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第1章;序章
オーディオとビデオの同期 (A/V 同期) は、リップ シンクまたはサウンドと画像の同期とも呼ばれ、ビデオの再生時に画像 (ビデオ) とサウンド (オーディオ) が正しい時系列順で再生されることを意味します。観客は映像と音が同時に起こっているように感じます。オーディオとビデオの再生を伴うあらゆるシーンにおいて、オーディオとビデオの同期は重要な問題です。オンライン ビデオの再生、テレビのライブ ブロードキャスト、映画上映、さらにはゲーム レンダリングのいずれであっても、オーディオとビデオの同期を適切に処理する必要があります。
ただし、オーディオとビデオの同期は簡単に解決できる問題ではありません。通常、オーディオ データとビデオ データは別々に処理および再生されます。これらは異なるハードウェア デバイスによって処理され、異なるネットワーク条件やシステム パフォーマンスの影響を受ける可能性があるため、再生時間は異なる場合があります。さらに、オーディオとビデオのエンコードとデコードでも遅延が発生する可能性があり、同期がより困難になります。
この記事では、C++ と FFmpeg を使用してオーディオとビデオを同期するための高度な戦略について詳しく説明します。まず、オーディオとビデオの同期の中心となる概念と原理を紹介し、次に C++ と FFmpeg を使用してオーディオとビデオ データを処理する方法、およびオーディオとビデオの再生ステータスに応じて同期を制御する方法を詳細に分析します。最後に、単純なオーディオおよびビデオ プレーヤーを実装する方法と、考えられるさまざまなエラーや例外を処理する方法を、具体的なコード例を通して示します。
始める前に、読者は C++ と FFmpeg の基本的な構文と機能、FFmpeg の基本的な使用方法と概念など、C++ と FFmpeg に関する一定の基本知識をすでに持っていることを前提としています。これらの知識に詳しくない場合は、まず関連情報やドキュメントを参照することをお勧めします。
第 2 章: オーディオとビデオの同期の中心的な概念
2.1 プレゼンテーション タイム スタンプ (PTS)
オーディオとビデオの同期では、PTS (プレゼンテーション タイム スタンプ、プレゼンテーション タイム スタンプ) が重要な役割を果たします。PTS は、メディア ストリーム内の各フレーム (オーディオ フレームまたはビデオ フレーム) のタイムスタンプで、このフレームが表示される時刻 (オーディオの場合は再生、ビデオの場合は表示) を表します。
ＰＴＳの単位は、メディアストリームの属性であり、フレームの最小の時間単位を表すタイムベース（タイムベース）である。たとえば、ビデオ ストリームのフレーム レートが 1 秒あたり 60 フレームの場合、タイムベースは 1/60 秒です。
FFmpeg では、それぞれにこのフレームの PTS を示すフィールドがAVFrameあります。この PTS は関数を通じて取得ptsできます。av_frame_get_best_effort_timestamp
以下は、FFmpeg でフレームの PTS を取得する方法を示す簡単な例です。
AVFrame* frame = ...; // 假设你已经从解码器得到了一个帧
int64_t pts = av_frame_get_best_effort_timestamp(frame); // 获取这个帧的PTS
2.2 オーディオおよびビデオクロック
オーディオとビデオの同期では、現在の再生時間を表す「再生クロック」が必要です。再生クロックはオーディオ、ビデオ、またはシステム時間にすることができ、どのクロックを使用するかは同期戦略によって異なります。
一般的な戦略は、オーディオに焦点を当てることです。つまり、オーディオの再生時間を再生クロックとして使用します。これは、人間は映像よりも音声に敏感であるため、映像が多少遅れたり進んだりしても、音声が正常に再生されていれば、ユーザーは通常、問題に感じないからです。
オーディオベースの同期戦略を実装する場合、オーディオの再生時間を表す変数 (「オーディオ クロック」と呼ぶことができます) を維持する必要があります。オーディオ フレームが再生されるたびに、オーディオ クロックをオーディオ フレームの PTS に更新します。次に、ビデオ フレームを再生するときに、ビデオ フレームの PTS をオーディオ クロックと比較して、遅延を挿入する必要があるかどうかを判断します。
以下は、オーディオ クロックを更新する方法を示す簡単な例です。
AVFrame* audio_frame = ...; // 假设你已经从解码器得到了一个音频帧
int64_t pts = av_frame_get_best_effort_timestamp(audio_frame); // 获取这个音频帧的PTS
double time_base = ...; // 假设你已经得到了这个音频流的时间基
double audio_clock = pts * time_base; // 更新音频时钟
2.3 PTSとクロックの関係
PTS とクロックはオーディオとビデオの同期の 2 つの重要な概念であり、それらの間には密接な関係があります。
-
PTS は、各フレームをいつレンダリングするかを決定します。オーディオとビデオの同期では、各フレームが PTS で指定された時間に表示されるようにする必要があります。
