文/陳爐軍
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整理/LiveVideoStack
大家好，我是阿里巴巴閑魚事業(yè)部的陳爐軍，本次分享的主題是Flutter浪潮下的音視頻研發(fā)探索，主要內(nèi)容是針對閑魚APP在當(dāng)下流行的跨平臺框架Flutter的大規(guī)模實踐，介紹其在音視頻領(lǐng)域碰到的一些困難以及解決方案。
分享內(nèi)容主要分為四個方面，首先會對Flutter有一個簡單介紹以及選擇Flutter作為跨平臺框架的原因，其次會介紹Flutter中與音視頻關(guān)系非常大的外接紋理概念，以及對它做出的一些優(yōu)化。之后會對閑魚在音視頻實踐過程中碰到的一些Flutter問題提出了一些解決方案——TPM音視頻框架。最后是閑魚Flutter多媒體開源組件的介紹。
Flutter
Flutter是一個跨平臺框架，以往的做法是將音頻、視頻和網(wǎng)絡(luò)這些模塊都下沉到C++層或者ARM層，在其上封裝成一個音視頻的SDK，供UI層的PC、iOS和Android調(diào)用。
而Flutter做為一個UI層的跨平臺框架，顧名思義就是在UI層也實現(xiàn)了一個跨平臺開發(fā)。可以預(yù)想的是未Flutter發(fā)展的好的話，會逐漸變?yōu)橐粋€從底層到UI層的一個全鏈路的跨平臺開發(fā)，技術(shù)人員分別負(fù)責(zé)SDK和UI層的開發(fā)。
在Flutter之前已經(jīng)有很多跨平臺UI解決方案，那為什么選擇Flutter呢？
我們主要考慮性能和跨平臺的能力。
以往的跨平臺方案比如Weex，ReactNative，Cordova等等因為架構(gòu)的原因無法滿足性能要求，尤其是在音視頻這種性能要求幾乎苛刻的場景。
而諸如Xamarin等，雖然性能可以和原生App一致，但是大部分邏輯還是需要分平臺實現(xiàn)。
我們可以看一下，為什么Flutter可以實現(xiàn)高性能：
原生的native組件渲染以IOS為例，蘋果的UIKit通過調(diào)用平臺自己的繪制框架QuaztCore來實現(xiàn)UI的繪制，圖形繪制也是調(diào)用底層的API,比如OpenGL、Metal等。
而Flutter也是和原生API邏輯一致，也是通過調(diào)用底層的繪制框架層SKIA實現(xiàn)UI層。這樣相當(dāng)于Flutter他自己實現(xiàn)了一套UI框架，提供了一種性能超越原生API的跨平臺可能性。
但是我們說一個框架最終性能怎樣，其實取決于設(shè)計者和開發(fā)者。至于現(xiàn)在到底是一個什么狀況：
在閑魚的實踐中，我們發(fā)現(xiàn)在正常的開發(fā)沒有特意的去優(yōu)化UI代碼的情況下，在一些低端機上，F(xiàn)lutter界面的流暢性是比Native界面要好的。
雖然現(xiàn)在閑魚某些場景下會有卡頓閃退等情況，但是這是一個新事物發(fā)展過程中的必然問題，我們相信未來性能肯定不會成為限制Flutter發(fā)展的瓶頸的。
在閑魚實踐Flutter的過程中，混合棧和音視頻是其中比較難解決的兩個問題，混合棧是指一個APP在Flutter過程中不可能一口氣將所有業(yè)務(wù)全部重寫為Flutter，所以這是一個逐步迭代的過程，這期間原生native界面與Flutter界面共存的狀態(tài)就稱之為混合棧。閑魚在混合棧上也有一些比較好的輸出，例如FlutterBoost。
外接紋理
在講音視頻之前需要簡要介紹一下外接紋理的概念，我們將它稱之為是Flutter和Frame之間的橋梁。
