NDK学习笔记：RtmpPusher之利用faac库将pcm格式编码为aac

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NDK学习笔记：RtmpPusher之利用faac将pcm格式编码为aac

打算一篇总结完知识点。faac的源码编译过程就不介绍了，网上很多。而且faac版本貌似已经稳定不更新，所以直接拿人家编译好的库也没问题（我github工程里面就是已经是最后一个版本的了）。

不废话，开始代码，java层代码如下：

    private AcousticEchoCanceler canceler;
    private int audioRecordChannelNum = 1;
    private int sampleRateInHz = 44100;
    private int minBufferSize;
    private boolean isAudioRecord;
    private AudioRecord audioRecord;

    private void initRecordAudio() {
        // 单声道 44100
        int channelConfig = audioRecordChannelNum == 1 ?
                AudioFormat.CHANNEL_IN_MONO : AudioFormat.CHANNEL_IN_STEREO;
        minBufferSize = AudioRecord.getMinBufferSize(sampleRateInHz, channelConfig, AudioFormat.ENCODING_PCM_16BIT);
        audioRecord = new AudioRecord(MediaRecorder.AudioSource.MIC,
                sampleRateInHz, channelConfig,
                AudioFormat.ENCODING_PCM_16BIT, minBufferSize);
        if (AcousticEchoCanceler.isAvailable()) {
            initAEC(audioRecord.getAudioSessionId());
        }
        //启动录音子线程
        isAudioRecord = true;
        new Thread(new AudioRecordTask()).start();
    }
    
    private class AudioRecordTask implements Runnable{
        @Override
        public void run() {
            audioRecord.startRecording();
            //开始录音
            while(isAudioRecord) {
                //通过AudioRecord不断读取音频数据
                byte[] buffer = new byte[minBufferSize];
                //ByteBuffer byteBuffer = ByteBuffer.allocateDirect(minBufferSize);
                int len = audioRecord.read(buffer, 0, buffer.length);
                if(len > 0){
                    if(rtmpPusher!=null){
                        rtmpPusher.feedAudioData(buffer, buffer.length);
                    }
                }
            }
        }
    }
    // android.os.Build.VERSION.SDK_INT >= 16;
    public boolean initAEC(int audioSession) {
        if (canceler != null) {
            return false;
        }
        canceler = AcousticEchoCanceler.create(audioSession);
        if (canceler != null) {
            canceler.setEnabled(true);
            return canceler.getEnabled();
        }
        return false;
    }
-------------------------------------------------------------------------------------
    if(rtmpPusher == null) {
        rtmpPusher = new RtmpPusher();
    }
    prepareAudioEncoder(sampleRateInHz, audioRecordChannelNum);

这一段是系统API的运用，主要是依靠AudioRecord配合AcousticEchoCanceler（系统的回声消除），打开系统麦克风进行录音操作，获取一手的pcm格式的音频数据。    之后我们就可以把pcm格式的数据喂养到RtmpPusher里面了，记得喂养前找个恰当时机调用prepareAudioEncoder初始化音频编码器。   然后我们直接到prepareAudioEncoder的实现。

JNIEXPORT void JNICALL
Java_org_zzrblog_ffmp_RtmpPusher_prepareAudioEncoder(JNIEnv *env, jobject jobj,
                                                     jint sampleRateInHz, jint channelNum)
{
    if(gRtmpPusher == NULL) {
        gRtmpPusher = (RtmpPusher*)calloc(1, sizeof(RtmpPusher));
    }else if(gRtmpPusher->faac_encoder != NULL){
        return;
    }
    gRtmpPusher->sampleRateInHz = sampleRateInHz;
    gRtmpPusher->channelNum = channelNum;
    // 初始化faac音频编码器
    gRtmpPusher->faac_encoder = faacEncOpen((unsigned long) sampleRateInHz,
                                            (unsigned int) channelNum,
                                            &(gRtmpPusher->nInputSamples),
                                            &(gRtmpPusher->nMaxOutputBytes));
    if(!gRtmpPusher->faac_encoder){
        LOGE("音频编码器打开失败");
        return;
    }
    //设置音频编码参数
    faacEncConfigurationPtr pFaacConfigure = faacEncGetCurrentConfiguration(gRtmpPusher->faac_encoder);
    pFaacConfigure->mpegVersion = MPEG4;
    pFaacConfigure->allowMidside = 1;//是否允许MidSide Coding(详情百度)
    pFaacConfigure->aacObjectType = LOW;//设置AAC类型
    pFaacConfigure->outputFormat = 0; //输出是否包含ADTS头
    // RAW_STREAM = 0, ADTS_STREAM=1  (ADTS可以实现单帧单独解码，raw由于缺少头无法单帧解码，因此无法续传跳播)
    pFaacConfigure->useTns = 1; //是否使用瞬时噪声定形滤波器(具体作用不是很清楚)
    pFaacConfigure->useLfe = 0; //是否允许一个声道为低频通道
    pFaacConfigure->bitRate = 48000;  //设置比特率
	pFaacConfigure->inputFormat = FAAC_INPUT_16BIT; //设置输入PCM格式
    pFaacConfigure->quantqual = 100;//数字信号的质量
    pFaacConfigure->bandWidth = 0; //频宽
    pFaacConfigure->shortctl = SHORTCTL_NORMAL;
    if(!faacEncSetConfiguration(gRtmpPusher->faac_encoder, pFaacConfigure)) {
        LOGE("%s","音频编码器配置失败..");
        return;
    }
    LOGI("%s","音频编码器配置成功");
}

