【Android RTMP】x264 图像数据编码 ( NV21 格式中的 YUV 数据排列 | Y 灰度数据拷贝 | U 色彩值数据拷贝 | V 饱和度数据拷贝 | 图像编码操作 )

文章目录

安卓直播推流专栏博客总结

一、 NV21 图像数据中的 YUV 数据简介

二、向 x264 编码图片

三、 提取 NV21 数据中的灰度数据 Y

四、 提取 NV21 数据中的饱和度数据 U 和 色彩值数据 V

五、 图像编码操作

六、 x264 视频数据编码代码示例

安卓直播推流专栏博客总结

Android RTMP 直播推流技术专栏 :

0 . 资源和源码地址 :

资源下载地址 : 资源下载地址 , 服务器搭建 , x264 , faac , RTMPDump , 源码及交叉编译库 , 本专栏 Android 直播推流源码 ;

GitHub 源码地址 : han1202012 / RTMP_Pusher

1. 搭建 RTMP 服务器 : 下面的博客中讲解了如何在 VMWare 虚拟机中搭建 RTMP 直播推流服务器 ;

【Android RTMP】RTMP 直播推流服务器搭建 ( Ubuntu 18.04.4 虚拟机 )

2. 准备视频编码的 x264 编码器开源库 , 和 RTMP 数据包封装开源库 :

【Android RTMP】RTMPDumb 源码导入 Android Studio ( 交叉编译 | 配置 CMakeList.txt 构建脚本 )

【Android RTMP】Android Studio 集成 x264 开源库 ( Ubuntu 交叉编译 | Android Studio 导入函数库 )

3. 讲解 RTMP 数据包封装格式 :

【Android RTMP】RTMP 数据格式 ( FLV 视频格式分析 | 文件头 Header 分析 | 标签 Tag 分析 | 视频标签 Tag 数据分析 )

【Android RTMP】RTMP 数据格式 ( FLV 视频格式分析 | AVC 序列头格式解析 )

4. 图像数据采集 : 从 Camera 摄像头中采集 NV21 格式的图像数据 , 并预览该数据 ;

【Android RTMP】Android Camera 视频数据采集预览 ( 视频采集相关概念 | 摄像头预览参数设置 | 摄像头预览数据回调接口 )

【Android RTMP】Android Camera 视频数据采集预览 ( NV21 图像格式 | I420 图像格式 | NV21 与 I420 格式对比 | NV21 转 I420 算法 )

【Android RTMP】Android Camera 视频数据采集预览 ( 图像传感器方向设置 | Camera 使用流程 | 动态权限申请 )

5. NV21 格式的图像数据编码成 H.264 格式的视频数据 :

【Android RTMP】x264 编码器初始化及设置 ( 获取 x264 编码参数 | 编码规格 | 码率 | 帧率 | B帧个数 | 关键帧间隔 | 关键帧解码数据 SPS PPS )

【Android RTMP】x264 图像数据编码 ( Camera 图像数据采集 | NV21 图像数据传到 Native 处理 | JNI 传输字节数组 | 局部引用变量处理 | 线程互斥 )

【Android RTMP】x264 图像数据编码 ( NV21 格式中的 YUV 数据排列 | Y 灰度数据拷贝 | U 色彩值数据拷贝 | V 饱和度数据拷贝 | 图像编码操作 )

6. 将 H.264 格式的视频数据封装到 RTMP 数据包中 :

【Android RTMP】RTMPDump 封装 RTMPPacket 数据包 ( 封装 SPS / PPS 数据包 )

【Android RTMP】RTMPDump 封装 RTMPPacket 数据包 ( 关键帧数据格式 | 非关键帧数据格式 | x264 编码后的数据处理 | 封装 H.264 视频数据帧 )

【Android RTMP】RTMPDump 推流过程 ( 独立线程推流 | 创建推流器 | 初始化操作 | 设置推流地址 | 启用写出 | 连接 RTMP 服务器 | 发送 RTMP 数据包 )

7. 阶段总结 : 阿里云服务器中搭建 RTMP 服务器 , 并使用电脑软件推流和观看直播内容 ;

【Android RTMP】RTMP 直播推流 ( 阿里云服务器购买 | 远程服务器控制 | 搭建 RTMP 服务器 | 服务器配置 | 推流软件配置 | 直播软件配置 | 推流直播效果展示 )

【Android RTMP】RTMP 直播推流阶段总结 ( 服务器端搭建 | Android 手机端编码推流 | 电脑端观看直播 | 服务器状态查看 )

