FFmpeg之三 录制音频并保存， API编解码从理论到实战

在学习FFmpeg的时候，想拿demo来练习，官方虽有示例，但更像是工具演示，新手不好掌握，在网上找不到有文章，能给出完整的示例和关键点的分析说明，一步一个错误，慢慢啃过来的，本文就把重要经验和完整代码全部分享出来。

音频的基本概念

1. 采样率 (Sample Rate)

解释

采样率是指在将连续的模拟音频信号转换为数字信号时，每秒钟对其幅度进行测量的次数（样本数）。可以将其想象为给连续的声音波形拍摄快照，采样率就是每秒拍摄快照的数量。采样率越高，意味着捕捉到的声音信息越精细，尤其是在高频部分，能够还原的声音频率上限也越高（根据奈奎斯特理论，最高可还原频率约为采样率的一半）。

单位

赫兹 (Hz) 或千赫兹 (kHz)。

示例

• 8000 Hz (8 kHz): 电话音质，足以识别人声，但听起来比较模糊。
• 16000 Hz (16 kHz): 广泛用于 VoIP（网络电话）和一些语音识别应用，比电话音质好。
• 44100 Hz (44.1 kHz): CD 音质标准。可以很好地覆盖人耳能听到的绝大部分频率范围（约 20 Hz - 20 kHz）。
• 48000 Hz (48 kHz): 专业音频、DVD 和蓝光视频、数字电视广播中常用的标准。
• 96000 Hz (96 kHz) / 192000 Hz (192 kHz): 高解析度音频（Hi-Res Audio）标准，理论上能提供超越 CD 的音质细节和频率响应，但文件体积也更大。

2. 声道数 (Channel Count)

解释

声道数是指音频信号中包含的独立声轨的数量。它决定了声音的空间感和来源方向。

示例

• 1 (Mono / 单声道): 所有声音混合在一个声道中，没有方向感。适用于语音录制、一些老式录音或 AM 广播。
• 2 (Stereo / 立体声 / 双声道): 包含左、右两个声道，可以营造出声音从不同方向传来的空间感。
• 5.1 声道: 包含 5 个全频带声道（前左、前中、前右、后左、后右）和 1 个低频效果声道（LFE，即 “.1”），用于家庭影院环绕声。
• 7.1 声道: 在 5.1 的基础上增加了两个侧环绕声道。

3. 采样位数 / 位深度 (Bit Depth)

解释

位深度（Bit Depth）描述了用来表示每个音频样本（采样点）的振幅（响度）的二进制位数（bits）。它决定了音频信号的动态范围（最响和最轻声音之间的范围）和量化噪声的大小。位数越多，表示振幅的精度就越高，动态范围越大，声音细节越丰富

单位

比特 (bit)。

示例

• 8 bit: 动态范围较小，量化噪声明显。常见于早期的游戏、一些电话系统或特定效果。
• 16 bit: CD 音质标准。提供了约 96 dB 的动态范围，对大多数听音环境和音乐类型来说已经足够好。
• 24 bit: 专业音频录制和处理中广泛使用。提供了约 144 dB 的巨大动态范围，可以记录非常细微的声音细节，并在后期处理中有更大裕量。
• 32 bit float (浮点): 主要在音频制作和处理软件内部使用。它提供了极大的动态范围，并且可以避免在处理过程中因信号过载而产生削波失真（clipping）。最终成品通常会转换回 16 bit 或 24 bit 整数。

4、音频帧

解释

“音频帧”（Audio Frame）是指编码器处理和输出的一个基本单元。它包含了一定数量的连续音频样本（每个声道）。

与前面提到的单个“样本”（Sample）不同，编码器（如 AAC, MP3, Opus 等）为了提高压缩效率和利用心理声学模型，通常会把一小段时间的音频样本打包在一起进行处理和压缩。这个“包”就是一个编码后的音频帧。

