FFmpeg学习4：音频格式转换
前段時間，在學習試用FFmpeg播放音頻的時候總是有雜音，網上的很多教程是基于之前版本的FFmpeg的，而新的FFmepg3中audio增加了平面（planar）格式，而SDL播放音頻是不支持平面格式的，所以通過FFmpeg解碼出來的數據不能直接發送到SDL進行播放，需要進行一個格式轉換。通過網上一些資料，也能夠正確的播放音頻了，但是對具體的音頻轉換過程不是很了解，這里就對FFmpeg的對音頻的存儲格式及格式轉換做個總結。本文主要有以下幾個方面的內容：
- AVSampleFormat 音頻sample的存儲格式
- channel layout 各個通道存儲順序
- 使用FFmpeg對音頻數據進行格式轉換
音頻解碼API
avcodec_decode_audio4在新版中已廢棄，替換為使用更為簡單的avcodec_send_packet和avcodec_receive_frame。本文簡單的介紹了該API的使用。AVSampleFormat
在FFmpeg中使用枚舉AVSampleFormat表示音頻的采樣格式，其聲明如下：
enum AVSampleFormat {AV_SAMPLE_FMT_NONE = -1,AV_SAMPLE_FMT_U8, ///< unsigned 8 bitsAV_SAMPLE_FMT_S16, ///< signed 16 bitsAV_SAMPLE_FMT_S32, ///< signed 32 bitsAV_SAMPLE_FMT_FLT, ///< floatAV_SAMPLE_FMT_DBL, ///< doubleAV_SAMPLE_FMT_U8P, ///< unsigned 8 bits, planarAV_SAMPLE_FMT_S16P, ///< signed 16 bits, planarAV_SAMPLE_FMT_S32P, ///< signed 32 bits, planarAV_SAMPLE_FMT_FLTP, ///< float, planarAV_SAMPLE_FMT_DBLP, ///< double, planarAV_SAMPLE_FMT_NB ///< Number of sample formats. DO NOT USE if linking dynamically
};和圖像的像素存儲格式類似，可以使用8位無符號整數、16位有符號整數、32位有符號整數以及單精度浮點數，雙精度浮點數表示一個采樣。但是，沒有使用
24位的有符號整數，這是因為這些不同的格式使用的是原生的C類型，而C中是沒有24位的長度的類型的。
Sample value can be expressed by native C types,hence the lack of a signed 24-bit sample format even though
it is a common raw audio data format.
對于浮點格式，其值在[-1.0,1.0]之間，任何在該區間之外的值都超過了最大音量的范圍。
和YUV的圖像格式格式，音頻的采樣格式分為平面（planar）和打包（packed）兩種類型，在枚舉值中上半部分是packed類型，后面（有P后綴的）是planar類型。
對于planar格式的，每一個通道的值都有一個單獨的plane，所有的plane必須有相同的大小；對于packed類型，所有的數據在同一個數據平面中，不同通道的數據
交叉保存。
另外，在AVFrame中表示音頻采樣格式的字段format是一個int型，在使用AVSampleFormat時候需要進行一個類型轉換，將int轉換為AVSampleFormat枚舉值。
在頭文件samplefmt.h提供了和音頻采樣格式相關的一些函數，現列舉一些如下：
const char *av_get_sample_fmt_name(enum AVSampleFormat sample_fmt)
根據枚舉值獲取其相應的格式名稱（字符串）enum AVSampleFormat av_get_sample_fmt(const char *name)
根據格式名字（字符串）獲取相應的枚舉值enum AVSampleFormat av_get_packed_sample_fmt(enum AVSampleFormat sample_fmt)
傳入planar類型的采樣格式，返回其可轉換的packed類型的采樣格式。例如傳入AV_SAMPLE_FMT_S32P，其返回值為AV_SAMPLE_FMT_S32。enum AVSampleFormat av_get_planar_sample_fmt(enum AVSampleFormat sample_fmt)
和上面函數類似，不同的是傳入的是packed類型的格式。int av_sample_fmt_is_planar(enum AVSampleFormat sample_fmt
判斷一個采樣格式是不是planar類型的int av_get_bytes_per_sample(enum AVSampleFormat sample_fmt)
每個采樣值所占用的字節數int av_samples_get_buffer_size(int *linesize, int nb_channels, int nb_samples,enum AVSampleFormat sample_fmt, int align)
根據輸入的參數，計算其所占用空間的大小（字節數）。linesize可設為null，align是buff空間的對齊格式（0=default，1 = no alignment）
channel_layout
從上面可知，sample有兩種類型的存儲方式：平面（planar）和打包（packed），在planar中每一個通道獨自占用一個存儲平面；在packed中，所有通道的sample交織存儲在同一個
平面。但是，對于planar格式不知道具體的某一通道所在的平面；對于packed格式各個通道的數據是以怎么樣的順序交織存儲的。這就需要借助于channel_layout。
首先來看下FFmpeg對channel_layout的定義：
channel_layout是一個64位整數，每個值為1的位對應一個通道。也就說，channel_layout的位模式中值為1的個數等于其通道數量。
A channel_layout is a 64-bits interget with a bit set for every channel.The number of bits set must be equal to the number of channels.
