Android: MediaCodec视频文件硬件解码,高效率得到YUV格式帧,快速保存JPEG图片(不使用OpenGL)

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https://www.polarxiong.com/archives/Android-MediaCodec%E8%A7%86%E9%A2%91%E6%96%87%E4%BB%B6%E7%A1%AC%E4%BB%B6%E8%A7%A3%E7%A0%81-%E9%AB%98%E6%95%88%E7%8E%87%E5%BE%97%E5%88%B0YUV%E6%A0%BC%E5%BC%8F%E5%B8%A7-%E5%BF%AB%E9%80%9F%E4%BF%9D%E5%AD%98JPEG%E5%9B%BE%E7%89%87-%E4%B8%8D%E4%BD%BF%E7%94%A8OpenGL.html

 

Android: hardware decode video file through MediaCodec, get YUV format video frames directly (without OpenGL), efficiently save frames as YUV/JEPG format to file.

特点

以H.264编码分辨率1920x1080视频文件为例

• 需要Android API 21
• 直接将视频解码为YUV格式帧，不经过OpenGL，不转换为RGB
• 对绝大多数设备和绝大多数视频编码格式，都可以解码得到NV21或I420格式帧数据
• 30ms内获得NV21或I420格式帧数据
• 10ms内将NV21或I420格式帧数据写入到文件
• 对得到的NV21格式帧数据，在110ms内完成JPEG格式的转换和写入到文件

背景

因为实验需要在Android上高效率解码视频文件，并获得YUV格式帧数据，遂搜索寻找解决方法。最初找到bigflake的Android MediaCodec stuff，硬件解码视频不可多得的示例代码，其中提供了结合MediaCodec和OpenGL硬件解码视频并得到RGB格式帧数据，以及写入bitmap图片到文件的方法，测试发现效果不错，但我想要的是得到YUV格式的帧数据；在继续寻找RGB转YUV的方法时，苦于没有找到高效实现这个转换的方法，遂作罢。

后来发现MediaCodec解码得到的原始帧数据应当就是YUV格式，然后看到stackoverflow上的讨论Why doesn't the decoder of MediaCodec output a unified YUV format(like YUV420P)?，发现有人和我有一样的需要，但他已经发现了不同设备MediaCodec解码得到的YUV格式不相同这个问题，且由于各种格式繁杂，很难写出高效的格式转换方法。然后又发现了来自加州理工学院的一篇文章Android MediaCodec Formats，别人统计了市面上Android设备MediaCodec解码得到的不同YUV格式所占的比例，表格中显示出格式之繁多，且以COLOR_QCOM_FormatYUV420SemiPlanar32m，OMX_QCOM_COLOR_FormatYUV420PackedSemiPlanar64x32Tile2m8ka和COLOR_FormatYUV420SemiPlanar占据绝大多数。考虑放弃MediaCodec直接得到统一格式的YUV格式帧数据。

再后来不死心继续找，偶然找到了一份Android CTS测试Image和ImageReader类的代码，发现了由MediaCodec解码直接得到指定YUV格式（如NV21，I420）视频帧的方法，遂有了此文。

概述

简单来说，整个过程是，MediaCodec将编码后的视频文件解码得到YUV420类的视频帧，然后将视频帧格式转换为NV21或I420格式，由用户进行后续处理；若需要写入.yuv文件，直接将转换后的数据写入即可。若需要保存为JPEG格式图片，将NV21格式帧数据转换为JPEG格式并写入。

