Cocos 大表姐（Cocos 引擎中的音视频应用丨ECUG Meetup 回顾）七牛云存储ecug音视频

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本文根据「大表姐」李阳（Cocos 引擎布道师负责人）于 2021 年 6 月 26 日举办的 ECUG Meetup 第 1 期 | 2021 音视频技术最佳实践·杭州站上的分享整理而成。本文长达 5800 余字，主要结构如下：

Cocos 引擎介绍
Cocos Creator && Engine
基于 FFmpeg 的 Cocos Creator 视频播放器
Cocos 的音视频播放及改造

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以下为分享正文：

Cocos 大表姐（Cocos 引擎中的音视频应用丨ECUG Meetup 回顾）

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大家伙，我是 Cocos 引擎布道师负责人李阳。我写了大概七年的代码，一直是做基于 Cocos 引擎的手游研发，做的可能被大家熟悉的一款游戏是捕鱼达人。
我现在在 Cocos 做布道师负责人，在我看来这个职业就是开发者的辅助师、技术的导航仪，主要是协助用公司引擎的开发者更高效地开发出游戏，帮助他们解决技术上的问题，提供引擎部门的支持。
一、Cocos 引擎介绍 Cocos 以「技术驱动数字内容行业效率提升」为理念。从 2011 年成立到目前为止，在全球有 140 万个注册开发者，登记游戏数有将近 10 万。下载 Cocos 引擎制作游戏或者 APP 的大概有 16 亿设备，包括 203 个国家和地区。

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上图中是 Cocos 引擎的一些市场占有率。中国手游的占有率是 40%，中国小游戏的占有率 64%，在线教育 APP 占有率是 90%。在线教育领域 Cocos有专门的教育编辑器，用类似 PPT 的方式就可以开发出一个互动的游戏。

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上图左边是 2020 年 5 月的一些数据，右侧的是一些游戏案例。《剑与远征》不知道大家有没有玩过，《动物餐厅》是微信小游戏的创意游戏，用户和流水过亿级别的；《世界争霸》是一个月就研发出来的游戏，当然它的团队规模也是很大的。弹无虚发这个游戏介绍最后这个游戏，它是一个只有三个人的团队开发的，程序员只有一个。所以说，我们的引擎和编辑器是能够非常高效并且快速地研发出游戏来。
我们涉及的方面比较多，包括教育、车载、数字孪生、在线展会等等。包括腾讯、华为、网易等等，都是我们的合作伙伴，都在用 Cocos 引擎进行开发。
用 Cocos 编辑器可以进行可视化编辑，可以模块实现游戏创作，展现上的所见即所得的状态。

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Cocos 编辑器可以做 2D 和 3D 游戏。针对美术工作流它还有有动画编辑器，以及粒子系统等等，通过非常简单的模块化降低了游戏开发的门槛。

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上图是我们跨平台的工作流。3ds Max、Maya 是第三方软件，用于做模型；UI和 Animation 可视化部分可以用cocos编辑器去做。Code IDE 去写我们的逻辑代码。我们可以完成所见即所得的研发体验。
二、Cocos Creator && Engine

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上图则是 Cocos Creator 引擎的架构。Game Assets 是我们的资源，Game Logic 是我们写的代码。后面我们会有 Cocos Creator Engine，包括渲染、Scene Graph 以及我们的资源和数据，还有特效、物理以及组件化，UI，最后发布到平台。下面是我们的后端渲染，Metal 对应的是苹果，Vulkan 是在安卓平台上做渲染，WebGL 是web端。
Cocos 引擎目前在 2D 手游部分占的比例会比较大，但在 3D 上我们也有很好的表现。华为海思也帮我们实现了延迟渲染的管线，后面我会详细介绍一下，相对来说非常的真实。

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我们的引擎部分是 100%开源的，开源引擎就在 Github 上。在编辑器还有一个偏好设计，就是说我们下载下来会带有一个相对应版本的引擎。但是我们开源的部分，你可以去改我们的引擎，在 TS Engine 和 Native C++ Engine 上选择自己修改引擎的路径，用可定制化的引擎去做自己想要的版本。这也是我们更加多元性和定制化，给所有的开发者增加的接口。

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我稍微普及一下纹理渲染。CPU 从内存读出数据，然后把Vertex Data发送到 Vertex Shader，通过剪裁再到片段着色器，经过混合和测试，最后到屏幕上，这是整个的渲染流程。