faac音频编码器的流程比较简单，第一步就是faacEncOpen获取编码器句柄faacEncHandle。

方法共有四个参数，前两个是传入参数，后两个是回传的参数。
sampleRateInHz是音频采样的频率；
channelNum是声道数；
nInputSamples代表当前输入采样率对应的采样个数；
nMaxOutputBytes代表当前设置的aac编码输出之后的最大字节数；

然后第二步，调用faacEncGetCurrentConfiguration获取当前配置参数，并进行一些针对性的自定义设置。这一步你可以对应理解为x264的 x264_param_default_preset 。上面这些设置详尽我也不太懂，我就关心三个参数：

1、outputFormat：Bitstream output format (0 = Raw; 1 = ADTS) 输出是否包含ADTS头，一般都是用0，什么时候用1呢？

在此之前先来认识什么是ADTS头信息：ADTS是Audio Data Transport Stream的简称。是AAC音频文件常见的传输格式。有的时候当你编码AAC裸流的时候，会遇到写出来的AAC文件并不能在PC和手机上播放，很大的可能就是AAC文件的每一帧里缺少了ADTS头信息文件的包装拼接。只需要加入头文件ADTS即可。一个AAC原始数据块长度是可变的，对原始帧加上ADTS头进行ADTS的封装，就形成了ADTS帧。

下图简单呈现了ADTS头文件结构和信息：AAC音频文件的每一帧由ADTS Header和AAC Audio Data组成。（关于ADTS的头信息介绍和代码追加ADTS-Header的方法也很固定，比如可以参考这里。我这里节省篇幅就不一一介绍了。）

如果是解析音视频文件（譬如MP4）的时候，如果mp4容器头能正确识别音轨参数，解码器能正确初始化，那么音轨上的AAC码流可以不带ADTS。反之，就必须带ADTS，让解码器在默认初始化设置的时候，动态的识别当前音频码流的设置。如果是解析动态码流，如果能提前知道音频的设置参数，并在初始化音频解码器前设置正确，那么就不需要带ADTS头，反之，则需要通过动态码流设置ADTS，让解码器在默认初始化设置的时候，动态的识别当前音频码流的设置。 

一句话总结，ADTS就是让解码器知道当前准备要解码的音频码流是怎样的设置参数，好让解码器能最好的达到解码效率。

编码器已经知道音频的参数了，而且这里是PCM转AAC，ADTS只是针对解码aac的时候使用的。所以我就设置为0（Raw）。

2、bitRate：设置音频码流的比特率。这个比特率能更好的控制网络传输时候的带宽。控制吞吐量

3、inputFormat：设置输入PCM格式，有四个选项：FAAC_INPUT_NULL、FAAC_INPUT_16BIT、FAAC_INPUT_24BIT、FAAC_INPUT_32BIT分别对应的是一个采样点对应所占的空间。 我们在java代码中通过AudioRecord设置获取的PCM数据编码格式为AudioFormat.ENCODING_PCM_16BIT，所以这里也应该设置对应的FAAC_INPUT_16BIT。

