音视频编程ffmepg中的关键术语与概念：深度解析与实践_codec libraries

1. 音视频编程基础（Basics of Audio and Video Programming）

1.1 音频和视频的基本概念（Basic Concepts of Audio and Video）

在我们开始深入探讨音视频编程的关键术语和概念之前，首先让我们回到基础，理解一下音频和视频的基本概念。

音频（Audio）

音频，顾名思义，是关于声音的。在计算机科学中，音频是指所有可听的声音，包括人的语音、音乐、环境声音等。音频数据可以以模拟信号或数字信号的形式存在。在音频编程中，我们通常处理的是数字音频，因为数字音频可以通过计算机系统进行处理、存储和传输。

音频数据的基本属性包括采样率（Sample Rate）、位深（Bit Depth）和声道数（Channel Number）。

• 采样率（Sample Rate）：这是指每秒钟对音频信号进行采样的次数，单位是Hz（赫兹）。常见的采样率有44.1kHz、48kHz等，其中44.1kHz是CD音质的采样率。
• 位深（Bit Depth）：这是指每个采样点的数据位数，常见的有16位（2字节）、24位（3字节）等。位深越大，音频数据的精度越高，声音的质量也越好。
• 声道数（Channel Number）：这是指音频数据中的声道数量，如单声道（Mono）、双声道（Stereo）、5.1声道等。

视频（Video）

视频是由一系列连续的图像组成的，通过快速连续播放这些图像，我们的眼睛和大脑就会产生连续运动的错觉，这就是所谓的视频。视频数据通常包括一系列的帧（Frame），每一帧都是一个静态的图像。

视频数据的基本属性包括分辨率（Resolution）、帧率（Frame Rate）和色彩空间（Color Space）。

• 分辨率（Resolution）：这是指视频帧的宽度和高度，单位是像素。常见的分辨率有480p（SD）、720p（HD）、1080p（Full HD）、4K等。
• 帧率（Frame Rate）：这是指每秒钟显示的帧数，单位是fps（frames per second）。常见的帧率有24fps、30fps、60fps等。
• 色彩空间（Color Space）：这是指用于表示颜色的数学模型。常见的色彩空间有RGB、YUV等。

在接下来的章节中，我们将深入探讨音频和视频编程中的关键术语和概念，包括音频的立体声（Stereo）、多声道（Multichannel）、采样格式（Sample Format）如PCM、FLTP等，以及视频的编码格式（Codec Format）如H.264、H.265等，和色彩空间（Color Space）如YUV、RGB等。我们还将介绍音视频流处理中的关键术语，如流媒体协议（Streaming Protocol）RTMP、HLS等，容器格式（Container Format）如MP4、MKV等，以及编解码库（Codec Library）如FFmpeg、Libav等。最后，我们将通过实践应用的例子，展示如何在编程中应用这些知识。

1.2 音频编程关键术语和概念（Key Terms and Concepts in Audio Programming）

在音频编程中，我们会遇到许多专业术语和概念。理解这些术语和概念对于深入理解音频编程至关重要。

立体声（Stereo）

立体声是一种音频录制和播放技术，它使用两个独立的音频信号来模拟人类的双耳听觉，从而创建出一种空间感。在音频编程中，我们通常需要处理立体声音频数据，这意味着我们需要处理两个独立的音频信号或声道。

多声道（Multichannel）

多声道音频是一种音频编码技术，它使用多个独立的音频信号或声道来创建出更丰富的空间感。常见的多声道音频格式包括5.1声道、7.1声道等。在音频编程中，处理多声道音频数据比处理立体声音频数据更复杂，因为我们需要处理更多的独立声道。

采样格式（Sample Format）

采样格式是指音频数据的数据格式，它决定了音频数据的精度和质量。常见的采样格式包括PCM、FLTP等。

• PCM（Pulse Code Modulation）：这是一种最基本的数字音频格式，它直接记录了声音波形的样本值。PCM音频数据的精度和质量取决于采样率和位深。
• FLTP（Floating Point Planar）：这是一种使用浮点数表示音频样本值的格式。FLTP音频数据的精度和质量通常比PCM音频数据更高。

在音频编程中，我们需要根据音频数据的采样格式来选择合适的处理方法和算法。

在接下来的章节中，我们将深入探讨这些音频编程的关键术语和概念，并通过实践应用的例子，展示如何在编程中应用这些知识。

1.3 视频编程关键术语和概念（Key Terms and Concepts in Video Programming）

视频编程也有其特定的术语和概念。理解这些术语和概念对于深入理解视频编程至关重要。

编码格式（Codec Format）

编码格式（Codec Format）是视频编程中的一个重要概念。编码格式定义了如何将原始的视频数据（通常是连续的图像帧）压缩成更小的数据，以便于存储和传输。常见的编码格式包括H.264、H.265、VP9等。每种编码格式都有其特定的压缩算法和特性，选择合适的编码格式可以根据具体的应用需求，如压缩效率、图像质量、解码性能等。

色彩空间（Color Space）

色彩空间（Color Space）是视频编程中的另一个重要概念。色彩空间定义了如何表示一个图像帧中的颜色。常见的色彩空间包括RGB、YUV等。RGB色彩空间使用红色（R）、绿色（G）和蓝色（B）三个通道来表示颜色，而YUV色彩空间则使用亮度（Y）和两个色差（U和V）来表示颜色。不同的色彩空间有不同的特性和应用场景，选择合适的色彩空间可以根据具体的应用需求，如图像质量、存储效率等。

2. 音频编程中的关键术语（Key Terminology in Audio Programming）

2.1 立体声（Stereo）和多声道（Multichannel）解析

在音频编程中，理解声道（Channel）的概念是非常重要的。声道是指音频信号在空间中的传播路径，它可以是物理的，如扬声器，也可以是虚拟的，如音频文件中的音频流。在音频编程中，我们常常会遇到如立体声（Stereo）和多声道（Multichannel）等术语，这些都是描述声道布局（Channel Layout）的方式。

