音视频入门基础：AAC专题（6）——FFmpeg源码中解码ADTS格式的AAC的Header的实现

news2024/9/18 19:24:10

一、引言

通过FFmpeg命令：

./ffmpeg -i XXX.aac

可以获取到ADTS格式的AAC裸流的音频采样频率、声道数、采样位数、码率等信息：

在vlc中也可以获取到这些信息（vlc底层也使用了FFmpeg进行解码）：

所以FFmpeg和vlc是怎样获取到这些信息的呢？它们其实是通过解码ADTS格式的AAC的Header（adts_fixed_header + adts_variable_header）获取的。执行FFmpeg命令：./ffmpeg -i XXX.aac时，FFmpeg源码内部会调用adts_aac_probe函数检测该文件是否为ADTS格式的AAC裸流（具体可以参考：《音视频入门基础：AAC专题（5）——FFmpeg源码中，判断某文件是否为AAC裸流文件的实现》）。然后如果检测出该文件为ADTS格式的AAC裸流，会调用ff_adts_header_parse函数解码ADTS格式的AAC的Header。

二、ff_adts_header_parse函数的声明

ff_adts_header_parse函数声明在FFmpeg源码（本文演示用的FFmpeg源码版本为7.0.1）的头文件libavcodec/adts_header.h中：

/**
 * Parse the ADTS frame header to the end of the variable header, which is
 * the first 54 bits.
 * @param[in]  gbc BitContext containing the first 54 bits of the frame.
 * @param[out] hdr Pointer to struct where header info is written.
 * @return Returns 0 on success, -1 if there is a sync word mismatch,
 * -2 if the version element is invalid, -3 if the sample rate
 * element is invalid, or -4 if the bit rate element is invalid.
 */
int ff_adts_header_parse(GetBitContext *gbc, AACADTSHeaderInfo *hdr);

FFmpeg对媒体文件/流进行解复用时，会调用avformat_open_input函数，通过avformat_open_input函数内部的av_probe_input_format3函数来检测该文件是否为ADTS格式的AAC裸流。如果是，FFmpeg源码会继续执行avformat_find_stream_info函数读取部分packet（数据包）以获取码流信息。在avformat_find_stream_info函数内会调用ff_adts_header_parse函数解码ADTS格式的AAC的Header。

所以ff_adts_header_parse函数的作用就是解码ADTS格式的AAC的Header。

形参gbc：既是输入型参数也是输出型参数。指向已经被初始化的GetBitContext对象。关于GetBitContext结构体可以参考：《FFmpeg中位操作相关的源码：GetBitContext结构体，init_get_bits函数、get_bits1函数和get_bits函数分析》。

形参hdr：输出型参数，指向一个AACADTSHeaderInfo对象。AACADTSHeaderInfo结构体声明在libavcodec/adts_header.h中：

typedef struct AACADTSHeaderInfo {
    uint32_t sample_rate;
    uint32_t samples;
    uint32_t bit_rate;
    uint8_t  crc_absent;
    uint8_t  object_type;
    uint8_t  sampling_index;
    uint8_t  chan_config;
    uint8_t  num_aac_frames;
    uint32_t frame_length;
} AACADTSHeaderInfo;

执行ff_adts_header_parse函数后，形参hdr指向的对象的成员变量会得到从AAC Header中解码出来的信息。

返回值：解码成功返回包含ADTS Header、错误校验和AAC原始数据块的整个ADTS音频帧的长度，单位为字节。解码失败返回一个负数。

三、ff_adts_header_parse函数的定义

ff_adts_header_parse函数定义在libavcodec/adts_header.c中：

int ff_adts_header_parse(GetBitContext *gbc, AACADTSHeaderInfo *hdr)
{
    int size, rdb, ch, sr;
    int aot, crc_abs;

    memset(hdr, 0, sizeof(*hdr));

    if (get_bits(gbc, 12) != 0xfff)
        return AAC_AC3_PARSE_ERROR_SYNC;

    skip_bits1(gbc);             /* id */
    skip_bits(gbc, 2);           /* layer */
    crc_abs = get_bits1(gbc);    /* protection_absent */
    aot     = get_bits(gbc, 2);  /* profile_objecttype */
    sr      = get_bits(gbc, 4);  /* sample_frequency_index */
    if (!ff_mpeg4audio_sample_rates[sr])
        return AAC_AC3_PARSE_ERROR_SAMPLE_RATE;
    skip_bits1(gbc);             /* private_bit */
    ch = get_bits(gbc, 3);       /* channel_configuration */

    skip_bits1(gbc);             /* original/copy */
    skip_bits1(gbc);             /* home */

    /* adts_variable_header */
    skip_bits1(gbc);             /* copyright_identification_bit */
    skip_bits1(gbc);             /* copyright_identification_start */
    size = get_bits(gbc, 13);    /* aac_frame_length */
    if (size < AV_AAC_ADTS_HEADER_SIZE)
        return AAC_AC3_PARSE_ERROR_FRAME_SIZE;

    skip_bits(gbc, 11);          /* adts_buffer_fullness */
    rdb = get_bits(gbc, 2);      /* number_of_raw_data_blocks_in_frame */

    hdr->object_type    = aot + 1;
    hdr->chan_config    = ch;
    hdr->crc_absent     = crc_abs;
    hdr->num_aac_frames = rdb + 1;
    hdr->sampling_index = sr;
    hdr->sample_rate    = ff_mpeg4audio_sample_rates[sr];
    hdr->samples        = (rdb + 1) * 1024;
    hdr->bit_rate       = size * 8 * hdr->sample_rate / hdr->samples;
    hdr->frame_length   = size;

    return size;
}

四、ff_adts_header_parse函数的内部实现分析

ff_adts_header_parse函数中，首先通过memset让形参hdr指向的对象的成员变量清0：

memset(hdr, 0, sizeof(*hdr));