8. 处理 Camera 图像传感器导致的 NV21 格式图像旋转问题 :

【Android RTMP】NV21 图像旋转处理 ( 问题描述 | 图像顺时针旋转 90 度方案 | YUV 图像旋转细节 | 手机屏幕旋转方向 )

【Android RTMP】NV21 图像旋转处理 ( 图像旋转算法 | 后置摄像头顺时针旋转 90 度 | 前置摄像头顺时针旋转 90 度 )

9. 下面这篇博客比较重要 , 里面有一个快速搭建 RTMP 服务器的脚本 , 强烈建议使用 ;

【Android RTMP】NV21 图像旋转处理 ( 快速搭建 RTMP 服务器 Shell 脚本 | 创建 RTMP 服务器镜像 | 浏览器观看直播 | 前置 / 后置摄像头图像旋转效果展示 )

10. 编码 AAC 音频数据的开源库 FAAC 交叉编译与 Android Studio 环境搭建 :

【Android RTMP】音频数据采集编码 ( 音频数据采集编码 | AAC 高级音频编码 | FAAC 编码器 | Ubuntu 交叉编译 FAAC 编码器 )

【Android RTMP】音频数据采集编码 ( FAAC 头文件与静态库拷贝到 AS | CMakeList.txt 配置 FAAC | AudioRecord 音频采样 PCM 格式 )

11. 解析 AAC 音频格式 :

【Android RTMP】音频数据采集编码 ( AAC 音频格式解析 | FLV 音频数据标签解析 | AAC 音频数据标签头 | 音频解码配置信息 )

12 . 将麦克风采集的 PCM 音频采样编码成 AAC 格式音频 , 并封装到 RTMP 包中 , 推流到客户端 :

【Android RTMP】音频数据采集编码 ( FAAC 音频编码参数设置 | FAAC 编码器创建 | 获取编码器参数 | 设置 AAC 编码规格 | 设置编码器输入输出参数 )

【Android RTMP】音频数据采集编码 ( FAAC 编码器编码 AAC 音频解码信息 | 封装 RTMP 音频数据头 | 设置 AAC 音频数据类型 | 封装 RTMP 数据包 )

【Android RTMP】音频数据采集编码 ( FAAC 编码器编码 AAC 音频采样数据 | 封装 RTMP 音频数据头 | 设置 AAC 音频数据类型 | 封装 RTMP 数据包 )

Android 直播推流流程 : 手机采集视频 / 音频数据 , 视频数据使用 H.264 编码 , 音频数据使用 AAC 编码 , 最后将音视频数据都打包到 RTMP 数据包中 , 使用 RTMP 协议上传到 RTMP 服务器中 ;

Android 端中主要完成手机端采集视频数据操作 , 并将视频数据传递给 JNI , 在 NDK 中使用 x264 将图像转为 H.264 格式的视频 , 最后将 H.264 格式的视频打包到 RTMP 数据包中 , 上传到 RTMP 服务器中 ;

本篇博客中介绍如下内容 , Java 层将 Camera 采集的 NV21 格式的数据传入 JNI 层 , 在 JNI 中使用 x264 编码器将 NV21 图像数据编码为 H.264 视频数据 ;

一、 NV21 图像数据中的 YUV 数据简介

Camera 采集的数据是 NV21 格式的 ;

NV21 是 YUV 格式中的一种 , Y 代表灰度 , U 代表色彩值 , V 代表色彩的饱和度 ;

NV21 格式数据在内存中的表示 : 以 4 × 4 4 \times 44×4 大小的图片为例 , 先存放 16 1616 个像素的灰度值 Y 数据 , 然后 4 44 组色彩值 V 数据和饱和度 U 数据交替存放 ;

byte[] data = {
  y1 , y2 , y3 , y4 ,
  y5 , y6 , y7 , y8 ,
  y9 , y10, y11, y12,
  y13, y14, y15, y16,
  v1 , u1 , v2 , u2 , 
  v3 , u3 , v4 , u4 , 
}

【Android RTMP】Android Camera 视频数据采集预览 ( NV21 图像格式 | I420 图像格式 | NV21 与 I420 格式对比 | NV21 转 I420 算法 ) 博客中详细介绍了 NV21 数据中的 YUV 数据格式 ;

二、向 x264 编码图片

1 . x264 编码图片引入 : x264 编码器对图像数据进行编码 , 要先将 NV21 的图像数据中的 YUV 数据分别存储到 x264 编码图片中 ;