详细来说，CTS测试中透露出可以指定硬件解码得到帧编码格式，虽然不同设备支持的编码格式都不尽相同，但得益于API 21加入的COLOR_FormatYUV420Flexible格式，MediaCodec的所有硬件解码都支持这种格式。但这样解码后得到的YUV420的具体格式又会因设备而异，如YUV420Planar，YUV420SemiPlanar，YUV420PackedSemiPlanar等。然而又得益于API 21对MediaCodec加入的Image类的支持，可以实现简单且高效的任意YUV420格式向如NV21，I420等格式的转换，这样就得到了一个统一的、可以预先指定的YUV格式视频帧。再进一步，YuvImage类提供了一种高效的NV21格式转换为JPEG格式并写入文件的方法，可以实现将解码得到的视频帧保存为JPEG格式图片的功能，且整个过程相比bigflake中提供的YUV经OpenGL转换为RGB格式，然后通过Bitmap类保存为图片，效率高很多。

MediaCodec指定帧格式

实际上，MediaCodec不仅在编码，而且在解码是也能够指定帧格式。能够指定的原因是，解码得到的帧的格式，并不是由如H.264编码的视频文件提前确定的，而是由解码器确定的，解码器支持哪些帧格式，就可以解码出哪些格式的帧。

获取支持的格式

MediaCodec虽然可以指定帧格式，但也不是能指定为任意格式，是需要硬件支持的。首先看看对于特定视频编码格式的MediaCodec解码器，支持哪些帧格式。

Java

private static int selectTrack(MediaExtractor extractor) { int numTracks = extractor.getTrackCount(); for (int i = 0; i < numTracks; i++) { MediaFormat format = extractor.getTrackFormat(i); String mime = format.getString(MediaFormat.KEY_MIME); if (mime.startsWith("video/")) { if (VERBOSE) { Log.d(TAG, "Extractor selected track " + i + " (" + mime + "): " + format); } return i; } } return -1; } private void showSupportedColorFormat(MediaCodecInfo.CodecCapabilities caps) { System.out.print("supported color format: "); for (int c : caps.colorFormats) { System.out.print(c + "\t"); } System.out.println(); } MediaExtractor extractor = null; MediaCodec decoder = null; File videoFile = new File(videoFilePath); extractor = new MediaExtractor(); extractor.setDataSource(videoFile.toString()); int trackIndex = selectTrack(extractor); if (trackIndex < 0) { throw new RuntimeException("No video track found in " + videoFilePath); } extractor.selectTrack(trackIndex); MediaFormat mediaFormat = extractor.getTrackFormat(trackIndex); String mime = mediaFormat.getString(MediaFormat.KEY_MIME); decoder = MediaCodec.createDecoderByType(mime); showSupportedColorFormat(decoder.getCodecInfo().getCapabilitiesForType(mime)); 

MediaExtractor负责读取视频文件，获得视频文件信息，以及提供 视频编码后的帧数据（如H.264）。selectTrack()获取视频所在的轨道号，getTrackFormat()获得视频的编码信息。再以此编码信息通过createDecoderByType()获得一个解码器，然后通过showSupportedColorFormat()就可以得到这个解码器支持的帧格式了。

比如对于我的设备，对于支持video/avc的解码器，支持的帧格式是

supported color format: 2135033992  21  47  25  27  35  40  52  2130706433  2130706434  20

这里的数字对应MediaCodecInfo.CodecCapabilities定义的帧格式，如2135033992对应COLOR_FormatYUV420Flexible，21对应COLOR_FormatYUV420SemiPlanar，25对应COLOR_FormatYCbYCr，27对应COLOR_FormatCbYCrY，35对应COLOR_FormatL8，40对应COLOR_FormatYUV422PackedSemiPlanar，20对应COLOR_FormatYUV420PackedPlanar。

COLOR_FormatYUV420Flexible

这里简单谈谈COLOR_FormatYUV420Flexible，YUV420Flexible并不是一种确定的YUV420格式，而是包含COLOR_FormatYUV411Planar, COLOR_FormatYUV411PackedPlanar, COLOR_FormatYUV420Planar, COLOR_FormatYUV420PackedPlanar, COLOR_FormatYUV420SemiPlanar和COLOR_FormatYUV420PackedSemiPlanar。在API 21引入YUV420Flexible的同时，它所包含的这些格式都deprecated掉了。

