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Android 音视频编解码(一) – MediaCodec 初探
音视频工程

上面的文章Android 音视频编解码(一) – MediaCodec 初探 中，已经对 MediaCodec 有个感性的认知，这一章，来学习 MediaCodec 的解码功能。

本章效果如下：

一、同步解码

为了更好的理解 MediaCodec 的工作原理和工作步骤，首先先使用同步解码的方式去解码本地视频。

1.1 拿到视频参数

首先，我们先要准备一个视频，比如 MP4 格式的，它其实已经被编码过的，我们可以通过 MediaCodec 来获取该视频的 MediaFormat 信息，如果你对 MediaExtractor 不熟悉，可以通过 Android 音视频开发(五) – 使用 MediaExtractor 分离音视频，并使用 MediaMuxer合成新视频(音视频同步) 来学习；

定义一个 MyExtractor ，里面实现 MediaExtractor 用来专门解析视频，拿到视频数据：

    public MyExtractor(String path) {
        try {
            mediaExtractor = new MediaExtractor();
            // 设置数据源
            mediaExtractor.setDataSource(path);
        } catch (IOException e) {
            e.printStackTrace();
        }
        //拿到所有的轨道
        int count = mediaExtractor.getTrackCount();
        for (int i = 0; i < count; i++) {
            //根据下标拿到 MediaFormat
            MediaFormat format = mediaExtractor.getTrackFormat(i);
            //拿到 mime 类型
            String mime = format.getString(MediaFormat.KEY_MIME);
            //拿到视频轨
            if (mime.startsWith("video")) {
                videoTrackId = i;
                videoFormat = format;
            } else if (mime.startsWith("audio")) {
                //拿到音频轨
                audioTrackId = i;
                audioFormat = format;
            }

        }
    }


    public void selectTrack(int trackId){
        mediaExtractor.selectTrack(trackId);
    }

    /**
     * 读取一帧的数据
     *
     * @param buffer
     * @return
     */
    public int readBuffer(ByteBuffer buffer) {
        //先清空数据
        buffer.clear();
        //选择要解析的轨道
      //  mediaExtractor.selectTrack(video ? videoTrackId : audioTrackId);
        //读取当前帧的数据
        int buffercount = mediaExtractor.readSampleData(buffer, 0);
        if (buffercount < 0) {
            return -1;
        }
        //记录当前时间戳
        curSampleTime = mediaExtractor.getSampleTime();
        //记录当前帧的标志位
        curSampleFlags = mediaExtractor.getSampleFlags();
        //进入下一帧
        mediaExtractor.advance();
        return buffercount;
    }

首先，先通过 selectTrack 来指定是解析视频还是音频，接着使用 readBuffer 这个方法，该方法使用 mediaExtractor.readSampleData(buffer, 0); 去拿到当前视频的 buffer，并通过 mediaExtractor.advance() 拿到下一帧的数据。

1.2 解码流程

上一章说到 MediaCodec 的解码是基于以下两张图的：

MediaCodec 工作图

MediaCodec状态图
如果你对这两张图的流程不熟悉，请阅读 Android 音视频编解码(一) – MediaCodec 初探 。

为了方便后续的音频解码，这里我们定义一个基类，用来解析视频和音频，由于是同步解析视频，我们应该在线程中去解析，所以继承 Runnable:

    /**
     * 解码基类，用于解码音视频
     */
    abstract class BaseDecode implements Runnable {
        final static int VIDEO = 1;
        final static int AUDIO = 2;
        //等待时间
        final static int TIME_US = 1000;
        MediaFormat mediaFormat;
        MediaCodec mediaCodec;
        MyExtractor extractor;

        private boolean isDone;
        public BaseDecode() {
            try {
                //获取 MediaExtractor
                extractor = new MyExtractor(Constants.VIDEO_PATH);
                //判断是音频还是视频
                int type = decodeType();
                //拿到音频或视频的 MediaFormat
                mediaFormat = (type == VIDEO ? extractor.getVideoFormat() : extractor.getAudioFormat());
                String mime = mediaFormat.getString(MediaFormat.KEY_MIME);
                //选择要解析的轨道
                extractor.selectTrack(type == VIDEO ? extractor.getVideoTrackId() : extractor.getAudioTrackId());
                //创建 MediaCodec
                mediaCodec = MediaCodec.createDecoderByType(mime);
                //由子类去配置
                configure();
                //开始工作，进入编解码状态
                mediaCodec.start();
            } catch (IOException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }
 }