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Cocos Creator Renderer 中，RenderScene 管理引擎上的所有节点，FrameGraph 是数据的依赖。我们这边有两个 Pipeline，其中一个是 Forward，前向渲染。
前向渲染会有一个什么问题呢？它是相当线性的，并且每次将每个几何图形向下通过管道一次以生成最终图像。但是模型和模型之间有一个重合的部分，比如前面有一个模型，中间有一个模型，后面还有一个模型，但其实真正摄像机看到的部分只有第一个。但是如果成像渲染的话，我会把三个都渲染一遍，但真正到可视化的时候只有一个，后面被遮挡住部分的计算是冗余的。
而在延迟渲染中，着色将延迟一点，直到所有几何图形都通过管道为止，生成最终图像。当顶点数据传到顶点着色器上，走到片断着色器，它会把这些数据存到G-Buffer上。下一阶段再把 G-Buffer的数据再传到顶点着色器上。这个时候，顶点着色器对 G-Buffer 数据的处理程序和上一阶段的顶点着色器程序是不一样的，是两套逻辑，它的处理数据的模式是不同的。
接下来，会到片断着色器上，片断着色器是以屏幕上的像素点为单位，只会去渲染要显示在当前像素上的图形就好了，其他被遮挡的图像并不在计算范围之内，它就会大量节省计算的时间。
刚才我们讲到不同平台的渲染接口，我们做了一个 GFX 的分装。它会把这些接口变成同样一个 API，因为我们用 GFX 这个阶段是开发者可以看到的，但是我要发布到不同平台，如果我的 API 不同，会增加开发者的工作时间和工作量，所以我们把它进行了封装。在开发游戏的时候，不考虑平台，都是用同样一套 API，等到去发布的时候，再去构建、去选择要用的渲染。

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这是原生部分的渲染，我讲一下 GFX Agent。GFX Agent 会传一些指令到 CPU 上，假如我们这个队列里是 20 个命令，每一帧的时候，首先我们要读取队列，队列里的指令要执行，然后再从队列里刨出去。
但是有时候，如果整个指令过于多的情况下，正常的话我们是 1 秒 60 帧，这是 OK。也就是这个时间范围内，如果我处理不完，我当前 CPU 传给 GPU 的指令就会出现卡顿。假如我现在一帧卡顿了，导致用了两帧的时间才完成一次渲染，那就说明我现在的帧已经从 60 掉到了 30，如果我卡顿用了三帧的时间，那我就从 60 直接掉到 20 帧（以上都是实时帧率）。
根据这个问题我们做了 GFX Agent，就是说当前的线程我们并非是实时处理GPU的编码命令，我们这个阶段只会收集并打包这些指令，我们会放到队列里。然后我会在执行这些指令的时候另开一条线程。
线程也是有队列的，如果当我的 CPU 来不及传一些指令到 GPU 的时候（大家肯定了解，卡顿大部分是 GPU 等待 CPU 的等待时间），会引起卡顿。所以当 CPU 没有把指令传到 GPU 的时候，哪怕 GPU 没收到新的指令，但是在另外开启一个线程里，还是有东西可以被渲染的，就不会引起卡顿状况。

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我们现在的版本是 Cocos CreatorV3 版本，做了一些性能的提升：
第一，面向现代图形接口的多后端 GFX；第二，负载均衡的多线程渲染器。当我要发布命令到某些线程的时候，会对这些线程进行检测，或者说看一下哪个线程处理的任务比较少。这时候就会把任务放到任务比较少的线程里，会保证每个线程的任务是相对来说差不多的，维持负载均衡的状况；第三，高度可定制的渲染管线；第四，华为贡献的高性能延迟渲染管线；第五，基于移动端 TBR&TBDR GPU 的 Memoryless 架构。
因为我们知道，在移动端比较吃硬件，比如说我的量非常大的时候，移动端传到手机上，你可能会发现有一些发热或者说接收延迟的情况。TBR 它将需要渲染的画面分成一个个的区块（tile），每个区块的坐标通过中间缓冲器以列表形式保存在系统内存中。TBDR TBDR渲染的一个关键是延迟渲染。
三、基于 FFmpeg 的 Cocos Creator 视频播放器下面，我讲一下基于 FFmpeg 的 Cocos Creator 视频播放器，以开心猴子为例子。我们在教育课件上会有一些互动的游戏，互动游戏肯定少不了播一些视频，这时就会有一些问题。

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比如说这张图，我们是以同样一套设计，Android、IOS、Web 上的视觉效果是不一致的。并且因为 fix top 设计的限制，我是不能使用遮罩组件限定形状的，它不支持远角的掩盖。还有场景切换时会出现一种状况，我退出了一个场景，但是我当前存在视频组件的残影，这都是在用引擎开发游戏时遇到我们的问题。
因此，我们的解决思路是什么？主要是分两部分：FFmpeg 和 Web Video Element。

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我们使用 FFmpeg 去做编码，再用 OpenGL 进行渲染，发布到手机上。Android 用 Oboe 去做一屏播放，IOS 用 AudioQueue 做音频上的播放。Web，我们应用了 Video 做元素去进行解码，用 WebGL 去做视频方面的渲染，以及用 Web Audio API 去做音视频的播放。这就是我们整体的解决方案的思路。

