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短视频编辑：基于opengl和mediacodec的视频合成方案

2021-01-05  本文已影响0人  梅芳姑

短视频编辑系列，有关opengl处理文字贴纸、美颜滤镜、转场在我的前一篇文章《短视频编辑：可实时交互的播放器》
中已有介绍。

1.需求背景

近年短视频剪辑是技术热点，业内如七牛云/ 腾讯云/阿里云等短视频sdk的商用价值很大，所以其收费一般昂贵，主流商用sdk收费如下表：

商用sdk 费用
七牛云短视频sdk 专业版12万一年
腾讯云短视频sdk 企业版50万一年，动效贴纸等额外20万10个
阿里云短视频sdk 专业版15万一年
VE视频编辑sdk（剪影团队） 60万一年

为了节省成本并且根据需求灵活定制，我们打算自研短视频编辑sdk。

经过调研，众多视频编辑sdk封装ffmpeg对视频进行转码、裁剪、压缩。在音视频领域，一般大型成熟的商用sdk是跨平台的，各终端sdk公用一套由c++开发的底层引擎，针对各端硬件的不同做不同处理，例如分别对pc、android、ios提供硬编硬解的功能。我们最初也打算基于ffmpeg基础上进行二次开发，但其局限如下：

由于开发成本的原因，我们在一期开发采用了android原生的mediacodec进行视频编辑转码。其已知的缺点如下：

虽然mediacodec存在一定的弊端，但是能够支撑产品对多素材裁剪、合成视频的基本需求，也能对解码数据进行变速和重采样等处理。经过三个多月的需求洗礼和迭代，完成了大部分主流机型的兼容问题处理。实践证明，使用mediacodec编解码配和opengl 完全可以实现android 平台视频编辑功能，并且效果良好。

2.技术概述

在视频生产工具中，视频合成就是将视频、图片、音乐等原素材经过一系列的编辑，最终生成一个mp4视频文件。目前支持的编辑功能有：

在视频编辑阶段，上述编辑行为将产生一份编辑数据，其格式如下：

IMG20201122_163516.png

而在视频合成阶段，将读取这份编辑数据，并针对各个功能，逐个解析参数，将各功能予以实现。

3.技术思路

视频合成涉及解码、编码、OpenGL、音频处理等相关能力，下图是视频合成的核心流程。

IMG20201029_193612.png

针对mp4视频素材源文件，会使用mediaExtractor先将音视频做分离，分解为视频轨解码和音频轨解码，解码的视频帧进入opengl视频处理流程。针对图片类型的素材文件，会直接进入opengl处理流程。opengl处理包括文字贴纸、美颜滤镜、转场、设置视频比例等，opengl绘制的图像帧进入视频编码器，编码过程中通过视频帧时间戳处理裁剪和变速。

对于有声音的mp4视频素材，使用mediaExtractor分离出的音频（视频原音），需要和添加的音乐一起做混音处理。音频变速相对于视频变速较复杂，音频处理都需要将原始音频（音乐和视频原音）解码为pcm数据格式，基于pcm数据做声音模拟信号的重采样，实现混音算法和变速算法。混音采用基于音量权值的混音算法，变速采用soundTouch处理库进行声音速率的调整。

视频和音频分别经过处理之后，通过音视频合成器MediaMuxer，将音频数据和视频数据分别写入最终生成MP4文件中的音频轨道和视频轨道，这样就完成了整个视频合成流程，视频处理过程中，根据视频帧的时间戳计算进度。

4.技术实现

4.1图片与视频混合编码

为了支持图片与视频素材的混合合成，需要将图片与视频进行混合编码。其难点在于视频有解码过程，图片无解码过程，并且android mediacodec编解码接口不够灵活，视频帧解码直接输出到surface进行opengl绘制，并通过该surface进行编码，难以添加其他素材源，干预其编码过程。