-
時計は現在の再生時間を示します。オーディオとビデオの同期では、各フレームをいつレンダリングするかを決定するクロックが必要です。
オーディオとビデオの同期を実装するときの目標は、各フレームが PTS で指定された時間に表示されるようにすることです。この目標を達成するには、クロックを使用して再生の進行を制御する必要があります。各フレームの PTS をクロックと比較し、PTS がクロックより遅い場合はしばらく待機し、PTS がクロックより早いか同期している場合は、フレームをすぐにレンダリングします。
以下は、PTS とクロックに基づいて再生の進行状況を判断する方法を示す簡単な例です。
AVFrame* video_frame = ...; // 假设你已经从解码器得到了一个视频帧
double audio_clock = ...; // 假设你已经得到了当前的音频时钟
int64_t pts = av_frame_get_best_effort_timestamp(video_frame); // 获取这
个视频帧的PTS
double time_base = ...; // 假设你已经得到了这个视频流的时间基
double expected_time = pts * time_base; // 这个视频帧的预期播放时间
double delay = expected_time - audio_clock; // 需要的延迟
if (delay > 0) {
// 视频帧的预期播放时间比播放时钟晚，需要插入延迟
std::this_thread::sleep_for(std::chrono::milliseconds(static_cast<int>(delay * 1000)));
}
// 现在可以播放这个视频帧了
上記のコードは参照のみを目的としており、独自のオーディオ デバイスやライブラリ、および同期戦略に従って適切な変更を加える必要があることに注意してください。
第 3 章: オーディオ再生デバイスの役割と制御戦略
オーディオとビデオの同期プロセスでは、オーディオ再生デバイス (オーディオ レンダリング システム) が重要な役割を果たします。オーディオ再生デバイスは、デコードされたオーディオ データを可聴サウンドに変換する役割を担っており、通常、再生するオーディオ データを保存する内部バッファを備えています。
3.1 オーディオ再生装置の動作原理
オーディオ再生デバイスの基本的な動作原理は、オーディオ データがアプリケーションからハードウェア デバイスに送信され、ハードウェア デバイスがオーディオ データをアナログ信号に変換し、最終的にスピーカーから音を発するというものです。
通常、オーディオ デバイスにはこのプロセス用の内部バッファがあります。アプリケーションはデコードされたオーディオ データをこのバッファに送信すると、オーディオ デバイスが正しい速度 (サンプリング レート) でバッファからデータをフェッチして再生します。
この内部バッファの存在により、アプリケーションが一時的にデータを送信できなくなった場合でも、オーディオ デバイスがバッファからデータを取得して再生を継続できるため、オーディオの再生がよりスムーズになります。ただし、これには、オーディオがいつ再生されているかを判断する方法という課題もあります。
3.2 Qt オーディオ API の使用
在Qt框架中，我们可以使用QAudioOutput类来控制音频设备。下面是一些关键的方法：
| 方法 | 作用 |
|---|---|
start(QIODevice *device) |
开始播放，device是一个设备对象，包含了待播放的音频数据。 |
stop() |
停止播放。 |
setVolume(qreal volume) |
设置播放音量，volume是音量值，范围是0.0到1.0。 |
elapsedUSecs() |
返回自从音频开始播放以来经过的微秒数。 |
bytesFree() |
返回音频设备内部缓冲区的剩余空间。 |
对于音视频同步来说，elapsedUSecs()方法非常重要，它可以帮助我们确定音频的播放时间。
3.3 获取音频播放时间
获取音频播放时间的方法取决于你的音频播放设备或音频API。在Qt中，我们可以使用QAudioOutput的elapsedUSecs()方法来获取音频播放时间。
下面是一个使用Qt的例子：
// 在你的QtAudioOutputStrategy类中添加一个成员变量
QAudioOutput* m_audio_output;
// 在你初始化QAudioOutput的地方，将m_audio_output设置为你的QAudioOutput实例
m_audio_output = new QAudioOutput(...);
// 在你需要获取音频时间的地方，使用m_audio_output->elapsedUSecs()方法
qint64 audio_time_microsecs = m_audio_output->elapsedUSecs();
double audio_time_secs = audio_time_microsecs / 1e6; // 将微秒转换为秒
请注意，elapsedUSecs()方法返回的是自从音频开始播放以来经过的时间，即使在音频暂停的时候，这个时间也会继续增加。因此，如果你的播放器支持暂停功能，你可能需要在暂停时保存这个时间，然后在恢复播放时减去这个时间，以得到实际的音频播放时间。