立体声（Stereo）

立体声是最常见的声道布局，它包含两个声道：左声道（Left）和右声道（Right）。在立体声中，左右声道的音频信号是不同的，这种差异可以创建出音源在空间中的位置感，为听众带来更丰富、更真实的听觉体验。在音频编程中，我们可以通过编程方式来控制左右声道的音频信号，以实现立体声效果。

在FFmpeg中，我们可以使用AV_CH_LAYOUT_STEREO常量来表示立体声布局。例如，我们可以这样设置编解码器的声道布局：

AVCodecContext* codec_ctx = ...; // 编解码器上下文
codec_ctx->channel_layout = AV_CH_LAYOUT_STEREO; // 设置为立体声布局
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多声道（Multichannel）

多声道是指包含两个以上声道的声道布局。除了立体声之外，常见的多声道布局还包括四声道（Quadraphonic）、五点一声道（5.1 Surround）等。多声道可以提供更丰富的空间音效，使听众仿佛身临其境。

在FFmpeg中，我们可以使用如AV_CH_LAYOUT_QUAD、AV_CH_LAYOUT_5POINT1等常量来表示多声道布局。例如，我们可以这样设置编解码器的声道布局：

AVCodecContext* codec_ctx = ...; // 编解码器上下文
codec_ctx->channel_layout = AV_CH_LAYOUT_5POINT1; // 设置为5.1声道布局
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2

在处理多声道音频时，我们需要注意每个声道的音频信号是独立的，我们需要分别处理每个声道的音频数据。

以上就是立体声和多声道的基本概念和在音频编程中的应用。在下一节中，我们将介绍音频的采样格式，如PCM、FLTP等。

2.2 音频采样格式（Audio Sample Formats）

音频采样格式是指音频数据的表示方式，它决定了音频数据的精度和存储方式。在音频编程中，我们常常会遇到如PCM、FLTP等采样格式。

脉冲编码调制（Pulse Code Modulation, PCM）

脉冲编码调制是最常见的音频采样格式，它是数字音频的基础。在PCM中，音频信号被均匀地采样，并且每个采样点都被量化为一个固定位数的值。例如，16位PCM就是每个采样点被量化为一个16位的整数。

在FFmpeg中，PCM采样格式被表示为AV_SAMPLE_FMT_S16（16位有符号整数）、AV_SAMPLE_FMT_S32（32位有符号整数）等。例如，我们可以这样设置编解码器的采样格式：

AVCodecContext* codec_ctx = ...; // 编解码器上下文
codec_ctx->sample_fmt = AV_SAMPLE_FMT_S16; // 设置为16位PCM
1
2

浮点采样格式（Floating-Point Sample Formats）

除了整数PCM之外，音频数据也可以被表示为浮点数。浮点采样格式可以提供更高的精度和动态范围，但是它也需要更多的存储空间和计算资源。

在FFmpeg中，浮点采样格式被表示为AV_SAMPLE_FMT_FLT（单精度浮点数）、AV_SAMPLE_FMT_DBL（双精度浮点数）等。例如，我们可以这样设置编解码器的采样格式：

AVCodecContext* codec_ctx = ...; // 编解码器上下文
codec_ctx->sample_fmt = AV_SAMPLE_FMT_FLT; // 设置为单精度浮点数
1
2

以上就是音频采样格式的基本概念和在音频编程中的应用。在下一节中，我们将介绍音频的采样率和位深。

2.3 音频采样率和位深（Sampling Rate and Bit Depth）

音频采样率和位深是音频质量的两个重要参数，它们决定了音频的精度和动态范围。

音频采样率（Sampling Rate）

音频采样率是指每秒钟采样的次数，单位通常是Hz（赫兹）。例如，44100Hz的采样率表示每秒钟采样44100次。采样率越高，音频的频率响应范围越宽，音质越好。常见的音频采样率有44100Hz（CD质量）、48000Hz（DVD质量）等。

在FFmpeg中，我们可以这样设置编解码器的采样率：

AVCodecContext* codec_ctx = ...; // 编解码器上下文
codec_ctx->sample_rate = 44100; // 设置为44100Hz
1
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音频位深（Bit Depth）

音频位深是指每个采样点的数据位数。位深越高，音频的动态范围越大，音质越好。常见的音频位深有16位（CD质量）、24位（高解析度音频）等。

在FFmpeg中，音频位深是通过采样格式来表示的。例如，AV_SAMPLE_FMT_S16表示16位的整数PCM，AV_SAMPLE_FMT_FLT表示32位的浮点数。

以上就是音频采样率和位深的基本概念和在音频编程中的应用。在下一节中，我们将介绍音频的声道布局。

3. 视频编程中的关键术语（Key Terminology in Video Programming）

3.1 视频分辨率：SD，HD，4K等

视频分辨率（Resolution）是衡量视频质量的重要指标，它描述了视频画面中水平和垂直方向上的像素数量。分辨率越高，视频中的细节就越丰富，画面就越清晰。常见的视频分辨率包括SD（Standard Definition，标清）、HD（High Definition，高清）、Full HD（Full High Definition，全高清）、2K、4K、8K等。

3.1.1 SD（Standard Definition，标清）

SD是标准清晰度的简称，通常指的是分辨率为480i（720x480像素）或576i（720x576像素）的视频。在SD视频中，画面的宽度和高度分别是720和480或576像素。这种分辨率的视频在早期的电视和DVD中非常常见。

3.1.2 HD（High Definition，高清）

HD是高清晰度的简称，通常指的是分辨率为720p（1280x720像素）的视频。在HD视频中，画面的宽度和高度分别是1280和720像素。这种分辨率的视频在现代的电视和网络视频中非常常见，它的画面质量明显高于SD。

3.1.3 Full HD（Full High Definition，全高清）

Full HD是全高清晰度的简称，通常指的是分辨率为1080p（1920x1080像素）的视频。在Full HD视频中，画面的宽度和高度分别是1920和1080像素。这种分辨率的视频在高端电视和蓝光光盘中非常常见，它的画面质量明显高于HD。

3.1.4 2K

2K是一种高分辨率的视频格式，通常指的是分辨率为2048x1080像素的视频。在2K视频中，画面的宽度和高度分别是2048和1080像素。这种分辨率的视频在电影制作和高端电视中非常常见。

