基于FFmpeg和Android的音视频同步播放实现

本文将实现音视频的同步播放。

实现需求

基于FFmpeg实现视频解码，并通过OpenGL ES进行渲染；
基于OpenSL ES进行PCM注入播放；
播放时进行音视频同步；

关于音视频同步原理

本文不打算详细介绍音视频同步的基本原理，网上关于这部分的资源很多。简单的来说，是音视频在编码时，在音频和视频PES包中，打入时间戳信息（PTS），那么在终端解码时，由于音频解码和视频解码的速度可能不一致，如果不进行同步操作，可能声音和画面就不同步了，造成画面超前或者滞后于声音。
一般来说，声音的播放时固定采样率的，所以声音的播放本身是平滑的，因此我们往往基于音频播放的基准（PTS）来进行视频同步，让视频画面的播放速度来匹配音频的解码速度。

音频同步实现

由于参考了前述博文视频和音频播放，所以原理部分不再阐述，重点描述同步相关的代码实现。关注如下两个函数：

double get_audio_clock() {
    double pts;
    int hw_buf_size, bytes_per_sec, n;

    pts = audio_clock;

    bytes_per_sec = 0;
    n = global_context.acodec_ctx->channels * 2;
    bytes_per_sec = global_context.acodec_ctx->sample_rate * n;
    hw_buf_size = last_enqueue_buffer_size
            - (double(av_gettime() - last_enqueue_buffer_time) / 1000000.0)
                    * bytes_per_sec;
    if (bytes_per_sec) {
        pts -= (double) hw_buf_size / bytes_per_sec;
    }

    //LOGV2("get_audio_clock:pts is %ld", pts);
    return pts;
}
// this callback ha

ndler is called every time a buffer finishes playing
void bqPlayerCallback(SLAndroidSimpleBufferQueueItf bq, void *context) {
    SLresult result;

    //LOGV2("bqPlayerCallback...");

    if (bq != bqPlayerBufferQueue) {
        LOGV2("bqPlayerCallback : not the same player object.");
        return;
    }

    int decoded_size = audio_decode_frame(decoded_audio_buf,
            sizeof(decoded_audio_buf));
    if (decoded_size > 0) {
        result = (*bqPlayerBufferQueue)->Enqueue(bqPlayerBufferQueue,
                decoded_audio_buf, decoded_size);
        last_enqueue_buffer_time = av_gettime();
        last_enqueue_buffer_size = decoded_size;
        // the most likely other result is SL_RESULT_BUFFER_INSUFFICIENT,
        // which for this code example would indicate a programming error
        if (SL_RESULT_SUCCESS != result) {
            LOGV2("bqPlayerCallback : bqPlayerBufferQueue Enqueue failure.");
        }
    }
}

我们知道bqPlayerCallback函数是注册给OpenSL ES的接口函数，当解码芯片音频数据消耗完毕时，会调用此函数，我们在这个函数里存储了两个变量，

last_enqueue_buffer_time = av_gettime();
last_enqueue_buffer_size = decoded_size;

 其中，last_enqueue_buffer_time保存当前的系统时间，last_enqueue_buffer_size存储注入的数据大小。
接下来，函数get_audio_clock（），是获取音频时钟信息的，返回单位是秒，一般是浮点数，这里重点注意如下代码段，

pts = audio_clock;

    bytes_per_sec = 0;
    n = global_context.acodec_ctx->channels * 2;
    bytes_per_sec = global_context.acodec_ctx->sample_rate * n;
    hw_buf_size = last_enqueue_buffer_size
            - (double(av_gettime() - last_enqueue_buffer_time) / 1000000.0)
                    * bytes_per_sec;
    if (bytes_per_sec) {
        pts -= (double) hw_buf_size / bytes_per_sec;
    }

    return pts;

全局变量audio_clock保存的是最后一次解码音频帧的时钟（时间戳）信息，n表示每声道存储的字节数，这里是16bit格式，所以乘以2。bytes_per_sec表示每秒钟消耗的音频字节数，根据采样率和n计算得到。hw_buf_size表示芯片音频缓存区里剩余未解码的音频数据大小，这里依赖保存的变量last_enqueue_buffer_size和last_enqueue_buffer_time计算得到，很好理解，最后就可以计算得到当前的音频时钟pts并返回。

视频同步实现

视频的同步相对复杂一点，首先建立了两个线程，一个负责解码即video_thread线程，一个负责视频渲染即picture_thread线程，解码后的视频帧（即picture）存储在一个队列中，我们定义成，
VideoPicture pictq[VIDEO_PICTURE_QUEUE_SIZE];
放在GlobalContext全局上下文中。
视频渲染线程picture_thread中，每一帧视频渲染的时间点，是由timer_delay_ms延时时间决定的，而每一帧视频的timer_delay_ms延时时间的计算主要由如下函数计算得到，

void video_refresh_timer() {
    VideoPicture *vp;
    double actual_delay, delay, sync_threshold, ref_clock, diff;

    if (global_context.pictq_size == 0) {
        schedule_refresh(1);
    } else {
        vp = &global_context.pictq[global_context.pictq_rindex];

        video_current_pts = vp->pts;
        global_context.video_current_pts_time = av_gettime();

        delay = vp->pts - global_context.frame_last_pts;

        if (delay <= 0 || delay >= 1.0) { // 非法值判断
            delay = global_context.frame_last_delay;
        }

