音视频--AAC编码解析和示例

[3：AAC -ADTS帧组成](#3：AAC -ADTS帧组成)

1：AAC编码介绍

AAC 代表 Advanced Audio Coding，是一种有损音频压缩格式。它由 MPEG-4 标准定义，由 Fraunhofer 公司开发，Dolby、Sony 和 AT&T 是主要的贡献者。AAC 提供了高质量的音频压缩，被广泛用于音乐存储和流媒体传输。

2：AAC格式介绍

AAC主要有下面两个格式：

ADTS（Audio Data Transport Stream） ：一般用的都是这个格式。ADTS 是 AAC 音频的传输流格式。AAC 音频格式在 MPEG-2 标准（ISO-13318-7 2003）中有定义，并且后来被采用到 MPEG-4 标准中。ADTS 格式的特点是它是一个有同步字的比特流，也就是说每一帧都有头信息，这使得解码可以在流的任何位置开始。因此，ADTS 可以在任意帧解码，与之相反的是，ADIF 只有一个统一的头信息，也就是说它每⼀帧都有头信息。因此必须获取到所有的数据后才能解码。
ADIF（Audio Data Interchange Format） ：ADIF 是一种音频数据交换格式。它的特点是可以确定地找到音频数据的开始，而不需要在音频数据流中间开始解码。这意味着解码可以从明确定义的起始点开始，通常用于存储在磁盘文件中的音频数据。这个基本用不到

当对音频进行编码时，有时直接编码得到的AAC文件（称为"裸流"）可能无法在个人电脑(PC)或手机上正常播放。这通常是因为这些AAC文件的每一帧缺少了必要的ADTS头信息。

为了解决这个问题，需要在AAC原始数据块（即没有ADTS头的音频数据）前添加ADTS头。这样，每个AAC数据块前都会有一个包含必要信息的ADTS头，使得播放器可以正确地识别和播放音频。

添加ADTS头后，原始的AAC数据块就成为了一个完整的ADTS帧。ADTS帧由ADTS头和随后的AAC音频数据组成。ADTS头的长度通常是固定的7或9字节，具体取决于是否包含CRC（循环冗余校验）信息。

3：AAC -ADTS帧组成

AAC⾳频⽂件的每⼀帧由ADTS Header和AAC Audio Data组成。结构体如下：

ADTS（Audio Data Transport Stream）头部信息是AAC音频文件中非常重要的一部分，它包含了音频流的元数据，例如采样率，声道，帧⻓度等等，使得解码器能够正确地解析和播放音频。ADTS头部信息通常由7个字节组成，分为两个部分：其⼀为固定头信息，紧接着是可变头信息。

adts_fixed_header()（固定头信息）：这部分是每个ADTS帧都相同的信息，不随音频内容变化。它包含以下内容：
- syncword（同步头）：总是0xFFF（十六进制），用于识别ADTS帧的开始。
- ID：表示MPEG的版本，0表示MPEG-4，1表示MPEG-2。
- Layer：对于AAC来说，这个值总是'00'，因为AAC属于MPEG-4的Layer 1。
- protection_absent：表示是否有CRC（循环冗余校验）存在，1表示没有CRC，0表示有CRC。
- profile：表示使用的AAC编码配置，如Low Complexity（LC）等。
adts_variable_header()（可变头信息）：这部分信息在不同的ADTS帧之间可能会变化，它包含以下内容：
- sampling_frequency_index：采样率索引，用于查找具体的采样率值。
- channel_configuration：声道配置，表示音频的声道数，如立体声、5.1声道等。
- frame_length：ADTS帧的长度，包括ADTS头和AAC原始数据的长度。
- adts_buffer_fullness：码率信息，用于指示码率是否可变。
- number_of_raw_data_blocks_in_frame：表示ADTS帧中AAC原始数据块的数量。

