iOS音視訊開發六：音頻渲染

我們将通過拆解采集 → 編碼 → 封裝 → 解封裝 → 解碼 → 渲染流程并實作 Demo 來向大家介紹如何在 iOS/Android 平台上手音視訊開發。

這裡是第六篇：iOS 音頻渲染 Demo。這個 Demo 裡包含以下内容：

1）實作一個音頻解封裝子產品；
2）實作一個音頻解碼子產品；
3）實作一個音頻渲染子產品；
4）實作對 MP4 檔案中音頻部分的解封裝和解碼邏輯，并将解封裝、解碼後的資料送給渲染子產品播放；
5）詳盡的代碼注釋，幫你了解代碼邏輯和原理。

前五篇：

iOS要開發，采集音頻并存儲為 PCM 檔案

iOS音視訊開發二：音頻編碼，采集 PCM 資料編碼為 AAC

iOS音視訊開發三：音頻封裝，采集編碼并封裝為 M4A

iOS音視訊開發四：音頻解封裝，從 MP4 中解封裝出 AAC

iOS音視訊開發五：音頻解碼

1、音頻解封裝子產品

在這個 Demo 中，解封裝子產品

KFMP4Demuxer

的實作與《iOS 音頻解封裝 Demo》中一樣，這裡就不再重複介紹了。

2、音頻解碼子產品

同樣的，解封裝子產品

KFAudioDecoder

的實作與《iOS 音頻解碼 Demo》中一樣，這裡就不再重複介紹了。

3、音頻渲染子產品

接下來，我們來實作一個音頻渲染子產品

KFAudioRender

，在這裡輸入解碼後的資料進行渲染播放。

KFAudioRender.h

#import <Foundation/Foundation.h>
#import <AVFoundation/AVFoundation.h>

@class KFAudioRender;

NS_ASSUME_NONNULL_BEGIN

@interface KFAudioRender : NSObject
+ (instancetype)new NS_UNAVAILABLE;
- (instancetype)init NS_UNAVAILABLE;
- (instancetype)initWithChannels:(NSInteger)channels bitDepth:(NSInteger)bitDepth sampleRate:(NSInteger)sampleRate;

@property (nonatomic, copy) void (^audioBufferInputCallBack)(AudioBufferList *audioBufferList); // 音頻渲染資料輸入回調。
@property (nonatomic, copy) void (^errorCallBack)(NSError *error); // 音頻渲染錯誤回調。
@property (nonatomic, assign, readonly) NSInteger audioChannels; // 聲道數。
@property (nonatomic, assign, readonly) NSInteger bitDepth; // 采樣位深。
@property (nonatomic, assign, readonly) NSInteger audioSampleRate; // 采樣率。

- (void)startPlaying; // 開始渲染。
- (void)stopPlaying; // 結束渲染。
@end

NS_ASSUME_NONNULL_END

上面是

KFAudioRender

接口的設計，除了

初始化

接口，主要是有音頻渲染

資料輸入回調

和

錯誤回調

的接口，另外就是

擷取聲道數

和

擷取采樣率

的接口，以及

開始渲染

和

結束渲染

的接口。

這裡重點需要看一下音頻渲染

資料輸入回調

接口，系統的音頻渲染單元每次會主動通過回調的方式要資料，我們這裡封裝的

KFAudioRender

則是用

資料輸入回調

接口來從外部擷取一組待渲染的音頻資料送給系統的音頻渲染單元。

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KFAudioRender.m

#import "KFAudioRender.h"

#define OutputBus 0

@interface KFAudioRender ()
@property (nonatomic, assign) AudioComponentInstance audioRenderInstance; // 音頻渲染執行個體。
@property (nonatomic, assign, readwrite) NSInteger audioChannels; // 聲道數。
@property (nonatomic, assign, readwrite) NSInteger bitDepth; // 采樣位深。
@property (nonatomic, assign, readwrite) NSInteger audioSampleRate; // 采樣率。
@property (nonatomic, strong) dispatch_queue_t renderQueue;
@property (nonatomic, assign) BOOL isError;
@end

