投屏音視頻基礎(chǔ)知識

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背景：
投屏屬于音視頻開發(fā)的一個細分領(lǐng)域知識體系，所以了解必備的音視頻基礎(chǔ)知識也是非常非常有必要的，本節(jié)就給大家講解投屏相關(guān)的必備音視頻基礎(chǔ)知識。

音頻1、聲音的基礎(chǔ)知識聲音的產(chǎn)生是由于物體的振動，造成空間內(nèi)空氣的波動而共鳴發(fā)音，再由大氣的傳播，使人的聽覺神經(jīng)感受到的一種物理現(xiàn)象。
聲音的三要素是響度，音調(diào)和音色。
響度
和聲音震動的幅度有關(guān)，用的力越大，人的鼓膜震動幅度就越大，發(fā)出的聲音越響。
音調(diào)
主要是和頻率有關(guān)。聲波的頻率越高，音調(diào)也越高。
音色
在同樣的音調(diào)（頻率）和響度（振幅）下，鋼琴和小提琴的聲音聽起來是完全不相同的，因為它們的音色不同。
聲音傳播的介質(zhì)是固體、液體、氣體，介質(zhì)不同，傳播的速度也不同。真空的情況下聲音是無法傳播的。
2、數(shù)字音頻對自然界的聲音（模擬信號）進行采樣，采樣就是根據(jù)奈奎斯特定理在時間軸上對信號進行數(shù)字化信號，即按照一定時間間隔△t 在模擬信號 x(t)上逐點采取其瞬時值。采樣率越高，聲音的還原程度越高，質(zhì)量就越好，同時占用空間會變大。
量化是用有限個幅度值近似原來連續(xù)變化的幅度值，把模擬信號的連續(xù)幅度變?yōu)橛邢迶?shù)量的有一定間隔的離散值。
編碼是按照一定的規(guī)律，把量化后的值用二進制數(shù)字表示，然后轉(zhuǎn)化成二值或多值的數(shù)字信號流。這樣得到的數(shù)字信號通過可以通過電纜，衛(wèi)星通道等數(shù)字線路傳輸。在接收端與上述模擬信號數(shù)字化過程相反，再經(jīng)過后置濾波再恢復(fù)成原來的模擬信號。
上面數(shù)字化的過程又叫做脈沖編碼調(diào)制，通常我們說的音頻的裸數(shù)據(jù)格式就是脈沖編碼調(diào)制(PCM)數(shù)據(jù)。
描述一段 PCM 數(shù)據(jù)需要幾個量化指標，常用的量化指標是采樣率，位深度，字節(jié)序，聲道數(shù)。
采樣率(Sample rate)：每秒鐘采樣多少次，以 Hz 為單位。
位深度(Bit-depth)：表示用多少個二進制位來描述采樣數(shù)據(jù)，一般為 16bit。
字節(jié)序：表示音頻 PCM 數(shù)據(jù)存儲的字節(jié)序是大端存儲（big-endian）還是小端存儲（little-endian），為了數(shù)據(jù)處理效率的高效，通常為小端存儲。
首先明白字節(jié)序，字節(jié)序指占內(nèi)存超過1個字節(jié)類型的數(shù)據(jù)在內(nèi)存中存放順序，通常有大端和小端兩種順序：

在這里插入圖片描述

在這里插入圖片描述聲道數(shù)（channel number）：指支持能不同發(fā)聲（注意是不同聲音）的音響的個數(shù)；單聲道（1 個聲道），雙聲道（2 個聲道）等；
3、音頻壓縮編碼以
CD 音質(zhì)來說，量化格式是 2 字節(jié)，采樣率是 44100，聲道數(shù)是 2，這些信息就描述了 CD 的音質(zhì)。那么 CD 的數(shù)據(jù)采樣率
=44100x16x2=1378.125kbps, 在 1 分鐘的時間里 ，需要占用的存儲空間=1378.125 *
60/8/1024=10.09MB。直接存儲這個大小音頻的話其實并不小。
壓縮算法包括有損壓縮和無損壓縮。
常用的音頻編碼方式有以下幾種：
MP3，MPEG-1 or MPEG-2 Audio Layer III，是曾經(jīng)非常流行的一種數(shù)字音頻編碼和有損壓縮格式 ， 它被設(shè)計來大幅降低音頻數(shù)據(jù)量 。
AAC，Advanced
Audio Coding，是由 Fraunhofer IIS、杜比實驗室、AT&T、Sony 等公司共同開發(fā)， 在 1997
年推出的基于 MPEG-2 的音頻編碼技術(shù)。AAC 比 MP3 有更高的壓縮比，同樣大小的音頻文件，AAC 的音質(zhì)更高。
視頻相關(guān)視頻基本概念（1）根據(jù)視覺暫留原理，連續(xù)的圖像變化每秒超過24幀（Frame）畫面以上時，人眼無法辨別單幅的靜態(tài)畫面，看上去是平滑連續(xù)的視覺效果，這樣連續(xù)的圖像畫面構(gòu)成即視頻。