Flutter渲染一幀屏幕數(shù)據(jù)首先要做的是，GPU發(fā)出的VC信號在Flutter的UI線程，通過AOT編譯的機器碼結(jié)合當(dāng)前Dart Runtime，生成Layer Tree UI樹，Layer Tree上每一個葉子節(jié)點都代表了當(dāng)前屏幕上所需要渲染的每一個元素，包含了這些元素渲染所需要的內(nèi)容。將Layer Tree拋給GPU線程，在GPU線程內(nèi)調(diào)用Skia去完成整個UI的渲染過程。Layer Tree中有PictureLayer和TextureLayer兩個比較重要的節(jié)點。PictureLayer主要負(fù)責(zé)屏幕圖片的渲染，F(xiàn)lutter內(nèi)部實現(xiàn)了一套圖片解碼邏輯，在IO線程將圖片讀取或者從網(wǎng)絡(luò)上拉取之后，通過解碼能夠在IO線程上加載出紋理，交給GPU線程將圖片渲染到屏幕上。但是由于音視頻場景下系統(tǒng)API太過繁多，業(yè)務(wù)場景過于復(fù)雜。Flutter沒有一套邏輯去實現(xiàn)跨平臺的音視頻組件，所以說Flutter提出了一種讓第三方開發(fā)者來實現(xiàn)音視頻組件的方式，而這些音視頻組件的視頻渲染出口，就是TextureLayer。
在整個Layer Tree渲染的過程中，TextureLayer的數(shù)據(jù)紋理需要由外部第三方開發(fā)者來指定，可以把視頻數(shù)據(jù)和播放器數(shù)據(jù)送到TextureLayer里，由Flutter將這些數(shù)據(jù)渲染出來。
TextureLayer渲染過程：首先判斷Layer是否已經(jīng)初始化，如果沒有就創(chuàng)建一個Texture，然后將Texture Attach到一個SufaceTexture上。
這個SufaceTexture是音視頻的native代碼可以獲取到的對象，通過這個對象創(chuàng)建的Suface，我們可以將視頻數(shù)據(jù)、攝像頭數(shù)據(jù)解碼放到Suface中，然后Flutter端通過監(jiān)聽SufaceTexture的數(shù)據(jù)更新就可以順利把剛才創(chuàng)建的數(shù)據(jù)更新到它的紋理中，然后再將紋理交給SKIA渲染到屏幕上。
然而我們?nèi)绻枰肍lutter實現(xiàn)美顏，濾鏡，人臉貼圖等等功能，就需要將視頻數(shù)據(jù)讀取出來，更新到紋理中，再將GPU紋理經(jīng)過美顏濾鏡處理后生成一個處理后的紋理。按Flutter提供的現(xiàn)有能力，必須先將紋理中的數(shù)據(jù)從GPU讀出到CPU中，生成Bitmap后再寫入Surface中，這樣在Flutter中才能順利的更新到視頻數(shù)據(jù)，這樣做對系統(tǒng)性能的消耗很大。
通過對Flutter渲染過程分析，我們知道Flutter底層需要渲染的數(shù)據(jù)就是GPU紋理，而我們經(jīng)過美顏濾鏡處理完成以后的結(jié)果也是GPU紋理，如果可以將它直接交給Flutter渲染，那就可以避免GPU-CPU-GPU這樣的無用循環(huán)。這樣的方法是可行的，但是需要一個條件，就是OpenGL上下文共享。
OpenGL
在說上下文之前，得提到一個和上線文息息相關(guān)的概念：線程。
Flutter引擎啟動后會啟動四個線程：
第一個線程是UI線程，這是Flutter自己定義的UI線程，主要負(fù)責(zé)GPU發(fā)出的VSync信號時候用當(dāng)前Dart編譯的機器碼和當(dāng)前運行環(huán)境創(chuàng)建出Layer Tree。
還有就是IO線程和GPU線程。和大部分OpenGL處理解決方案中一樣，F(xiàn)lutter也采取一個線程責(zé)資源加載，一部分負(fù)責(zé)資源渲染這種思路。
兩個線程之間紋理共享有兩種方式。一種是EGLImage(IOS是 CVOpenGLESTextureCache)。一種是OpenGL Share Context。Flutter通過Share Context來實現(xiàn)紋理共享，將IO線程的Context和GPU線程的Context進(jìn)行Share，放到同一個Share Group下面，這樣兩個線程下資源是互相可見可以共享的。
Platform線程是主線程，F(xiàn)lutter中有一個很奇怪的設(shè)定，GPU線程和主線程共用一個Context。并且在主線程也有很多OpenGL 操作。
這樣的設(shè)計會給音視頻開發(fā)帶來很多問題，后面會詳細(xì)說。
