【ffmpeg音视频同步】解决ffmpeg音视频中多线程之间的数据同步问题

简介: 【ffmpeg音视频同步】解决ffmpeg音视频中多线程之间的数据同步问题

1. 引言

音视频同步(Audio-Video Synchronization)是音频和视频处理中的一个关键问题,特别是在嵌入式系统和实时系统中,音视频同步是确保用户体验的重要因素。在实际应用中,我们经常需要处理来自不同源的音频和视频流,这些流可能具有不同的时间基准和延迟。为了确保音频和视频的同步播放,我们需要对这些流进行精确的同步处理。

在本篇博客中,我们将深入探讨如何使用C++的多线程技术来解决音视频同步问题。我们将首先介绍音视频同步的关键概念,如时间戳(Presentation Time Stamp,PTS)和时间基准(time base)。然后,我们将介绍如何使用这些概念来计算音频和视频的时间差,并通过延迟视频帧的播放来实现同步。最后,我们将展示如何使用C++多线程技术来实现这个同步策略,并讨论如何避免数据竞争和过期的时间差值。

在本文中,我们将特别关注C++的多线程编程技巧,包括如何使用互斥锁(std::mutex)来保护共享数据,如何使用 std::this_thread::sleep_for 函数来进行延迟,以及如何优化多线程程序的性能。我们将通过具体的代码示例和详细的注释来讲解这些技术,希望能够帮助你更好地理解和应用这些高级话题。

2. 音视频同步的关键概念

在进行音视频同步的编程实践之前,我们需要了解一些基本的概念和原理。这些概念包括时间戳(Presentation Time Stamp, PTS)、时间基准以及时间戳的数据类型选择。

时间戳(Presentation Time Stamp, PTS)

音视频处理中,每一帧音频或视频都会有一个与之关联的时间戳,称为展示时间戳(Presentation Time Stamp, PTS)。这个时间戳表示的是这一帧应该在什么时候被播放。例如,一个视频的第一帧的时间戳可能是0,第二帧的时间戳可能是0.033,这意味着第二帧应该在开始播放后的0.033秒被显示。

在 FFmpeg 中,时间戳通常以 double 类型的变量来表示,单位是秒。这样设计的一个主要原因是 double 类型的变量可以存储更大范围的值,并且具有更高的精度。这对于处理视频的时间戳非常重要,因为时间戳通常需要精确到微秒级别。

音频和视频的时间基准

在处理音视频数据时,音频和视频通常会有各自的时间基准。这个时间基准是一个表示每帧持续时间的值,单位也是秒。例如,对于一个30帧/秒的视频,它的时间基准就是1/30=0.0333333秒。

在进行音视频同步时,我们通常会选择音频的时间基准作为参考,因为人耳对声音的延迟更敏感。然后,我们会根据音频和视频的时间戳来计算它们之间的时间差,以此来控制视频的播放进度。

时间戳的数据类型选择

在编程中,我们可以选择不同类型的变量来存储和处理数据。在 FFmpeg 中,pts(Presentation Time Stamp)被设计为 double 类型,而不是 uint64_t(64 位无符号整型),主要有以下几个原因:

  1. 精度和范围double类型的变量可以存储更大范围的值,并且具有更高的精度。这对于处理视频的时间戳非常重要,因为时间戳通常需要精确到微秒级别。
  2. 时间单位:在 FFmpeg 中,pts 是以秒为单位的,这意味着需要能够表示小数部分。而 uint64_t 只能表示整数,无法表示小数。
  3. 操作方便性double 类型的变量在处理加法、减法、乘法和除法等操作时比 uint64_t 更方便,特别是涉及到浮点数的运算。
  4. 兼容性:某些编解码库或者硬件设备可能要求使用 double 类型的时间戳,为了兼容这些设备,FFmpeg 就需要使用 double 类型来表示 pts

以上就是音视频同步中的一些关键概念。理解了这些概念,我们就可以开始实现音视频同步的策略了。在下一节中,我们将详细介绍如何使用C++多线程技术来实现音视频同步。

3. 音视频同步的基本策略

在处理音视频流时,音视频同步(Audio-Video Synchronization,简称 AV Sync)是一个核心问题。音频和视频的数据通常是分别编码和解码的,因此我们需要合理地控制它们的播放速度,以确保音频和视频能够同步进行。这个过程涉及到多个步骤,我们将在本章中详细介绍。

3.1 以音频时间戳为基准进行播放

在多媒体系统中,我们通常以音频的时间戳为基准进行播放。因为人耳对声音的延迟更敏感,如果音频有任何延迟,观众将会立即察觉。因此,我们将音频设置为播放的基准,然后调整视频的播放速度来与音频对齐。