在頭文件channel_layout.h中為將每個通道定義了一個mask，其定義如下：
#define AV_CH_FRONT_LEFT 0x00000001
#define AV_CH_FRONT_RIGHT 0x00000002
#define AV_CH_FRONT_CENTER 0x00000004
#define AV_CH_LOW_FREQUENCY 0x00000008
#define AV_CH_BACK_LEFT 0x00000010
#define AV_CH_BACK_RIGHT 0x00000020
#define AV_CH_FRONT_LEFT_OF_CENTER 0x00000040
#define AV_CH_FRONT_RIGHT_OF_CENTER 0x00000080
#define AV_CH_BACK_CENTER 0x00000100
#define AV_CH_SIDE_LEFT 0x00000200
#define AV_CH_SIDE_RIGHT 0x00000400
#define AV_CH_TOP_CENTER 0x00000800
#define AV_CH_TOP_FRONT_LEFT 0x00001000
#define AV_CH_TOP_FRONT_CENTER 0x00002000
#define AV_CH_TOP_FRONT_RIGHT 0x00004000
#define AV_CH_TOP_BACK_LEFT 0x00008000
#define AV_CH_TOP_BACK_CENTER 0x00010000
#define AV_CH_TOP_BACK_RIGHT 0x00020000
#define AV_CH_STEREO_LEFT 0x20000000 ///< Stereo downmix.
#define AV_CH_STEREO_RIGHT 0x40000000 ///< See AV_CH_STEREO_LEFT.這樣，一個channel_layout就是上述channel mask的組合，部分定義如下：
#define AV_CH_LAYOUT_MONO (AV_CH_FRONT_CENTER)
#define AV_CH_LAYOUT_STEREO (AV_CH_FRONT_LEFT|AV_CH_FRONT_RIGHT)
#define AV_CH_LAYOUT_2POINT1 (AV_CH_LAYOUT_STEREO|AV_CH_LOW_FREQUENCY)
#define AV_CH_LAYOUT_2_1 (AV_CH_LAYOUT_STEREO|AV_CH_BACK_CENTER)
#define AV_CH_LAYOUT_SURROUND (AV_CH_LAYOUT_STEREO|AV_CH_FRONT_CENTER)
#define AV_CH_LAYOUT_3POINT1 (AV_CH_LAYOUT_SURROUND|AV_CH_LOW_FREQUENCY)
#define AV_CH_LAYOUT_4POINT0 (AV_CH_LAYOUT_SURROUND|AV_CH_BACK_CENTER)
#define AV_CH_LAYOUT_4POINT1 (AV_CH_LAYOUT_4POINT0|AV_CH_LOW_FREQUENCY)
#define AV_CH_LAYOUT_2_2 (AV_CH_LAYOUT_STEREO|AV_CH_SIDE_LEFT|AV_CH_SIDE_RIGHT)
#define AV_CH_LAYOUT_QUAD (AV_CH_LAYOUT_STEREO|AV_CH_BACK_LEFT|AV_CH_BACK_RIGHT)
#define AV_CH_LAYOUT_5POINT0 (AV_CH_LAYOUT_SURROUND|AV_CH_SIDE_LEFT|AV_CH_SIDE_RIGHT)
#define AV_CH_LAYOUT_5POINT1 (AV_CH_LAYOUT_5POINT0|AV_CH_LOW_FREQUENCY)
...AV_CH_LAYOUT_STEREO是立體聲（2通道），其通道的存放順序為LEFT | RIGHT；AV_CH_LAYOUT_4POINT0是4通道，其通道的存放順序為LEFT|RIGHT|FRONT-CENTER|BACK-CENTER；其它數量的聲道與此類似。
下面列舉一些和channel_layout相關的函數
uint64_t av_get_channel_layout(const char *name)根據傳入的字符串，返回相對應的channel_layout。傳入的參數可以是：- 常用的channel layout的名稱：mono,stereo,4.0,quad,5.0,5.0(side),5.1等。
- 一個單通道的名稱：FL,FR,FC,BL,BR,FLC,FRC等
- 通道的數量
- channel_layout mask,以"0x"開頭的十六進制串。
更多詳細的說明，參見該函數的文檔。
int av_get_channel_layout_nb_channels(uint64_t channel_layout)根據通道的layout返回通道的個數int64_t av_get_default_channel_layout(int nb_channels)根據通道的個數返回默認的layoutint av_get_channel_layout_channel_index(uint64_t channel_layout,uint64_t channel);返回通道在layout中的index，也就是某一通道