ADTS头部的这种结构设计允许解码器快速获取音频流的关键信息，并能够从流中的任意位置开始解码，这使得AAC文件非常适合用于流媒体传输。

在具体实现中，解码器会首先读取固定头信息以确认遇到了一个ADTS帧，然后读取可变头信息以获取必要的解码参数。这样，解码器就可以正确地解析出音频数据并进行播放。

4：AAC-ADTS：（adts_fixed_header）格式介绍

如下图：

syncword（同步头）：这个字段总是设置为0xFFF，它是一个12位的字段，用于标识ADTS帧的开始。这个同步字是固定的，所有ADTS帧的开始都是这个值，便于解码器识别帧的起始位置。
ID：这个字段占用1位，用于区分MPEG的版本。0表示MPEG-4，1表示MPEG-2。由于AAC通常是MPEG-4的一部分，所以这个值通常是0。
Layer：这个字段占用2位。对于AAC来说，由于AAC是MPEG-4的一部分，并且是Layer 1的编码，所以这个值总是'00'。
protection_absent ：这个字段占用1位。它指示了帧中是否存在CRC（循环冗余校验）。如果设置为1，表示没有CRC，如果设置为0，表示存在CRC。CRC用于检测传输过程中的错误。注意这个值是1表示没有校验，0表示有校验
profile：这个字段占用2位，用于表示使用的AAC编码配置。例如，如果设置为01，表示使用的是Low Complexity（LC）配置。不同的配置对应不同的编码复杂度和性能。有些芯⽚只⽀持AAC LC 。

其中：

AAC标准定义了不同的Profile ，每个Profile 支持不同的特性和工具，以适应不同的应用场景和需求。在ADTS头信息中，"Profile"字段用于指示使用的AAC编码配置。

对于MPEG-2 AAC，存在几种不同的Profile，每种都有特定的Audio Object Type（AOT），这些类型定义了编码音频的特定特性。在MPEG-2 AAC中，Profile的值确实是根据AOT的值来确定的，具体规则是：

Profile的值等于Audio Object Type的值减去1。

在MPEG-4 AAC中，Profile的概念略有不同，并且包含更多的Profile类型以支持更广泛的应用。但是，基本的思想是相同的：Profile标识了编码器支持的功能集。

MPEG-4 AAC定义类型如下：

接下来看：

sampling_frequency_index： 表示使⽤的采样率下标，通过这个下标在 Sampling Frequencies[ ]数组中查找得知采样率的值。**sampling_frequency_index**是一个索引值，它用于在一个预定义的采样频率表中查找对应的采样率。在MPEG标准中，这个表是固定的，并且包含了常用的音频采样频率。以下是这个索引表的一个示例：

在ADTS头信息中，**sampling_frequency_index**通常占用一个4位的字段。这意味着它可以表示从0到15的16个不同的采样频率索引值。根据这个索引值，解码器就可以知道音频数据的采样率是多少，从而正确地进行解码处理。

举个例子，如果**sampling_frequency_index**的值为3，根据上面的表，我们知道对应的采样率是48000 Hz。这样，解码器就可以按照48000次/秒的频率来重构音频信号。

接下来看：

**channel_configuration：**用于描述音频流的声道布局或声道数。这个字段对于解码器来说是重要的，因为它决定了音频信号是如何组织的，以及如何通过扬声器或耳机进行播放。

channel_configuration 字段通常占用4位，因此可以表示从0到15的16种不同的配置。每种配置对应一种特定的声道布局，以下是一些常见的声道布局及其对应的channel_configuration值：

5：AAC-ADTS：（adts_variable_header）格式介绍

adts_variable_header 是AAC音频流中ADTS（Audio Data Transport Stream）头部的可变部分。它提供了关于每个ADTS帧的额外信息，这些信息对于解码器来说是必要的，因为它们描述了音频数据的具体属性。以下是adts_variable_header()中包含的关键字段及其作用：