可以看到，根据视频或者视频拿到不同的 MediaFormat ，并根据 mime 类型，创建 MediaCodec ;

这样，第一步就创建好了，接着，从上面的状态知道，现在处于Uninitialized 状态；
接着需要调用 configure方法，进入 Configured 状态，这一步由子类完成，比如视频的：

 @Override
 void configure() {
     mediaCodec.configure(mediaFormat, new Surface(mTextureView.getSurfaceTexture()), null, 0);
 }

可以看到，通过mediaCodec.configure() 配置了当前的 MediaFormat，和要播放视频的 Surface，这里用的是 TextureView。
接着，调用 MediaCodec 的 start() ，进入 Executing 状态，可以编解码了。

1.3 视频解码

解码流程根据这张图

1.3.1 输入

上面说到 BaseDecode 继承 Runnable ，所以，解码的流程在 run 方法中。

        @Override
        public void run() {


            try {
                
                MediaCodec.BufferInfo info = new MediaCodec.BufferInfo();
                //编码
                while (!isDone) {
                    /**
                     * 延迟 TIME_US 等待拿到空的 input buffer下标，单位为 us
                     * -1 表示一直等待，知道拿到数据，0 表示立即返回
                     */
                    int inputBufferId = mediaCodec.dequeueInputBuffer(TIME_US);

                    if (inputBufferId > 0) {
                        //拿到 可用的，空的 input buffer
                        ByteBuffer inputBuffer = mediaCodec.getInputBuffer(inputBufferId);
                        if (inputBuffer != null) {
                            /**
                             * 通过 mediaExtractor.readSampleData(buffer, 0) 拿到视频的当前帧的buffer
                             * 通过 mediaExtractor.advance() 拿到下一帧
                             */
                            int size = extractor.readBuffer(inputBuffer);
                            //解析数据
                            if (size >= 0) {
                                mediaCodec.queueInputBuffer(
                                        inputBufferId,
                                        0,
                                        size,
                                        extractor.getSampleTime(),
                                        extractor.getSampleFlags()
                                );
                            } else {
                                //结束,传递 end-of-stream 标志
                                mediaCodec.queueInputBuffer(
                                        inputBufferId,
                                        0,
                                        0,
                                        0,
                                        MediaCodec.BUFFER_FLAG_END_OF_STREAM
                                );
                                isDone = true;

                            }
                        }
                    }
                    //解码输出交给子类
                    boolean isFinish =  handleOutputData(info);
                    if (isFinish){
                        break;
                    }

                }

                done();

            } catch (Exception e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }

        protected void done(){
            try {
                isDone = true;
                //释放 mediacodec
                mediaCodec.stop();
                mediaCodec.release();

                //释放 MediaExtractor
                extractor.release();
            } catch (Exception e) {
                e.printStackTrace();
            }

        }
        abstract boolean handleOutputData(MediaCodec.BufferInfo info);

在一个 while 循环中，不断的解码，上面的代码做到以下流程：

1. 从 MediaCodec 拿到一个空闲的 buffer
2. 从视频中，拿到视频的当前帧的数据，并填充到 MediaCodec 的buffer中
3. 使用 mediaCodec.queueInputBuffer() 把buffer 的数据交给 MediaCodec 去解码