这是一个处理暂停功能的例子：
// 在暂停时
qint64 pause_time = m_audio_output->elapsedUSecs();
// 在恢复播放时
qint64 resume_time = m_audio_output->elapsedUSecs();
qint64 actual_play_time = resume_time - pause_time;
通过这种方式，我们可以获取音频的播放时间，并用这个时间来更新我们的播放时钟，以实现音视频同步。
第四章：实现音视频同步的策略和步骤
在本章节中，我们将详细探讨如何使用C++和FFmpeg实现音视频同步。我们将重点介绍音频为主的同步策略，并通过实际的代码示例来解释每个步骤。
4.1 音频为主的同步策略
在音视频同步中，最常见的策略是以音频为主。在这种策略中，我们将音频的播放时间作为播放时钟的时间，然后根据这个播放时钟来控制视频的播放。这是因为人类对音频的敏感度高于视频，因此即使视频稍微有些延迟，只要音频播放正常，用户通常也不会觉得有问题。
在C++中，我们可以使用一个变量来保存播放时钟的时间，然后在每次播放音频帧时，将这个变量更新为音频帧的PTS（Presentation Time Stamp，演示时间戳）。以下是一个例子：
double audio_pts = audio_frame.pts * m_audio_time_base; // 音频帧的PTS
play_clock = audio_pts; // 更新播放时钟
在这里，audio_frame是一个音频帧，m_audio_time_base是音频的时间基（time base），play_clock是播放时钟。
4.2 视频帧的延迟计算
在播放视频帧时，我们需要计算视频帧的PTS与播放时钟的差值，以决定是否需要插入延迟。如果视频帧的PTS比播放时钟晚，说明视频帧需要在将来的某个时间点播放，因此我们需要插入适当的延迟。如果视频帧的PTS比播放时钟早或者相等，说明视频帧应该立即播放，因此我们不需要插入延迟。
以下是一个计算延迟的例子：
double video_pts = video_frame.pts * m_video_time_base; // 视频帧的PTS
double delay = video_pts - play_clock; // 计算延迟
if (delay > 0) {
// 视频帧的PTS比播放时钟晚，需要插入延迟
std::this_thread::sleep_for(std::chrono::milliseconds(static_cast<int>(delay * 1000)));
}
在这里，video_frame是一个视频帧，m_video_time_base是视频的时间基，play_clock是播放时钟。
4.3 音频和视频的播放控制
在实现音视频同步时，我们需要根据延迟来控制音频和视频的播放。当我们计算出一个视频帧的延迟时，我们可以使用这个延迟来决定何时播放这个视频帧。如果延迟为正值，我们可以等待这个延迟的时间后再播放视频帧；如果延迟为负值或者0，我们可以立即播放视频帧。
音频的播放控制比较简单，因为音频播放设备通常会自动按照正确的速度播放音频。我们只需要将解码后的音频数据发送给音频播放设备，然后音频播放设备会处理剩下的事情。
以下是一个播放控制的例子：
// 播放音频帧
audio_device.play(audio_frame);
// 计算视频帧的延迟并播放视频帧
double video_pts = video_frame.pts * m_video_time_base;
double delay = video_pts - play_clock;
if (delay > 0) {
std::this_thread::sleep_for(std::chrono::milliseconds(static_cast<int>(delay * 1000)));
}
video_device.play(video_frame);
在这里，audio_device和video_device是音频和视频播放设备，audio_frame和video_frame是音频和视频帧。
第五章： 特殊情况和错误处理
在实现音视频同步时，可能会遇到一些特殊情况和错误，如音频和视频的开始时间不同步、时间基不一致以及数据丢失和解码错误等。在本章中，我们将探讨如何处理这些情况。
5.1 音频和视频的开始时间不同步
在一些情况下，音频和视频的开始时间可能不完全同步。例如，视频可能比音频早开始几秒，或者音频可能在视频之前开始。这可能会导致音视频同步问题，因为如果我们简单地将音频和视频的PTS（Presentation Time Stamp，演示时间戳）用于同步，那么音频和视频可能会在错误的时间开始播放。
为了解决这个问题，我们需要在开始播放时记录音频和视频的开始时间，然后在计算PTS时，将它们减去对应的开始时间。这样，音频和视频的PTS就会从0开始，我们可以正确地同步它们。
以下是一个示例：
// 在开始播放时，记录音频和视频的开始PTS
double audio_start_pts = audio_frame.pts;
double video_start_pts = video_frame.pts;
// 在计算PTS时，将它们减去对应的开始PTS
double audio_pts = (audio_frame.pts - audio_start_pts) * m_audio_time_base;