格式如下：

frame_length: 这个字段占用13位，它定义了一个ADTS帧的总长度，包括ADTS头部和随后的AAC原始数据流。长度的计算方式如下：

因此，aac_frame_length的计算公式是：
- 如果protection_absent字段为1（表示没有CRC校验），ADTS头部长度为7字节。
- 如果protection_absent字段为0（表示有CRC校验），ADTS头部长度为9字节。 𝑎𝑎𝑐𝑓𝑟𝑎𝑚𝑒𝑙𝑒𝑛𝑔𝑡ℎ=(𝑝𝑟𝑜𝑡𝑒𝑐𝑡𝑖𝑜𝑛𝑎𝑏𝑠𝑒𝑛𝑡==1?7:9)+𝑠𝑖𝑧𝑒(𝐴𝐴𝐶𝐹𝑟𝑎𝑚𝑒) aacframelength=(protectionabsent==1?7:9)+size(AACFrame) 其中size(AACFrame)是AAC原始数据的长度。
adts_buffer_fullness: 这个字段占用11位，表示编码缓冲区的填充度，它用于流式传输中的码率控制。如果这个值是0x7FF，它表示码流是码率可变的。
number_of_raw_data_blocks_in_frame : 这个字段占用2位，表示在ADTS帧中AAC原始数据块的数量。值得注意的是，这个数值是AAC数据块的数量，而不是数据块之后的任何填充字节。因此，如果number_of_raw_data_blocks_in_frame的值为0，它表示ADTS帧中实际上有一个AAC数据块

示例：

第⼀帧的帧头7个字节为：0xFF 0xF1 0x4C 0x40 0x20 0xFF 0xFC

0xFF : syncword的第一部分，表示ADTS帧的开始，固定为0xFFF。
0xF1 : 包含ID（MPEG版本标识，这里为0表示MPEG-4）和Layer（这里为00，因为AAC是MPEG-4的一部分）。
0x4C : 包含protection_absent（这里为0，表示存在CRC校验）和profile（AAC编码配置，这里为01，表示Low Complexity，LC）。
0x40 : 是sampling_frequency_index的一部分，表示采样率的索引。
0x20 : 包含channel_configuration（声道配置）的一部分。
0xFF : frame_length的高字节。
0xFC : frame_length的低字节。

分开也就是：

111111111111

0011

001

0000100000111（帧长度）

11111111111

以下是对文档中二进制序列的简化解释：

111111111111 : 这是syncword的二进制表示，固定为0xFFF，用来标识ADTS帧的开始。
0 : 表示ID字段，这里为0，表示MPEG-4。
00 : 表示Layer字段，AAC属于MPEG-4 Layer 1，所以这里为00。
1 : 表示protection_absent字段，这里为1，表示没有CRC校验。
01 : 表示profile字段，这里可能表示AAC LC（Low Complexity）。
0011 : 表示sampling_frequency_index字段的一部分。
0 : 表示private_bit字段，通常为0。
001 : 表示channel_configuration字段的一部分。
0000100000111 : 表示frame_length字段，这是二进制形式的帧长度值。

我们可以计算frame_length：

帧长度（二进制）: 0000100000111

将这个二进制数转换为十进制：

帧长度（十进制）: 2^9 + 2^6 + 2^3 + 2^2 + 2^0 = 512 + 64 + 8 + 4 + 1 = 263

所以，第一帧的ADTS帧长度是263个字节，包括7字节的ADTS头和256字节的AAC原始音频数据。这个帧长度包括了ADTS头部和随后的AAC原始数据流，不包括任何填充字节。

//帧长度为13位，使用unsignedint来存储帧长数值
unsigned int getAFrameLength(unsigned char* str) {
        // 函数开始，接收一个指向无符号字符的指针作为参数，用于计算帧的长度

        if (!str) {
            // 检查输入指针是否为空，如果为空则返回0
        return 0;
        }

        unsigned int tmplen = 0;
        // 声明一个无符号整数型变量tmplen，用于存储帧的长度

      int f_bit = str[3];
      int m_bit = str[4];
    int b_bit = str[5];
    // 声明三个整数型变量，分别用于存储输入数组中的第4、5、6个字节的值