那么为什么所有的解码器都支持YUV420Flexible呢？官方没有说明这点，但我猜测，只要解码器支持YUV420Flexible中的任意一种格式，就会被认为支持YUV420Flexible格式。也就是说，几乎所有的解码器都支持YUV420Flexible代表的格式中的一种或几种。

指定帧格式

平常初始化MediaCodec并启动解码器是用如下代码

Java

decoder.configure(mediaFormat, null, null, 0); decoder.start(); 

其中mediaFormat是之前得到的视频编码信息，这样向解码器确定了各种参数后，就能正常解码了。

而指定帧格式是在上述代码前增加

Java

mediaFormat.setInteger(MediaFormat.KEY_COLOR_FORMAT, MediaCodecInfo.CodecCapabilities.COLOR_FormatYUV420Flexible); 

仅此一行，用来指定解码后的帧格式，换句话说，解码器将编码的帧解码为这种指定的格式。前面说到YUV420Flexible是几乎所有解码器都支持的，所以可以直接写死。

这个指定方法就是我在CTS中发现的，因为官方文档对KEY_COLOR_FORMAT的描述是set by the user for encoders, readable in the output format of decoders，也就是说只用在编码器中，而不是我们现在用的解码器中！

转换格式和写入文件

主体框架

先贴主体部分的代码

Java

final int width = mediaFormat.getInteger(MediaFormat.KEY_WIDTH); final int height = mediaFormat.getInteger(MediaFormat.KEY_HEIGHT); int outputFrameCount = 0; while (!sawOutputEOS) { if (!sawInputEOS) { int inputBufferId = decoder.dequeueInputBuffer(DEFAULT_TIMEOUT_US); if (inputBufferId >= 0) { ByteBuffer inputBuffer = decoder.getInputBuffer(inputBufferId); int sampleSize = extractor.readSampleData(inputBuffer, 0); if (sampleSize < 0) { decoder.queueInputBuffer(inputBufferId, 0, 0, 0L, MediaCodec.BUFFER_FLAG_END_OF_STREAM); sawInputEOS = true; } else { long presentationTimeUs = extractor.getSampleTime(); decoder.queueInputBuffer(inputBufferId, 0, sampleSize, presentationTimeUs, 0); extractor.advance(); } } } int outputBufferId = decoder.dequeueOutputBuffer(info, DEFAULT_TIMEOUT_US); if (outputBufferId >= 0) { if ((info.flags & MediaCodec.BUFFER_FLAG_END_OF_STREAM) != 0) { sawOutputEOS = true; } boolean doRender = (info.size != 0); if (doRender) { outputFrameCount++; Image image = decoder.getOutputImage(outputBufferId); if (outputImageFileType != -1) { String fileName; switch (outputImageFileType) { case FILE_TypeI420: fileName = OUTPUT_DIR + String.format("frame_%05d_I420_%dx%d.yuv", outputFrameCount, width, height); dumpFile(fileName, getDataFromImage(image, COLOR_FormatI420)); break; case FILE_TypeNV21: fileName = OUTPUT_DIR + String.format("frame_%05d_NV21_%dx%d.yuv", outputFrameCount, width, height); dumpFile(fileName, getDataFromImage(image, COLOR_FormatNV21)); break; case FILE_TypeJPEG: fileName = OUTPUT_DIR + String.format("frame_%05d.jpg", outputFrameCount); compressToJpeg(fileName, image); break; } } image.close(); decoder.releaseOutputBuffer(outputBufferId, true); } } } 

上述代码是MediaCodec解码的一般框架，不作过多解释。 不同于bigflake的是MediaCodec解码的输出没有指定一个Surface，而是利用API 21新功能，直接通过getOutputImage()将视频帧以Image的形式取出。

而我们现在得到的Image就可以确定是YUV420Flexible格式，而得益于Image类的抽象，我们又可以非常方便地将其转换为NV21或I420格式。关于具体的转换和写入文件的细节，参见我的另一篇文章Android: YUV_420_888编码Image转换为I420和NV21格式byte数组。