在這里插入圖片描述（2）一個完整的視頻文件主要由音頻和視頻兩部分組成的，視頻編碼是為了壓縮視頻數(shù)據(jù)而做的一種壓縮算法，是音視頻質(zhì)量的決定因素；視頻封裝格式也叫做容器

Container，它是將已經(jīng)編碼壓縮好的視頻流、音頻流以及元數(shù)據(jù)按照一定的結(jié)構(gòu)規(guī)則編排放到一個文件中，不同封裝格式編排規(guī)則不一樣，應(yīng)用場景和優(yōu)點也不同。視頻文件的播放流程

在這里插入圖片描述像素：屏幕顯示是把有效面積化為為很多個小格子，每個格子只顯示一種顏色，是成像的最小元素，因此就叫做“像素”。
分辨率：屏幕在長度和寬度這倆個方向上各有多少像素，就叫做分辨率，一般用 AXB 來表示。分辨率越高，每個像素的面積越小，顯示效果就越平滑細膩。
每一個像素點的 RGB 通道分別對應(yīng)屏幕位置上的子像素點繪制到屏幕上，進而顯示整個圖像。
1、RGB 表示圖像
一張圖像是由每個像素點繪成的，那么一像素點的 RGB 又該如何表示呢？
浮點表示
歸一化表示，取值范圍 0.0~1.0，如 openGL 對每個子像素點的表示方式。
整數(shù)表示
取值范圍 0～255 或者 00～FF，8bit 表示一個子像素。
如圖像格式
RGBA_8888，表示 4*8bit 表示一個像素，而 RGB_565 用 5 + 6 + 5 bit 表示一個像素。一張 1280 *
720， RGBA_8888 格式的圖片的大小= 1280 * 720 * 32bit = 1280 * 720 * 32 / 8
byte，也是位圖在內(nèi)存中占用 的大小。所以每一張圖像的裸數(shù)據(jù)都是很大的。
2、YUV 表示圖像
YUV (又稱為 YCbCr)，一種亮度與色度分離的色彩格式；
Y : 亮度，即灰度值，除了表示亮度信號外，還含有較多的綠色通道量；
U : 藍色通道與亮度的差值；
V : 紅色通道與亮度的差值；
YUV 的優(yōu)勢，人眼對亮度敏感，對色度不敏感，因此減少部分 UV 的數(shù)據(jù)量，人眼無法感知，從而可以通過壓縮 UV 的分辨率， 在不影響觀感的前提下，減小視頻的體積；
視頻幀裸數(shù)據(jù)之所以采用
YUV 色彩空間，使用為亮度信號 Y 和色度信號 UV 是分離的。當無 UV 色度信號，只有 Y
亮度信號時，那么這樣表示的圖像就是黑白灰度圖像。彩色電視正是使用 YUV 空間使用 Y
亮度信號解決彩色電視與黑白電視的兼容問題、使黑白電視也能接收彩色電視信號。最常用的 YUV 都使用 8 個 字節(jié)來表示，所以取值范圍就是
0～255。
音頻最開始需要采樣，圖像也是一樣的，YUV 最常用的采樣格式是 4:2:0。
YUV 格式有兩大類：planar 和 packed
YUV420 Planar
YYYY
YYYY
UU
VVYUV 444 Packed
YUV YUV
YUV YUVYUV 碼流的存儲格式其實與其采樣的方式密切相關(guān)，主流的采樣方式有三種，YUV4:4:4，YUV4:2:2， YUV4:2:0。

