音视频八股文（11）-- ffmpeg 音频重采样

1重采样

1.1 什么是重采样

所谓的重采样，就是改变⾳频的采样率、sample format、声道数等参数，使之按照我们期望的参数输出。

1.2 为什么要重采样

为什么要重采样？当然是原有的⾳频参数不满⾜我们的需求，⽐如在FFmpeg解码⾳频的时候，不同的⾳源有不同的格式，采样率等，在解码后的数据中的这些参数也会不⼀致(最新FFmpeg 解码⾳频后，⾳频格 式为AV_SAMPLE_FMT_FLTP，这个参数应该是⼀致的)，如果我们接下来需要使⽤解码后的⾳频数据做其他操作，⽽这些参数的不⼀致导致会有很多额外⼯作，此时直接对其进⾏重采样，获取我们制定的⾳频参数，这样就会⽅便很多。

再⽐如在将⾳频进⾏SDL播放时候，因为当前的SDL2.0不⽀持planar格式，也不⽀持浮点型的，⽽最新的FFMPEG 16年会将⾳频解码为AV_SAMPLE_FMT_FLTP格式，因此此时就需要我们对其重采样，使之可以在SDL2.0上进⾏播放。

2 对应参数解析

2.1 采样率

采样设备每秒抽取样本的次数

2.2采样格式及量化精度（位宽）

每种⾳频格式有不同的量化精度（位宽），位数越多，表示值就越精确，声⾳表现⾃然就越精准。FFMpeg中⾳频格式有以下⼏种，每种格式有其占⽤的字节数信息（libavutil/samplefmt.h）：

enum AVSampleFormat {
    AV_SAMPLE_FMT_NONE = -1,
    AV_SAMPLE_FMT_U8, ///< unsigned 8 bits
    AV_SAMPLE_FMT_S16, ///< signed 16 bits
    AV_SAMPLE_FMT_S32, ///< signed 32 bits
    AV_SAMPLE_FMT_FLT, ///< float
    AV_SAMPLE_FMT_DBL, ///< double
    AV_SAMPLE_FMT_U8P, ///< unsigned 8 bits, planar
    AV_SAMPLE_FMT_S16P, ///< signed 16 bits, planar
    AV_SAMPLE_FMT_S32P, ///< signed 32 bits, planar
    AV_SAMPLE_FMT_FLTP, ///< float, planar
    AV_SAMPLE_FMT_DBLP, ///< double, planar
    AV_SAMPLE_FMT_S64, ///< signed 64 bits
    AV_SAMPLE_FMT_S64P, ///< signed 64 bits, planar
    AV_SAMPLE_FMT_NB ///< Number of sample formats. DO NOT USE if linking dynamically
};

2.3 分⽚（plane）和打包（packed）

以双声道为例，带P（plane）的数据格式在存储时，其左声道和右声道的数据是分开存储的，左声道的数据存储在data[0]，右声道的数据存储在data[1]，每个声道的所占⽤的字节数为linesize[0]和linesize[1]；

不带P（packed）的⾳频数据在存储时，是按照LRLRLR...的格式交替存储在data[0]中，linesize[0]表示总的数据量。

2.4 声道分布（channel_layout)

声道分布在FFmpeg\libavutil\channel_layout.h中有定义，⼀般来说⽤的⽐较多的是AV_CH_LAYOUT_STEREO（双声道）和AV_CH_LAYOUT_SURROUND（三声道），这两者的定义如下：

#define AV_CH_LAYOUT_STEREO (AV_CH_FRONT_LEFT|AV_CH_FRONT_RIGHT)
#define AV_CH_LAYOUT_SURROUND (AV_CH_LAYOUT_STEREO | AV_CH_FRONT_CENTER)

2.5 ⾳频帧的数据量计算

⼀帧⾳频的数据量（字节）=channel数 * nb_samples样本数 * 每个样本占⽤的字节数

如果该⾳频帧是FLTP格式的PCM数据，包含1024个样本，双声道，那么该⾳频帧包含的⾳频数据量是210244=8192字节。

AV_SAMPLE_FMT_DBL ： 210248 = 16384

2.6 ⾳频播放时间计算

以采样率44100Hz来计算，每秒44100个sample，⽽正常⼀帧为1024个sample，可知每帧播放时间/1024=1000ms/44100，得到每帧播放时间=1024*1000/44100=23.2ms （更精确的是23.21995464852608）。

⼀帧播放时间（毫秒） = nb_samples样本数 *1000/采样率 =

（1）1024*1000/44100=23.21995464852608ms ->约等于 23.2ms，精度损失了0.011995464852608ms，如果累计10万帧，误差>1199毫秒，如果有视频⼀起的就会有⾳视频同步的问题。 如果按着23.2去计算pts（0 23.2 46.4 ）就会有累积误差。

