S16`（16位整型）** 或 **`AV_SAMPLE_FMT_FLTP`（32位浮点平面格式）**。
- 如果设备采集的是其他格式（如 `AV_SAMPLE_FMT_U8`、`AV_SAMPLE_FMT_S32`），需转换。**声道布局（Channel Layout）**：- 支持单声道（`AV_CH_LAYOUT_MONO`）或立体声（`AV_CH_LAYOUT_STEREO`）。
- 若设备采集的是多声道（如5.1），需降混（Downmix）或明确编码器是否支持。**采样率（Sample Rate）**：- 常见支持 16kHz、32kHz、44.1kHz、48kHz。
- 若设备采集的采样率不匹配（如8kHz），需重采样。

AVFrame：编码前的数据

AVPacket：编码后的数据

调用libfdk_aac编码时运行报错：

[libfdk_aac @ 0x138e82c90] frame_size (2048) was not respected for a non-last frame
avcodec_send_frame error -22: Invalid argument

经过查阅资料发现，libfkd-aac编码器对每次发送帧的采样数有要求：

• 单通道：必须是2048个采样
• 双通道：必须是1024个采样

前两帧和最后一帧可以不满足条件。我们音频设备采集的一帧数据经过重采样转换往往不满足条件，因此必须做一定的缓冲处理。

Swift调用C++：https://juejin.cn/post/7265999062242033724