3.1.5 4K

4K是一种超高分辨率的视频格式，通常指的是分辨率为4096x2160像素或3840x2160像素的视频。在4K视频中，画面的宽度和高度分别是4096和2160像素或3840和2160像素。这种分辨率的视频在电影制作、高端电视和网络视频中非常常见，它的画面质量明显高于2K和Full HD。4K视频的高分辨率使得画面中的细节更加丰富，能够展示出其他视频格式无法呈现的细节[¹]。

3.1.6 8K

8K是一种超高分辨率的视频格式，通常指的是分辨率为7680x4320像素的视频。在8K视频中，画面的宽度和高度分别是7680和4320像素。这种分辨率的视频在电影制作、高端电视和网络视频中非常常见，它的画面质量明显高于4K。

3.2 音频格式和编码

视频分辨率（Resolution）是衡量视频质量的重要指标，它描述了视频画面中水平和垂直方向上的像素数量。分辨率越高，视频中的细节就越丰富，画面就越清晰。常见的视频分辨率包括SD（Standard Definition，标清）、HD（High Definition，高清）、Full HD（Full High Definition，全高清）、2K、4K、8K等。

音频格式和编码是音频处理的核心概念。在音频编码过程中，原始音频数据被转换为特定格式的数据，以便于存储或传输。音频编码的目标是在保持音质的同时，尽可能地减少数据的大小。下面我们将详细介绍几种常见的音频格式和编码方式。

3.2.1 PCM (Pulse Code Modulation，脉冲编码调制)

PCM是一种无损的音频编码格式，它直接对音频信号进行采样、量化和编码，不进行任何压缩。PCM编码的音频数据质量高，但数据量大，通常用于CD等高质量音频的存储。

在PCM编码中，音频信号首先被均匀采样，然后每个采样点被量化为一个固定位数的数字。例如，CD音频使用44.1kHz的采样率和16位的量化位数，每秒需要存储44100162（双声道）= 1.4Mbps的数据。

3.2.2 FLAC (Free Lossless Audio Codec，自由无损音频编解码器)

FLAC是一种流行的无损音频编码格式，它使用了一种类似于ZIP的无损压缩算法，可以在不损失音质的情况下减少音频数据的大小。FLAC编码的音频数据质量与原始PCM数据相同，但数据量只有原始数据的50%-60%。

FLAC编码首先对PCM数据进行预处理，然后使用一种叫做线性预测编码（LPC）的方法对预处理后的数据进行压缩。预处理包括交织（将多个声道的数据混合在一起）和装箱（将多个采样点组合在一起）。LPC是一种预测编码方法，它试图找到一个预测函数，使得预测值与实际值的差值（残差）最小。残差序列通常比原始数据更容易压缩。

3.2.3 MP3 (MPEG-1 Audio Layer III)

MP3是一种非常流行的有损音频编码格式，它使用了一种称为感知编码的技术，通过剔除人耳无法听到的音频信息，达到压缩数据的目的。MP3编码的音频数据量远小于PCM和FLAC，但音质也有所下降。

在MP3编码中，音频信号首先被分割为短的帧，每一帧都被单独编码。每一帧内的音频数据首先被转换到频域，然后通过一个

心理声学模型进行处理，剔除人耳无法听到的音频信息。最后，剩下的数据被量化并编码为比特流。

3.2.4 AAC (Advanced Audio Coding)

AAC是一种比MP3更先进的有损音频编码格式，它提供了更高的音质和更低的数据量。AAC编码使用了更复杂的心理声学模型和更高效的编码算法，可以提供比MP3更好的音质，特别是在低比特率下。

AAC编码的过程与MP3类似，也是将音频信号分割为短的帧，然后对每一帧进行频域转换和心理声学处理。但AAC使用了更复杂的心理声学模型，可以更准确地剔除人耳无法听到的音频信息。此外，AAC还使用了一种叫做临时噪声形状量化（TNS）的技术，可以进一步提高编码效率。

以上就是几种常见的音频编码格式和编码方式的介绍。在实际的音频处理中，我们需要根据具体的需求，如音质要求、数据量限制等，选择合适的音频编码格式和编码方式。

3.3 视频色彩空间：YUV，RGB等

在视频编程中，色彩空间（Color Space）是一个非常重要的概念。它定义了颜色的表示方式，影响了视频的质量和编解码效率。常见的色彩空间有YUV和RGB两种。

3.3.1 YUV色彩空间

YUV色彩空间（YUV Color Space）是一种常用于视频编程的色彩空间。它将颜色分解为亮度（Y）和色度（UV）两部分。这种分解方式的优点是能够更有效地压缩视频数据，因为人眼对亮度的敏感度远高于色度，所以在视频编码时，可以对色度信息进行更大程度的压缩，而不会明显影响视觉效果。

YUV色彩空间有多种变体，如YUV420，YUV422，YUV444等，这些变体主要区别在于色度的采样方式和采样率。

3.3.2 RGB色彩空间

RGB色彩空间（RGB Color Space）是另一种常用的色彩空间，它将颜色分解为红色（R），绿色（G）和蓝色（B）三个基本颜色分量。RGB色彩空间常用于计算机图形和图像处理中，因为它与人眼的感知方式相近，可以直接和直观地表示颜色。

RGB色彩空间的一个重要特性是它可以表示出非常丰富和精确的颜色，但这也意味着它需要更多的数据来表示颜色，因此在视频编码时，通常会将RGB色彩空间转换为YUV色彩空间，以实现更高效的压缩。

3.3.3 YUV与RGB的转换

在视频编程中，我们经常需要在YUV和RGB两种色彩空间之间进行转换。这种转换可以通过一组线性方程来实现。例如，从YUV到RGB的转换可以通过以下方程来实现：

R = Y + 1.13983 * V
G = Y - 0.39465 * U - 0.58060 * V
B = Y + 2.03211 * U
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2
3

这里的Y，U，V是YUV色彩空间的分量.