我们在第一期方案中，图片合成与视频合成割裂为两个过程，是图片类型素材则走图片合成过程（含opengl处理和编码），是视频类型则走视频合成过程（含解码、opengl处理和编码）。图片和视频分别实现了一套opengl处理流程，对于文字贴纸、旋转、转场、美颜滤镜等分别对视频和图片进行处理。这种方案存在的问题有：

在第二期中，我们重构了视频合成器，使之既支持对视频的解码编码，也支持对图片的编码。素材是视频时才用mediaExtractor对视频进行采样，用mediaMetadataRetriever解析视频信息并处理。素材是图片时其编码循环由时间控制。

将图片嵌入到视频编码的核心实现方法是：在视频解码输出的surface中，实现bitmap图片绘制，图片纹理绘制到与视频帧一致的帧缓冲区。即在逐帧绘制方法onDrawFrame中增加bitmap绘制，替换视频帧纹理绘制。

if (imageBitmap != null) {
            bitmapFilter.draw(imageBitmap);
        } else {
            previewFilter.draw(textureID);
        }

这样就将图片嵌入到视频帧编码过程中，由于共用一个surface,可以共享一套文字贴纸、美颜滤镜、转场等opengl处理流程。

4.2opengl处理

opengl视频处理流程即使用opengl对原始视频帧进行二次处理。创建opengl渲染环境，通过SurfaceTexture的updateTexImage接口，可将视频流中最新的帧数据更新到对应的GL纹理，再操作GL纹理进行可进行美颜滤镜、添加文字贴纸等处理行为。

我们opengl处理流程总共使用了4个帧缓存fbo，其总流程如下图所示。绑定每个fbo后，首先取前个fbo的输出纹理，再执行美颜、滤镜等运算。例如绑定Beauty fbo后，使用Origin fbo绘制了原始视频帧后的输出纹理originTextureId作为美颜算法的输入，执行美颜算法，美颜算法输出纹理记为beautyTextureId,然后绑定Sticker fbo,绘制美颜输出纹理beautyTextureId，下一步绑定transition fbo,执行绘制文字贴纸算法，文字贴纸算法的输入纹理为Sticker fbo的输出纹理。其具体实现阐述如下：

IMG20201105_154920.png

4.2.1设置视频比例和素材旋转

设置视频比例和素材旋转采用opengl的MVP矩阵操作实现对视频帧的缩放和旋转。将MVP矩阵传递到Vertex Shader中与顶点相乘进行矩阵变换。用于视频帧预览的Vertex Shader如下：

private static final String VERTEX_SHADER = 
        "uniform mat4 uMVPMatrix;\n" +
        "attribute vec4 aPosition;\n" +
        "attribute vec2 aTextureCoord;\n" +
        "void main() {\n" +
        "gl_Position = uMVPMatrix * aPosition;\n"+
        "vTextureCoord =  aTextureCoord;\n"+
        "}";

由首个素材尺寸和设置的视频比例确定最终生成视频的尺寸，即outResolution。inResolution为当前素材的尺寸。按最大边适应策略，缩放素材尺寸。支持90、180、270、360四个方向的旋转，MVP矩阵的计算方法如下：

float scale[]  = FillMode.getScaleAspectFit(rotation.getRotation(), inputResolution.width(), inputResolution.height(), outputResolution.width(), outputResolution.height());
Matrix.scaleM(MVPMatrix, 0, scale[0] * 1, scale[1] * 1, 1);
if (rotation != Rotation.NORMAL) {
    Matrix.rotateM(MVPMatrix, 0, -rotation.getRotation(), 0.f, 0.f, 1.f);
}

4.2.2美颜滤镜

4.2.3文字贴纸

4.2.2转场

4.3音频处理

音频的解码是将mp3音乐或视频原声（acc）转换为原始pcm音频流数据。因为Pcm是直接采样模拟信号的，是现在数字音频的标准格式，所以音频处理都需要首先将原始音频（音乐和视频原音）解码为pcm数据格式。在音乐解码过程中，按照解码流的时间戳，裁剪或重复拼接音乐，对齐输出视频的总时长。