    tmplen += (b_bit >> 5);
    // 将b_bit中的低3位取出，并将其加到tmplen中

    tmplen += (m_bit << 3);
    // 将m_bit中的所有位向左移动3位，并将其加到tmplen中

    tmplen += ((f_bit & 3) << 11);
    // 将f_bit中的低2位取出，然后将其向左移动11位，并将其加到tmplen中


    return tmplen;
    // 返回计算得到的帧长度
}

6：示例代码：

这段代码的主要功能是将一个媒体文件中的AAC音频流提取出来，并在每个AAC数据帧前添加ADTS头部，然后将这些帧写入到一个新的AAC文件中。代码使用了FFmpeg库中的函数来处理媒体文件和Packet。程序首先查找输入媒体文件中的最佳音频流，然后读取每个Packet，如果Packet属于音频流，则在前面添加一个ADTS头部，并将带有ADTS头部的Packet写入到输出文件中

#include <stdio.h>
#include <libavutil/log.h>
#include <libavformat/avio.h>
#include <libavformat/avformat.h>

#define ADTS_HEADER_LEN  7; // ADTS头部长度定义为7字节

// 采样频率数组，用于根据采样频率索引值查找具体的采样频率
const int sampling_frequencies[] = {
    96000,  // 0x0
    88200,  // 0x1
    64000,  // 0x2
    48000,  // 0x3
    44100,  // 0x4
    32000,  // 0x5
    24000,  // 0x6
    22050,  // 0x7
    16000,  // 0x8
    12000,  // 0x9
    11025,  // 0xa
    8000    // 0xb
    // 0xc d e f是保留的
};

// 构建ADTS头部的函数
int adts_header(char * const p_adts_header, const int data_length,
                const int profile, const int samplerate,
                const int channels) {
    int sampling_frequency_index = 3; // 默认使用48000hz采样频率索引
    int adtsLen = data_length + 7; // ADTS帧总长度，包括AAC数据和ADTS头部

    // 查找采样频率对应的索引值
    for(int i = 0; i < sizeof(sampling_frequencies) / sizeof(sampling_frequencies[0]); i++) {
        if(sampling_frequencies[i] == samplerate) {
            sampling_frequency_index = i;
            break;
        }
    }
    if(i >= sizeof(sampling_frequencies) / sizeof(sampling_frequencies[0])) {
        printf("unsupport samplerate:%d\n", samplerate);
        return -1; // 如果没有找到对应的采样频率，返回错误
    }

    // 填充ADTS头部的固定字段
    p_adts_header[0] = 0xff; // syncword高8位
    p_adts_header[1] = 0xf0; // syncword低4位，MPEG版本（这里为MPEG-4 AAC），Layer（AAC是Layer 1）
    p_adts_header[1] |= (0 << 3);//1bit
    p_adts_header[1] |= (0 << 1);// 2bits
    p_adts_header[1] |= 1; // protection_absent: 表示没有CRC校验// 1bits

    // 填充ADTS头部的可变字段
    p_adts_header[2] = (profile)<<6; // profile字段 // 2bits
    p_adts_header[2] |= (sampling_frequency_index & 0x0f)<<2; // sampling_frequency_index字段  4bits
    p_adts_header[2] |= (0 << 1); // private_bit: 保留位 1bits
    p_adts_header[2] |= (channels & 0x04)>>2; // channel_configuration字段高1位

    p_adts_header[3] = (channels & 0x03)<<6; // channel_configuration字段低2位
    p_adts_header[3] |= (0 << 5); // original: 保留位 1bit
    p_adts_header[3] |= (0 << 4); // home: 保留位 1bit
    p_adts_header[3] |= (0 << 3); // copyright id bit: 保留位 1bit
    p_adts_header[3] |= (0 << 2); // copyright id start: 保留位 1bit
    p_adts_header[3] |= ((adtsLen & 0x1800) >> 11); // frame_length字段高2位

    p_adts_header[4] = (uint8_t)((adtsLen & 0x7f8) >> 3); // frame_length字段中间8位
    p_adts_header[5] = (uint8_t)((adtsLen & 0x7) << 5); // frame_length字段低3位
    p_adts_header[5] |= 0x1f; // buffer fullness: 0x7ff，表示码率可变
    p_adts_header[6] = 0xfc; // buffer fullness: 0x7ff剩余的6位

    return 0; // 成功返回0
}

int main(int argc, char *argv[]) {
    // 检查参数数量
    if(argc < 3) {
        av_log(NULL, AV_LOG_DEBUG, "the count of parameters should be more than three!\n");
        return -1;
    }

    char *in_filename = argv[1]; // 输入文件路径
    char *aac_filename = argv[2]; // 输出文件路径