3.3.4 YUV与RGB的应用

在实际的视频编程中，YUV和RGB色彩空间的应用非常广泛。例如，在JPEG图像压缩标准中，就使用了YUV色彩空间来实现高效的图像压缩[1]。在移动设备的摄像头中，也会使用YUV色彩空间来实现高动态范围和低光照下的图像拍摄[2]。此外，还有一些方法可以实现快速的图像和视频的上采样，这些方法通常也会使用YUV或RGB色彩空间[3]。

在视频监控系统中，也会使用YUV和RGB色彩空间来进行对象的跟踪和分类[4]。在数据并行架构中，YUV和RGB色彩空间的转换也是一个重要的操作，可以实现高效的条件操作[5]。

以上就是对YUV和RGB色彩空间在视频编程中的应用的一些介绍。在实际的编程中，我们需要根据具体的需求和环境，选择合适的色彩空间，以实现高效和高质量的视频处理。

参考文献：

1. The JPEG still picture compression standard
2. Burst photography for high dynamic range and low-light imaging on mobile cameras
3. Fast image/video upsampling
4. Tracking and Object Classification for Automated Surveillance
5. Efficient conditional operations for data-parallel architectures

4. 音视频流处理中的关键术语（Key Terminology in Audio and Video Streaming）

4.1 流媒体协议：RTMP，HLS等

流媒体协议（Streaming Protocols）是音视频流处理中的核心概念，它规定了音视频数据如何在网络中传输。常见的流媒体协议有RTMP（Real Time Messaging Protocol，实时消息传输协议）和HLS（HTTP Live Streaming，HTTP直播流）等。

RTMP（Real Time Messaging Protocol，实时消息传输协议）

RTMP是由Adobe公司开发的一种设计用来进行实时数据通信的网络协议，主要用来在Flash/AIR平台上进行音视频和数据传输。RTMP基于TCP，保证了数据的高效可靠传输。

RTMP协议主要有三种变体：

• RTMP：基于TCP的，使用端口1935，提供持久连接，实现数据的实时通信。
• RTMPT：RTMP Tunneling，是RTMP的HTTP封装，可以穿越防火墙，使用端口80。
• RTMPS：RTMP over SSL，是RTMP的SSL封装，提供了更好的安全性。

RTMP协议的主要优点是低延迟，实时性强，适合用于直播等需要实时交互的场景。但缺点是需要特殊的服务器支持（如FMS，Nginx-rtmp-module等），并且由于基于TCP，所以在网络条件较差的情况下可能会出现卡顿。

HLS（HTTP Live Streaming，HTTP直播流）

HLS是由Apple公司提出的基于HTTP的流媒体网络传输协议。它的工作原理是将整个流分成一个个小的基于HTTP的文件来下载，每次下载的只是整个视频的一小部分片段，这样可以使播放器在下载整个文件的时候就可以播放。

HLS的主要优点是由于基于HTTP，因此可以通过CDN进行分发，易于扩展，且兼容性好，几乎所有的设备和平台都支持。并且由于HLS有自适应的特性，可以根据网络状况自动选择合适的码率进行播放，因此在网络条件较差的情况下依然可以保持流畅。但缺点是延迟相对较高，一般在10秒以上，不适合实时交互的场景。

在音视频编程中，我们需要根据具体的应用场景和需求，选择合适的流媒体协议。例如，如果我们需要实现低延迟的直播，

4.1.1 RTMP（实时消息传输协议）

RTMP（Real Time Messaging Protocol，实时消息传输协议）是由Adobe公司开发的一种设计用来进行实时数据通信的网络协议，主要用来在Flash/AIR平台上进行音视频和数据传输。RTMP基于TCP，保证了数据的高效可靠传输。

RTMP协议主要有三种变体：

• RTMP：基于TCP的，使用端口1935，提供持久连接，实现数据的实时通信。
• RTMPT：RTMP Tunneling，是RTMP的HTTP封装，可以穿越防火墙，使用端口80。
• RTMPS：RTMP over SSL，是RTMP的SSL封装，提供了更好的安全性。

RTMP协议的主要优点是低延迟，实时性强，适合用于直播等需要实时交互的场景。但缺点是需要特殊的服务器支持（如FMS，Nginx-rtmp-module等），并且由于基于TCP，所以在网络条件较差的情况下可能会出现卡顿。

4.1.2 HLS（HTTP直播流）

HLS（HTTP Live Streaming，HTTP直播流）是由Apple公司提出的基于HTTP的流媒体网络传输协议。它的工作原理是将整个流分成一个个小的基于HTTP的文件来下载，每次下载的只是整个视频的一小部分片段，这样可以使播放器在下载整个文件的时候就可以播放。

HLS的主要优点是由于基于HTTP，因此可以通过CDN进行分发，易于扩展，且兼容性好，几乎所有的设备和平台都支持。并且由于HLS有自适应的特性，可以根据网络状况自动选择合适的码率进行播放，因此在网络条件较差的情况下依然可以保持流畅。但缺点是延迟相对较高，一般在10秒以上，不适合实时交互的场景。[²]

在音视频编程中，我们需要根据具体的应用场景和需求，选择合适的流媒体协议。例如，如果我们需要实现低延迟的直播，可能会选择RTMP协议；而如果我们需要实现大规模的视频点播，可能会选择HLS协议。

4.1.3 音频格式：PCM，AAC等

音频格式（Audio Formats）是指音频数据的编码和存储方式。常见的音频格式有PCM（Pulse Code Modulation，脉冲编码调制）和AAC（Advanced Audio Coding，高级音频编码）等。

PCM（Pulse Code Modulation，脉冲编码调制）

PCM是一种数字音频编码格式，它将模拟信号转换为数字信号。PCM编码过程包括采样、量化和编码三个步骤。PCM是无损音频格式，即编码和解码过程中不会丢失音频信息，因此音质较好，但文件大小较大。

AAC（Advanced Audio Coding，高级音频编码）

AAC是一种有损音频编码格式，由MPEG组织开发。AAC相比于MP3，提供了更高的音质和更低的比特率。AAC广泛应用于各种设备和服务中，如iPhone、YouTube等。

4.1.4 视频格式：H.264，VP9等

视频格式（Video Formats）是指视频数据的编码和存储方式。常见的视频格式有H.264和VP9等。

H.264

H.264，也被称为MPEG-4 Part 10，是一种广泛使用的视频压缩编码格式。H.264提供了高质量的视频和相对较低的比特率，被广泛应用于各种场景，如网络视频、视频会议、数字电视等。