@implementation KFAudioRender
#pragma mark - Lifecycle
- (instancetype)initWithChannels:(NSInteger)channels bitDepth:(NSInteger)bitDepth sampleRate:(NSInteger)sampleRate {
    self = [super init];
    if (self) {
        _audioChannels = channels;
        _bitDepth = bitDepth;
        _audioSampleRate = sampleRate;
        _renderQueue = dispatch_queue_create("com.KeyFrameKit.audioRender", DISPATCH_QUEUE_SERIAL);
    }
    
    return self;
}

- (void)dealloc {
    // 清理音頻渲染執行個體。
    if (_audioRenderInstance) {
        AudioOutputUnitStop(_audioRenderInstance);
        AudioUnitUninitialize(_audioRenderInstance);
        AudioComponentInstanceDispose(_audioRenderInstance);
        _audioRenderInstance = nil;
    }
}

#pragma mark - Action
- (void)startPlaying {
    __weak typeof(self) weakSelf = self;
    dispatch_async(_renderQueue, ^{
        if (!weakSelf.audioRenderInstance) {
            NSError *error = nil;
            // 第一次 startPlaying 時建立音頻渲染執行個體。
            [weakSelf _setupAudioRenderInstance:&error];
            if (error) {
                // 捕捉并回調建立音頻渲染執行個體時的錯誤。
                [weakSelf _callBackError:error];
                return;
            }
        }
        
        // 開始渲染。
        OSStatus status = AudioOutputUnitStart(weakSelf.audioRenderInstance);
        if (status != noErr) {
            // 捕捉并回調開始渲染時的錯誤。
            [weakSelf _callBackError:[NSError errorWithDomain:NSStringFromClass([KFAudioRender class]) code:status userInfo:nil]];
        }
    });
}

- (void)stopPlaying {
    __weak typeof(self) weakSelf = self;
    dispatch_async(_renderQueue, ^{
        if (weakSelf.audioRenderInstance && !self.isError) {
            // 停止渲染。
            OSStatus status = AudioOutputUnitStop(weakSelf.audioRenderInstance);
            // 捕捉并回調停止渲染時的錯誤。
            if (status != noErr) {
                [weakSelf _callBackError:[NSError errorWithDomain:NSStringFromClass([KFAudioRender class]) code:status userInfo:nil]];
            }
        }
    });
}

#pragma mark - Private Method
- (void)_setupAudioRenderInstance:(NSError**)error {
    // 1、設定音頻元件描述。
    AudioComponentDescription audioComponentDescription = {
        .componentType = kAudioUnitType_Output,
        //.componentSubType = kAudioUnitSubType_VoiceProcessingIO, // 回聲消除模式
        .componentSubType = kAudioUnitSubType_RemoteIO,
        .componentManufacturer = kAudioUnitManufacturer_Apple,
        .componentFlags = 0,
        .componentFlagsMask = 0
    };
    
    // 2、查找符合指定描述的音頻元件。
    AudioComponent inputComponent = AudioComponentFindNext(NULL, &audioComponentDescription);

    // 3、建立音頻元件執行個體。
    OSStatus status = AudioComponentInstanceNew(inputComponent, &_audioRenderInstance);
    if (status != noErr) {
        *error = [NSError errorWithDomain:NSStringFromClass(self.class) code:status userInfo:nil];
        return;
    }
    
    // 4、設定執行個體的屬性：可讀寫。0 不可讀寫，1 可讀寫。
    UInt32 flag = 1;
    status = AudioUnitSetProperty(_audioRenderInstance, kAudioOutputUnitProperty_EnableIO, kAudioUnitScope_Output, OutputBus, &flag, sizeof(flag));
    if (status != noErr) {
        *error = [NSError errorWithDomain:NSStringFromClass(self.class) code:status userInfo:nil];
        return;
    }
    