以下是一个简单的示例,展示了如何以音频时间戳为基准进行播放:

while (true) {
    // 获取音频帧
    AVFrame & audio_frame = audio_buffer->front();
    // 计算音频帧的时间戳(毫秒)
    double audio_pts = audio_frame.pts * m_audio_time_base * 1000;
    // 播放音频帧
    play_audio_frame(audio_frame);
    // 根据音频帧的时间戳进行延迟
    std::this_thread::sleep_for(std::chrono::milliseconds(static_cast<int>(audio_pts)));
}

在这个示例中,我们首先从缓冲区中获取音频帧,然后计算音频帧的时间戳,并将其转换为毫秒。然后我们播放音频帧,并根据音频帧的时间戳进行延迟。这样,我们就能确保音频帧的播放是以正确的速度进行的。

3.2 计算音频和视频的时间差

在以音频时间戳为基准进行播放的同时,我们还需要计算音频和视频的时间差。时间差是音频帧的时间戳和视频帧的时间戳之间的差值,我们可以通过这个差值来调整视频的播放速度,使其与音频同步。

以下是一个简单的示例,展示了如何计算音频和视频的时间差:

// 获取音频和视频帧
AVFrame & video_frame = video_buffer->front();
AVFrame & audio_frame = audio_buffer->front();
// 计算音频和视频帧的时间戳(毫秒)
double video_pts = video_frame.pts * m_video_time_base * 1000;
double audio_pts = audio_frame.pts * m_audio_time_base * 1000;
// 计算音频和视频的时间差
double diff = video_pts - audio_pts;

在这个示例中,我们首先从缓冲区中获取音频帧和视频帧,然后计算它们的时间戳,并将其转换为毫秒。然后我们计算音频和视频的时间差,这个差值就是我们需要调整的时间。

3.3 通过延迟视频帧的播放来实现同步

得到音频和视频的时间差之后,我们可以通过延迟视频帧的播放来实现音视频同步。如果视频帧的时间戳快于音频帧的时间戳,那么我们就需要延迟视频帧的播放;否则,如果视频帧的时间戳慢于音频帧的时间戳,那么我们就需要立即播放视频帧。

以下是一个简单的示例,展示了如何通过延迟视频帧的播放来实现音视频同步:

if (diff > 0) {
    // 如果视频帧的时间戳快于音频帧的时间戳,那么就需要延迟视频帧的播放
    std::this_thread::sleep_for(std::chrono::milliseconds(static_cast<int>(diff)));
}
// 播放视频帧
play_video_frame(video_frame);

在这个示例中,我们首先检查音频和视频的时间差。如果时间差大于0,那么就需要延迟视频帧的播放。我们使用 std::this_thread::sleep_for 函数进行延迟,延迟的时间就是音频和视频的时间差。然后我们播放视频帧。这样,我们就能确保视频帧的播放和音频帧的播放同步进行。

4. 使用C++多线程实现音视频同步

在音视频处理中,音频(Audio)和视频(Video)通常被单独处理和播放,这就需要我们实现一种机制,使得音频和视频能够同步播放。C++ 的多线程(Multithreading)技术为我们提供了一种实现这种机制的方法。在本章中,我们将详细介绍如何使用C++多线程来实现音视频同步。

创建独立的音频和视频播放线程

在多线程编程中,线程(Thread)是操作系统能够进行运算调度的最小单位。它被包含在进程之中,是进程中的实际运算单位。在同一个进程中的多个线程之间,线程是彼此独立的,但它们共享进程的内存空间。

我们可以创建两个线程,一个用于播放音频,另一个用于播放视频。这两个线程可以并行运行,从而实现音频和视频的同步播放。

以下是创建音频和视频播放线程的示例代码:

// 创建音频播放线程
std::thread audioThread(&PlayMangent::playAudio, this);
// 创建视频播放线程
std::thread videoThread(&PlayMangent::playVideo, this);
// 等待音频播放线程结束
audioThread.join();
// 等待视频播放线程结束
videoThread.join();

在这段代码中,我们使用 std::thread 类的构造函数来创建线程。这个构造函数接受一个成员函数指针和一个类对象指针,然后创建一个新的线程,并在这个线程中调用指定的成员函数。playAudioplayVideo 函数应该包含音频和视频播放的相关代码。

使用互斥锁保护共享数据

在多线程环境下,数据竞争(Data Race)是一个常见的问题。当多个线程同时访问同一块内存区域,并且至少有一个线程在进行写操作,而且这些线程没有进行任何同步操作,这就会导致数据竞争。