1.3.2 输出

上面的输出过程，由 handleOutputData() 去实现，去到 VideoDecodeSync ，代码实现如下：

@Override
boolean handleOutputData(MediaCodec.BufferInfo info) {
    //等到拿到输出的buffer下标
    int outputId = mediaCodec.dequeueOutputBuffer(info, TIME_US);

    if (outputId >= 0){
        //释放buffer，并渲染到 Surface 中
        mediaCodec.releaseOutputBuffer(outputId, true);
    }

    // 在所有解码后的帧都被渲染后，就可以停止播放了
    if ((info.flags & MediaCodec.BUFFER_FLAG_END_OF_STREAM) != 0) {
        Log.e(TAG, "zsr OutputBuffer BUFFER_FLAG_END_OF_STREAM");

        return true;
    }

    return false;
}

上面的代码也做到两件事：

1. 拿到output buffer
2. 释放 buffer，并渲染视频到 Surface 中，由 releaseOutputBuffer() 第二个参数控制。

这样，视频解码部分我们就写好了。效果如下：

但是，你会发现，视频好像是倍速播放一样。

1.3.3 矫正显示时间戳

为什么会出现上面的情况呢？
正常来说，我们的视频播放的帧率大概为 30，即 30fps，大概每 33.33ms 播放一帧；但解码的出一帧的时间大概就是几 ms 的事情，如果一解码就直接给 Surface 去显示的话，视频看起来就想倍速播放的一样。
那你可能说，直接延时 30ms 播放就可以了啊，那不是标准吗？ 是的，30fps 是标准，但不代表每个视频都是30，这里就需要学习 音视频的基础知识 ，DTS 和 PTS。

• DTS (Decoding Time Stamp) ： 即解码时间戳，这个时间戳的意义在于告诉播放器该在什么时候解码这一帧的数据
• PTS (Presentation Time Stamp) ：显示时间戳，这个时间戳告诉播放器，什么时候播放这一帧
  需要注意的是，虽然 DTS 、PTS 是用于指导播放端的行为，但他们是在编码的时候，由编码器生成的。
  在没有B帧的情况下，DTS和 PTS 的输出顺序是一样的，一旦存在 B 帧，则顺序不一样。

这里，我们只需要关心 PTS ，即显示时间戳。通过 MediaCodec.BufferInfo 的 presentationTimeUs 可以拿到当前的 pts 时间戳，单位是微妙，它是相对于0开始播放的时间，所以，我们可以使用系统时间差来模仿两帧的时间差，这样当解码过来的 pts 比这个时间差快，则延时以下再输出到 Surface ，如果不是，则直接显示到 Surface 中。

由于在线程中，所以，我们可以使用 Thread.sleep() 去实现，在渲染到 Surface 之前：

 // 用于对准视频的时间戳
 private long startMs = -1;
if (outputId >= 0){
     if (mStartMs == -1) {
            mStartMs = System.currentTimeMillis();
      }
	//矫正pts
     sleepRender(info, startMs);
     //释放buffer，并渲染到 Surface 中
     mediaCodec.releaseOutputBuffer(outputId, true);
 }
#sleepRender
    /**
     * 数据的时间戳对齐
     **/
    private void sleepRender(MediaCodec.BufferInfo info, long startMs) {
        /**
         * 注意这里是以 0 为出事目标的，info.presenttationTimes 的单位为微秒
         * 这里用系统时间来模拟两帧的时间差
         */
        long ptsTimes = info.presentationTimeUs / 1000;
        long systemTimes = System.currentTimeMillis() - startMs;
        long timeDifference = ptsTimes - systemTimes;
        // 如果当前帧比系统时间差快了，则延时以下
        if (timeDifference > 0) {
            try {
                Thread.sleep(timeDifference);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }

        }
    }

现在时间播放就正常了。

1.4 解码音频

上面已经理解了视频的解码，那么音频的解码就比较简单了，新建一个 AudioDecodeSync 类，继承BaseDecode ,在 configure 方法中去配置 MediaCodec ，由于不需要 Surface ，传递 null 即可。

 @Override
 void configure() {
     mediaCodec.configure(mediaFormat, null, null, 0);
 }

虽然我们不需要使用 Surface ，但是需要播放视频，那么则需要使用 AudioTrack，如果对它不需要，可以参考 Android 音视频开发(一) – 使用AudioRecord 录制PCM(录音)；AudioTrack播放音频.

