如何搞定棘手的音视频不同步问题!

本文主要描述音视频同步原理,及常见的音视频同步方案,并以代码示例,展示如何以音频的播放时长为基准,将视频同步到音频上以实现视音频的同步播放。

音视频同步简单介绍

对于一个播放器,一般来说,其基本构成均可划分为以下几部分:数据接收(网络/本地)->解复用->音视频解码->音视频同步->音视频输出。

基本框架如下图所示:

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为什么需要音视频同步?

媒体数据经过解复用流程后,音频/视频解码便是独立的,也是独立播放的。而在音频流和视频流中,其播放速度都是有相关信息指定的:

  • 视频:帧率,表示视频一秒显示的帧数。
  • 音频:采样率,表示音频一秒播放的样本的个数。
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从帧率及采样率,即可知道视频/音频播放速度。声卡和显卡均是以一帧数据来作为播放单位,如果单纯依赖帧率及采样率来进行播放,在理想条件下,应该是同步的,不会出现偏差。以一个44.1KHz的AAC音频流和24FPS的视频流为例:

一个AAC音频frame每个声道包含1024个采样点,则一个frame的播放时长(duration)为:(1024/44100)×1000ms = 23.22ms;一个视频frame播放时长(duration)为:1000ms/24 = 41.67ms。理想情况下,音视频完全同步,音视频播放过程如下图所示:

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但实际情况下,如果用上面那种简单的方式,慢慢的就会出现音视频不同步的情况,要不是视频播放快了,要么是音频播放快了。可能的原因如下:

  • 一帧的播放时间,难以精准控制。音视频解码及渲染的耗时不同,可能造成每一帧输出有一点细微差距,长久累计,不同步便越来越明显。(例如受限于性能,42ms才能输出一帧)
  • 音频输出是线性的,而视频输出可能是非线性,从而导致有偏差。
  • 媒体流本身音视频有差距。(特别是TS实时流,音视频能播放的第一个帧起点不同)

所以,解决音视频同步问题,引入了时间戳:

首先选择一个参考时钟(要求参考时钟上的时间是线性递增的);编码时依据参考时钟上的给每个音视频数据块都打上时间戳;播放时,根据音视频时间戳及参考时钟,来调整播放。所以,视频和音频的同步实际上是一个动态的过程,同步是暂时的,不同步则是常态。以参考时钟为标准,放快了就减慢播放速度;播放快了就加快播放的速度。

接下来,我们介绍媒体流中时间戳的概念。

DTS和PTS简介

在介绍DTS/PTS之前,我们先了解I/P/B帧的概念。I/P/B帧本身和音视频同步关系不大,但理解其概念有助于我们了解DTS/PTS存在的意义。

视频本质上是由一帧帧画面组成,但实际应用过程中,每一帧画面会进行压缩(编码)处理,已达到减少空间占用的目的。

编码方式可以分为帧内编码和帧间编码。

内编码方式:

即只利用了单帧图像内的空间相关性,对冗余数据进行编码,达到压缩效果,而没有利用时间相关性,不使用运动补偿。所以单靠自己,便能完整解码出一帧画面。

帧间编码:

由于视频的特性,相邻的帧之间其实是很相似的,通常是运动矢量的变化。利用其时间相关性,可以通过参考帧运动矢量的变化来预测图像,并结合预测图像与原始图像的差分,便能解码出原始图像。所以,帧间编码需要依赖其他帧才能解码出一帧画面。

由于编码方式的不同,视频中的画面帧就分为了不同的类别,其中包括:I 帧、P 帧、B 帧。I 帧、P 帧、B 帧的区别在于:

  • I 帧(Intra coded frames):I 帧图像采用帧I 帧使用帧内压缩,不使用运动补偿,由于 I 帧不依赖其它帧,可以独立解码。I 帧图像的压缩倍数相对较低,周期性出现在图像序列中的,出现频率可由编码器选择。
  • P 帧(Predicted frames):P 帧采用帧间编码方式,即同时利用了空间和时间上的相关性。P 帧图像只采用前向时间预测,可以提高压缩效率和图像质量。P 帧图像中可以包含帧内编码的部分,即 P 帧中的每一个宏块可以是前向预测,也可以是帧内编码。
  • B 帧(Bi-directional predicted frames):B 帧图像采用帧间编码方式,且采用双向时间预测,可以大大提高压缩倍数。也就是其在时间相关性上,还依赖后面的视频帧,也正是由于 B 帧图像采用了后面的帧作为参考,因此造成视频帧的传输顺序和显示顺序是不同的。