在 FFmpeg 的 AVCodecContext 结构中，有一个名为 frame_size 的成员。对于大多数有损压缩编码器，这个 frame_size 指的是该编码器每个输出帧所包含的单个声道的样本数量。对于特定编码器（或其特定配置）来说这个值是固定的

为什么需要知道 frame_size？

• 缓冲管理: 在使用 libavcodec 进行编码时，你需要确保提供给编码器的 PCM 样本数量通常是 frame_size 的整数倍（或者至少满足编码器的最小输入要求）。

• 时间戳计算: 音频帧的持续时间可以通过 frame_size / sample_rate 计算得出，这对于精确控制播放时间和同步至关重要。

• 理解编码器行为: 知道帧大小有助于理解编码器的内部工作方式和潜在的延迟（通常至少是一个帧的长度）。

• 重要区别: 对于未压缩的 PCM 数据，"帧"的概念不那么严格，你可以按任意数量的样本进行处理。但一旦涉及压缩编码器，它们通常强制要求以特定的 frame_size 来组织数据。

FFmpeg 中常见编码器的 frame_size 示例，frame_size 的具体值取决于所使用的编码器：

• AAC (Advanced Audio Coding):
  常见的 FFmpeg 内置 aac 编码器或 libfdk_aac 编码器，其 frame_size 通常是 1024 个样本/声道。
  某些 AAC 变种，如 AAC-LD (Low Delay)，frame_size 可能是 512 或 480。

• MP3 (MPEG-1 Audio Layer III):
  使用 libmp3lame 编码器时，frame_size 通常是 1152 个样本/声道。

• Opus:
  Opus 编码器比较灵活，它工作在不同的帧持续时间上（如 2.5ms, 5ms, 10ms, 20ms, 40ms, 60ms）。其 frame_size（样本数）等于 sample_rate * frame_duration_in_seconds。
  例如，在 48 kHz 采样率下，一个 20ms 的 Opus 帧包含 48000 * 0.020 = 960 个样本/声道。FFmpeg 的 frame_size 常常报告这个常用的 960 值。

• PCM (Pulse Code Modulation - 未压缩):
  对于 PCM 这种未压缩格式，frame_size 的概念不那么适用。FFmpeg 可能会报告 frame_size 为 1，表示可以按样本处理，或者在某些封装上下文中可能有不同的表示。但编码意义上的固定帧大小通常不存在。

分片（plane）和打包（packed）

在ffmepeg 的AVCodecContext 有成员变量 sample_fmt，表示采样格式， 可选择位深度和存储样式。 位深度，例如：8bit、16bit，float 等等， 每种位深度都有两种类型，例如float型的有： AV_SAMPLE_FMT_FLT, AV_SAMPLE_FMT_FLTP

• 带P（plane）的数据格式在存储时，其左声道和右声道的数据是分开存储的，左声道的数据存储在data[0]，右声道的数据存储在data[1]，每个声道的所占用的字节数为linesize[0]和linesize[1]，frame.data[i]或者frame.extended_data[i]表示第i个声道的数据；

• 不带P（packed）的音频数据在存储时，是按照LRLRLR…的格式交替存储在data[0]中，linesize[0]表示总的数据量，frame.data[0]或frame.extended_data[0]包含所有的音频数据中。

重采样

在这篇文章 FFmpeg之一——常用命令 ，有提到数据处理流程， 那里并没有说重采样。重采样流程是：decoder解析 得到frame -> 对frame重采样 得到frame1 -> 对frame1 进行encoder。 为什么还要经过重采样？

在理想情况下是可行的。不用重采样也是可以的，例如这种情况：

1. 音频源（录音设备）输出的音频参数（采样率、位深度/样本格式、声道布局）与
2. 你选择的编码器所支持（或你希望最终文件拥有）的音频参数完全一致。

在实际应用中，这种情况并不总是发生，因此需要进行重采样 (Resampling) 或其他格式转换。以下是主要原因：

1. 采样率不匹配 (Sample Rate Mismatch):