        global_context.frame_last_delay = delay;
        global_context.frame_last_pts = vp->pts;

        ref_clock = get_master_clock();
        diff = vp->pts - ref_clock;

        sync_threshold =
                (delay > AV_SYNC_THRESHOLD) ? delay : AV_SYNC_THRESHOLD;
        if (fabs(diff) < AV_NOSYNC_THRESHOLD) {
            if (diff <= -sync_threshold) {
                //av_log(NULL, AV_LOG_ERROR, "video_refresh_timer : skip. \n");
                LOGV("video_refresh_timer : skip. \n");
                delay = 0;
            } else if (diff >= sync_threshold) {
                //av_log(NULL, AV_LOG_ERROR, "video_refresh_timer : repeat. \n");
                LOGV("video_refresh_timer : repeat. \n");
                delay = 2 * delay;
            }
        } else {
            //av_log(NULL, AV_LOG_ERROR,
            //      " video_refresh_timer : diff > 10 , diff = %f, vp->pts = %f , ref_clock = %f\n",
            //      diff, vp->pts, ref_clock);
            LOGV(
                    " video_refresh_timer : diff > 10 , diff = %f, vp->pts = %f , ref_clock = %f\n",
                    diff, vp->pts, ref_clock);
        }

        global_context.frame_timer += delay;

        actual_delay = global_context.frame_timer - (av_gettime() / 1000000.0);
        if (actual_delay < 0.010) {    //每秒100帧的刷新率不存在

            actual_delay = 0.010;
        }
        schedule_refresh((int) (actual_delay * 1000 + 0.5)); //add 0.5 for 进位
        if (vp->pFrame)
            video_display(vp->pFrame);

        if (++global_context.pictq_rindex >= VIDEO_PICTURE_QUEUE_SIZE) {
            global_context.pictq_rindex = 0;
        }

        pthread_mutex_lock(&global_context.pictq_mutex);
        global_context.pictq_size--;
        pthread_cond_signal(&global_context.pictq_cond);
        pthread_mutex_unlock(&global_context.pictq_mutex);
    }
}

其中，get_master_clock（）函数获取系统时钟，我们这里一般配置成音频的解码时间戳（PTS），然后计算视频时间戳和参考时间的差值，

ref_clock = get_master_clock();
diff = vp->pts - ref_clock;

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以下代码判断差值的大小，如果小于门限值，则不延时，也就是说要迅速播放下一帧，类似于快进，如果大于门限值，则延时加倍，也就是说要慢点播放下一帧，当然可能一帧并不能马上达到音视频之间的同步，但是可以通过多帧的累积，最终使两者同步。

if (diff <= -sync_threshold) {
    //av_log(NULL, AV_LOG_ERROR, "video_refresh_timer : skip. \n");
    LOGV("video_refresh_timer : skip. \n");
    delay = 0;
} else if (diff >= sync_threshold) {
    //av_log(NULL, AV_LOG_ERROR, "video_refresh_timer : repeat. \n");
    LOGV("video_refresh_timer : repeat. \n");
    delay = 2 * delay;
}

注意video_refresh_timer（）函数中，还有一个actual_delay变量，奇怪的是，delay变量就行了，为何还有个actual_delay变量呢？原来，我们的程序在处理视频数据或者执行时，总要消耗时间，因此实际的delay时间总是要小于上述计算得到的delay值，actual_delay的计算如下，frame_timer是记录的上一次帧显示的系统时间加上了delay的值，av_gettime（）是当前的系统时间，两者的差值刚好是下一帧图像显示的延时时间。

actual_delay = global_context.frame_timer - (av_gettime() / 1000000.0);

下面函数完成一帧图像的显示，这和以前博文介绍的实现方法一致。

video_display(vp->pFrame);

几个时间变量

关于代码中出现的几个关于时间的变量，分别解释如下：

pFrame->pkt_pts
这个是码流里存储的PTS值，就是一个计数器，相对于时基的一个计数值

av_q2d(global_context.vstream->time_base)
把分数的时基，转成浮点数（double）型的时间基准，就是最小分辨率时间段吧

pFrame->pkt_pts*av_q2d(global_context.vstream->time_base)
这是把码流里的PTS计数值，转换成时间戳的形式，单位是秒（如0.0001秒）

av_gettime
获取当前系统时间，单位微秒us

vp->pts = pFrame->pkt_pts*av_q2d(global_context.vstream->time_base)
当前要显示的帧的时间戳，单位是秒（如0.0001秒），是 倍数*（1/时基）

video_current_pts
保留最后刷新的帧的vp->pts值

global_context.video_current_pts_time
当前显示帧时的系统时间，单位微秒


global_context.frame_last_pts
看起来和video_current_pts一个意思？最后刷新的帧的vp->pts值


global_context.frame_last_delay
记录最后的延时时间，用于下次PTS非法或者跳变时，采用上一次的值

global_context.frame_timer
用于帧的定时器时间计算，单位微秒

delay = vp->pts - global_context.frame_last_pts

get_master_clock（）
返回系统的pts时间戳，是 倍数*（1/时基）

delay = vp->pts - global_context.frame_last_pts
两帧之间的时间戳差值

diff = vp->pts - ref_clock
当前帧和系统时钟之间的差值

global_context.frame_timer
应该是指每一帧视频的显示时刻，单位是秒，记住程序open媒体的时候有一个初始值