    // 5、設定執行個體的屬性：音頻參數，如：資料格式、聲道數、采樣位深、采樣率等。
    AudioStreamBasicDescription inputFormat = {0};
    inputFormat.mFormatID = kAudioFormatLinearPCM; // 原始資料為 PCM，采用聲道交錯格式。
    inputFormat.mFormatFlags = kAudioFormatFlagIsSignedInteger | kAudioFormatFlagsNativeEndian | kAudioFormatFlagIsPacked;
    inputFormat.mChannelsPerFrame = (UInt32) self.audioChannels; // 每幀的聲道數。
    inputFormat.mFramesPerPacket = 1; // 每個資料包幀數。
    inputFormat.mBitsPerChannel = (UInt32) self.bitDepth; // 采樣位深。
    inputFormat.mBytesPerFrame = inputFormat.mChannelsPerFrame * inputFormat.mBitsPerChannel / 8; // 每幀位元組數 (byte = bit / 8)。
    inputFormat.mBytesPerPacket = inputFormat.mFramesPerPacket * inputFormat.mBytesPerFrame; // 每個包位元組數。
    inputFormat.mSampleRate = self.audioSampleRate; // 采樣率
    status = AudioUnitSetProperty(_audioRenderInstance, kAudioUnitProperty_StreamFormat, kAudioUnitScope_Input, OutputBus, &inputFormat, sizeof(inputFormat));
    if (status != noErr) {
        *error = [NSError errorWithDomain:NSStringFromClass(self.class) code:status userInfo:nil];
        return;
    }

    // 6、設定執行個體的屬性：資料回調函數。
    AURenderCallbackStruct renderCallbackRef = {
        .inputProc = audioRenderCallback,
        .inputProcRefCon = (__bridge void *) (self) // 對應回調函數中的 *inRefCon。
    };
    status = AudioUnitSetProperty(_audioRenderInstance, kAudioUnitProperty_SetRenderCallback, kAudioUnitScope_Global, OutputBus, &renderCallbackRef, sizeof(renderCallbackRef));
    if (status != noErr) {
        *error = [NSError errorWithDomain:NSStringFromClass(self.class) code:status userInfo:nil];
        return;
    }
    
    // 7、初始化執行個體。
    status = AudioUnitInitialize(_audioRenderInstance);
    if (status != noErr) {
        *error = [NSError errorWithDomain:NSStringFromClass(self.class) code:status userInfo:nil];
        return;
    }
}

- (void)_callBackError:(NSError*)error {
    self.isError = YES;
    if (self.errorCallBack) {
        dispatch_async(dispatch_get_main_queue(), ^{
            self.errorCallBack(error);
        });
    }
}

#pragma mark - Render Callback
static OSStatus audioRenderCallback(void *inRefCon, AudioUnitRenderActionFlags *ioActionFlags, const AudioTimeStamp *inTimeStamp, UInt32 inOutputBusNumber, UInt32 inNumberFrames, AudioBufferList *ioData) {
    // 通過音頻渲染資料輸入回調從外部擷取待渲染的資料。
    KFAudioRender *audioRender = (__bridge KFAudioRender *) inRefCon;
    if (audioRender.audioBufferInputCallBack) {
        audioRender.audioBufferInputCallBack(ioData);
    }
    
    return noErr;
}

@end

上面是

KFAudioRender

的實作，從代碼上可以看到主要有這幾個部分：

1）建立音頻渲染執行個體。第一次調用 -startPlaying 才會建立音頻渲染執行個體。
- 在 -_setupAudioRenderInstance: 方法中實作。
2）處理音頻渲染執行個體的資料回調，并在回調中通過 KFAudioRender 的對外資料輸入回調接口向更外層要待渲染的資料。
- 在 audioRenderCallback(...) 方法中實作回調處理邏輯。通過 audioBufferInputCallBack 回調接口向更外層要資料。
3）實作開始渲染和停止渲染邏輯。
- 分别在 -startPlaying 和 -stopPlaying 方法中實作。注意，這裡是開始和停止操作都是放在串行隊列中通過 dispatch_async 異步處理的，這裡主要是為了防止主線程卡頓。
4）捕捉音頻渲染開始和停止操作中的錯誤，抛給 KFAudioRender 的對外錯誤回調接口。
- 在 -startPlaying 和 -stopPlaying 方法中捕捉錯誤，在 -_callBackError: 方法向外回調。
5）清理音頻渲染執行個體。
- 在 -dealloc 方法中實作。

更具體細節見上述代碼及其注釋。

4、解封裝和解碼 MP4 檔案中的音頻部分并渲染播放

我們在一個 ViewController 中來實作從 MP4 檔案中解封裝和解碼音頻資料進行渲染播放。

KFAudioRenderViewController.m

#import "KFAudioRenderViewController.h"
#import <AVFoundation/AVFoundation.h>
#import "KFAudioRender.h"
#import "KFMP4Demuxer.h"
#import "KFAudioDecoder.h"
#import "KFWeakProxy.h"