来源: 你的录音设备（如麦克风）可能以一个特定的采样率工作，比如 44100 Hz 或 16000 Hz。

目标: 保存的文件是标准的 48000 Hz，或者你选用的编码器在 48000 Hz 时效果最好/效率最高

解决: 重采样，将音频数据的采样率从来源（如 44.1k）转换到目标（如 48k）。FFmpeg 的 libavresample 或 libswresample 库就是做这个的（通常通过 -ar 参数或 aresample filter 隐式或显式调用）。

2. 样本格式不匹配 (Sample Format Mismatch):

来源: 音频设备或解码器可能输出一种特定的样本格式，例如 16 位有符号整数 (s16)、32 位浮点数 (flt)、或者平面格式的 32 位浮点数 (fltp)。

目标: 但你选择的编码器可能只接受（或优化于）特定的样本格式。例如，很多 AAC 编码器内部处理或接受 fltp 格式效率更高。有些旧编码器可能只接受 s16。

解决: 这就需要进行样本格式转换，将音频数据的表示方式从一种格式转为另一种。FFmpeg 通过 -sample_fmt 参数或 aformat filter 来处理。这严格来说不叫“重采样”，但属于格式转换，通常和重采样一起讨论，因为都是预处理步骤。

3. 声道布局不匹配 (Channel Layout Mismatch):

来源: 你可能从单声道麦克风录音 (mono)。

目标: 但你想保存为标准的双声道文件 (stereo)，即使两个声道内容一样。或者反过来，从立体声源录制但只想保存单声道。

解决: 这就需要进行声道布局转换，比如将单声道复制成双声道，或将双声道混合为单声道。FFmpeg 通过 -ac 参数或 channelmap/pan 等 filter 来处理。
编码器要求/优化:

某些编码器对特定的输入参数组合有优化，或者干脆不支持某些组合。为了获得最佳压缩效率或兼容性，开发者可能会选择将输入音频转换到编码器最适合的格式。

AVAudioFifo

每个AVCodecContext (编解码器)都有对应的frame_size，在编码时，需要读取到frame_size 个sample后，才能编码一个音频帧。但是在音频转换过程中， 解码器对应的音频帧的采样数量 和 编码器对样的音频帧的采样数量可能不一样， 此时就需要累计音频采样数据到一定量后(编码器的音频帧大小)后，再写入一帧数据。否则会报错。

这个累计可以自己手动实现，也可以直接使用AVAudioFifo，它是一个缓存队列，可以把音频的采样先存入(av_audio_fifo_write)，到底目标数量后(av_audio_fifo_size), 取出数据（av_audio_fifo_read）

PTS

一个音频帧的AVFrame有nb_samples个sample (和AVCodecContext 的frame_size值对应)，

一个AVFrame 时长= nb_samples / sample_rate 秒

用frameIndex 表示当前帧的索引，PTS = frameIndex * 一个AVFrame 时长

代码实现：

实现步骤：
1、打开设备并初始化解码器
2、打开音频编码器
3、创建输出上下文并初始化 流、写入头文件
4、初始化重采样上下文
5、创建重采样上下文
6、使用av_read_frame 循环读取音频PCM数据，重复以下步骤：
6.1、音频解码 avcodec_send_packet-> avcodec_receive_frame, 得到解码帧decoded_frame
6.2、swr_convert_frame音频帧重采样 ，得到重采样后的音频帧 swr_frame
6.3、av_audio_fifo_write写入 FIFO队列
6.4、判断FIFO队列中的数据大小 av_audio_fifo_size，是否满足编码器帧大小
6.5、av_audio_fifo_read 读取FIFO中音频sample数据
6.6、对音频sample数据 进行编码
6.7、对编码后的音频帧 写文件

