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Android 音视频采集那些事

音视频采集 在整个音视频处理的过程中，位于发送端的音视频采集工作无疑是整个音视频链路的开始。在 Android 或者 IOS 上都有相关的硬件设备——Camera 和麦克风作为输入源。本章我们来分析如何在 Android 上通过 Camera 以及录音设备采集数据。本章可结合之前发布的文章Android 音视频 - MediaCodec 编解码音视频做一个完整的 Demo。
Camera 在 Android 上的图片/视频采集设备无疑就是 Camera 了，在 Android SDK API21 之前的版本只能使用 Camera1 ，在 API 21 之后 Camera1 已经被标记为 Deprecated ,Google 推荐使用 Camera2,下面我们来分别看一下。
Camera1 我们先来看一下 Camera1 体系的部分类图。
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Camera 类是 Camera1 体系的核心类，该类还有好多内部类，如上图：

Camera.CameraInfo 类表达 Camera 的前后(facing)和旋转(orientation)等 Camera 相关的信息。
Camera.Parameters 类是 Camera 相关的参数设置比如设置预览 Size 以及设置旋转角度等。
Camera 类拥有打开 Camera、设置参数、设置预览等 API，下面我们来看使用 Camera API 打开系统照相机的流程。
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1.在开启 Camera 之前先释放 Camera，这一步的目的是重置 Camera 的状态重置 Camera 的 previewCallback 为 null。
调用 Camera 的 release 释放
把 Camera 对象设置为 null
/** *释放Camera */ private fun releaseCamera() { //重置previewCallback为空 cameraInstance!!.setPreviewCallback(null) cameraInstance!!.release() cameraInstance = null }

2.获取 Camera 的 Id
/** *获取Camera Id */ private fun getCurrentCameraId(): Int { val cameraInfo = Camera.CameraInfo() //遍历所有的Camera id,比较CameraInfo facing for (id in 0 until Camera.getNumberOfCameras()) { Camera.getCameraInfo(id, cameraInfo) if (cameraInfo.facing == cameraFacing) { return id } } return 0 }

3.打开 Camera 获取 Camera 对象
/** *获取Camera 实例 */ private fun getCameraInstance(id: Int): Camera { return try { //调用Camera的open函数获取Camera的实例 Camera.open(id) } catch (e: Exception) { throw IllegalAccessError("Camera not found") } }

【Android 音视频采集那些事】4.设置 Camera 的相关参数
//[3]设置参数 val parameters = cameraInstance!!.parametersif (parameters.supportedFocusModes.contains(Camera.Parameters.FOCUS_MODE_CONTINUOUS_PICTURE)) { parameters.focusMode = Camera.Parameters.FOCUS_MODE_CONTINUOUS_PICTURE } cameraInstance!!.parameters = parameters

5.设置 previewDisplay
//【4】调用Camera API 设置预览Surface surfaceHolder?.let { cameraInstance!!.setPreviewDisplay(it) }

6.设置预览回调
//【5】 调用Camera API设置预览回调 cameraInstance!!.setPreviewCallback { data, camera -> if (data =https://www.it610.com/article/= null || camera == null) { return@setPreviewCallback } val size = camera.parameters.previewSize onPreviewFrame?.invoke(data, size.width, size.height) }

7.开启预览
//【6】 调用Camera API开启预览 cameraInstance!!.startPreview()