在這里插入圖片描述

在這里插入圖片描述

在這里插入圖片描述YUV 4:4:4 采樣，每一個 Y 對應(yīng)一組 UV 分量。YUV 4:2:2 采樣，每兩個 Y 共用一組 UV 分量。YUV 4:2:0 采樣，每四個 Y 共用一組 UV 分量。
3、YUV 和 RGB 轉(zhuǎn)化
凡是渲染到屏幕上的東西（文字、圖片或者其他），都要轉(zhuǎn)換為 RGB 的表示形式，那么 YUV 的表示形 式和 RGB 的表示形式之間是如何進行轉(zhuǎn)換的呢？
為了實現(xiàn)格式轉(zhuǎn)換，我們首先要明確待轉(zhuǎn)換格式和目標格式的特點和相互轉(zhuǎn)換關(guān)系，這是編程實現(xiàn)轉(zhuǎn)換的核心。對于
RGB 轉(zhuǎn) YUV 的過程，我們要首先拿到 RGB 文件的數(shù)據(jù)，再通過上圖的 YUV 計算公式對其做 運算，得到 YUV
數(shù)據(jù)，從而實現(xiàn)轉(zhuǎn)換。而對于 YUV 轉(zhuǎn) RGB 則要首先獲得 YUV 數(shù)據(jù)，用第二組 RGB 公式計 算得到 RGB
數(shù)據(jù)。
在本實驗中，轉(zhuǎn)換公式如下。
Y = 0.298R + 0.612G + 0.117B;
U = -0.168R - 0.330G + 0.498B + 128;
V = 0.449R - 0.435G - 0.083B + 128;
R = Y + 1.4075( V - 128);
G = Y - 0.3455( U - 128) - 0.7169( V - 128);
B = Y + 1.779( U - 128);
視頻編碼視頻壓縮必要性以常見的1080P60的視頻計算一下沒有壓縮時數(shù)據(jù)量的大�。ò醇t綠藍三原色各一個字節(jié)數(shù)據(jù)量計算）
一秒鐘數(shù)據(jù)量：
1920（寬）x 1080（高）x 60（每秒幀數(shù)）x 3（像素3原色字節(jié)）= 373.248MB = 2.98Gbs
一小時數(shù)據(jù)量：
373.248MB x 3600秒 = 13.43T字節(jié)/小時
這個數(shù)據(jù)量很大，近3G的原始數(shù)據(jù)量在任何常規(guī)網(wǎng)絡(luò)上都無法實現(xiàn)視頻的傳輸。因此我們就需要一種數(shù)據(jù)處理方式將海量的原始圖像數(shù)據(jù)壓縮到可在互聯(lián)網(wǎng)上傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量，這個過程叫做視頻的編碼。
視頻壓縮原理幀內(nèi)壓縮
（1）將幀畫面進行分層壓縮（Y層：亮度相關(guān)、cr層：顏色相關(guān)、cb層：顏色相關(guān)），人對黑白亮度非常敏感，對顏色不太敏感，所以Y層盡量減少壓縮，cr層、cb層多壓縮。
（2）宏塊壓縮：一幀畫面可以分很多方塊，相同的方塊可以壓縮，不同的保留
幀間壓縮
I幀：關(guān)鍵幀，記錄一幀完整的數(shù)據(jù)
P幀：前向幀，記錄本幀與前一幀不同的數(shù)據(jù)。
B幀：雙向幀，記錄本幀與前幀和下一幀不同的數(shù)據(jù)。

在這里插入圖片描述幀與幀率
幀，視頻的一個基本概念，表示一張畫面，一個視頻就是由許多幀組成的；
幀率，即單位時間內(nèi)幀的數(shù)量，單位為 : 幀/秒 或 fps（frames per second），幀率越高則畫面越順滑過渡越自然；
硬解碼和軟解碼
軟解碼，指利用 CPU 的計算能力來解碼，通常若 CPU 的能力不是很強的時候，一則解碼速度會比較慢，二則手機可能出現(xiàn)發(fā)熱現(xiàn)象；但是， 由于使用統(tǒng)一的算法，兼容性會很好；
硬解碼，指的是利用專門的解碼芯片來加速解碼，通常硬解碼的解碼速度會快很多，但是由于硬解碼由各個廠家實現(xiàn)，質(zhì)量參差不齊，非常容易出現(xiàn)兼容性問題；
end

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