总结

这篇文章饼画的很大，但写的很短，因为还有一大部分内容在如上链接中的文章中讲到。对于仅仅需要将视频切分为一帧一帧并保存为图片的用户来说，使用这种方法比bigflake的方法会快10倍左右，因为没有OpenGL渲染，以及转换为Bitmap的开销。而对于需要获得视频帧YUV格式数据的用户来说，这种方法能够直接得到YUV格式数据，中间没有数学运算，不会出现不必要的精度损失，而且，也是效率最高的。

此方法的核心原理就是通过指定解码器参数，保证了解码得到的帧格式一定是YUV420Flexible；通过Image实现了健壮且高效的YUV格式转换方法；通过YuvImage实现了快速的JPEG格式图片生成和写入的方法。

Demo

依照上面的描述，本文附带了一个Android APP Demo，指定输入视频文件和输出文件夹名，此APP可将视频帧保存为I420、NV21或JPEG格式。如有需要，请点击zhantong/Android-VideoToImages。

主要代码

Java

import android.graphics.ImageFormat; import android.graphics.Rect; import android.graphics.YuvImage; import android.media.Image; import android.media.MediaCodec; import android.media.MediaCodecInfo; import android.media.MediaExtractor; import android.media.MediaFormat; import android.util.Log; import java.io.File; import java.io.FileOutputStream; import java.io.IOException; import java.nio.ByteBuffer; import java.util.concurrent.LinkedBlockingQueue; public class New { private static final String TAG = "VideoToFrames"; private static final boolean VERBOSE = true; private static final long DEFAULT_TIMEOUT_US = 10000; private static final int COLOR_FormatI420 = 1; private static final int COLOR_FormatNV21 = 2; public static final int FILE_TypeI420 = 1; public static final int FILE_TypeNV21 = 2; public static final int FILE_TypeJPEG = 3; private final int decodeColorFormat = MediaCodecInfo.CodecCapabilities.COLOR_FormatYUV420Flexible; private int outputImageFileType = -1; private String OUTPUT_DIR; public void setSaveFrames(String dir, int fileType) throws IOException { if (fileType != FILE_TypeI420 && fileType != FILE_TypeNV21 && fileType != FILE_TypeJPEG) { throw new IllegalArgumentException("only support FILE_TypeI420 " + "and FILE_TypeNV21 " + "and FILE_TypeJPEG"); } outputImageFileType = fileType; File theDir = new File(dir); if (!theDir.exists()) { theDir.mkdirs(); } else if (!theDir.isDirectory()) { throw new IOException("Not a directory"); } OUTPUT_DIR = theDir.getAbsolutePath() + "/"; } public void videoDecode(String videoFilePath) throws IOException { MediaExtractor extractor = null; MediaCodec decoder = null; try { File videoFile = new File(videoFilePath); extractor = new MediaExtractor(); extractor.setDataSource(videoFile.toString()); int trackIndex = selectTrack(extractor); if (trackIndex < 0) { throw new RuntimeException("No video track found in " + videoFilePath); } extractor.selectTrack(trackIndex); MediaFormat mediaFormat = extractor.getTrackFormat(trackIndex); String mime = mediaFormat.getString(MediaFormat.KEY_MIME); decoder = MediaCodec.createDecoderByType(mime); showSupportedColorFormat(decoder.getCodecInfo().getCapabilitiesForType(mime)); if (isColorFormatSupported(decodeColorFormat, decoder.getCodecInfo().getCapabilitiesForType(mime))) { mediaFormat.setInteger(MediaFormat.KEY_COLOR_FORMAT, decodeColorFormat); Log.i(TAG, "set decode color format to type " + decodeColorFormat); } else { Log.i(TAG, "unable to set decode color format, color format type " + decodeColorFormat + " not supported"); } decodeFramesToImage(decoder, extractor, mediaFormat); decoder.stop(); } finally { if (decoder != null) { decoder.stop(); decoder.release(); decoder = null; } if (extractor != null) { extractor.release(); extractor = null; } } } private void showSupportedColorFormat(MediaCodecInfo.CodecCapabilities caps) { System.out.print("supported