double video_pts = (video_frame.pts - video_start_pts) * m_video_time_base;
5.2 音频和视频的时间基不一致
音频和视频的时间基（time base）通常不同。时间基是用于计算PTS的因子，它定义了时间戳的单位。例如，如果时间基是1/1000，那么时间戳1表示1毫秒。
当音频和视频的时间基不一致时，我们不能直接比较它们的PTS，否则会导致同步错误。我们需要将它们转换到同一单位，然后再进行比较。
以下是一个示例：
// 获取音频和视频的时间基
double audio_time_base = av_q2d(audio_stream->time_base);
double video_time_base = av_q2d(video_stream->time_base);
// 在计算PTS时，使用对应的时间基
double audio_pts = audio_frame.pts * audio_time_base;
double video_pts = video_frame.pts * video_time_base;
在这个示例中，我们使用FFmpeg的av_q2d函数将时间基转换为双精度浮点数。然后，我们将PTS乘以对应的时间基，得到以秒为单位的PTS。
5.3 数据丢失和解码错误
在处理音视频数据时，可能会遇到数据丢失和解码错误。例如，网络传输中可能会丢失数据，或者解码器可能会遇到无法解码的数据。这些情况都可能导致音视频同步错误。
当遇到数据丢失时，我们需要跳过丢失的数据，并尽快恢复正常的播放。当遇到解码错误时，我们可能需要重置解码器，或者跳过无法解码的数据。
为了处理这些情况，我们可以在读取和解码数据时，添加错误检查和恢复代码。例如，我们可以捕获解码函数抛出的异常，然后根据异常类型决定如何恢复。
以下是一个示例：
try {
// 读取和解码数据
...
} catch (const std::exception& e) {
// 捕获异常，然后根据异常类型决定如何恢复
if (typeid(e) == typeid(DataLostException)) {
// 数据丢失，跳过丢失的数据
...
} else if (typeid(e) == typeid(DecodeErrorException)) {
// 解码错误，重置解码器
...
} else {
// 未知错误，打印错误信息并停止播放
...
}
}
第六章：实践：使用FFmpeg和Qt实现音视频同步
在本章节中，我们将深入探讨如何使用FFmpeg和Qt实现音视频同步。我们将通过实际的代码示例来详细解释每个步骤，并重点解析其中的关键技术和原理。
解码音视频数据
首先，我们需要从文件中读取音视频数据，并进行解码。在这一步，我们主要使用FFmpeg的av_read_frame和avcodec_send_packet/avcodec_receive_frame函数。
下面是一个基本的读取和解码音视频数据的代码示例：
AVFormatContext* format_ctx = nullptr;
// ... 打开文件，初始化format_ctx ...
AVPacket packet;
AVFrame* frame = av_frame_alloc();
while (av_read_frame(format_ctx, &packet) >= 0) {
AVCodecContext* codec_ctx = nullptr;
// ... 根据packet.stream_index获取codec_ctx ...
if (avcodec_send_packet(codec_ctx, &packet) >= 0) {
while (avcodec_receive_frame(codec_ctx, frame) >= 0) {
// 我们已经得到一个解码后的帧，可以处理这个帧了
// ... 处理帧 ...
}
}
av_packet_unref(&packet);
}
av_frame_free(&frame);
在这个代码中，我们首先使用av_read_frame函数读取一个音视频数据包。然后，我们使用avcodec_send_packet函数将这个数据包发送给解码器。最后，我们使用avcodec_receive_frame函数从解码器中接收解码后的帧。
我们需要特别注意avcodec_receive_frame函数可能需要被调用多次才能接收到所有的帧。这是因为一些解码器可能会缓存多个帧，所以我们需要不断调用avcodec_receive_frame函数，直到它返回一个错误。
使用Qt播放音频数据
播放音频数据的任务主要由Qt的QAudioOutput类完成。我们需要将解码后的音频帧发送给QAudioOutput，然后QAudioOutput会自动按照正确的速度播放这些音频数据。
下面是一个基本的使用QAudioOutput播放音频数据的代码示例：
QAudioFormat format;
// ... 设置format的参数，如采样率、采样大小、声道数等 ...
QAudioOutput* audio_output = new QAudioOutput(format);
QIODevice* audio_device = audio_output->start();
// 假设我们有一个解码后的音频帧
AVFrame* frame = nullptr;
// ... 从解码器得到frame ...