#define KFDecoderMaxCache 4096 * 5 // 解碼資料緩沖區最大長度。

@interface KFAudioRenderViewController ()
@property (nonatomic, strong) KFDemuxerConfig *demuxerConfig;
@property (nonatomic, strong) KFMP4Demuxer *demuxer;
@property (nonatomic, strong) KFAudioDecoder *decoder;
@property (nonatomic, strong) KFAudioRender *audioRender;
@property (nonatomic, strong) dispatch_semaphore_t semaphore;
@property (nonatomic, strong) NSMutableData *pcmDataCache; // 解碼資料緩沖區。
@property (nonatomic, assign) NSInteger pcmDataCacheLength;
@property (nonatomic, strong) CADisplayLink *timer;
@end

@implementation KFAudioRenderViewController
#pragma mark - Property
- (KFDemuxerConfig *)demuxerConfig {
    if (!_demuxerConfig) {
        _demuxerConfig = [[KFDemuxerConfig alloc] init];
        _demuxerConfig.demuxerType = KFMediaAudio;
        NSString *videoPath = [[NSBundle mainBundle] pathForResource:@"input" ofType:@"mp4"];
        _demuxerConfig.asset = [AVAsset assetWithURL:[NSURL fileURLWithPath:videoPath]];
    }
    
    return _demuxerConfig;
}

- (KFMP4Demuxer *)demuxer {
    if (!_demuxer) {
        _demuxer = [[KFMP4Demuxer alloc] initWithConfig:self.demuxerConfig];
        _demuxer.errorCallBack = ^(NSError *error) {
            NSLog(@"KFMP4Demuxer error:%zi %@", error.code, error.localizedDescription);
        };
    }
    
    return _demuxer;
}

- (KFAudioDecoder *)decoder {
    if (!_decoder) {
        __weak typeof(self) weakSelf = self;
        _decoder = [[KFAudioDecoder alloc] init];
        _decoder.errorCallBack = ^(NSError *error) {
            NSLog(@"KFAudioDecoder error:%zi %@", error.code, error.localizedDescription);
        };
        // 解碼資料回調。在這裡把解碼後的音頻 PCM 資料緩沖起來等待渲染。
        _decoder.sampleBufferOutputCallBack = ^(CMSampleBufferRef sampleBuffer) {
            if (sampleBuffer) {
                CMBlockBufferRef blockBuffer = CMSampleBufferGetDataBuffer(sampleBuffer);
                size_t totolLength;
                char *dataPointer = NULL;
                CMBlockBufferGetDataPointer(blockBuffer, 0, NULL, &totolLength, &dataPointer);
                if (totolLength == 0 || !dataPointer) {
                    return;
                }
                dispatch_semaphore_wait(weakSelf.semaphore, DISPATCH_TIME_FOREVER);
                [weakSelf.pcmDataCache appendData:[NSData dataWithBytes:dataPointer length:totolLength]];
                weakSelf.pcmDataCacheLength += totolLength;
                dispatch_semaphore_signal(weakSelf.semaphore);
            }
        };
    }
    
    return _decoder;
}

- (KFAudioRender *)audioRender {
    if (!_audioRender) {
        __weak typeof(self) weakSelf = self;
        // 這裡設定的音頻聲道數、采樣位深、采樣率需要跟輸入源的音頻參數一緻。
        _audioRender = [[KFAudioRender alloc] initWithChannels:1 bitDepth:16 sampleRate:44100];
        _audioRender.errorCallBack = ^(NSError* error) {
            NSLog(@"KFAudioRender error:%zi %@", error.code, error.localizedDescription);
        };
        // 渲染輸入資料回調。在這裡把緩沖區的資料交給系統音頻渲染單元渲染。
        _audioRender.audioBufferInputCallBack = ^(AudioBufferList * _Nonnull audioBufferList) {
            if (weakSelf.pcmDataCacheLength < audioBufferList->mBuffers[0].mDataByteSize) {
                memset(audioBufferList->mBuffers[0].mData, 0, audioBufferList->mBuffers[0].mDataByteSize);
            } else {
                dispatch_semaphore_wait(weakSelf.semaphore, DISPATCH_TIME_FOREVER);
                memcpy(audioBufferList->mBuffers[0].mData, weakSelf.pcmDataCache.bytes, audioBufferList->mBuffers[0].mDataByteSize);
                [weakSelf.pcmDataCache replaceBytesInRange:NSMakeRange(0, audioBufferList->mBuffers[0].mDataByteSize) withBytes:NULL length:0];
                weakSelf.pcmDataCacheLength -= audioBufferList->mBuffers[0].mDataByteSize;
                dispatch_semaphore_signal(weakSelf.semaphore);
            }
        };
    }
    
    return _audioRender;
}

#pragma mark - Lifecycle
- (void)viewDidLoad {
    [super viewDidLoad];
        