VP9

VP9是由Google开发的一种开源视频编码格式。VP9相比于H.264，提供了更高的压缩效率和更低的比特率，但编码和解码的复杂度也更高。VP9被广泛应用于各种在线视频服务，如YouTube[³]。

在音视频编程中，我们需要根据具体的应用场景和需求，选择合适的音频和视频格式。例如，如果我们需要实现高质量的音频播放，可能会选择PCM音频格式；而如果我们需要实现大规模的视频点播，可能会选择H.264或VP9视频格式

4.2 容器格式：MP4，MKV等

在音视频编程中，我们经常会遇到各种各样的文件格式，这些文件格式通常被称为“容器”（Container）。容器可以包含多种类型的数据，例如音频流，视频流，字幕，元数据等。每种容器都有其特定的特性和用途。下面我们将详细介绍几种常见的容器格式。

4.2.1 MP4（MPEG-4 Part 14）

MP4（MPEG-4 Part 14）是一种非常常见的容器格式，它由Moving Picture Experts Group（MPEG）开发。MP4格式支持多种类型的数据，包括音频（如AAC和MP3），视频（如H.264和H.265），字幕以及元数据。

MP4的主要优点是高度兼容性和广泛的支持。几乎所有的设备和平台都支持MP4格式，包括各种浏览器，操作系统，移动设备等。此外，MP4还支持高质量的视频和音频，以及高效的压缩算法，使得MP4文件可以在保持较高质量的同时，具有较小的文件大小。

4.2.2 MKV（Matroska Video）

MKV是一种开源的容器格式，它可以包含无限数量的音频，视频，字幕轨道以及元数据。MKV的主要优点是其灵活性和功能强大。例如，MKV支持几乎所有的音频和视频编解码格式，支持多种字幕格式，以及丰富的元数据。

MKV的一个重要特性是支持章节，菜单和元数据，这使得MKV非常适合用于存储电影和电视节目。此外，MKV还支持无损音频和高质量视频，使得它在音乐和电影爱好者中非常受欢迎。

4.2.3 其他容器格式

除了MP4和MKV之外，还有许多其他的容器格式，例如AVI，MOV，FLV等。这些格式各有其特点和用途，例如AVI格式在早期的Windows平台上非常流行，MOV是Apple的QuickTime软件的默认格式，FLV被广泛用于网络视频流等。

在选择容器格式时，需要考虑多

个因素，包括你的目标平台，所需的功能，以及你的音频和视频编解码格式等。

在音视频编程中，理解和选择合适的容器格式是非常重要的。不同的容器格式有不同的特性和优点，选择合适的容器可以帮助你更有效地处理和传输音视频数据。

4.3 编解码库：FFmpeg，Libav等

在音视频流处理中，编解码库（Codec Libraries）是非常关键的一部分，它们提供了音视频编解码、格式转换、流媒体传输等功能。在这里，我们将重点介绍两个广泛使用的开源编解码库：FFmpeg和Libav。

4.3.1 FFmpeg

FFmpeg（快速前向移动图片组）是一个开源的音视频处理库，包含了众多音视频编解码器，用于录制、转换数字音视频，并能将其转化为流。它提供了录制、转换以及流化音视频的完整解决方案，包括了领先的音、视频编码库。

1. 功能丰富：FFmpeg具有非常丰富的功能，包括音视频录制、音视频转换、音视频编解码、音视频流化等。它几乎支持所有的音视频格式，能够满足大部分音视频处理的需求。

2. 跨平台：FFmpeg不仅支持Linux，还支持Windows、Mac OS X等操作系统，甚至包括一些嵌入式系统，如Android和iOS。

3. 高效性能：FFmpeg在设计时充分考虑了效率问题，能够充分利用现代CPU的多核特性，进行并行处理，大大提高了音视频处理的效率。

4. 活跃的社区：FFmpeg有一个非常活跃的开源社区，不断有新的功能被添加进来，同时也有很多人在维护和优化，保证了FFmpeg的稳定性和先进性。

4.3.2 Libav

Libav是从FFmpeg项目中分离出来的一个开源项目，它提供了一套完整的解决方案，用于处理多媒体数据，包括音频、视频、字幕、元数据等。

1. 全面的解决方案：Libav包含了一系列工具，包括用于处理音视频数据的库，以及用于音视频转换、流化的命令行工具。

2. 高度兼容：由于Libav和FFmpeg有共同的祖先，因此它们在API和ABI上有很高的兼容性，大部分基于FFmpeg的应用可以无缝切换到Libav。

3. 活跃的社区：Libav也有一个

活跃的社区：Libav也有一个非常活跃的开源社区，不断有新的功能被添加进来，同时也有很多人在维护和优化，保证了Libav的稳定性和先进性。

在音视频流处理中，FFmpeg和Libav都是非常重要的工具，它们提供了丰富的功能，能够满足大部分音视频处理的需求。然而，它们各有特点，选择使用哪一个，需要根据具体的需求来决定。

例如，一项研究《A Novel Real-time Video Transmission Approach for Remote Laboratory Development》中，作者使用了FFmpeg来开发一个基于HTTP Live Streaming (HLS)协议的实时视频传输解决方案，成功解决了网络防火墙的问题，使得终端用户可以在任何便携设备上观看实时实验直播视频，无需担心防火墙问题或需要第三方插件。

这个例子展示了FFmpeg在处理音视频流时的强大能力。然而，这并不意味着Libav就没有用武之地，事实上，由于Libav和FFmpeg有共同的祖先，因此它们在API和ABI上有很高的兼容性，大部分基于FFmpeg的应用可以无缝切换到Libav，这为开发者提供了更多的选择。

总的来说，FFmpeg和Libav都是非常优秀的音视频处理库，选择使用哪一个，需要根据具体的项目需求和个人喜好来决定。

5. 音频采样格式详解

5.1 音频采样格式：平面格式（Planar Formats）

在音频编程中，除了音频采样的数据类型（如整数、浮点数等）外，音频数据的存储方式也是非常重要的。这就引出了我们的下一个主题：平面格式（Planar Formats）。