对于多个不同的音频合成，必须将其采样率和通道数转换为一致后才能写入一个音频轨道，否则无法进行流畅播放。在多个有声的视频素材中，采用通道数和采样率最大的作为目标通道数和采样率（下图中对应视频1，对音乐和视频2解码后的数据进行转换通道数和重采样处理）。

音频处理总流程如下图所示：

绘图3.jpg

4.3.1混音

音频混音就是将视频原音和音乐两段音频合在一起，使其能够同时播放。语音信号的叠加等价于空气中声波的叠加，如下图所示。但是把两个波形的数值直接简单相加会产生溢出。
解决这个问题业内常用的方法是：将两个音频数据采样率、通道、采样精度转化为一致后采用平均值算法。在平均值算法的基础上，加入音量权值因子进行优化，

4.3.2音频变速

音频变速相比于视频变速而言，要复杂得多。因为视频变速只需要按时间间隔跳帧即可，而如果对音频简单抽样采点会引起声音得不连续、噪声或爆破音。Soundtouch是目前音视频领域较常用的变速处理方案，是一个C++编写的开源库，为了在Android项目中使用，我们编写了jni接口，采用soundtouch库进行变速使用的api列出如下：

api 说明
setChannels(int) 设置声道1 =单声道, 2 =立体声
setSampleRate(uint) 设置采样率
setRate(double) 指定播放速率，原始值为1.0
putSamples(const SAMPLETYPE *samples, uint nSamples) 输入采样数据
receiveSamples(SAMPLETYPE *output, uint maxSamples) 输出处理后的数据，需要循环执行

4.5典型兼容问题处理

在合成视频的实践过程中，遇到一些兼容问题。下面记录几个较典型的问题。

问题一：图片与有声音的视频混合合成，部分机型合成视频失败。

图片无声音，视频有声音。当第一个素材为图片时，使用mediaMuxer进行音频和视频合成，很多机型不支持一开始没有音频流写入，后来又有音频流写入的情况，报MP4写入错误。这种情况下的解决办法是：对于无音频和有音频素材混合的情况，在无音频的素材合成过程中，填充一段静默音频，并将静默音频截取为与素材最终播放时长相等。

问题二：某些oppo机型拍摄图片合成视频失败。

经测试，这些机型合成视频失败原因是：由于手机系统摄像头像素较高，拍摄出来的图片尺寸大，超过编码器支持的编码尺寸。这种情况下的解决方法是：由于在移动端通用的高清视频一般是1080p,所以使用的视频尺寸一般在1080*1920内，限制最终合成视频最大不超过这个尺寸。超过时使用opengl矩阵等比缩放。

关于编码器支持的视频尺寸，在实践过程中发现，编码尺寸除了不能过大以外，也不能过小，还有编码器编码只支持偶数尺寸的宽高。还有，有一些比较老的手机支持的硬编码尺寸只能是8的倍数。

问题三：某些机型录制的视频经合成后，画面偏移90度。

定位该问题时发现，和大部分华为等手机不同，oppo手机竖屏录制视频时获得的宽高是相反的，即发现文件系统读取的宽高和mediaExtractor解析视频轨道后得到的MediaFormat中宽高参数相反。对于这种情况，可以用mediaMetadataRetriever解析出视频素材的旋转角度。然后在opengl对旋转处理过程中加上这个素材的原始旋转角度。

5.总结和优化方向

视频生产工具上线以后，在稳定性和兼容性方面遇到过一些问题。稳定性方面，目前一些运行内存较小的设备，经过较复杂的视频编辑后（如添加多个较大的素材又添加了音乐），会因内存不足偶现闪退。兼容性方面，对于android5.0以上机型，所遇到纯粹属于硬件编解码的兼容问题较少，更多的兼容问题来自于素材的格式和尺寸大小。

基于此。目前的优化方向有两点：

  1. 优化编码过程中的内存耗用，并在预知内存不足时提示用户，或者处理前压缩素材大小。

  2. 收集各种合成失败的实例信息。根据所收集信息有针对性处理兼容问题，完善合成发方案。目前已添加线上埋点监控合成失败的机型设备信息和素材信息。

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