Android实现录屏直播ScreenRecorder的简单分析

Posted 2020-08-26 MyRao

应项目需求瞄准了Bilibili的录屏直播功能，基本就仿着做一个吧。研究后发现Bilibili是使用的MediaProjection 与 VirtualDisplay结合实现的，需要 android 5.0 Lollipop API 21以上的系统才能使用。

其实官方提供的android-ScreenCapture这个Sample中已经有了MediaRecorder的实现与使用方式，还有使用MediaRecorder实现的录制屏幕到本地文件的Demo，从中我们都能了解这些API的使用。

而如果需要直播推流的话就需要自定义MediaCodec，再从MediaCodec进行编码后获取编码后的帧，免去了我们进行原始帧的采集的步骤省了不少事。可是问题来了，因为之前没有仔细了解H264文件的结构与FLV封装的相关技术，其中爬了不少坑，此后我会一一记录下来，希望对用到的朋友有帮助。

项目中对我参考意义最大的一个Demo是网友Yrom的GitHub项目ScreenRecorder，Demo中实现了录屏并将视频流存为本地的MP4文件（咳咳，其实Yrom就是Bilibili的员工吧？( ゜- ゜)つロ）??。在此先大致分析一下该Demo的实现，之后我会再说明我的实现方式。

ScreenRecorder

具体的原理在Demo的README中已经说得很明白了：

• Display 可以“投影”到一个 VirtualDisplay
• 通过 MediaProjectionManager 取得的 MediaProjection创建VirtualDisplay
• VirtualDisplay 会将图像渲染到 Surface中，而这个Surface是由MediaCodec所创建的

mEncoder = MediaCodec.createEncoderByType(MIME_TYPE);
...
mSurface = mEncoder.createInputSurface();
...
mVirtualDisplay = mMediaProjection.createVirtualDisplay(name, mWidth, mHeight, mDpi, DisplayManager.VIRTUAL_DISPLAY_FLAG_PUBLIC, mSurface, null, null);

• MediaMuxer 将从 MediaCodec 得到的图像元数据封装并输出到MP4文件中

int index = mEncoder.dequeueOutputBuffer(mBufferInfo, TIMEOUT_US);
...
ByteBuffer encodedData = mEncoder.getOutputBuffer(index);
...
mMuxer.writeSampleData(mVideoTrackIndex, encodedData, mBufferInfo);

所以其实在Android 4.4上可以通过DisplayManager来创建VirtualDisplay也是可以实现录屏，但因为权限限制需要ROOT。 (see DisplayManager.createVirtualDisplay())

Demo很简单，两个Java文件：

• MainActivity.java
• ScreenRecorder.java

MainActivity

类中仅仅是实现的入口，最重要的方法是onActivityResult，因为MediaProjection就需要从该方法开启。但是别忘了先进行MediaProjectionManager的初始化

@Override
protected void onActivityResult(int requestCode, int resultCode, Intent data) {
    MediaProjection mediaProjection = mMediaProjectionManager.getMediaProjection(resultCode, data);
    if (mediaProjection == null) {
        Log.e("@@", "media projection is null");
        return;
    }
    // video size
    final int width = 1280;
    final int height = 720;
    File file = new File(Environment.getExternalStorageDirectory(),
            "record-" + width + "x" + height + "-" + System.currentTimeMillis() + ".mp4");
    final int bitrate = 6000000;
    mRecorder = new ScreenRecorder(width, height, bitrate, 1, mediaProjection, file.getAbsolutePath());
    mRecorder.start();
    mButton.setText("Stop Recorder");
    Toast.makeText(this, "Screen recorder is running...", Toast.LENGTH_SHORT).show();
    moveTaskToBack(true);
}

ScreenRecorder

这是一个线程，结构很清晰，run()方法中完成了MediaCodec的初始化，VirtualDisplay的创建，以及循环进行编码的全部实现。

线程主体

 @Override
public void run() {
    try {
        try {
            prepareEncoder();
            mMuxer = new MediaMuxer(mDstPath, MediaMuxer.OutputFormat.MUXER_OUTPUT_MPEG_4);
        } catch (IOException e) {
            throw new RuntimeException(e);
        }
        mVirtualDisplay = mMediaProjection.createVirtualDisplay(TAG + "-display",
                mWidth, mHeight, mDpi, DisplayManager.VIRTUAL_DISPLAY_FLAG_PUBLIC,
                mSurface, null, null);
        Log.d(TAG, "created virtual display: " + mVirtualDisplay);
        recordVirtualDisplay();
    } finally {
        release();
    }
}

MediaCodec的初始化

方法中进行了编码器的参数配置与启动、Surface的创建两个关键的步骤

private void prepareEncoder() throws IOException {
    MediaFormat format = MediaFormat.createVideoFormat(MIME_TYPE, mWidth, mHeight);
    format.setInteger(MediaFormat.KEY_COLOR_FORMAT,
            MediaCodecInfo.CodecCapabilities.COLOR_FormatSurface); // 录屏必须配置的参数
    format.setInteger(MediaFormat.KEY_BIT_RATE, mBitRate);
    format.setInteger(MediaFormat.KEY_FRAME_RATE, FRAME_RATE);
    format.setInteger(MediaFormat.KEY_I_FRAME_INTERVAL, IFRAME_INTERVAL);
    Log.d(TAG, "created video format: " + format);
    mEncoder = MediaCodec.createEncoderByType(MIME_TYPE);
    mEncoder.configure(format, null, null, MediaCodec.CONFIGURE_FLAG_ENCODE);
    mSurface = mEncoder.createInputSurface(); // 需要在createEncoderByType之后和start()之前才能创建，源码注释写的很清楚
    Log.d(TAG, "created input surface: " + mSurface);
    mEncoder.start();
}