也就是说,一个 I 帧可以不依赖其他帧就解码出一幅完整的图像,而 P 帧、B 帧不行。P 帧需要依赖视频流中排在它前面的帧才能解码出图像。B 帧则需要依赖视频流中排在它前面或后面的I/P帧才能解码出图像。

对于I帧和P帧,其解码顺序和显示顺序是相同的,但B帧不是,如果视频流中存在B帧,那么就会打算解码和显示顺序。

正因为解码和显示的这种非线性关系,所以需要DTS、PTS来标识帧的解码及显示时间。

时间戳DTS、PTS:

  • DTS(Decoding Time Stamp):即解码时间戳,这个时间戳的意义在于告诉播放器该在什么时候解码这一帧的数据。
  • PTS(Presentation Time Stamp):即显示时间戳,这个时间戳用来告诉播放器该在什么时候显示这一帧的数据。

当视频流中没有 B 帧时,通常 DTS 和 PTS 的顺序是一致的。但如果有 B 帧时,就回到了我们前面说的问题:解码顺序和播放顺序不一致了,即视频输出是非线性的。

比如一个视频中,帧的显示顺序是:I B B P,因为B帧解码需要依赖P帧,因此这几帧在视频流中的顺序可能是:I P B B,这时候就体现出每帧都有 DTS 和 PTS 的作用了。DTS 告诉我们该按什么顺序解码这几帧图像,PTS 告诉我们该按什么顺序显示这几帧图像。顺序大概如下:

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从流分析工具看,流中P帧在B帧之前,但显示确实在B帧之后。

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需要注意的是:虽然 DTS、PTS 是用于指导播放端的行为,但它们是在编码的时候由编码器生成的。

以我们最常见的TS为例:

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附上TS流解析PTS示例:

#define MAKE_WORD(h, l) (((h) << 8) | (l))
//packet为PES
int64_t get_pts(const uint8_t *packet)
{
    const uint8_t *p = packet;
    if(packet == NULL) {
        return -1;
    }

    if(!(p[0] == 0x00 && p[1] == 0x00 && p[2] == 0x01)) { //pes sync word
        return -1;
    }
    p += 3; //jump pes sync word
    p += 4; //jump stream id(1) pes length(2) pes flag(1)

    int pts_pts_flag = *p >> 6;
    p += 2; //jump pes flag(1) pes header length(1)
    if (pts_pts_flag & 0x02) {
        int64_t pts32_30, pts29_15, pts14_0, pts;
  pts32_30 = (*p) >> 1 & 0x07; 
        p += 1;
        pts29_15 = (MAKE_WORD(p[0],p[1])) >> 1;
        p += 2;
        pts14_0  = (MAKE_WORD(p[0],p[1])) >> 1;
        p += 2;
        pts = (pts32_30 << 30) | (pts29_15 << 15) | pts14_0;
        
        return pts;
    }
    return -1;
}

常用同步策略:

前面已经说了,实现音视频同步,在播放时,需要选定一个参考时钟,读取帧上的时间戳,同时根据的参考时钟来动态调节播放。现在已经知道时间戳就是PTS,那么参考时钟的选择一般来说有以下三种:

  • 1、将视频同步到音频上:就是以音频的播放速度为基准来同步视频。
  • 2、将音频同步到视频上:就是以视频的播放速度为基准来同步音频。
  • 3、将视频和音频同步外部的时钟上:选择一个外部时钟为基准,视频和音频的播放速度都以该时钟为标准。

当播放源比参考时钟慢,则加快其播放速度,或者丢弃;快了,则延迟播放。

这三种是最基本的策略,考虑到人对声音的敏感度要强于视频,频繁调节音频会带来较差的观感体验,且音频的播放时钟为线性增长,所以一般会以音频时钟为参考时钟,视频同步到音频上。在实际使用基于这三种策略做一些优化调整,例如:

  • 调整策略可以尽量采用渐进的方式,因为音视频同步是一个动态调节的过程,一次调整让音视频PTS完全一致,没有必要,且可能导致播放异常较为明显。
  • 调整策略仅仅对早到的或晚到的数据块进行延迟或加快处理,有时候是不够的。如果想要更加主动并且有效地调节播放性能,需要引入一个反馈机制,也就是要将当前数据流速度太快或太慢的状态反馈给“源”,让源去放慢或加快数据流的速度。
  • 对于起播阶段,特别是TS实时流,由于视频解码需要依赖第一个I帧,而音频是可以实时输出,可能出现的情况是视频PTS超前音频PTS较多,这种情况下进行同步,势必造成较为明显的慢同步。处理这种情况的较好方法是将较为多余的音频数据丢弃,尽量减少起播阶段的音视频差距。

音视频同步简单示例代码

代码参考ffplay实现方式,同时加入自己的修改。以audio为参考时钟,video同步到音频的示例代码:

  • 1、获取当前要显示的video PTS,减去上一帧视频PTS,则得出上一帧视频应该显示的时长delay;
  • 2、当前video PTS与参考时钟当前audio PTS比较,得出音视频差距diff;
  • 3、获取同步阈值sync_threshold,为一帧视频差距,范围为10ms-100ms;
  • 4、diff小于sync_threshold,则认为不需要同步;否则delay+diff值,则是正确纠正delay;
  • 4、如果超过sync_threshold,且视频落后于音频,那么需要减小delay(FFMAX(0, delay + diff)),让当前帧尽快显示。
  • 5、如果视频落后超过1秒,且之前10次都快速输出视频帧,那么需要反馈给音频源减慢,同时反馈视频源进行丢帧处理,让视频尽快追上音频。因为这很可能是视频解码跟不上了,再怎么调整delay也没用。
  • 6、如果超过sync_threshold,且视频快于音频,那么需要加大delay,让当前帧延迟显示。将delay*2慢慢调整差距,这是为了平缓调整差距,因为直接delay+diff,会让画面画面迟滞。如果视频前一帧本身显示时间很长,那么直接delay+diff一步调整到位,因为这种情况再慢慢调整也没太大意义。
  • 7、考虑到渲染的耗时,还需进行调整。frame_timer为一帧显示的系统时间,frame_timer+delay- curr_time,则得出正在需要延迟显示当前帧的时间。
{
    video->frameq.deQueue(&video->frame);
    //获取上一帧需要显示的时长delay
    double current_pts = *(double *)video->frame->opaque;
    double delay = current_pts - video->frame_last_pts;
    if (delay <= 0 || delay >= 1.0)
    {
        delay = video->frame_last_delay;
    }
   
    // 根据视频PTS和参考时钟调整delay
    double ref_clock = audio->get_audio_clock();
    double diff = current_pts - ref_clock;// diff < 0 :video slow,diff > 0 :video fast
    //一帧视频时间或10ms,10ms音视频差距无法察觉
    double sync_threshold = FFMAX(MIN_SYNC_THRESHOLD, FFMIN(MAX_SYNC_THRESHOLD, delay)) ;
    
    audio->audio_wait_video(current_pts,false);
    video->video_drop_frame(ref_clock,false);
    if (!isnan(diff) && fabs(diff) < NOSYNC_THRESHOLD) // 不同步
    {
        if (diff <= -sync_threshold)//视频比音频慢,加快
        {
            delay = FFMAX(0,  delay + diff);
            static int last_delay_zero_counts = 0;
            if(video->frame_last_delay <= 0)
            {
                last_delay_zero_counts++;
            }
            else
            {
                last_delay_zero_counts = 0;
            }
            if(diff < -1.0 && last_delay_zero_counts >= 10)
            {
                printf("maybe video codec too slow, adjust video&audion");
                #ifndef DORP_PACK
                audio->audio_wait_video(current_pts,true);//差距较大,需要反馈音频等待视频
                #endif          
                video->video_drop_frame(ref_clock,true);//差距较大,需要视频丢帧追上
            }
        }    
        //视频比音频快,减慢
        else if (diff >= sync_threshold && delay > SYNC_FRAMEDUP_THRESHOLD)
            delay = delay + diff;//音视频差距较大,且一帧的超过帧最常时间,一步到位
        else if (diff >= sync_threshold)
            delay = 2 * delay;//音视频差距较小,加倍延迟,逐渐缩小
    }

    video->frame_last_delay = delay;
    video->frame_last_pts = current_pts;

    double curr_time = static_cast<double>(av_gettime()) / 1000000.0;
    if(video->frame_timer == 0)
    {
        video->frame_timer = curr_time;//show first frame ,set frame timer
    }

    double actual_delay = video->frame_timer + delay - curr_time;
    if (actual_delay <= MIN_REFRSH_S)
    {
        actual_delay = MIN_REFRSH_S;
    }
    usleep(static_cast<int>(actual_delay * 1000 * 1000));
    //printf("actual_delay[%lf] delay[%lf] diff[%lf]n",actual_delay,delay,diff);
    // Display
    SDL_UpdateTexture(video->texture, &(video->rect), video->frame->data[0], video->frame->linesize[0]);
    SDL_RenderClear(video->renderer);
    SDL_RenderCopy(video->renderer, video->texture, &video->rect, &video->rect);
    SDL_RenderPresent(video->renderer);
    video->frame_timer = static_cast<double>(av_gettime()) / 1000000.0 ;
    
    av_frame_unref(video->frame);
    
    //update next frame
    schedule_refresh(media, 1);
}

作者:wusc’blog

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