为了避免数据竞争,我们需要使用某种同步机制来保护共享数据。在C++中,互斥锁(Mutex)是一种常用的同步机制。互斥锁可以保证在任何时刻,最多只有一个线程能够访问被保护的数据。

在我们的例子中,音频和视频播放的时间差(milliseconds_diff)是被两个线程共享的数据,所以我们需要使用互斥锁来保护它。

以下是使用互斥锁保护 milliseconds_diff 的示例代码:

std::mutex mtx;  // 创建一个互斥锁
// 在音频播放线程中更新milliseconds_diff
{
    std::lock_guard<std::mutex> lock(mtx);  // 锁定互斥锁
    milliseconds_diff = calculateDiff();  // 计算音频和视频的时间差
}  // 互斥锁在lock_guard对象销毁时自动解锁
// 在视频播放线程中读取milliseconds_diff
int diff;
{
    std::lock_guard<std::mutex> lock(mtx);  // 锁定互斥锁
    diff = milliseconds_diff;  // 读取音频和视频的时间差
}  // 互斥锁在lock_guard对象销毁时自动解锁

在这段代码中,我们使用 std::lock_guard 对象来管理互斥锁的锁定和解锁。当创建 std::lock_guard 对象时,互斥锁会被锁定;当 std::lock_guard 对象超出其作用范围时,互斥锁会被自动解锁。这样可以确保即使在异常情况下,互斥锁也能被正确地解锁。

使用 std::this_thread::sleep_for 函数进行延迟

为了实现音视频同步,我们需要能够控制视频播放的速度。一种简单的方法是在播放每一帧视频之后,让线程暂时休眠一段时间。在C++中,我们可以使用 std::this_thread::sleep_for 函数来实现这个功能。

std::this_thread::sleep_for 函数会阻塞当前线程一段时间。这个

函数接受一个表示时间长度的参数,然后阻塞当前线程直到这段时间过去。我们可以用这个函数来实现视频播放的延迟。

以下是使用 std::this_thread::sleep_for 函数进行延迟的示例代码:

int diff;
{
    std::lock_guard<std::mutex> lock(mtx);  // 锁定互斥锁
    diff = milliseconds_diff;  // 读取音频和视频的时间差
}  // 互斥锁在lock_guard对象销毁时自动解锁
std::this_thread::sleep_for(std::chrono::milliseconds(diff));  // 休眠一段时间

在这段代码中,我们首先获取音频和视频的时间差(diff),然后使用 std::this_thread::sleep_for 函数让线程休眠 diff 毫秒。这样就可以实现视频播放的延迟,从而实现音视频同步。

5. 避免数据竞争和过期的时间差值

在多线程环境下,我们需要特别注意数据竞争(Data Race)和过期的时间差值(Stale Difference)的问题。下面,我们将详细讨论这两个问题,并给出解决方案。

5.1 数据竞争

数据竞争(Data Race)是指多个线程同时访问同一块内存区域,且至少有一个线程在进行写操作,而这些线程没有进行任何同步操作。数据竞争会导致不确定的结果,可能使程序的行为变得难以预测。

在我们的音视频同步程序中,音频和视频线程都需要访问 milliseconds_diff 这个共享数据。如果我们不进行任何同步操作,那么就可能发生数据竞争。为了解决这个问题,我们可以使用互斥锁(Mutex)来保护 milliseconds_diff

互斥锁是一种同步原语,可以用来保护共享数据,避免数据竞争。当一个线程锁定互斥锁时,其他线程就不能锁定这个互斥锁,必须等待这个互斥锁被解锁后才能继续执行。这样就可以确保在任何时刻,只有一个线程能够访问被互斥锁保护的数据。

在 C++ 中,我们可以使用 std::mutex 类来创建互斥锁,使用 std::lock_guard 类来管理互斥锁的生命周期。std::lock_guard 是一个 RAII 风格的类,它在构造函数中锁定互斥锁,在析构函数中解锁互斥锁。这样可以确保即使在异常情况下,互斥锁也能被正确地解锁。

以下是一个示例代码:

std::mutex mtx;  // 创建互斥锁
void update_data() {
    std::lock_guard<std::mutex> lock(mtx);  // 锁定互斥锁
    // 更新共享数据
}
void read_data() {
    std::lock_guard<std::mutex> lock(mtx);  // 锁定互斥锁
    // 读取共享数据
}