2 . x264_picture_t 结构体 : 该结构体代表了 x264 编码图片 , 该结构体定义在 x264.h 中 ;

typedef struct x264_picture_t
{
  // ...
  // 存储要编码的图片数据
  x264_image_t img;
  // ...
} x264_picture_t;

3 . x264 编码图片使用 :

① 声明 x264_picture_t 指针变量 : C++ 堆内存中的对象必须使用指针接收 ;

// x264 需要编码的图片
x264_picture_t *x264EncodePicture = 0;

② 初始化 x264_picture_t 对象 : 首先创建 x264_picture_t 对象 , 设置编码方式为 I420 , 以及图片的宽度 x264Param.i_width , 和图片高度 x264Param.i_height ;

// 初始化 x264 编码图片
x264EncodePicture = new x264_picture_t;
// 为 x264 编码图片分配内存
x264_picture_alloc(x264EncodePicture, X264_CSP_I420, x264Param.i_width, x264Param.i_height);

③ 释放 x264_picture_t 对象 : 调用 x264_picture_clean 方法释放资源 , 然后销毁对象 ;

// 只要调用该方法, x264_picture_t 必须重新进行初始化
// 因为图片大小改变了, 那么对应的图片不能再使用原来的参数了
// 释放原来的 x264_picture_t 图片, 重新进行初始化
// 析构函数中也要进行释放
if (x264EncodePicture) {
    x264_picture_clean(x264EncodePicture);
    delete x264EncodePicture;
    x264EncodePicture = 0;
}

三、 提取 NV21 数据中的灰度数据 Y

1 . 计算灰度数据的个数 : 灰度数据的个数 , 就是像素的个数 , 每个像素点都有一个灰度数据 ;

// 灰色值的个数, 单位字节
YByteCount = width * height;

2 . 将灰度数据存储到 x264_picture_t 中 : 在 NV21 格式的图像数据中 , 前 YByteCount 个数据是 YByteCount 个像素点的灰度数据 , 将这些灰度数据拷贝到 x264 编码图像中 ;

3 . 数据接收方 : x264_picture_t* x264EncodePicture 图像的 img 成员的 plane[0] 指针指向的地址 , 接收 YByteCount 个灰度数据 ;

4 . 代码示例 :

// 从 Camera 采集的 NV21 格式的 data 数据中
    // 将 YUV 中的 Y 灰度值数据, U 色彩值数据, V 色彩饱和度数据提取出来
    memcpy(x264EncodePicture->img.plane[0], data, YByteCount);

四、 提取 NV21 数据中的饱和度数据 U 和 色彩值数据 V

1 . 计算饱和度数据 U 的个数 : 饱和度数据 U 的个数 , 与色彩值数据 V 的个数相同 , 是灰度值数据 Y 个数的 1 4 \cfrac{1}{4}

 ;

// 灰色值的个数, 单位字节
YByteCount = width * height;
// U 色彩值, V 饱和度 个数
UVByteCount = YByteCount / 4;

2 . 将灰度数据存储到 x264_picture_t 中 : 在 NV21 格式的图像数据中 , 色彩值数据 V , 饱和度数据 U , 交替存储 , V 在前 ( 偶数位置 ), U 在后 ( 奇数位置 ) ;

① U 色相 / 色彩值数据 : 存储在 YByteCount 后的奇数索引位置

② V 色彩饱和度数据 : 存储在 YByteCount 后的偶数索引位置

3 . 代码示例 :

// 取出 NV21 数据中交替存储的 VU 数据
    // V 在前 ( 偶数位置 ), U 在后 ( 奇数位置 ), 交替存储
    for(int i = 0; i < UVByteCount; i ++){
        // U 色相 / 色彩值数据, 存储在 YByteCount 后的奇数索引位置
        *(x264EncodePicture->img.plane[1] + i) = *(data + YByteCount + i * 2 + 1);
        // V 色彩饱和度数据, 存储在 YByteCount 后的偶数索引位置
        *(x264EncodePicture->img.plane[2] + i) = *(data + YByteCount + i * 2);
    }

五、 图像编码操作

1 . 图片编码 :

① 普通帧 : 一般情况下, 一张图像编码出一帧数据 , pp_nal 是一帧数据, pi_nal 表示帧数为 1

② 关键帧 : 如果这个帧是关键帧, 那么 pp_nal 将会编码出 3 帧数据 , pi_nal 表示帧数为 3

③ 关键帧数据 : SPS 帧, PPS 帧, 画面帧 ;