    _semaphore = dispatch_semaphore_create(1);
    _pcmDataCache = [[NSMutableData alloc] init];
    
    [self setupAudioSession];
    [self setupUI];
    
    // 通過一個 timer 來保證持續從檔案中解封裝和解碼一定量的資料。
    _timer = [CADisplayLink displayLinkWithTarget:[KFWeakProxy proxyWithTarget:self] selector:@selector(timerCallBack:)];
    [_timer addToRunLoop:[NSRunLoop mainRunLoop] forMode:NSRunLoopCommonModes];
    [_timer setPaused:NO];
    
    [self.demuxer startReading:^(BOOL success, NSError * _Nonnull error) {
        NSLog(@"KFMP4Demuxer start:%d", success);
    }];
}

- (void)dealloc {
    
}

#pragma mark - Setup
- (void)setupUI {
    self.edgesForExtendedLayout = UIRectEdgeAll;
    self.extendedLayoutIncludesOpaqueBars = YES;
    self.title = @"Audio Render";
    self.view.backgroundColor = [UIColor whiteColor];
    
    
    // Navigation item.
    UIBarButtonItem *startRenderBarButton = [[UIBarButtonItem alloc] initWithTitle:@"Start" style:UIBarButtonItemStylePlain target:self action:@selector(startRender)];
    UIBarButtonItem *stopRenderBarButton = [[UIBarButtonItem alloc] initWithTitle:@"Stop" style:UIBarButtonItemStylePlain target:self action:@selector(stopRender)];
    self.navigationItem.rightBarButtonItems = @[startRenderBarButton, stopRenderBarButton];
}

#pragma mark - Action
- (void)startRender {
    [self.audioRender startPlaying];
}

- (void)stopRender {
    [self.audioRender stopPlaying];
}

#pragma mark - Utility
- (void)setupAudioSession {
    // 1、擷取音頻會話執行個體。
    AVAudioSession *session = [AVAudioSession sharedInstance];
    
    // 2、設定分類。
    NSError *error = nil;
    [[AVAudioSession sharedInstance] setCategory:AVAudioSessionCategoryPlayback error:&error];
    if (error) {
        NSLog(@"AVAudioSession setCategory error");
    }
    
    // 3、激活會話。
    [session setActive:YES error:&error];
    if (error) {
        NSLog(@"AVAudioSession setActive error");
    }
}

- (void)timerCallBack:(CADisplayLink *)link {
    // 定時從檔案中解封裝和解碼一定量（不超過 KFDecoderMaxCache）的資料。
    if (self.pcmDataCacheLength <  KFDecoderMaxCache && self.demuxer.demuxerStatus == KFMP4DemuxerStatusRunning && self.demuxer.hasAudioSampleBuffer) {
        CMSampleBufferRef audioBuffer = [self.demuxer copyNextAudioSampleBuffer];
        if (audioBuffer) {
            [self decodeSampleBuffer:audioBuffer];
            CFRelease(audioBuffer);
        }
    }
}

- (void)decodeSampleBuffer:(CMSampleBufferRef)sampleBuffer {
    // 擷取解封裝後的 AAC 編碼裸資料。
    CMBlockBufferRef blockBuffer = CMSampleBufferGetDataBuffer(sampleBuffer);
    size_t totolLength;
    char *dataPointer = NULL;
    CMBlockBufferGetDataPointer(blockBuffer, 0, NULL, &totolLength, &dataPointer);
    if (totolLength == 0 || !dataPointer) {
        return;
    }
    