音視頻端美顏處理完成的OpenGL紋理能夠讓Flutter直接使用的條件就是Flutter的上下文需要和平臺音視頻相關(guān)的OpenGL上下文處在一個Share Group下面。
由于Flutter主線程的Context就是GPU的Context，所以在音視頻端主線程中有一些OpenGL操作的話，很有可能使Flutter整個OpenGL被破壞掉。所以需要將所有的OpenGL操作都限制在子線程中。
通過上述這兩個條件的處理，我們就可以在沒有增加GPU消耗的前提下實現(xiàn)美顏和濾鏡等等功能。
TPM
在經(jīng)過demo驗證之后，我們將這個方案應(yīng)用到閑魚音視頻組件中，但改造過程中發(fā)現(xiàn)了一些問題。
上圖是攝像頭采集數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為紋理的一段代碼，其中有兩個操作：首先是切進(jìn)程，將后面的OpenGL操作都切到cameraQueue中。然后是設(shè)置一次上下文。然后這種限制條件或者說是潛規(guī)則往往在開發(fā)過程中容易被忽略的。而這個條件一旦忽略后果就是出現(xiàn)一些莫名其妙的詭異問題極難排查。因此我們就希望能抽象出一套框架，由框架本身實現(xiàn)線程的切換、上下文和模塊生命周期等的管理，開發(fā)者接入框架以后只需要安心實現(xiàn)自己的算法，而不需要關(guān)心這些潛規(guī)則還有其他一些重復(fù)的邏輯操作。
在引入Flutter之前閑魚的音視頻架構(gòu)與大部分音視頻邏輯一樣采用分層架構(gòu)：
1：底層是一些獨立模塊
2：SDK層是對底層模塊的封裝
3：最上層是UI層。
引入Flutter之后，通過分析各個模塊的使用場景，我們可以得出一個假設(shè)或者說是抽象：音視頻應(yīng)用在終端上可以歸納為視頻幀解碼之后視頻數(shù)據(jù)幀在各個模塊之間流動的過程，基于這種假設(shè)去做Flutter音視頻框架的抽象。
咸魚Flutter多媒體開源組件
整個Flutter音視頻框架抽象分為管線和數(shù)據(jù)的抽象、模塊的抽象、線程統(tǒng)一管理和上下文同一管理四部分。
管線，其實就是視頻幀流動的管道。數(shù)據(jù)，音視頻中涉及到的數(shù)據(jù)包括紋理、Bit Map以及時間戳等。結(jié)合現(xiàn)有的應(yīng)用場景我們定義了管線流通數(shù)據(jù)以Texture為主數(shù)據(jù)，同時可以選擇性的添加Bit Map等作為輔助數(shù)據(jù)。這樣的數(shù)據(jù)定義方式，避免重復(fù)的創(chuàng)建和銷毀紋理帶來的性能開銷以及多線程訪問紋理帶來的一些問題。也滿足一些特殊模塊對特殊數(shù)據(jù)的需求。同時也設(shè)計了紋理池來管理管線中的紋理數(shù)據(jù)。
模塊：如果把管線和數(shù)據(jù)比喻成血管和血液，那框架音視頻的場景就可以比喻成器官，我們根據(jù)模塊所在管線的位置抽象出采集、處理和輸出三個基類。這三個基類里實現(xiàn)了剛才說的線程切換，上下文切換，格式轉(zhuǎn)換等等共同邏輯，各個功能模塊通過集成自這些基類，可以避免很多重復(fù)勞動。
線程：每一個模塊初始化的時候，初始化函數(shù)就會去線程管理的模塊去獲取自己的線程，線程管理模塊可以決定給初始化函數(shù)分配新的線程或者已經(jīng)分配過其他模塊的線程。
這樣有三個好處：
一是可以根據(jù)需要去決定一個線程可以掛載多少模塊，做到線程間的負(fù)載均衡。第二，多線程并發(fā)式能夠保證模塊內(nèi)的OpenGL操作是在當(dāng)前線程內(nèi)而不會跑到主線程去，徹底避免Flutter的OpenGL 環(huán)境被破壞。第三，多線程并行可以充分利用CPU多核架構(gòu)，提升處理速度。