5.1.1 平面格式（Planar）和打包格式（Packed）

在处理多声道音频数据时，有两种常见的数据布局：平面（Planar）和打包（Packed）。

• 打包格式（Packed）：在打包格式中，多个声道的样本是交错存储的。例如，对于立体声（stereo）音频，左声道（L）和右声道（R）的样本可能会以LRLRLR的方式交错存储。

• 平面格式（Planar）：在平面格式中，每个声道的样本都是连续存储的。例如，对于立体声音频，所有左声道的样本会先存储，然后是所有右声道的样本，形成LL…RR…的存储方式。

5.1.2 FLTP（Float Planar）

FLTP是一种特殊的音频采样格式，它结合了浮点数和平面格式的特性。在FLTP中，音频数据是以浮点数形式存储的，并且采用平面格式布局。这意味着每个声道的所有样本都是连续存储的，而且每个样本都是浮点数。

FLTP格式的优点是它可以提供大的动态范围和精确的表示，同时也方便对单个声道的数据进行处理。例如，如果你想要修改音频的左声道，你可以直接访问存储左声道样本的内存区域，而不需要遍历整个音频数据来找到左声道的样本。

然而，FLTP格式的缺点是它需要更多的内存来存储音频数据，因为浮点数通常需要更多的存储空间。此外，处理浮点数也需要更多的计算资源，尤其是在嵌入式系统或低功耗设备上。

5.1.3 其他平面格式

除了FLTP外，还有其他的平面格式，如：

• S16P（Signed 16-bit Planar）：这是一种16位有符号整数平面格式。在S16P中，音频数据以16位有符号整数形式存储，并采用平面格式布局。

• U8P（Unsigned 8-bit Planar）：这是一种8位无符号整数平面格式。在U8P中，音频数据以8位无符号整数形式存储，并采用平面格式布局。

这些平面格式各有优缺点，选择哪种

格式取决于你的具体需求，包括你的音频数据的特性（如声道数、采样率等），你的硬件和软件环境（如处理器的性能、内存的大小、操作系统等），以及你的应用场景（如实时音频处理、音频文件编码等）。

5.1.4 平面格式的编程应用

在编程中，处理平面格式的音频数据需要一些特殊的技巧。由于平面格式中每个声道的样本都是连续存储的，所以我们不能简单地通过一个循环来遍历所有的样本。相反，我们需要分别处理每个声道的数据。

例如，假设我们有一个FLTP格式的立体声音频数据，我们想要将左声道的音量增加50%，右声道的音量减少50%。我们可以通过以下的代码来实现这个功能：

float *left_channel = audio_data;
float *right_channel = audio_data + num_samples;

for (int i = 0; i < num_samples; i++) {
    left_channel[i] *= 1.5;  // 增加左声道的音量
    right_channel[i] *= 0.5; // 减少右声道的音量
}
1
2
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4
5
6
7

在这个例子中，我们首先通过指针运算获取到左声道和右声道数据的起始位置。然后，我们分别处理左声道和右声道的数据，通过直接修改音频数据来改变音量。

这种处理方式的优点是它可以直接对音频数据进行操作，无需额外的数据结构或复杂的算法。然而，这也意味着我们需要对音频数据的内部结构有深入的理解，才能正确地处理平面格式的音频数据。

5.2音频采样格式：打包格式（Packed Formats）

在我们之前的讨论中，我们已经介绍了平面格式（Planar Formats），这是一种音频数据的布局方式，其中每个声道的样本都是连续存储的。然而，平面格式并不是唯一的音频数据布局方式。在这一节中，我们将介绍另一种常见的布局方式：打包格式（Packed Formats）。

5.2.1 打包格式（Packed）的概念

在打包格式（Packed）中，多个声道的样本是交错存储的。例如，对于立体声（stereo）音频，左声道（L）和右声道（R）的样本可能会以LRLRLR的方式交错存储。这种布局方式的优点是它可以更好地利用内存，因为它不需要为每个声道分配单独的内存区域。

5.2.2 打包格式的音频采样格式

在FFmpeg中，打包格式的音频采样格式通常以"P"结尾。例如：

• FLT（Float Packed）：在FLT中，音频数据是以浮点数形式存储的，并且采用打包格式布局。这意味着左声道和右声道的样本会交错存储，形成LRLRLR…的存储方式。

• S16（Signed 16-bit Packed）：这是一种16位有符号整数打包格式。在S16中，音频数据以16位有符号整数形式存储，并采用打包格式布局。

• U8（Unsigned 8-bit Packed）：这是一种8位无符号整数打包格式。在U8中，音频数据以8位无符号整数形式存储，并采用打包格式布局。

5.2.3 打包格式的编程应用

在编程中，处理打包格式的音频数据比处理平面格式的音频数据要简单一些。由于打包格式中多个声道的样本是交错存储的，我们可以通过一个简单的循环来遍历所有的样本。

例如，假设我们有一个FLT格式的立体声音频数据，我们想要将左声道的音量增加50%，右声道的音量减少50%。我们可以通过以下的代码来实现这个功能：

float *audio_data = ...;
int num_samples = ...;

for (int i = 0; i < num_samples; i += 2) {
    audio_data[i] *= 1.5;     // 增加左声道的音量
    audio_data[i + 1] *= 0.5; // 减少右声道的音量
}
1
2
3
4
5
6
7

在这个例子中，我们通过一个循环来遍历所有的样本。由于左声道和右声道的样本是交错存

储的，所以我们可以通过索引i和i+1来分别访问左声道和右声道的样本。然后，我们通过直接修改音频数据来改变音量。

这种处理方式的优点是它可以直接对音频数据进行操作，无需额外的数据结构或复杂的算法。然而，这也意味着我们需要对音频数据的内部结构有深入的理解，才能正确地处理打包格式的音频数据。

5.2.4 打包格式和平面格式的选择

在选择使用打包格式还是平面格式时，需要考虑多个因素。首先，打包格式的音频数据更容易处理，因为它们可以通过一个简单的循环来遍历所有的样本。然而，打包格式的音频数据在处理多声道音频时可能会遇到一些问题，因为不同声道的样本是交错存储的，这可能会导致缓存未命中（cache miss）和其他性能问题。