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这是一些音频划分。首先，会用 FFmpeg 解码音视频，对 ffplay 进行了改造，做了 AVplay。解码之后，各端接入音视频的解码，Android、IOS、Web 用的都是不同的。最后，我们有一个 jsb 绑定视频组件接口。因为我们整个引擎是用 js 语言，但是我们的音频播放器是用 C++写，所以我们必须通过 jsb 绑定，让 js 能够去调用其他语言的对象。
后面是音频方面的播放，我刚才也讲到，Android、IOS、Web 分别用的是不同的音频播放处理。最后，我们有一个优化与扩展，比如说边下边播、精准 seek、libyuv 代替 swscale。
对这点我稍微补充一下。为什么我们要做这样的事情，是因为如果想在我们游戏里，用引擎播放视频的话，整个框架是迁过来的，是没有办法和我们引擎当中的一些组件去做交互的，它也没有所谓的层级关系，我没有办法对这个视频进行操作，也没有办法通过用户这边的行为去对视频做一些互动。所以这是我们要去基于 FFmpeg 做修改的原因。因为这样的话，是等于把我们的 video 上的每一帧全部渲染到我们的引擎上，所以它会有一些效率上的问题，这就是我们为什么用 libyuv 代替 swscale 的原因。
我再说一下 AVplay 改造。我们对 FFmpeg 的源码进行了编译之后，发现有三个可执行的程序：

第一，FFmpeg 用于音视频视频格式转换、视频剪接等；
第二，ffplay 用于播放音视频，需要依赖 SDL；
第三，ffprobe 用于分析音视频流媒体数据；

它有什么问题呢？虽然它是满足了我们对于播放音视频的需求，但是它在我们改造当中出现一些问题，比如说它在进行纹理缩放以及像素、格式转化的时候，效率非常低，并且它不支持 AndroidSL 文件的读取，所以我们对这个进行了改造。

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这是 AVplayer 整个改造的思维路。首先，我们会调用一个函数去初始化所有的信息，然后去创建一个 read thread 和 refresh thread。它会创建音频、视频以及字幕的解码程序。refresh thread 是对我们传过来的比如说视频上的图片序列、音频上的样本序列以及字幕的字符串序列进行消耗。以上是 AVPlayer 的整个架构。

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这是 JSB 绑定视频组件接口。JSB 绑定的原因，是为了让 JSB 去调用 C++的对象以及其他的语言，因为我们的引擎语言和视频播放器的语言不是一种，所以我们要让他们产生一个调用关系，所以我们对 JSB 端做一个绑定。在这里我们还做了一个分装的类，就是 Video，这是它的 UML。

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做完了 JSB 的绑定，就到了渲染的部分，就是我刚才说的我们要把视频上的每一帧都渲染到我们的引擎上，它主要就是三个步骤：

第一，自定义材质，材质负责着色器程序；
第二，自定义 Assembler，它负责传递顶点属性；
第三，设置材质动态参数，比如说设置纹理、变换平移旋转缩放矩阵等。

关于自定义材质，着色器程序需要写在 effect 文件中，而 effect 被 material 使用，每个渲染组件，需要挂载 material 属性。由于视频展示，可以理解为图片帧动画渲染，因此可以直接使用 Cocos Creator 提供的 CCSprite 所用的 builtin-2d-sprite 材质。
关于自定义 Assembler，有了材质后，只需要关心位置坐标和纹理坐标传递，即要自定义 Assembler，可参考官方文档自定义 Assembler。原生端和 Web 端世界坐标计算方式（updateWorldVerts）不一样，否则会出现展示位置错乱问题。
关于设置材质动态参数，在视频播放器中，需要动态修改的就是纹理数据了，在移动端，ffplay 改造后的 AVPlayer 在播放过程，通过 ITextureRenderer.render 接口调用到 void Video::setImage 方法，实际在不断更新纹理数据。

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以上是基于 FFmpeg 做的改造，这是我们改造完之后的场景（图示）。刚才那个视频其实已经是我们渲染出来的每一帧的动画，所以它就能形成一个互动的状态。
四、Cocos 的音频播放及改造最后，讲一下 Cocos 音视频的播放及改造。
Cocos 的音视频播放相对来说是比较简单的，IOS 是 OpenAL，Android 是 OpenSL，Web 是 WebAudio 和 DomAudio，也是分不同的平台去做的。

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这是 Cocos 引擎的音频。其实在引擎当中比较简单，一个是循环播放的类似于背景音乐，还有一个是音效，比如说我发一个子弹的音效的声音。
在这边，我们还是基于上面的例子，也是对音频在移动端进行了轻微的改造，主要是为了替换 ffplay 程序中的 SDL 音频相关接口，主要是开启、关闭、暂停和恢复等。

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接下来，我们也会在音频上加入一些 3D 的音效，支持一些主流媒体的音效平台。刚才我讲到的在教育方面的应用，其实我们在直播上也可以用我们的 Cocos 引擎去做一些开发方面的互动游戏，今后我们也会把更多其他场景下的游戏案例分享给大家。
以上是我的分享，谢谢！
关于七牛云、ECUG 和 ECUG Meetup
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【Cocos 大表姐（Cocos 引擎中的音视频应用丨ECUG Meetup 回顾）】ECUG Meetup ：ECUG、七牛云联合打造的技术分享系列活动，定位于开发者以及技术从业者的线下聚会，目标是为开发者打造一个高质量的学习与社交平台，期待每一位参会者之间知识的共创、共建和相互影响，产生新知推动认知发展以及技术进步，通过交流促进行业共同进步，为开发者以及技术从业者打造更好的交流平台与发展空间。