從Flutter端修改Flutter引擎將Context取出后，根據(jù)Context創(chuàng)建上下文的統(tǒng)一管理模塊，每一個模塊在初始化的時候會獲取它的線程，獲取之后會調(diào)用上下文管理模塊獲取自己的上下文。這樣可以保證每一個模塊的上下文都是與Flutter的上下文進(jìn)行Share的，每個模塊之間資源都是共享可見的，F(xiàn)lutter和音視頻native之間也是互相共享可見的。
基于上述框架如果要實現(xiàn)一個簡單的場景，比如畫面實時預(yù)覽和濾鏡處理功能，
1：需要選擇功能模塊，功能模塊包括攝像頭模塊、濾鏡處理模塊和Flutter畫面渲染模塊，
2：需要配置模塊參數(shù)，比如采集分辨率、濾鏡參數(shù)和前后攝像頭設(shè)置等，
3：在創(chuàng)建視頻管線后使用已配置的參數(shù)創(chuàng)建模塊
4：最后管線搭載模塊，開啟管線就可以實現(xiàn)這樣簡單的功能。
上圖為整個功能實現(xiàn)的代碼和結(jié)構(gòu)圖。
結(jié)合上述音視頻框架，閑魚實現(xiàn)了Flutter多媒體開源組件。
組要包含四個基本組件分別是：
1：視頻圖像拍攝組件
2：播放器組件
3：視頻圖像編輯組件
4：相冊選擇組件
現(xiàn)在這些組件正在走內(nèi)部開源流程。預(yù)計9月份，相冊和播放器會實現(xiàn)開源。
后續(xù)展望和規(guī)劃
1：實現(xiàn)開頭所說的從底層SDK到UI的全鏈路的跨端開發(fā)。目前底層框架層和模塊層都是各個平臺各自實現(xiàn)，反而是Flutter的UI端進(jìn)行了跨平臺的統(tǒng)一，所以后續(xù)會將底層也按照音視頻常用做法把邏輯下沉到C++層，盡可能的實現(xiàn)全鏈路跨平臺。
2：第二部分內(nèi)容為開源共建，閑魚開源的內(nèi)容不僅包括拍攝、編輯組件，還包括了很多底層模塊，希望有開發(fā)者在基于Flutter開發(fā)音視頻應(yīng)用時可以充分利用閑魚開源出的音視頻模塊能力，搭建APP框架，開發(fā)者只要去負(fù)責(zé)實現(xiàn)特殊需求模塊就可以，盡可能的減少重復(fù)勞動。
Android 利用surface實現(xiàn)Flutter外接紋理
①Java層FlutterRenderer創(chuàng)建SurfaceTexture和textureId。
②將surfaceTexture和textureId通過JNI向引擎層注冊
③向引擎注冊過程中通過層層方法最后在texture.cc的TextureRegistry由map以鍵值對形式緩存實例對象。
④將需要顯示圖片在SurfaceTexture上離屏渲染。
⑤Java層創(chuàng)建的textureId通過Channel傳遞到Dart層作為Texture組件入?yún)ⅰ?/p>
⑥D(zhuǎn)art的Texture組件接收textureId入?yún)⒑笙蛳聦咏M件實例化。
⑦在SceneBuilder調(diào)用addTexture時執(zhí)行引擎層創(chuàng)建TextureLayer。
⑧最終在texture.cc中TextureRegistry的map根據(jù)TextureId獲取SurfaceTexture實例。
使用Native(以Android為例)播放器構(gòu)建Flutter播放插件
iOS 實現(xiàn)Flutter外接紋理
之前講到了 flutter的Texture
SurfaceTexture 是 Surface 和 OpenGL ES (GLES) 紋理的組合。SurfaceTexture 用于提供輸出到 GLES 紋理的 Surface
SurfaceTexture 包含一個 BufferQueue。當(dāng)生產(chǎn)方將新的緩沖區(qū)排入隊列時，onFrameAvailable() 回調(diào)會通知應(yīng)用。然后，應(yīng)用調(diào)用 updateTexImage()，這會釋放先前占有的緩沖區(qū)，從隊列中獲取新緩沖區(qū)并執(zhí)行 EGL 調(diào)用，從而使 GLES 可將此緩沖區(qū)作為外部紋理使用。
關(guān)鍵方法：
SurfaceTexture(int texName, boolean singleBufferMode)構(gòu)造方法