上面代码中的【3】【4】【5】【6】都是调用 Camera 类的 API 来完成，
经过上面的流程之后，Camera 的预览会显示在传入的 Surface 上，并且在 Camera 停止前会一直回调函数onPreviewFrame(byte[] data,Camera camera)，其中 byte[] data 中存储的就是实时的 YUV 图像数据。byte[] data 的格式是 YUV 格式中的 NV21
YUV 图像格式 色彩空间
这里我们只讲常用到的两种色彩空间。
RGBRGB 的颜色模式应该是我们最熟悉的一种，在现在的电子设备中应用广泛。通过 R G B 三种基础色，可以混合出所有的颜色。
YUV 这里着重讲一下 YUV，这种色彩空间并不是我们熟悉的。这是一种亮度与色度分离的色彩格式。
早期的电视都是黑白的，即只有亮度值，即 Y。有了彩色电视以后，加入了 UV 两种色度，形成现在的 YUV，也叫 YCbCr。
Y：亮度，就是灰度值。除了表示亮度信号外，还含有较多的绿色通道量。
U：蓝色通道与亮度的差值。
V：红色通道与亮度的差值。
采用 YUV 有什么优势呢？
人眼对亮度敏感，对色度不敏感，因此减少部分 UV 的数据量，人眼却无法感知出来，这样可以通过压缩 UV 的分辨率，在不影响观感的前提下，减小视频的体积。
RGB 和 YUV 的换算
Y = 0.299R ＋ 0.587G ＋ 0.114B
U = －0.147R － 0.289G ＋ 0.436B
V = 0.615R － 0.515G － 0.100B
——————————————————
R = Y ＋ 1.14V
G = Y － 0.39U － 0.58V
B = Y ＋ 2.03U
YUV 格式
YUV 存储方式分为两大类：planar 和 packed。
  • planar：先存储所有 Y，紧接着存储所有 U，最后是 V；
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  • packed：每个像素点的 Y、U、V 连续交叉存储。
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pakced 存储方式已经非常少用，大部分视频都是采用 planar 存储方式。
对于 planar 存储方式，通过省略一些色度信息，即亮度共用一些色度信息，进而节省存储空间。因此，planar 又区分了以下几种格式： YUV444、 YUV422、YUV420。
YUV 4:4:4 采样，每一个 Y 对应一组 UV 分量。
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YUV 4:2:2 采样，每两个 Y 共用一组 UV 分量。
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YUV 4:2:0 采样，每四个 Y 共用一组 UV 分量。
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其中，最常用的就是 YUV420。
YUV420 格式存储方式又分两种类型
  • YUV420P：三平面存储。数据组成为 YYYYYYYYUUVV（如 I420）或 YYYYYYYYVVUU（如 YV12）。
  • YUV420SP：两平面存储。分为两种类型 YYYYYYYYUVUV（如 NV12）或 YYYYYYYYVUVU（如 NV21）
Camera2 在 Andorid SDK API 21 之后呢，Google 就推荐使用 Camera2 体系来管理设备，Camera2 还是与 Camera1 有很大的不同的。一样的，我们先来看一下 Camera2 体系的部分类图
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Camera2 要比 Camera1 复杂的多，CameraManager CameraCaptureSession 是 Camera2 体系的核心类，CameraManager 用来管理摄像头的打开和关闭 Camera2 引入了 CameraCaptureSession 来管理拍摄会话。
我们下面来看一下更详细的流程图。
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1.在开启 Camera 之前先释放 Camera,这一步的目的是重置 Camera 的状态。
private fun releaseCamera() { imageReader?.close() cameraInstance?.close() captureSession?.close() imageReader = null cameraInstance = null captureSession = null }

2.获取 Camera 的 Id
/** *【1】 获取Camera Id */ private fun getCameraId(facing: Int): String? { return cameraManager.cameraIdList.find { id -> cameraManager.getCameraCharacteristics(id).get(CameraCharacteristics.LENS_FACING) == facing } }

3.打开 Camera
try { //【2】打开Camera，传入的 CameraDeviceCallback()是摄像机设备状态回调 cameraManager.openCamera(cameraId, CameraDeviceCallback(), null) } catch (e: CameraAccessException) { Log.e(TAG, "Opening camera (ID: $cameraId) failed.") }//设备状态回调 private inner class CameraDeviceCallback : CameraDevice.StateCallback() { override fun onOpened(camera: CameraDevice) { cameraInstance = camera //【3】开启拍摄会话 startCaptureSession() }override fun onDisconnected(camera: CameraDevice) { camera.close() cameraInstance = null }override fun onError(camera: CameraDevice, error: Int) { camera.close() cameraInstance = null } }