完整代码在 Github，下面贴出两个段的代码，

获取到音频帧的循环处理过程：

static void process_frame_use_decode(AVPacket* pkt, AVFrame* decoded_frame, AVFrame* swr_frame, AVAudioFifo* fifo,AVCodecContext* decoder_ctx, AVCodecContext* encoder_ctx,AVFormatContext* ofmtCtx, struct SwrContext* swr_ctx, AVPacket* out_packet, int* frameIndex)
{int ret = avcodec_send_packet(decoder_ctx, pkt);if (ret < 0){char error[1024] = {0};av_strerror(ret, error, 1024);fprintf(stderr, "Decode error: %s\n", error);return;}int received_frame = 0;while (avcodec_receive_frame(decoder_ctx, decoded_frame) == 0){received_frame++;// swr_frame->ch_layout = encoder_ctx->ch_layout;//// swr_frame->format = encoder_ctx->sample_fmt;// swr_frame->sample_rate = 48000;// swr_frame->nb_samples = encoder_ctx->frame_size; //与编码器帧大小保持一致ret = swr_convert_frame(swr_ctx, swr_frame, decoded_frame);// 打印pts，dtsprintf("decoded_frame pts: %ld, dts: %ld\n", decoded_frame->pts, decoded_frame->pkt_dts);printf("swr_frame pts: %ld, dts: %ld\n", swr_frame->pts, swr_frame->pkt_dts);if (ret < 0){char error[1024] = {0};av_strerror(ret, error, 1024);fprintf(stderr, "Error while resampling: %s\n", error);return;}// Add resampled samples to FIFOret = av_audio_fifo_write(fifo, (void**)swr_frame->data, swr_frame->nb_samples);if (ret < swr_frame->nb_samples){fprintf(stderr, "Failed to write all samples to FIFO\n");return;}printf(" frame received this time num: %d, Added %d samples to FIFO, current size: %d\n", received_frame, swr_frame->nb_samples, av_audio_fifo_size(fifo));// Encode when enough samples are availablewhile (av_audio_fifo_size(fifo) >= encoder_ctx->frame_size){printf("FIFO size: %d, frame size: %d\n", av_audio_fifo_size(fifo), encoder_ctx->frame_size);swr_frame->nb_samples = encoder_ctx->frame_size;ret = av_audio_fifo_read(fifo, (void**)swr_frame->data, encoder_ctx->frame_size);if (ret < encoder_ctx->frame_size){fprintf(stderr, "Failed to read enough samples from FIFO\n");return;}swr_frame->pts = *frameIndex * encoder_ctx->frame_size;printf("in fifo swr_frame pts: %ld, dts: %ld\n", swr_frame->pts, swr_frame->pkt_dts);encode_and_write_frame(encoder_ctx, swr_frame, ofmtCtx, out_packet, *frameIndex);(*frameIndex)++;}}
}

对重采样的音频sample进行编码、写文件：

static void encode_and_write_frame(AVCodecContext* encoder_ctx, AVFrame* swr_frame, AVFormatContext* ofmtCtx, AVPacket* out_packet, int frameIndex)
{int ret = avcodec_send_frame(encoder_ctx, swr_frame);if (ret < 0){// 获取错误信息char error[1024] = {0};av_strerror(ret, error, 1024);}// 将重采样后的帧发送给编码器if (ret == 0){while (avcodec_receive_packet(encoder_ctx, out_packet) == 0){// 正确设置数据包中的流索引out_packet->stream_index = ofmtCtx->streams[0]->index;// 调整时间戳，使其基于输出流的时间基av_packet_rescale_ts(out_packet, encoder_ctx->time_base, ofmtCtx->streams[0]->time_base);// 写入一个编码的数据包到输出文件if (av_interleaved_write_frame(ofmtCtx, out_packet) < 0){fprintf(stderr, "Error while writing output packet\n");break;}av_packet_unref(out_packet);}}
}