setOnFrameAvailableListener 設(shè)置回調(diào)，當(dāng)生產(chǎn)者準(zhǔn)備好新的幀后會調(diào)用Listener
updateTexImage 更新texture到指定的GLESContext
detachFromGLContext
attachToGLContext
解綁/綁定 當(dāng)前GLContext
getTransformMatrix 設(shè)置重采樣紋理矩陣，當(dāng)渲染的時候會用到這個數(shù)據(jù)
release() 完全釋放 SufaceTexture的 buffers并且吧Surface狀態(tài)置為abandoned
android-8.0.0_r1 源碼解析：
GLConsumer參數(shù)解釋：
bq是BufferQueue創(chuàng)建BufferConsumer
tex 表示要將圖像流傳輸?shù)降腛penGL ES紋理名稱。
texTarget指定了哪個紋理將被綁定
useFenceSync表示是否需要同步訪問緩沖區(qū)
可以從一個OpenGL ES上下文中分離GLConsumer，然后分別使用detachFromContext和attachToContext方法將GLConsumer附加到另一個上下文。
如果設(shè)置tex參數(shù)則會通過attachToContext將GLConsumer附加到OpenGL ES context中。
第一次調(diào)用updateTexImage才會綁定，之后所有對updateTexImage的調(diào)用必須使用相同的當(dāng)前OpenGL ES context進(jìn)行
acquireBufferLocked創(chuàng)建EglImage并設(shè)置到EglSlots中
updateAndReleaseLocked 更新 EglImage
createIfNeeded 如果EGLDisplay改變或者crop改變則會創(chuàng)建EglImage
bindToTextureTarget 將調(diào)用glEGLImageTargetTexture2DOES去綁定image到指定的目標(biāo)紋理
這里創(chuàng)建EGLImageKHR，EGLImageKHR用于共享EGL資源
EGL的ShareContext是常見的共享上下文的方式（iOS平臺的EAGL叫ShareGroup）。
當(dāng)share_context參數(shù)傳入另一個EGL的context時，這兩個EGLContext就可以共享紋理以及VBO等。
需要注意的是container objects不能被共享，比如：
Framebuffer objects
Vertex array objects
Transform feedback objects
Program pipeline objects
參考：
EGLImageKHR:
有兩種方法： 1你先新建一個記事本，把頭文件的代碼復(fù)制進(jìn)去，然后保存為
CCTerrain.h 然后復(fù)制到你的程序目錄下，或者VC的安裝目錄下就可以了。
2 把頭文件和工程放在同一個CPP文件里。
既然有了 Metal 我們是否還有學(xué)習(xí) OpenGL ES 的必要呢.我個人認(rèn)為暫時還是有必要的.OpenGL /OpenGL ES/ Metal 在任何項目中解決問題的本質(zhì)就是利用GPU芯片來?效渲染圖形圖像.所以它們底層的原理相近,首先了解OpenGL之后再去了解Metal會更加容易, 其二OpenGL是跨平臺的框架.保不齊以后會在其他的地方用到,所謂技多不壓身.畢竟不可能保證一直都做蘋果開發(fā)吧.
理論枯燥且乏味, 但是我們聯(lián)想一下flutter開發(fā)中用到的context, iOS開發(fā)中CoreGraphics里也有用到context. 是不是此時心中就有了一定的答案.我個人理解其設(shè)計模式大同小異. 顧名思義我們能夠通過context拿到很多必要的狀態(tài)和數(shù)據(jù).