（2）1024*1000/48000=21.33333333333333ms

3 FFmpeg重采样API

分配⾳频重采样的上下⽂

struct SwrContext *swr_alloc(void);

当设置好相关的参数后，使⽤此函数来初始化SwrContext结构体

int swr_init(struct SwrContext *s);

分配SwrContext并设置/重置常⽤的参数。

struct SwrContext* swr_alloc_set_opts(struct SwrContext* s, // ⾳频重采样上下⽂
    int64_t out_ch_layout, // 输出的layout, 如：5.1声道
    enum AVSampleFormat out_sample_fmt, // 输出的采样格式。Float, S16,⼀般选⽤是s16 绝⼤部分声卡⽀持
    int out_sample_rate, //输出采样率
    int64_t in_ch_layout, // 输⼊的layout
    enum AVSampleFormat in_sample_fmt, // 输⼊的采样格式
    int in_sample_rate, // 输⼊的采样率
    int log_offset, // ⽇志相关，不⽤管先，直接为0
    void* log_ctx // ⽇志相关，不⽤管先，直接为NULL
);

将输⼊的⾳频按照定义的参数进⾏转换并输出

int swr_convert(struct SwrContext* s, // ⾳频重采样的上下⽂
    uint8_t** out, // 输出的指针。传递的输出的数组
    int out_count, //输出的样本数量，不是字节数。单通道的样本数量。
    const uint8_t** in, //输⼊的数组，AVFrame解码出来的DATA
    int in_count // 输⼊的单通道的样本数量。
);

in和in_count可以设置为0，以最后刷新最后⼏个样本。

释放掉SwrContext结构体并将此结构体置为NULL;

void swr_free(struct SwrContext **s);

⾳频重采样，采样格式转换和混合库。与lswr的交互是通过SwrContext完成的，SwrContext被分配给swr_alloc（）或 swr_alloc_set_opts（）。 它是不透明的，所以所有参数必须使⽤AVOptions API设置。为了使⽤lswr，你需要做的第⼀件事就是分配SwrContext。 这可以使⽤swr_alloc（）或 swr_alloc_set_opts（）来完成。 如果您使⽤前者，则必须通过AVOptions API设置选项。 后⼀个函数提供了相同的功能，但它允许您在同⼀语句中设置⼀些常⽤选项。

例如，以下代码将设置从平⾯浮动样本格式到交织的带符号16位整数的转换，从48kHz到44.1kHz的下采 样，以及从5.1声道到⽴体声的下混合（使⽤默认混合矩阵）。 这是使⽤swr_alloc（）函数。

SwrContext * swr = swr_alloc();
av_opt_set_channel_layout(swr, "in_channel_layout", AV_CH_LAYOUT_5POINT1, 0);
av_opt_set_channel_layout(swr, "out_channel_layout", AV_CH_LAYOUT_STEREO, 0);
av_opt_set_int(swr, "in_sample_rate", 48000, 0);
av_opt_set_int(swr, "out_sample_rate", 44100, 0);
av_opt_set_sample_fmt(swr, "in_sample_fmt", AV_SAMPLE_FMT_FLTP, 0);
av_opt_set_sample_fmt(swr, "out_sample_fmt", AV_SAMPLE_FMT_S16, 0);

同样的⼯作也可以使⽤swr_alloc_set_opts（）：

SwrContext * swr = swr_alloc_set_opts(NULL, // we're allocating a new context
    AV_CH_LAYOUT_STEREO, // out_ch_layout
    AV_SAMPLE_FMT_S16, // out_sample_fmt
    44100, // out_sample_rate
    AV_CH_LAYOUT_5POINT1, // in_ch_layout
    AV_SAMPLE_FMT_FLTP, // in_sample_fmt
    48000, // in_sample_rate
    0, // log_offset
    NULL); // log_ctx

⼀旦设置了所有值，它必须⽤swr_init（）初始化。 如果需要更改转换参数，可以使⽤AVOptions来更改参数，如上⾯第⼀个例⼦所述; 或者使⽤swr_alloc_set_opts（），但是第⼀个参数是分配的上下⽂。 您必须再次调⽤swr_init（）。⼀旦设置了所有值，它必须⽤swr_init（）初始化。 如果需要更改转换参数，可以使⽤AVOptions来更改参数，如上⾯第⼀个例⼦所述; 或者使⽤swr_alloc_set_opts（），但是第⼀个参数是分配的上下⽂。 您必须再次调⽤swr_init（）。 转换本身通过重复调⽤swr_convert（）来完成。 请注意，如果提供的输出空间不⾜或采样率转换完成后，样本可能会在swr中缓冲，这需要“未来”样本。 可以随时通过使⽤swr_convert（）（in_count可以设置为0）来检索不需要将来输⼊的样本。 在转换结束时，可以通过调⽤具有NULL in和in incount的swr_convert（）来刷新重采样缓冲区。

4 go代码

见 moonfdd/ffmpeg-go