然后我们就可以调用faacEncSetConfiguration，把定义好的编码环境重新设置到faacEncHandle。到此初始化音频编码器成功。

然后我们开始分析喂养PCM数据到faac编码器的函数feedAudioData（难点来了。）

JNIEXPORT void JNICALL Java_org_zzrblog_ffmp_RtmpPusher_feedAudioData
        (JNIEnv *env, jobject jObj, jbyteArray j_pcm_array, jint len)
{
    if(gRtmpPusher==NULL || gRtmpPusher->faac_encoder==NULL)
        return;
    // 传入的pcm_array 编码是 ENCODING_PCM_16BIT
    jbyte* pPcmArray = (*env)->GetByteArrayElements(env, j_pcm_array, 0);

    // 16位 两字节 相当于 short
    int16_t * pcm_input = (int16_t *)malloc(gRtmpPusher->nInputSamples * sizeof(int16_t));
    // 8位 1字节 相当于 char / byte
    uint8_t * aac_output = (uint8_t *)malloc(gRtmpPusher->nMaxOutputBytes * sizeof(uint8_t));

    int nByteCount = 0;  //缓存计算位
    unsigned int pcm_short_buf_size = (unsigned int) len / 2; //传入的byte数组包含多少个16位的pcm编码采样数据
    int16_t* pcm_short_buf = (int16_t*) pPcmArray;

    while (nByteCount < pcm_short_buf_size) {
        // 针对每nInputSamples个16位pcm数据操作
        unsigned int audioLength = gRtmpPusher->nInputSamples; //aac编码输入的默认采样个数
        if ((nByteCount + gRtmpPusher->nInputSamples) >= pcm_short_buf_size) {
            audioLength = pcm_short_buf_size - nByteCount;
        }
        for (int i = 0; i < audioLength; i++) {
            // 每次从传入的pcm音频队列中读出量化位数为16位的pcm数据。
            pcm_input[i] = (pcm_short_buf + nByteCount)[i];
        }
        nByteCount += gRtmpPusher->nInputSamples;
        //利用FAAC进行编码
        int byteslen = faacEncEncode(gRtmpPusher->faac_encoder,
                                     pcm_input, audioLength,
                                     aac_output, gRtmpPusher->nMaxOutputBytes);
        if (byteslen < 1) {
            continue;
        }
        // 从aac_output中得到编码后的aac数据流，放到数据队列
        add_aac_body(aac_output, byteslen);
    }
    //处理完当前批pcm数据了，释放资源
    (*env)->ReleaseByteArrayElements(env, j_pcm_array, pPcmArray, NULL);
    if (aac_output)
        free(aac_output);
    if (pcm_input)
        free(pcm_input);
}

先从faac编码的接口faacEncEncode入手，其方法在头文件的定义如下：

int FAACAPI faacEncEncode(faacEncHandle hEncoder, // 编码器句柄
                            int32_t * inputBuffer, // 输入的PCM数据
                            unsigned int samplesInput,// 输入的采样数
                            unsigned char *outputBuffer,// 编码结果输出
                            unsigned int bufferSize); // 输出的内存空间大小

五个参数意义如上注释，一眼看上去感觉没什么难度是吧，我们一个个参数看。

1、faacEncHandle，就是我们初始化的 gRtmpPusher->faac_encoder。这个参数没疑问。
2、int32_t * inputBuffer，输入数据，int32_t 意思就是32位的整形，对应C语法上的就是 signed int ， 但是我们传入进来的jbyteArray j_pcm_array，经过(*env)->GetByteArrayElements 获取到的是 jbyte* 头指针。 这个类型在jni.h定义成int8_t，8位的整形，也就是C语法上的 signed char，如何正确的转化？
3、输入的采样个数，这个参数意义有点熟悉，是初始化打开编码器的时候回传的gRtmpPusher->nInputSamples吗？
4、编码结果的输出指针，这个参数没什么异议。
5、输出的空间大小。这个就是参数4的长度了。也没异议。

接下来，我们就一起讨论分析第二第三个参数该要怎么处理。回到feedAudioData方法上。

首先第一步，我们获取传入进来的pcm字节数组的头指针（jbyte == signed char == 8位）；第二步，根据编码器回传的输入采样个数，以FAAC_INPUT_16BIT（short == int16_t ==16位）为单位，分配好内存空间，同样根据编码器回传的输入最大字节数，以字节为单位（uint8_t == unsigned char == 8位）（注意这两个回传的单位，一个是个数，一个字节数）；