编码器实现循环编码

下面的代码就是编码过程，由于作者使用的是Muxer来进行视频的采集，所以在resetOutputFormat方法中实际意义是将编码后的视频参数信息传递给Muxer并启动Muxer。

private void recordVirtualDisplay() {
    while (!mQuit.get()) {
        int index = mEncoder.dequeueOutputBuffer(mBufferInfo, TIMEOUT_US);
        Log.i(TAG, "dequeue output buffer index=" + index);
        if (index == MediaCodec.INFO_OUTPUT_FORMAT_CHANGED) {
            resetOutputFormat();
        } else if (index == MediaCodec.INFO_TRY_AGAIN_LATER) {
            Log.d(TAG, "retrieving buffers time out!");
            try {
                // wait 10ms
                Thread.sleep(10);
            } catch (InterruptedException e) {
            }
        } else if (index >= 0) {
            if (!mMuxerStarted) {
                throw new IllegalStateException("MediaMuxer dose not call addTrack(format) ");
            }
            encodeToVideoTrack(index);
            mEncoder.releaseOutputBuffer(index, false);
        }
    }
}

private void resetOutputFormat() {
    // should happen before receiving buffers, and should only happen once
    if (mMuxerStarted) {
        throw new IllegalStateException("output format already changed!");
    }
    MediaFormat newFormat = mEncoder.getOutputFormat();
    // 在此也可以进行sps与pps的获取，获取方式参见方法getSpsPpsByteBuffer()
    Log.i(TAG, "output format changed.\n new format: " + newFormat.toString());
    mVideoTrackIndex = mMuxer.addTrack(newFormat);
    mMuxer.start();
    mMuxerStarted = true;
    Log.i(TAG, "started media muxer, videoIndex=" + mVideoTrackIndex);
}

获取sps pps的ByteBuffer，注意此处的sps pps都是read-only只读状态

private void getSpsPpsByteBuffer(MediaFormat newFormat) {
    ByteBuffer rawSps = newFormat.getByteBuffer("csd-0");  
    ByteBuffer rawPps = newFormat.getByteBuffer("csd-1"); 
}

录屏视频帧的编码过程

BufferInfo.flags表示当前编码的信息，如源码注释：

 /**
 * This indicates that the (encoded) buffer marked as such contains
 * the data for a key frame.
 */
public static final int BUFFER_FLAG_KEY_FRAME = 1; // 关键帧

/**
 * This indicated that the buffer marked as such contains codec
 * initialization / codec specific data instead of media data.
 */
public static final int BUFFER_FLAG_CODEC_CONFIG = 2; // 该状态表示当前数据是avcc，可以在此获取sps pps

/**
 * This signals the end of stream, i.e. no buffers will be available
 * after this, unless of course, {@link #flush} follows.
 */
public static final int BUFFER_FLAG_END_OF_STREAM = 4;

实现编码：

private void encodeToVideoTrack(int index) {
    ByteBuffer encodedData = mEncoder.getOutputBuffer(index);
    if ((mBufferInfo.flags & MediaCodec.BUFFER_FLAG_CODEC_CONFIG) != 0) {
        // The codec config data was pulled out and fed to the muxer when we got
        // the INFO_OUTPUT_FORMAT_CHANGED status.
        // Ignore it.
        // 大致意思就是配置信息(avcc)已经在之前的resetOutputFormat()中喂给了Muxer，此处已经用不到了，然而在我的项目中这一步却是十分重要的一步，因为我需要手动提前实现sps, pps的合成发送给流媒体服务器
        Log.d(TAG, "ignoring BUFFER_FLAG_CODEC_CONFIG");
        mBufferInfo.size = 0;
    }
    if (mBufferInfo.size == 0) {
        Log.d(TAG, "info.size == 0, drop it.");
        encodedData = null;
    } else {
        Log.d(TAG, "got buffer, info: size=" + mBufferInfo.size
                + ", presentationTimeUs=" + mBufferInfo.presentationTimeUs
                + ", offset=" + mBufferInfo.offset);
    }
    if (encodedData != null) {
        encodedData.position(mBufferInfo.offset);
        encodedData.limit(mBufferInfo.offset + mBufferInfo.size); // encodedData是编码后的视频帧，但注意作者在此并没有进行关键帧与普通视频帧的区别，统一将数据写入Muxer
        mMuxer.writeSampleData(mVideoTrackIndex, encodedData, mBufferInfo);
        Log.i(TAG, "sent " + mBufferInfo.size + " bytes to muxer...");
    }
}

以上就是对ScreenRecorder这个Demo的大体分析，由于总结时间仓促，很多细节部分我也没有进行深入的发掘研究，所以请大家抱着怀疑的态度阅读，如果说明有误或是理解不到位的地方，希望大家帮忙指出，谢谢！

参考文档

在功能的开发中还参考了很多有价值的资料与文章：

1. Android屏幕直播方案
2. Google官方的EncodeVirtualDisplayTest
3. FLV文件格式解析
4. 使用librtmp进行H264与AAC直播
5. 后续更新…