4.开启拍摄会话
//【3】开启拍摄会话 private fun startCaptureSession() { val size = chooseOptimalSize() //创建ImageRender并设置回调 imageReader = ImageReader.newInstance(size.width, size.height, ImageFormat.YUV_420_888, 2).apply { setOnImageAvailableListener({ reader -> val image = reader?.acquireNextImage() ?: return@setOnImageAvailableListener onPreviewFrame?.invoke(image.generateNV21Data(), image.width, image.height) image.close() }, null) }try { if (surfaceHolder == null) { //设置ImageRender的surface给cameraInstance，以便后面预览的时候数据呈现到ImageRender的surface，从而触发ImageRender的回调 cameraInstance?.createCaptureSession( listOf(imageReader!!.surface), //【4】CaptureStateCallback是CameraCaptureSession的内部类，是摄像机会话状态的回调 CaptureStateCallback(), null ) } else { cameraInstance?.createCaptureSession( listOf(imageReader!!.surface, surfaceHolder!!.surface), CaptureStateCallback(), null ) }} catch (e: CameraAccessException) { Log.e(TAG, "Failed to start camera session") } }//摄像机会话状态的回调 private inner class CaptureStateCallback : CameraCaptureSession.StateCallback() { override fun onConfigureFailed(session: CameraCaptureSession) { Log.e(TAG, "Failed to configure capture session.") } //摄像机配置完成 override fun onConfigured(session: CameraCaptureSession) { cameraInstance ?: return captureSession = session //设置预览CaptureRequest.Builder val builder = cameraInstance!!.createCaptureRequest(CameraDevice.TEMPLATE_PREVIEW) builder.addTarget(imageReader!!.surface) surfaceHolder?.let { builder.addTarget(it.surface) }try { //开启会话 session.setRepeatingRequest(builder.build(), null, null) } catch (e: CameraAccessException) { Log.e(TAG, "Failed to start camera preview because it couldn't access camera", e) } catch (e: IllegalStateException) { Log.e(TAG, "Failed to start camera preview.", e) } } }

PS
ImageRender 可以直接访问呈现在 Surface 上得图像数据，ImageRender 的工作原理是创建实例并设置回调，这个回调会在 ImageRender 所关联的 Surface 上的图像可用时调用
我们分析了上面的 Camera 采集数据，完整的代码请看文末的 Github 地址。
AudioRecord 上面分析完了视频，我们接着来看音频，录音 API 我们使用 AudioRecord，录音的流程相对于视频而言要简单许多，一样的，我们先来看一下简单类图。
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就一个类，API 也简单明了，我们来看一下流程。
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下面上代码
public void startRecord() { //开启录音 mAudioRecord.startRecording(); mIsRecording = true; //开启新线程轮询 ExecutorService executorService = Executors.newSingleThreadExecutor(); executorService.execute(new Runnable() { @Override public void run() { byte[] buffer = new byte[DEFAULT_BUFFER_SIZE_IN_BYTES]; while (mIsRecording) { int len = mAudioRecord.read(buffer, 0, DEFAULT_BUFFER_SIZE_IN_BYTES); if (len > 0) { byte[] data = https://www.it610.com/article/new byte[len]; System.arraycopy(buffer, 0, data, 0, len); //处理data } } } }); }public void stopRecord() { mIsRecording = false; mAACMediaCodecEncoder.stopEncoder(); mAudioRecord.stop(); }

AudioRecord 生成的 byte[] data 即 PCM 音频数据。
小结 本章我们对音视频的原生输入 API 进行了详细的介绍，这个也是我们后面博客的基础，有了 YUV 和 PCM 数据之后，就可以编码了，下一篇我们再来分析 MediaCodec，用 MediaCodec 对原生音视频数据进行硬编码生成 Mp4。

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