在layout的存儲位置。av_get_channel_layout_channel_index的實現如下：
int av_get_channel_layout_channel_index(uint64_t channel_layout,uint64_t channel)
{if (!(channel_layout & channel) ||av_get_channel_layout_nb_channels(channel) != 1)return AVERROR(EINVAL);channel_layout &= channel - 1;return av_get_channel_layout_nb_channels(channel_layout);
}首先判斷傳入的layout包含該通道，并且保證該傳入的通道是一個單通道。
以4通道AV_CH_LAYOUT_4POINT0為例，說明下計算方法。AV_CH_LAYOUT_4POINT0 = AV_CH_FRONT_LEFT | AV_CH_FRONT_RIGHT | AV_CH_FRONT_CENTER | AV_CH_BACK_CENTER
其二進制表示為0001,0000,0111，假如想找AV_CH_BACK_CENTER在該layout中的index。AV_CH_BACK_CENTER的十六進制為0x0100，二進制為0001,0000,0000，那么AV_CH_BACK_CENTER - 1 = 1111,1111。 0001,0000,0111 & 0000,1111,1111 = 0111，函數av_get_channel_layout_nb_channels是獲取某個layout對應的通道的數量，
前面提到，layout中值為1的位的個數和通道的數量相等，所以AV_CH_BACK_CENTER在layoutAV_CH_LAYOUT_4POINT0的index為3。
Audio 格式轉換
在FFmpeg中進行音頻的格式轉換主要有三個步驟
- 實例化
SwrContext，并設置轉換所需的參數：通道數量、channel layout、sample rate
有以下兩種方式來實例SwrContext，并設置參數：
- 使用
swr_alloc
SwrContext *swr = swr_alloc();av_opt_set_channel_layout(swr, "in_channel_layout", AV_CH_LAYOUT_5POINT1, 0);av_opt_set_channel_layout(swr, "out_channel_layout", AV_CH_LAYOUT_STEREO, 0);av_opt_set_int(swr, "in_sample_rate", 48000, 0);av_opt_set_int(swr, "out_sample_rate", 44100, 0);av_opt_set_sample_fmt(swr, "in_sample_fmt", AV_SAMPLE_FMT_FLTP, 0);av_opt_set_sample_fmt(swr, "out_sample_fmt", AV_SAMPLE_FMT_S16, 0);- 使用
swr_alloc_set_opts
SwrContext *swr = swr_alloc_set_opts(NULL, // we're allocating a new contextAV_CH_LAYOUT_STEREO, // out_ch_layoutAV_SAMPLE_FMT_S16, // out_sample_fmt44100, // out_sample_rateAV_CH_LAYOUT_5POINT1, // in_ch_layoutAV_SAMPLE_FMT_FLTP, // in_sample_fmt48000, // in_sample_rate0, // log_offsetNULL); // log_ctx上述兩種方法設置那個的參數是將5.1聲道，channel layout為AV_CH_LAYOUT_5POINT1，采樣率為48KHz轉換為2聲道，channel_layout為AV_SAMPLE_FMT_S16，采樣率為44.1KHz。
- 計算轉換后的sample個數
轉后后的sample個數的計算公式為：src_nb_samples * dst_sample_rate / src_sample_rate，其計算如下：
int dst_nb_samples = av_rescale_rnd(swr_get_delay(swr_ctx, frame->sample_rate) + frame->nb_samples, frame->sample_rate, frame->sample_rate, AVRounding(1));函數av_rescale_rnd是按照指定的舍入方式計算a * b / c 。
函數swr_get_delay得到輸入sample和輸出sample之間的延遲，并且其返回值的根據傳入的第二個參數不同而不同。如果是輸入的采樣率，則返回值是輸入sample個數；如果輸入的是輸出采樣率，則返回值是輸出sample個數。