在这个示例中,我们使用 std::lock_guard 来保证互斥锁在需要的时候被正确地锁定和解锁,从而避免了数据竞争。

5.2 过期的时间差值

过期的时间差值(Stale Difference)是指我们在读取 milliseconds_diff 的值后,但在使用这个值之前,milliseconds_diff 的值已经被其他线程更新了。这样就可能导致我们使用了过期的 milliseconds_diff 值进行延迟。

为了解决这个问题,我们可以在互斥锁的保护下读取和更新 milliseconds_diff。这样可以确保我们读取的 milliseconds_diff 值总是最新的。

以下是一个示例代码:

std::mutex mtx;  // 创建互斥锁
int milliseconds_diff;  // 共享数据
void update_diff() {
    std::lock_guard<std::mutex> lock(mtx);  // 锁定互斥锁
    // 更新milliseconds_diff的值
}
void use_diff() {
    int diff;
    {
        std::lock_guard<std::mutex> lock(mtx);  // 锁定互斥锁
        diff = milliseconds_diff;  // 读取milliseconds_diff的值
    }
    // 使用diff进行延迟
}

在这个示例中,我们在互斥锁的保护下读取 milliseconds_diff 的值,并把它赋给局部变量 diff,然后在没有持有锁的情况下使用 diff 进行延迟。这样就可以避免使用过期的 milliseconds_diff 值,而且不会过长时间地持有锁,从而提高了程序的性能。

总的来说,数据竞争和过期的时间差值都是多线程环境下需要注意的问题。通过使用互斥锁,我们可以有效地解决这两个问题,从而实现音视频同步。

6. 优化多线程程序的性能

在音视频同步的处理中,我们通常需要创建独立的音频和视频播放线程,并使用多线程同步的技术来保护共享的数据。在这个过程中,正确和高效地使用多线程编程的技术是非常重要的。本章我们将讨论如何优化多线程程序的性能。

6.1 缩小互斥锁的保护范围

在多线程编程中,互斥锁(std::mutex)是一种常用的线程同步技术,它可以保护共享的数据不被多个线程同时访问,从而避免数据竞争的问题。然而,互斥锁的使用也会带来一些性能开销。当一个线程持有互斥锁时,其他需要访问受保护数据的线程将被阻塞,直到锁被释放。因此,我们应该尽可能地缩小互斥锁的保护范围,以减少阻塞的时间和提高程序的并行度。

考虑以下代码示例:

std::chrono::milliseconds duration;
{
    std::lock_guard<std::mutex> lock(m_sync_mutex);
    duration = std::chrono::milliseconds(milliseconds_diff);
}
std::this_thread::sleep_for(duration);

在这段代码中,我们只在互斥锁的保护下读取 milliseconds_diff 的值,并把它赋给 duration。然后我们立即释放锁,这样其他线程就可以访问 milliseconds_diff 了。最后,我们在没有持有锁的情况下休眠。这样可以确保我们在休眠期间不会阻止其他线程访问 milliseconds_diff

这种技术通常被称为“最小化锁持有时间”(Minimize Lock Duration),它是一个广泛接受的多线程编程的最佳实践。Bjarne Stroustrup 在他的《C++ Programming Language》一书中也特别强调了这一点。

6.2 在 std::this_thread::sleep_for 函数中直接使用 std::chrono::milliseconds

在C++中,std::this_thread::sleep_for 函数用于阻塞当前线程一段时间。它接受一个 std::chrono::duration 类型的参数,表示阻塞的时间长度。

在我们的音视频同步处理中,我们需要根据音视频的时间差来延迟视频帧的播放。这个时间差是一个 double 类型的值,表示时间的长度(以毫秒为单位)。为了将这个时间差转换为 std::chrono::duration 类型的值,我们使用了 std::chrono::milliseconds 类型。考虑以下代码示例:

std::this_thread::sleep_for(std::chrono::milliseconds(milliseconds_diff));

在这段代码中,我们在 std::this_thread::sleep_for 函数中直接使用了 std::chrono::milliseconds,将 milliseconds_diff 的值转换为 std::chrono::duration 类型的值。这样就省去了一步额外的赋值操作,使代码更为简洁。

这种技术是基于C++的强大类型系统和灵活的函数重载机制。在Scott Meyers的《Effective Modern C++》一书中,他也推荐使用这种方法来简化代码和提高性能。

下表总结了本章介绍的两种优化技术的对比:

技术 优点 缺点
缩小互斥锁的保护范围 减少阻塞的时间,提高程序的并行度 需要更细致的设计和编程
std::this_thread::sleep_for 函数中直接使用 std::chrono::milliseconds 简化代码,提高性能 可能会降低代码的可读性

在实际的编程中,我们应该根据具体的情况和需求,选择最适合的优化技术。

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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