从《音视频入门基础：AAC专题（3）——AAC的ADTS格式简介》可以知道，syncword为嵌入在ADTS流中的一种编码，用于标识ADTS帧的起始位，其占12位，每个位都必须被设置为1，也就是0b111111111111。所以通过下面的if语句来判断是否读取到了syncword，如果没有读取到，返回宏定义AAC_AC3_PARSE_ERROR_SYNC（-0x3030c0a）。关于get_bits函数的用法可以参考：《FFmpeg中位操作相关的源码：GetBitContext结构体，init_get_bits函数、get_bits1函数和get_bits函数分析》：

    if (get_bits(gbc, 12) != 0xfff)
        return AAC_AC3_PARSE_ERROR_SYNC;

如果读取到了syncword，继续往下执行，跳过adts_fixed_header的ID和layer属性（因为跳过了ID属性，所以FFmpeg根本不会区分到底是MPEG-2还是MPEG-4的AAC），关于skip_bits1和skip_bits函数的用法可以参考：《FFmpeg源码：skip_bits、skip_bits1、show_bits函数分析》：

    skip_bits1(gbc);             /* id */
    skip_bits(gbc, 2);           /* layer */

读取adts_fixed_header的protection_absent、profile_ObjectType、samplingFrequencyIndex属性：

    crc_abs = get_bits1(gbc);    /* protection_absent */
    aot     = get_bits(gbc, 2);  /* profile_objecttype */
    sr      = get_bits(gbc, 4);  /* sample_frequency_index */

全局数组ff_mpeg4audio_sample_rates定义在libavcodec/mpeg4audio_sample_rates.h中：

const int ff_mpeg4audio_sample_rates[16] = {
    96000, 88200, 64000, 48000, 44100, 32000,
    24000, 22050, 16000, 12000, 11025, 8000, 7350
};

通过samplingFrequencyIndex属性得到音频采样频率，单位为Hz：

    if (!ff_mpeg4audio_sample_rates[sr])
        return AAC_AC3_PARSE_ERROR_SAMPLE_RATE;

跳过private_bit属性。读取channel_configuration属性，也就是音频声道数：

    skip_bits1(gbc);             /* private_bit */
    ch = get_bits(gbc, 3);       /* channel_configuration */

跳过original_copy、home、copyright_identification_bit、copyright_identification_start属性：

    skip_bits1(gbc);             /* original/copy */
    skip_bits1(gbc);             /* home */

    /* adts_variable_header */
    skip_bits1(gbc);             /* copyright_identification_bit */
    skip_bits1(gbc);             /* copyright_identification_start */

读取aac_frame_length属性，即包含ADTS Header、错误校验和AAC原始数据块的整个ADTS音频帧的长度，单位为字节。宏定义AV_AAC_ADTS_HEADER_SIZE的值为7，判断aac_frame_length属性的值是否小于7。ADTS Header至少占7个字节（当存在CRC校验时，ADTS Header占9字节；不存在CRC校验时，ADTS Header占7字节），所以如果aac_frame_length属性的值小于7，表示ADTS Header格式不正确，返回宏定义AAC_AC3_PARSE_ERROR_FRAME_SIZE（-0x4030c0a）：

    size = get_bits(gbc, 13);    /* aac_frame_length */
    if (size < AV_AAC_ADTS_HEADER_SIZE)
        return AAC_AC3_PARSE_ERROR_FRAME_SIZE;

跳过adts_buffer_fullness属性，读取number_of_raw_data_blocks_in_frame属性：

    skip_bits(gbc, 11);          /* adts_buffer_fullness */
    rdb = get_bits(gbc, 2);      /* number_of_raw_data_blocks_in_frame */

将profile_ObjectType属性的值加1赋值给hdr->object_type。所以MPEG版本为MPEG-4时，如果hdr->object_type为1，表示AAC的规格为AAC Main；hdr->object_type为2，表示规格为AAC LC；hdr->object_type为3，表示规格为AAC SSR；hdr->object_type为4，表示规格为AAC LTP：

hdr->object_type    = aot + 1;

将音频声道数赋值给hdr->chan_config：

hdr->chan_config    = ch;

将protection_absent属性的值赋值给hdr->crc_absent。所以hdr->crc_absent为0时，表示CRC校验存在，当hdr->crc_absent为1时，CRC校验不存在：

hdr->crc_absent     = crc_abs;

将number_of_raw_data_blocks_in_frame属性的值赋值给hdr->num_aac_frames。所以该ADTS音频帧中有hdr->num_aac_frames个原始数据块：

hdr->num_aac_frames = rdb + 1;

将samplingFrequencyIndex属性的值赋值给hdr->sampling_index。将音频采样频率（单位为Hz）赋值给hdr->sample_rate：

    hdr->sampling_index = sr;
    hdr->sample_rate    = ff_mpeg4audio_sample_rates[sr];

将该ADTS音频帧中原始数据块的个数乘以1024，得到的结果赋值给hdr->samples：

hdr->samples        = (rdb + 1) * 1024;

通过公式得到该ADTS音频帧的码率，单位为bits/s，赋值给hdr->bit_rate：

hdr->bit_rate       = size * 8 * hdr->sample_rate / hdr->samples;

将整个ADTS音频帧的长度（包含ADTS Header、错误校验和AAC原始数据块的整个ADTS音频帧的长度，单位为字节）赋值给hdr->frame_length：

hdr->frame_length   = size;

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