所以，在 AudioDecodeSync 的构造方法中，需要配置以下 AudioTrack ：

    class AudioDecodeSync extends BaseDecode {

        private int mPcmEncode;
        //一帧的最小buffer大小
        private final int minBufferSize;
        private AudioTrack audioTrack;


        public AudioDecodeSync() {
            //拿到采样率
            if (mediaFormat.containsKey(MediaFormat.KEY_PCM_ENCODING)) {
                mPcmEncode = mediaFormat.getInteger(MediaFormat.KEY_PCM_ENCODING);
            } else {
                //默认采样率为 16bit
                mPcmEncode = AudioFormat.ENCODING_PCM_16BIT;
            }

            //音频采样率
            int sampleRate = mediaFormat.getInteger(MediaFormat.KEY_SAMPLE_RATE);
            //获取视频通道数
            int channelCount = mediaFormat.getInteger(MediaFormat.KEY_CHANNEL_COUNT);

            //拿到声道
            int channelConfig = channelCount == 1 ? AudioFormat.CHANNEL_IN_MONO : AudioFormat.CHANNEL_IN_STEREO;
            minBufferSize = AudioTrack.getMinBufferSize(sampleRate, channelConfig, mPcmEncode);


            /**
             * 设置音频信息属性
             * 1.设置支持多媒体属性，比如audio，video
             * 2.设置音频格式，比如 music
             */
            AudioAttributes attributes = new AudioAttributes.Builder()
                    .setUsage(AudioAttributes.USAGE_MEDIA)
                    .setContentType(AudioAttributes.CONTENT_TYPE_MUSIC)
                    .build();
            /**
             * 设置音频数据
             * 1. 设置采样率
             * 2. 设置采样位数
             * 3. 设置声道
             */
            AudioFormat format = new AudioFormat.Builder()
                    .setSampleRate(sampleRate)
                    .setEncoding(AudioFormat.ENCODING_PCM_16BIT)
                    .setChannelMask(channelConfig)
                    .build();


            //配置 audioTrack
            audioTrack = new AudioTrack(
                    attributes,
                    format,
                    minBufferSize,
                    AudioTrack.MODE_STREAM, //采用流模式
                    AudioManager.AUDIO_SESSION_ID_GENERATE
            );
            //监听播放
            audioTrack.play();
        }
        }

拿到 AudioTrack 之后，就可以使用 play() 方法，去监听是否有数据写入，开始播放音频了。

在 handleOutputData：

        @Override
        boolean handleOutputData(MediaCodec.BufferInfo info) {
            //拿到output buffer
            int outputIndex = mediaCodec.dequeueOutputBuffer(info, TIME_US);
            ByteBuffer outputBuffer;
            if (outputIndex >= 0) {
                outputBuffer = mediaCodec.getOutputBuffer(outputIndex);
                //写数据到 AudioTrack 只，实现音频播放
                audioTrack.write(outputBuffer, info.size, AudioTrack.WRITE_BLOCKING);
                mediaCodec.releaseOutputBuffer(outputIndex, false);
            }
            // 在所有解码后的帧都被渲染后，就可以停止播放了
            if ((info.flags & MediaCodec.BUFFER_FLAG_END_OF_STREAM) != 0) {
                Log.e(TAG, "zsr OutputBuffer BUFFER_FLAG_END_OF_STREAM");

                return true;
            }
            return false;
        }

你会发现音频正常播放了，且没有什么快进的意思，因为音频的时间戳是比较连续的，因此不用矫正。

1.5 音视频同步

那么，如何让音视频同步呢？其实也不算难，就是开辟两个线程，让它同时播放即可：

if (mExecutorService.isShutdown()) {
            mExecutorService = Executors.newFixedThreadPool(2);
        }
        mVideoSync = new VideoDecodeSync();
        mAudioDecodeSync = new AudioDecodeSync();
        mExecutorService.execute(mVideoSync);
        mExecutorService.execute(mAudioDecodeSync);
  }