2 . 编码方法函数原型 :

int x264_encoder_encode( x264_t *, x264_nal_t **pp_nal, int *pi_nal, 
       x264_picture_t *pic_in, x264_picture_t *pic_out );

① x264_t * 参数 : x264 视频编码器

② x264_nal_t **pp_nal 参数 : 编码后的帧数据, 可能是 1 帧, 也可能是 3 帧

③ int *pi_nal 参数 : 编码后的帧数, 1 或 3

④ x264_picture_t *pic_in 参数 : 输入的 NV21 格式的图片数据

⑤ x264_picture_t *pic_out 参数 : 输出的图片数据

3 . 图像编码代码示例 :

// 编码后的数据, 这是一个帧数据, 1 帧或 3帧
    x264_nal_t *pp_nal;
    // 编码后的数据个数, 帧的个数, 1 或 3
    int pi_nal;
    // 输出的图片数据
    x264_picture_t pic_out;
    // 编码核心操作
    x264_encoder_encode(x264VedioCodec, &pp_nal, &pi_nal, x264EncodePicture, &pic_out);

六、 x264 视频数据编码代码示例

x264 编码器将 NV21 图像数据编码为 H.264 代码 :
/**
 * 视频数据编码
 * 接收 int8_t 类型的原因是, 这里处理的是 jbyte* 类型参数
 * jbyte 类型就是 int8_t 类型
 * @param data 视频数据指针
 */
void VedioChannel::encodeCameraData(int8_t *data) {
    // 加锁, 设置视频编码参数 与 编码互斥
    pthread_mutex_lock(&mMutex);
    // 参数中的 data 是 NV21 格式的
    // 前面 YByteCount 字节个 Y 灰度数据
    // 之后是 UVByteCount 字节个 VU 数据交替存储
    // UVByteCount 字节 V 数据, UVByteCount 字节 U 数据
    // 从 Camera 采集的 NV21 格式的 data 数据中
    // 将 YUV 中的 Y 灰度值数据, U 色彩值数据, V 色彩饱和度数据提取出来
    memcpy(x264EncodePicture->img.plane[0], data, YByteCount);
    // 取出 NV21 数据中交替存储的 VU 数据
    // V 在前 ( 偶数位置 ), U 在后 ( 奇数位置 ), 交替存储
    for(int i = 0; i < UVByteCount; i ++){
        // U 色相 / 色彩值数据, 存储在 YByteCount 后的奇数索引位置
        *(x264EncodePicture->img.plane[1] + i) = *(data + YByteCount + i * 2 + 1);
        // V 色彩饱和度数据, 存储在 YByteCount 后的偶数索引位置
        *(x264EncodePicture->img.plane[2] + i) = *(data + YByteCount + i * 2);
    }
    // 下面两个是编码时需要传入的参数, 这两个参数地址, x264 编码器会想这两个地址写入值
    // 编码后的数据, 这是一个帧数据
    x264_nal_t *pp_nal;
    // 编码后的数据个数, 帧的个数
    int pi_nal;
    // 输出的图片数据
    x264_picture_t pic_out;
    /*
        int x264_encoder_encode( x264_t *, x264_nal_t **pp_nal, int *pi_nal,
                                 x264_picture_t *pic_in, x264_picture_t *pic_out );
        函数原型 :
            x264_t * 参数 : x264 视频编码器
            x264_nal_t **pp_nal 参数 : 编码后的帧数据, 可能是 1 帧, 也可能是 3 帧
            int *pi_nal 参数 : 编码后的帧数, 1 或 3
            x264_picture_t *pic_in 参数 : 输入的 NV21 格式的图片数据
            x264_picture_t *pic_out 参数 : 输出的图片数据
        普通帧 : 一般情况下, 一张图像编码出一帧数据, pp_nal 是一帧数据, pi_nal 表示帧数为 1
        关键帧 : 如果这个帧是关键帧, 那么 pp_nal 将会编码出 3 帧数据, pi_nal 表示帧数为 3
        关键帧数据 : SPS 帧, PPS 帧, 画面帧
     */
    x264_encoder_encode(x264VedioCodec, &pp_nal, &pi_nal, x264EncodePicture, &pic_out);
  // 后续还有操作, 本博客中暂时省略 ... 
    // 解锁, 设置视频编码参数 与 编码互斥
    pthread_mutex_unlock(&mMutex);
}