// 将音频帧的数据发送给audio_output
audio_device->write(reinterpret_cast<char*>(frame->data[0]), frame->nb_samples * frame->channels * sizeof(short));
在这个代码中，我们首先创建了一个QAudioOutput实例，并设置了音频的格式，包括采样率、采样大小和声道数等。然后，我们调用start函数开始音频的播放，并得到一个QIODevice实例。我们可以将音频数据写入这个QIODevice实例，然后QAudioOutput就会播放这些数据。
我们需要特别注意的是，我们需要将音频帧的数据转换为适合QAudioOutput的格式。在这个例子中，我们假设音频数据是16位的，所以我们使用sizeof(short)来计算数据的大小。
使用Qt播放视频数据
播放视频数据的任务可以由Qt的图形和图像处理类完成。我们需要将解码后的视频帧转换为QImage或QPixmap，然后显示这些图像。
下面是一个基本的使用Qt播放视频数据的代码示例：
// 假设我们有一个解码后的视频帧
AVFrame* frame = nullptr;
// ... 从解码器得到frame ...
// 将视频帧的数据转换为QImage
QImage image(frame->data[0], frame->width, frame->height, QImage::Format_RGB32);
// 显示这个图像
// ... 显示图像 ...
在这个代码中，我们首先将视频帧的数据转换为QImage。然
后，我们可以使用Qt的各种方法来显示这个QImage，比如我们可以在QLabel或QGraphicsView上显示它，或者我们可以直接在窗口上绘制它。
我们需要特别注意的是，我们需要将视频帧的数据转换为适合QImage的格式。在这个例子中，我们假设视频数据是RGB32格式的，所以我们使用QImage::Format_RGB32作为图像的格式。如果视频数据的格式不是RGB32，我们需要先使用FFmpeg的sws_scale函数将它转换为RGB32格式。
实现音视频同步
实现音视频同步的主要任务是计算视频帧的延迟，并根据这个延迟来控制视频帧的播放时间。我们可以使用Qt的QThread::msleep函数来插入延迟。
下面是一个基本的实现音视频同步的代码示例：
// 假设我们有一个解码后的视频帧
AVFrame* frame = nullptr;
// ... 从解码器得到frame ...
// 假设我们有一个音频播放的时钟
double audio_time = 0;
// ... 更新audio_time ...
// 计算视频帧的预期播放时间
double expected_time = frame->pts * av_q2d(format_ctx->streams[video_stream_index]->time_base);
// 计算需要的延迟
double delay = expected_time - audio_time;
if (delay > 0) {
// 如果需要延迟，使用QThread::msleep插入延迟
QThread::msleep(static_cast<int>(delay * 1000));
}
// 播放视频帧
// ... 播放视频帧 ...
在这个代码中，我们首先计算了视频帧的预期播放时间，然后计算了需要的延迟。如果需要延迟，我们使用QThread::msleep函数插入延迟。最后，我们播放视频帧。
我们需要特别注意的是，我们需要正确地计算视频帧的预期播放时间。在这个例子中，我们假设视频帧的PTS是以format_ctx->streams[video_stream_index]->time_base为单位的，所以我们使用av_q2d(format_ctx->streams[video_stream_index]->time_base)来将PTS转换为秒。
以上就是使用FFmpeg和Qt实现音视频同步的基本步骤和代码示例。在实际的项目中，你可能需要处理更多的细节和异常情况，比如数据丢失、解码错误、音视频开始时间不同步等。但是，只要你掌握了这些基本的原理和方法，你就可以根据自己的需要来定制和优化你的音视频播放器。
结语
在我们的编程学习之旅中，理解是我们迈向更高层次的重要一步。然而，掌握新技能、新理念，始终需要时间和坚持。从心理学的角度看，学习往往伴随着不断的试错和调整，这就像是我们的大脑在逐渐优化其解决问题的“算法”。
这就是为什么当我们遇到错误，我们应该将其视为学习和进步的机会，而不仅仅是困扰。通过理解和解决这些问题，我们不仅可以修复当前的代码，更可以提升我们的编程能力，防止在未来的项目中犯相同的错误。
我鼓励大家积极参与进来，不断提升自己的编程技术。无论你是初学者还是有经验的开发者，我希望我的博客能对你的学习之路有所帮助。如果你觉得这篇文章有用，不妨点击收藏，或者留下你的评论分享你的见解和经验，也欢迎你对我博客的内容提出建议和问题。每一次的点赞、评论、分享和关注都是对我的最大支持，也是对我持续分享和创作的动力。
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