color format: "); for (int c : caps.colorFormats) { System.out.print(c + "\t"); } System.out.println(); } private boolean isColorFormatSupported(int colorFormat, MediaCodecInfo.CodecCapabilities caps) { for (int c : caps.colorFormats) { if (c == colorFormat) { return true; } } return false; } private void decodeFramesToImage(MediaCodec decoder, MediaExtractor extractor, MediaFormat mediaFormat) { MediaCodec.BufferInfo info = new MediaCodec.BufferInfo(); boolean sawInputEOS = false; boolean sawOutputEOS = false; decoder.configure(mediaFormat, null, null, 0); decoder.start(); final int width = mediaFormat.getInteger(MediaFormat.KEY_WIDTH); final int height = mediaFormat.getInteger(MediaFormat.KEY_HEIGHT); int outputFrameCount = 0; while (!sawOutputEOS) { if (!sawInputEOS) { int inputBufferId = decoder.dequeueInputBuffer(DEFAULT_TIMEOUT_US); if (inputBufferId >= 0) { ByteBuffer inputBuffer = decoder.getInputBuffer(inputBufferId); int sampleSize = extractor.readSampleData(inputBuffer, 0); if (sampleSize < 0) { decoder.queueInputBuffer(inputBufferId, 0, 0, 0L, MediaCodec.BUFFER_FLAG_END_OF_STREAM); sawInputEOS = true; } else { long presentationTimeUs = extractor.getSampleTime(); decoder.queueInputBuffer(inputBufferId, 0, sampleSize, presentationTimeUs, 0); extractor.advance(); } } } int outputBufferId = decoder.dequeueOutputBuffer(info, DEFAULT_TIMEOUT_US); if (outputBufferId >= 0) { if ((info.flags & MediaCodec.BUFFER_FLAG_END_OF_STREAM) != 0) { sawOutputEOS = true; } boolean doRender = (info.size != 0); if (doRender) { outputFrameCount++; Image image = decoder.getOutputImage(outputBufferId); System.out.println("image format: " + image.getFormat()); if (outputImageFileType != -1) { String fileName; switch (outputImageFileType) { case FILE_TypeI420: fileName = OUTPUT_DIR + String.format("frame_%05d_I420_%dx%d.yuv", outputFrameCount, width, height); dumpFile(fileName, getDataFromImage(image, COLOR_FormatI420)); break; case FILE_TypeNV21: fileName = OUTPUT_DIR + String.format("frame_%05d_NV21_%dx%d.yuv", outputFrameCount, width, height); dumpFile(fileName, getDataFromImage(image, COLOR_FormatNV21)); break; case FILE_TypeJPEG: fileName = OUTPUT_DIR + String.format("frame_%05d.jpg", outputFrameCount); compressToJpeg(fileName, image); break; } } image.close(); decoder.releaseOutputBuffer(outputBufferId, true); } } } } private static int selectTrack(MediaExtractor extractor) { int numTracks = extractor.getTrackCount(); for (int i = 0; i < numTracks; i++) { MediaFormat format = extractor.getTrackFormat(i); String mime = format.getString(MediaFormat.KEY_MIME); if (mime.startsWith("video/")) { if (VERBOSE) { Log.d(TAG, "Extractor selected track " + i + " (" + mime + "): " + format); } return i; } } return -1; } private static boolean isImageFormatSupported(Image image) { int format = image.getFormat(); switch (format) { case ImageFormat.YUV_420_888: case ImageFormat.NV21: case ImageFormat.YV12: return true; } return false; } private static byte[] getDataFromImage(Image image, int colorFormat) { if (colorFormat != COLOR_FormatI420 && colorFormat != COLOR_FormatNV21) { throw new IllegalArgumentException("only support COLOR_FormatI420 " + "and COLOR_FormatNV21"); } if (!isImageFormatSupported(image)) { throw new RuntimeException("can't convert Image to byte array, format " + image.getFormat()); } Rect crop = image.getCropRect(); int format = image.getFormat(); int width = crop.width(); int height = crop.height(); Image.Plane[] planes = image.getPlanes(); byte[] data = new byte[width * height * ImageFormat.getBitsPerPixel(format) / 8]; byte[] rowData = new byte[planes[0].getRowStride()]; if (VERBOSE) Log.v(TAG, "get data from " + planes.length + " planes"); int channelOffset = 0; int outputStride = 1; for (int i = 0; i < planes.length; i++) { switch (i) { case 0: channelOffset = 0; outputStride = 1; break; case 1: if (colorFormat == COLOR_FormatI420) { channelOffset = width * height; outputStride = 1; } else if (colorFormat == COLOR_FormatNV21) { channelOffset = width * height + 1; outputStride = 2; } break; case 2: if (colorFormat == COLOR_FormatI420) { channelOffset = (int) (width * height * 1.25); outputStride = 1; } else if (colorFormat == COLOR_FormatNV21) { channelOffset = width * height; outputStride = 2; } break; } ByteBuffer buffer = planes[i].getBuffer(); int rowStride = planes[i].getRowStride(); int pixelStride = planes[i].getPixelStride(); if (VERBOSE) { Log.v(TAG, "pixelStride " + pixelStride); Log.v(TAG, "rowStride " + rowStride); Log.v(TAG, "width " + width); Log.v(TAG, "height " + height); Log.v(TAG, "buffer size " + buffer.remaining()); } int shift = (i == 0) ? 0 : 1; int w = width >> shift; int h = height >> shift; buffer.position(rowStride * (crop.top >> shift) + pixelStride * (crop.left >> shift)); for (int row = 0; row < h; row++) { int length; if (pixelStride == 1 && outputStride == 1) { length = w; buffer.get(data, channelOffset, length); channelOffset += length; } else { length = (w - 1) * pixelStride + 1; buffer.get(rowData, 0, length); for (int col = 0; col < w; col++) { data[channelOffset] = rowData[col * pixelStride]; channelOffset += outputStride; } } if (row < h - 1) { buffer.position(buffer.position() + rowStride - length); } } if (VERBOSE) Log.v(TAG, "Finished reading data from plane " + i); } return data; } private static void dumpFile(String fileName, byte[] data) { FileOutputStream outStream; try { outStream = new FileOutputStream(fileName); } catch (IOException ioe) { throw new RuntimeException("Unable to create output file " + fileName, ioe); } try { outStream.write(data); outStream.close(); } catch (IOException ioe) { throw new RuntimeException("failed writing data to file " + fileName, ioe); } } private void compressToJpeg(String fileName, Image image) { FileOutputStream outStream; try { outStream = new FileOutputStream(fileName); } catch (IOException ioe) { throw new RuntimeException("Unable to create output file " + fileName, ioe); } Rect rect = image.getCropRect(); YuvImage yuvImage = new YuvImage(getDataFromImage(image, COLOR_FormatNV21), ImageFormat.NV21, rect.width(), rect.height(), null); yuvImage.compressToJpeg(rect, 100, outStream); } } 

参考

• MediaCodec | Android Developers
• MediaCodecInfo.CodecCapabilities | Android Developers
• Image | Android Developers
• tests/tests/media/src/android/media/cts/ImageReaderDecoderTest.java - platform/cts - Git at Google
• Android MediaCodec stuff
• android - Why doesn't the decoder of MediaCodec output a unified YUV format(like YUV420P)? - Stack Overflow
• Android MediaCodec Formats
• How to use OpenGL fragment shader to convert RGB to YUV420 - Stack Overflow