- 調用
swr_convert進行轉換
int nb = swr_convert(swr_ctx, &audio_buf, dst_nb_samples, (const uint8_t**)frame->data, frame->nb_samples);其返回值為轉換的sample個數。
SDL播放音頻時的格式轉換
- 首先使用
avcodec_send_packet和avcodec_receive_frame獲取解碼后的原始數據
int ret = avcodec_send_packet(aCodecCtx, &pkt);if (ret < 0 && ret != AVERROR(EAGAIN) && ret != AVERROR_EOF)return -1;ret = avcodec_receive_frame(aCodecCtx, frame);if (ret < 0 && ret != AVERROR_EOF)return -1;這里不再使用
avcodec_decode_audio4進行音頻的解碼，在FFmpeg3中該函數已被廢棄，使用avcodec_send_packet和avcodec_receive_frame替代。新的解碼API使用更為方便，
具體參見官方文檔send/receive encoding and decoding API overview。
- 設置通道數量和channel layout
在編碼的時候有可能丟失通道數量或者channel layout ，這里根據獲取的參數設置其默認值
if (frame->channels > 0 && frame->channel_layout == 0)frame->channel_layout = av_get_default_channel_layout(frame->channels);else if (frame->channels == 0 && frame->channel_layout > 0)frame->channels = av_get_channel_layout_nb_channels(frame->channel_layout);如果channel layout未知（channel_layout = 0），根據通道數量獲取其默認的channel layout；如同通道的數量未知，則根據其channel layout得到其通道數量。
- 設置輸出格式
由于SDL2的sample格式不支持浮點型（FFmpeg中是支持的浮點型的），這里簡單的設置輸出格式為AV_SAMPLE_FMT_S16（16位有符號整型），輸出的channel layout也
根據通道數量設置為默認值dst_layout = av_get_default_channel_layout(frame->channels)（SDL2不支持planar格式）。實例化SwrContext
swr_ctx = swr_alloc_set_opts(nullptr, dst_layout, dst_format, frame->sample_rate,frame->channel_layout, (AVSampleFormat)frame->format, frame->sample_rate, 0, nullptr);if (!swr_ctx || swr_init(swr_ctx) < 0)return -1;在設置完參數后，一定要調用swr_init進行初始化。
- 轉換
// 計算轉換后的sample個數 a * b / cint dst_nb_samples = av_rescale_rnd(swr_get_delay(swr_ctx, frame->sample_rate) + frame->nb_samples, frame->sample_rate, frame->sample_rate, AVRounding(1));// 轉換，返回值為轉換后的sample個數int nb = swr_convert(swr_ctx, &audio_buf, dst_nb_samples, (const uint8_t**)frame->data, frame->nb_samples);data_size = frame->channels * nb * av_get_bytes_per_sample(dst_format);最后data_size中保存的是轉換的數據的字節數：通道數 * sample個數 * 每個sample的字節數。
總結
本文主要介紹了在FFmepg中對音頻兩個重要屬性：采樣格式和channel layout的表示方法，并簡單的實現了一個音頻的格式轉換。
- 采樣格式 使用AVSampleFormat枚舉值表示，并可分為planar和packed兩類。
- channel layout 是一個64位的整數，表示各個通道數據的存放順序，其二進制位中1的個數等于其通道的數量。
本文代碼 FFmpeg-playAudio.cpp
轉載于:https://www.cnblogs.com/wangguchangqing/p/5851490.html
總結
以上是生活随笔為你收集整理的FFmpeg学习4：音频格式转换的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。
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