二、异步解码

在 5.0 之后，google 建议使用异步解码的方式去使用 MediaCodec，使用也非常简单，只需要使用 setCallback 方法即可。
比如解析上面的视频，步骤可以如下：

1. 使用 MediaExtractor 解析视频，拿到 MediaFormat
2. 使用 MediaCodec.setCallback() 方法
3. 调用 mediaCodec.configure() 和 mediaCodec.start() 开始解码

所以，代码如下：

    class AsyncDecode {
        MediaFormat mediaFormat;
        MediaCodec mediaCodec;
        MyExtractor extractor;

        public AsyncDecode() {
            try {
                //解析视频，拿到 mediaformat
                extractor = new MyExtractor(Constants.VIDEO_PATH);
                mediaFormat = (extractor.getVideoFormat());
                String mime = mediaFormat.getString(MediaFormat.KEY_MIME);
                extractor.selectTrack(extractor.getVideoTrackId());
                mediaCodec = MediaCodec.createDecoderByType(mime);

            } catch (IOException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }

        private void start() {
            //异步解码
            mediaCodec.setCallback(new MediaCodec.Callback() {
                @Override
                public void onInputBufferAvailable(@NonNull MediaCodec codec, int index) {
						ByteBuffer inputBuffer = codec.getInputBuffer(index);
                    int size = extractor.readBuffer(inputBuffer);
                    if (size >= 0) {
                        codec.queueInputBuffer(
                                index,
                                0,
                                size,
                                extractor.getSampleTime(),
                                extractor.getSampleFlags()
                        );
                        handler.sendEmptyMessage(1);
                    } else {
                        //结束
                        codec.queueInputBuffer(
                                index,
                                0,
                                0,
                                0,
                                MediaCodec.BUFFER_FLAG_END_OF_STREAM
                        );
                    }
                }

                @Override
                public void onOutputBufferAvailable(@NonNull MediaCodec codec, int index, @NonNull MediaCodec.BufferInfo info) {
             			mediaCodec.releaseOutputBuffer(index, true);
                }

                @Override
                public void onError(@NonNull MediaCodec codec, @NonNull MediaCodec.CodecException e) {
                    codec.reset();
                }

                @Override
                public void onOutputFormatChanged(@NonNull MediaCodec codec, @NonNull MediaFormat format) {

                }
            });
            //需要在 setCallback 之后，配置 configure
            mediaCodec.configure(mediaFormat, new Surface(mTextureView.getSurfaceTexture()), null, 0);
            //开始解码
            mediaCodec.start();
        }

    }

使用异步解码，与同步解码的流程基本一致；只不过，在同步的代码中，我们通过

int inputBufferId = mediaCodec.dequeueInputBuffer(TIME_US);

去等待拿到空闲的 input buffer 下标，而在异步中，则是通过回调

void onInputBufferAvailable(@NonNull MediaCodec codec, int index) 

拿到 input buffer 的下标。不出意外的话，你的视频已经开始播放了，但是也遇到上面的问题，就是倍速播放了，原因我们也解释过，就是没矫正 PTS 的问题。

由于我们的代码在主线程中去进行的，直接 Thread.sleep() 肯定会卡顿的，但是我们可以使用 HandlerThread 或其他线程的方式去解析，这里就不贴了，具体看源码吧。

参考：
https://www.jianshu.com/p/ba8db84f8fe8
https://mp.weixin.qq.com/s?__biz=MzUxODQ3MTk5Mg==&mid=2247483868&idx=1&sn=99dec978a4640136c870965ba853c204&chksm=f989298bcefea09dddae613023139e0c6bd2f4eaaa9dc3ec16400645fc4a0764414134ad73ea&scene=38#wechat_redirect
https://developer.android.google.cn/reference/android/media/MediaCodec?hl=en