    // 目前 AudioDecoder 的解碼接口實作的是單包（packet，1 packet 有 1024 幀）解碼。而從 Demuxer 擷取的一個 CMSampleBuffer 可能包含多個包，是以這裡要拆一下包，再送給解碼器。
    NSLog(@"SampleNum: %ld", CMSampleBufferGetNumSamples(sampleBuffer));
    for (NSInteger index = 0; index < CMSampleBufferGetNumSamples(sampleBuffer); index++) {
        // 1、擷取一個包的資料。
        size_t sampleSize = CMSampleBufferGetSampleSize(sampleBuffer, index);
        CMSampleTimingInfo timingInfo;
        CMSampleBufferGetSampleTimingInfo(sampleBuffer, index, &timingInfo);
        char *sampleDataPointer = malloc(sampleSize);
        memcpy(sampleDataPointer, dataPointer, sampleSize);
        
        // 2、将資料封裝到 CMBlockBuffer 中。
        CMBlockBufferRef packetBlockBuffer;
        OSStatus status = CMBlockBufferCreateWithMemoryBlock(kCFAllocatorDefault,
                                                              sampleDataPointer,
                                                              sampleSize,
                                                              NULL,
                                                              NULL,
                                                              0,
                                                              sampleSize,
                                                              0,
                                                              &packetBlockBuffer);
        
        if (status == noErr) {
            // 3、将 CMBlockBuffer 封裝到 CMSampleBuffer 中。
            CMSampleBufferRef packetSampleBuffer = NULL;
            const size_t sampleSizeArray[] = {sampleSize};
            status = CMSampleBufferCreateReady(kCFAllocatorDefault,
                                               packetBlockBuffer,
                                               CMSampleBufferGetFormatDescription(sampleBuffer),
                                               1,
                                               1,
                                               &timingInfo,
                                               1,
                                               sampleSizeArray,
                                               &packetSampleBuffer);
            CFRelease(packetBlockBuffer);
            
            // 4、解碼這個包的資料。
            if (packetSampleBuffer) {
                [self.decoder decodeSampleBuffer:packetSampleBuffer];
                CFRelease(packetSampleBuffer);
            }
        }
        dataPointer += sampleSize;
    }
}

@end

上面是

KFAudioRenderViewController

的實作，其中主要包含這幾個部分：

1）在頁面加載完成後就啟動解封裝和解碼子產品，并通過一個 timer 來驅動解封裝器和解碼器。
- 在 -viewDidLoad 中實作。
2）定時從檔案中解封裝一定量（不超過 KFDecoderMaxCache）的資料送給解碼器。
- 在 -timerCallBack: 方法中實作。
3）解封裝後，需要将資料拆包，以包為機關封裝為 CMSampleBuffer 送給解碼器解碼。
- 在 -decodeSampleBuffer: 方法中實作。
4）在解碼子產品 KFAudioDecoder 的資料回調中擷取解碼後的 PCM 資料緩沖起來等待渲染。
- 在 KFAudioDecoder 的 sampleBufferOutputCallBack 回調中實作。
5）在渲染子產品 KFAudioRender 的輸入資料回調中把緩沖區的資料交給系統音頻渲染單元渲染。
- 在 KFAudioRender 的 audioBufferInputCallBack 回調中實作。

更具體細節見上述代碼及其注釋。

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iOS音視訊開發六：音頻渲染

1、音頻解封裝子產品

2、音頻解碼子產品

3、音頻渲染子產品

4、解封裝和解碼 MP4 檔案中的音頻部分并渲染播放

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二、主流視訊編碼标準的發展：H.261\H.263\MPEG-1\MPEG-2\MPEG-4一、發展曆程：二、H.261标準三、H.263标準四、MPEG-1标準五、MPEG-2标準六、MPEG-4标準

PAT (Advanced Level) Practise 1083 List Grades (25)

PAT (Advanced Level) Practise 1135 Is It A Red-Black Tree (30)

UVA 348 Optimal Array Multiplication Sequence

PAT (Advanced Level) Practise 1066 Root of AVL Tree (25)

CSU 1806 Toll

CodeChef PALPROB Palindromeness

ZOJ 1032 Area 2

UVA 590 Always on the run

FZU 1978 Repair the brackets

UVA 10344- 23 out of 5

POJ 2115 C Looooops

ZOJ 3700 Ever Dream

UVA 620 Cellular Structure

swift資料合集

蘋果稽核 Guideline 2.1 - Information Needed