另一方面，平面格式的音频数据在处理多声道音频时更为高效，因为每个声道的样本都是连续存储的。然而，平面格式的音频数据在处理单声道音频时可能会浪费内存，因为它们需要为每个声道分配单独的内存区域。

总的来说，选择使用打包格式还是平面格式主要取决于你的具体需求，包括你的音频数据的特性（如声道数、采样率等），你的硬件和软件环境（如处理器的性能、内存的大小、操作系统等），以及你的应用场景（如实时音频处理、音频文件编码等）。

5.3 音频采样格式：其他格式

除了我们已经介绍的平面格式和打包格式，FFmpeg还支持其他一些音频采样格式。在这一节中，我们将介绍其中的一些。

5.3.1 双精度浮点数格式（Double）

在双精度浮点数格式（Double）中，音频数据是以双精度浮点数（即64位浮点数）形式存储的。这种格式提供了非常高的精度，但也需要更多的内存和计算资源。在FFmpeg中，双精度浮点数格式的音频采样格式通常以"D"开头。例如：

• DBL（Double Packed）：在DBL中，音频数据是以双精度浮点数形式存储的，并且采用打包格式布局。

• DBLP（Double Planar）：在DBLP中，音频数据是以双精度浮点数形式存储的，并且采用平面格式布局。

5.3.2 无符号整数格式（Unsigned Integer）

在无符号整数格式（Unsigned Integer）中，音频数据是以无符号整数形式存储的。这种格式通常用于表示非负的音频数据。在FFmpeg中，无符号整数格式的音频采样格式通常以"U"开头。例如：

• U8（Unsigned 8-bit Packed）：这是一种8位无符号整数打包格式。在U8中，音频数据以8位无符号整数形式存储，并采用打包格式布局。

• U8P（Unsigned 8-bit Planar）：这是一种8位无符号整数平面格式。在U8P中，音频数据以8位无符号整数形式存储，并采用平面格式布局。

5.3.3 有符号整数格式（Signed Integer）

在有符号整数格式（Signed Integer）中，音频数据是以有符号整数形式存储的。这种格式可以表示正数和负数的音频数据。在FFmpeg中，有符号整数格式的音频采样格式通常以"S"开头。例如：

• S16（Signed 16-bit Packed）：这是一种16位有符号整数打包格式。在S16中，音频数据以16位有符号整数形式存储，并采用打包格式布局。

• S16P（Signed 16-bit Planar）：这是一种16位有符号整数平面格式。在S16P中，音频数据以16位有符号整数形式存储，并采用平面格式布局。

这些音频采样格式提供了不同的精度和存储效率，可以根据具体的需求和资源限制来选择合适的格式。

6. 音视频编程的实践应用（Practical Applications of Audio and Video Programming）

6.1 使用FFmpeg进行音视频编解码

FFmpeg是一套可以用来记录、转换数字音频、视频，并能将其转化为流的开源计算机程序。它提供了录制、转换以及流化音视频的完整解决方案。在音视频编程中，我们常常需要对音视频数据进行编解码操作，而FFmpeg提供了一套完整的解决方案。

6.1.1 FFmpeg简介（Introduction to FFmpeg）

FFmpeg是一个开源项目，它包含了一系列的音视频处理工具，如ffmpeg, ffplay, ffprobe等。其中，ffmpeg是一个非常强大的工具，能够解码、编码、转码、复用、解复用、流、过滤和播放任何人类和机器创造的音/视频。

6.1.2 FFmpeg的音视频编解码流程（Audio and Video Encoding and Decoding Process of FFmpeg）

在FFmpeg中，音视频编解码的流程大致可以分为以下几个步骤：

1. 打开输入文件：使用avformat_open_input()函数打开输入文件，获取到AVFormatContext结构体。

2. 获取音视频流信息：使用avformat_find_stream_info()函数获取音视频流的信息。

3. 找到音视频流：在AVFormatContext中找到音频流和视频流。

4. 打开解码器：对于找到的音频流和视频流，需要找到对应的解码器，并使用avcodec_open2()函数打开解码器。

5. 读取音视频帧：使用av_read_frame()函数读取音视频帧。

6. 解码音视频帧：使用avcodec_send_packet()和avcodec_receive_frame()函数对音视频帧进行解码。

7. 处理解码后的帧：对解码后的帧进行处理，如显示视频、播放音频等。

8. 关闭解码器和输入文件：使用avcodec_close()和avformat_close_input()函数关闭解码器和输入文件。

以上就是使用FFmpeg进行音视频编解码的基本流程。在实际的音视频处理中，可能还需要进行音视频同步、格式转换等操作，这就需要更深入地学习和理解FFmpeg。

6.2 立体声和多声道音频处理

在音频处理中，声道布局是一个重要的概念。声道布局描述了音频数据中的声道信息，例如声道的数量、类型以及它们的相对位置等。在FFmpeg中，我们可以通过AVChannelLayout结构体来表示声道布局。

6.2.1 立体声（Stereo）

立体声，也称为双声道（Stereo），是一种音频系统，它使用两个独立的音频信号来模拟声音的方向性，从而创建出一种更为真实的音场环境。在立体声系统中，左声道（FL）和右声道（FR）的音频信号是独立的，它们可以分别连接到左右两个扬声器，从而模拟出声音的左右位置。

在FFmpeg中，我们可以使用AV_CH_LAYOUT_STEREO来表示立体声的声道布局，它包含了左声道（FL）和右声道（FR）。

6.2.2 多声道音频处理（Multi-Channel Audio Processing）

除了立体声，还有很多其他的声道布局，例如5.1声道、7.1声道等。这些声道布局通常用于家庭影院系统，它们可以提供更为丰富和真实的音场环境。

在FFmpeg中，我们可以使用AV_CH_LAYOUT_5POINT1、AV_CH_LAYOUT_7POINT1等来表示不同的多声道声道布局。

在处理多声道音频数据时，我们需要注意声道的顺序。在FFmpeg中，声道的顺序是固定的，例如在5.1声道中，声道的顺序为FL、FR、FC、LFE、BL、BR。

6.3 声道布局的转换

在音频处理中，我们可能会遇到需要改变声道布局的情况，例如将立体声转换为单声道，或者将5.1声道转换为立体声。在FFmpeg中，我们可以使用swr_alloc_set_opts函数来进行声道布局的转换。