第三步开始转化逻辑，请好好理解：首先我们另起一个 （short == int16_t ==16位）类型的指针，记为pcm_short_buf，指向pcm字节数组（强转型），这样每次操作都是以16位为单位（两个byte）。然后计算出 传入的pcm字节数组数组包含多少个16位的pcm编码采样数据，记为pcm_short_buf_size；因为我们不知道 16位的pcm编码采样数据的长度pcm_short_buf_size 和 编码器回传的输入的默认采样个数nInputSamples 的大小关系。所以我们只能每批次的操作，而且操作前都需要判断是否即将填满输入编码器的PCM内存空间，然后再一步步的从pcm_short_buf获取16位数据，写入即将输入编码器的PCM内存空间。 最后到faacEncEncode进行编码。

 

编码出来的AAC数据和视频的h264数据一样，都需要追加对应的头，才能在网络传输的过程中被识别。除了内容数据包以外，还需要在内容数据包之前，发送配置参数包。但是和x264不一样的是，faac这个库的配置参数包，不是需要编码出来的，能直接从faacEncoder中获取。

上代码之前先简单介绍AAC-Header的结构：

AAC header结构（2个字节）
1、SoundFormat，4bit，有以下选项
        0 = Linear PCM, platform endian
        1 = ADPCM
        2 = MP3
        3 = Linear PCM, little endian
        4 = Nellymoser 16 kHz mono
        5 = Nellymoser 8 kHz mono
        6 = Nellymoser
        7 = G.711 A-law logarithmic PCM
        8 = G.711 mu-law logarithmic PCM
        9 = reserved
        10 = AAC
        11 = Speex
        14 = MP3 8 kHz
        15 = Device-specific sound
2、SoundRate，2bit，抽样频率，有以下选项
        0 = 5.5 kHz
        1 = 11 kHz
        2 = 22 kHz
        3 = 44 kHz
       对于AAC音频来说，总是0x11，即44khz.
3、SoundSize，1bit，音频的位数。
       0 = 8-bit samples
       1 = 16-bit samples
       AAC总是为0x01,16位。
4、SoundType，1bit，声道
       0 = Mono sound
       1 = Stereo sound
5、AACPacketType，8bit。这个字段来表示AACAUDIODATA的类型
     0 = AAC sequence header
     1 = AAC raw。
     配置参数包用类型0，内容数据包都用类型1。设置参数包要在内容数据包之前发送。

//添加AAC编码的sequence header
void add_aac_sequence_header()
{
    if(gRtmpPusher==NULL || gRtmpPusher->faac_encoder==NULL)
        return;
    //从faacEncoder获取配置信息
    unsigned char *spec_buf;
    unsigned long len; //长度
    faacEncGetDecoderSpecificInfo(gRtmpPusher->faac_encoder, &spec_buf, &len);
    uint32_t body_size = 2 + len;
    char* body = malloc(sizeof(char)*body_size);
    //AUDIODATA的标志位，各位标志如下
    body[0] = 0xAF;
    // SoundFormat(4bits):10=AAC；
    // SoundRate(2bits):3=44kHz；
    // SoundSize(1bit):1=16-bit samples；
    // SoundType(1bit):1=Stereo sound；

    //AACAUDIODATA的AACPacketType
    body[1] = 0x00;
    // 1表示AAC raw，
    // 0表示AAC sequence header
    //AACAUDIODATA的RawData
    memcpy(&body[2], spec_buf, len); /*spec_buf是AAC sequence header数据*/
    // ... 未完待续 ...
    free(spec_buf);
}
// 为内容数据包追加aac头
void add_aac_body(unsigned char *buf, int len)
{
    if(gRtmpPusher==NULL)
        return;
    int body_size = len + 2;
    char* body = malloc(sizeof(char)*body_size);
    //AUDIODATA的标志位，各位标志如下
    body[0] = 0xAF;
    // SoundFormat(4bits):10=AAC；
    // SoundRate(2bits):3=44kHz；
    // SoundSize(1bit):1=16-bit samples；
    // SoundType(1bit):1=Stereo sound；
    //AACAUDIODATA的AACPacketType
    body[1] = 0x01;
    // 1表示AAC raw，
    // 0表示AAC sequence header
    //AACAUDIODATA的RawData
    memcpy(&body[2], buf, (size_t) len); /*spec_buf是AAC raw数据*/
    
    // ... 未完待续 ...
}

下章学习RTMP，利用rtmpdump库完成h264和aac的内容发送。顺带利用一下数据结构-双向列表，使整个流程结构得到优化。