    FILE *aac_fd = fopen(aac_filename, "wb"); // 打开输出文件
    if (!aac_fd) {
        av_log(NULL, AV_LOG_DEBUG, "Could not open destination file %s\n", aac_filename);
        return -1;
    }

    // 设置FFmpeg日志级别
    av_log_set_level(AV_LOG_DEBUG);

    // 打开输入媒体文件
    AVFormatContext *ifmt_ctx = NULL;
    int ret = avformat_open_input(&ifmt_ctx, in_filename, NULL, NULL);
    if (ret < 0) {
        char errors[1024];
        av_strerror(ret, errors, 1024);
        av_log(NULL, AV_LOG_DEBUG, "Could not open source file: %s, %d(%s)\n", in_filename, ret, errors);
        fclose(aac_fd);
        return -1;
    }

    // 获取媒体流信息
    if (avformat_find_stream_info(ifmt_ctx, NULL) < 0) {
        char errors[1024];
        av_log(NULL, AV_LOG_DEBUG, "failed to find stream information\n");
        fclose(aac_fd);
        return -1;
    }

    // 打印媒体文件格式信息
    av_dump_format(ifmt_ctx, 0, in_filename, 0);

    // 寻找音频流的索引
    int audio_index = av_find_best_stream(ifmt_ctx, AVMEDIA_TYPE_AUDIO, -1, -1, NULL, 0);
    if (audio_index < 0) {
        av_log(NULL, AV_LOG_DEBUG, "Could not find audio stream in input file %s\n", in_filename);
        goto failed;
    }

    // 打印AAC配置信息
    printf("audio profile:%d, FF_PROFILE_AAC_LOW:%d\n", ifmt_ctx->streams[audio_index]->codecpar->profile, FF_PROFILE_AAC_LOW);

    // 检查是否为AAC编码的音频流
    if (ifmt_ctx->streams[audio_index]->codecpar->codec_id != AV_CODEC_ID_AAC) {
        printf("the media file no contain AAC stream, it's codec_id is %d\n", ifmt_ctx->streams[audio_index]->codecpar->codec_id);
        goto failed;
    }

    AVPacket pkt;
    av_init_packet(&pkt); // 初始化Packet

    // 读取输入文件的Packet并写入AAC文件
    while (av_read_frame(ifmt_ctx, &pkt) >= 0) {
        if (pkt.stream_index == audio_index) {
            char adts_header_buf[7] = {0};
            // 调用函数生成ADTS头部
            adts_header(adts_header_buf, pkt.size,
                        ifmt_ctx->streams[audio_index]->codecpar->profile,
                        ifmt_ctx->streams[audio_index]->codecpar->sample_rate,
                        ifmt_ctx->streams[audio_index]->codecpar->channels);
            // 写入ADTS头部
            fwrite(adts_header_buf, 1, 7, aac_fd);
            // 写入AAC数据
            int len = fwrite(pkt.data, 1, pkt.size, aac_fd);
            if (len != pkt.size) {
                av_log(NULL, AV_LOG_DEBUG, "warning, length of writed data isn't equal pkt.size(%d, %d)\n", len, pkt.size);
            }
        }
        av_packet_unref(&pkt); // 释放Packet资源
    }

failed:
    // 关闭输入文件和输出文件
    if (ifmt_ctx) {
        avformat_close_input(&ifmt_ctx);
    }
    if (aac_fd) {
        fclose(aac_fd);
    }

    return 0; // 程序正常退出
}