6.3.1 立体声转单声道

立体声转单声道是一种常见的声道布局转换。在这种转换中，我们需要将左声道和右声道的音频数据合并为一个声道。

在FFmpeg中，我们可以设置swr_alloc_set_opts函数的out_ch_layout参数为AV_CH_LAYOUT_MONO，并将in_ch_layout参数设置为AV_CH_LAYOUT_STEREO，然后调用swr_init函数来初始化转换器。在转换音频数据时，我们可以使用swr_convert函数。

6.3.2 5.1声道转立体声

5.1声道转立体声是另一种常见的声道布局转换。在这种转换中，我们需要将5.1声道的音频数据合并为两个声道。

在FFmpeg中，我们可以设置swr_alloc_set_opts函数的out_ch_layout参数为AV_CH_LAYOUT_STEREO，并将in_ch_layout参数设置为AV_CH_LAYOUT_5POINT1，然后调用swr_init函数来初始化转换器。在转换音频数据时，我们可以使用swr_convert函数。

6.4 音频采样格式的处理

音频采样格式描述了音频数据的存储方式，例如，音频数据可以是整数或浮点数，可以是8位、16位、32位或64位，可以是有符号或无符号，等等。在FFmpeg中，音频采样格式由enum AVSampleFormat表示。

6.4.1 音频采样格式的转换

在音频处理中，我们可能会遇到需要改变音频采样格式的情况，例如，将16位整数格式转换为32位浮点数格式。在FFmpeg中，我们可以使用swr_alloc_set_opts函数来进行音频采样格式的转换。

在设置swr_alloc_set_opts函数的参数时，我们需要将out_sample_fmt参数设置为目标音频采样格式，将in_sample_fmt参数设置为源音频采样格式，然后调用swr_init函数来初始化转换器。在转换音频数据时，我们可以使用swr_convert函数。

6.4.2 音频采样格式的查询

在FFmpeg中，我们可以使用av_get_sample_fmt_name函数来获取音频采样格式的名称。这个函数接受一个enum AVSampleFormat参数，返回一个表示音频采样格式名称的字符串。

例如，我们可以使用以下代码来获取音频采样格式的名称：

const char* sample_fmt_name = av_get_sample_fmt_name(codec_ctx_->sample_fmt);
1

在这段代码中，codec_ctx_->sample_fmt是音频编解码器上下文中的音频采样格式，sample_fmt_name是音频采样格式的名称。

6.5 音频采样率的处理

音频采样率描述了在一秒钟内对音频信号进行采样的次数，单位是Hz（赫兹）。常见的音频采样率有44100Hz、48000Hz等。在FFmpeg中，音频采样率由整数表示。

6.5.1 音频采样率的转换

在音频处理中，我们可能会遇到需要改变音频采样率的情况，例如，将44100Hz的音频转换为48000Hz的音频。在FFmpeg中，我们可以使用swr_alloc_set_opts函数来进行音频采样率的转换。

在设置swr_alloc_set_opts函数的参数时，我们需要将out_sample_rate参数设置为目标音频采样率，将in_sample_rate参数设置为源音频采样率，然后调用swr_init函数来初始化转换器。在转换音频数据时，我们可以使用swr_convert函数。

6.5.2 音频采样率的查询

在FFmpeg中，我们可以直接从音频编解码器上下文中获取音频采样率。例如，我们可以使用以下代码来获取音频采样率：

int sample_rate = codec_ctx_->sample_rate;
1

在这段代码中，codec_ctx_->sample_rate是音频编解码器上下文中的音频采样率，sample_rate是获取到的音频采样率。

6.6 音频声道数的处理

音频声道数描述了音频信号中的声道数量。常见的音频声道数有1（单声道）、2（立体声）、5（5.1环绕声）等。在FFmpeg中，音频声道数由整数表示。

6.6.1 音频声道数的转换

在音频处理中，我们可能会遇到需要改变音频声道数的情况，例如，将单声道音频转换为立体声音频。在FFmpeg中，我们可以使用swr_alloc_set_opts函数来进行音频声道数的转换。

在设置swr_alloc_set_opts函数的参数时，我们需要将out_ch_layout参数设置为目标音频声道数对应的声道布局，将in_ch_layout参数设置为源音频声道数对应的声道布局，然后调用swr_init函数来初始化转换器。在转换音频数据时，我们可以使用swr_convert函数。

6.6.2 音频声道数的查询

在FFmpeg中，我们可以直接从音频编解码器上下文中获取音频声道数。例如，我们可以使用以下代码来获取音频声道数：

int channels = codec_ctx_->channels;
1

在这段代码中，codec_ctx_->channels是音频编解码器上下文中的音频声道数，channels是获取到的音频声道数。

在下一节，我们将介绍如何处理不同的音频格式。

6.7 音频格式的处理

音频格式描述了音频数据的存储方式。常见的音频格式有PCM、FLTP等。在FFmpeg中，音频格式由枚举类型AVSampleFormat表示。

6.7.1 音频格式的转换

在音频处理中，我们可能会遇到需要改变音频格式的情况，例如，将PCM格式的音频转换为FLTP格式的音频。在FFmpeg中，我们可以使用swr_alloc_set_opts函数来进行音频格式的转换。

在设置swr_alloc_set_opts函数的参数时，我们需要将out_sample_fmt参数设置为目标音频格式，将in_sample_fmt参数设置为源音频格式，然后调用swr_init函数来初始化转换器。在转换音频数据时，我们可以使用swr_convert函数。

6.7.2 音频格式的查询

在FFmpeg中，我们可以直接从音频编解码器上下文中获取音频格式。例如，我们可以使用以下代码来获取音频格式：

AVSampleFormat sample_fmt = codec_ctx_->sample_fmt;
1

在这段代码中，codec_ctx_->sample_fmt是音频编解码器上下文中的音频格式，sample_fmt是获取到的音频格式。