比如需要顯示一個正方形, 則需要兩個正等邊三角形圖元來完成
為了讀取效率起見, 提前分配一塊顯存, 將頂點數(shù)組存放在顯存中. 這部分顯存就叫做 頂點緩沖區(qū)
OpenGL渲染的過程中會經(jīng)歷很多節(jié)點. 這些節(jié)點串起來就是管線.
常見的著?器主要有: 頂點著?器(VertexShader) , ?段著?器(FragmentShader) , 幾何著?(GeometryShader) , 曲?細(xì)分著?器(TessellationShader)
OpenGL ES 中只?持 頂點著?器 和 片段著?器 .
光柵化就是把頂點數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為片元的過程。片元中的每一個元素對應(yīng)于幀緩沖區(qū)中的一個像素。
如果把渲染比作是畫畫, 那么頂點著色器操作相當(dāng)與確定畫的內(nèi)容的框架. 而之后往框架里填充內(nèi)容的過程就是光柵化.
填充好內(nèi)容之后就是片元著色器操作像素點填充顏色等操作
這里附上一張流程圖:
紋理可以理解為圖?。 在渲染圖形時需要在頂點圍成的區(qū)域中填充圖?，使得場景更加逼真。?這?使?的圖?，就是常說的紋理。只是在OpenGL，我們更加習(xí)慣叫紋理，?不是圖?。
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25、 xcode-dev-cleaner ：用于清理各種 Xcode 的緩存數(shù)據(jù)，釋放存儲空間。注意是清除 Xcode 緩存數(shù)據(jù)，不是卸載 Xcode 哈
26、 toml ：更易讀和易于維護(hù)的配置文件格式。如果你厭倦了 INI 的局限性、層層嵌套的 JSON 和 YAML 令人心驚膽戰(zhàn)的縮進(jìn)語法，不防給 TOML 一個機會，它支持多種數(shù)據(jù)類型、拋棄了縮進(jìn)和嵌套，而且眾多流行編程語言都有對應(yīng)的庫。TOML 已經(jīng)足夠成熟，絕對值得一試
27、 waka-readme-stats ：自動在 GitHub 個人首頁展示編程時長的工具。該項目通過 WakaTime 記錄用戶在 IDE 的使用時間，統(tǒng)計編程時長和數(shù)據(jù)，然后采用 GitHub Action 自動獲取并動態(tài)更新到 GitHub 個人首頁。輕而易舉地展示自己的編程時長
28、 PathPlanning ：常見的路徑規(guī)劃算法集合。項目包含了 Python 代碼實現(xiàn)、運行過程動畫以及相關(guān)論文
29、 howdy ：為 Linux 系統(tǒng)提供人臉識別解鎖電腦的工具。通過電腦內(nèi)置的攝像頭和紅外設(shè)備，實現(xiàn)了類似 Windows Hello 風(fēng)格的身份認(rèn)證，可用于登陸、鎖屏、sudo 等任何需要輸入密碼的地方
30、 The-Open-Book ：開源的電子水墨屏閱讀設(shè)備。動手能力強的同學(xué)可跟著這個項目，從焊電路板開始親手制作出一個類 Kindle 的 4.2 英寸閱讀設(shè)備
31、 fl_chart ：Flutter 圖表庫。它支持折線圖、條形圖、餅圖、散點圖和雷達(dá)圖
32、 ugo-compiler-book ：《從頭開發(fā)一個迷你 Go 語言》該書教你從頭實現(xiàn)迷你 Go 語言，內(nèi)容包含了詞法解析、語法樹構(gòu)建、函數(shù)閉包、接口、CGO 的實現(xiàn)等內(nèi)容
33、 archbase ：教科書《計算機體系結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)》第三版
34、 spring-in-action-v6-translate ：《Spring 實戰(zhàn)第 6 版》中文翻譯
35、 best_AI_papers_2021 ：2021 年必看的人工智能論文列表。該項目不是簡單的羅列論文，它不僅包含相關(guān)論文的代碼、效果展示，還有深入的文章和講解視頻。通過學(xué)習(xí)這些前沿的人工智能論文，提前了解 AI 在未來更多可能性
36、 AnimeGANv2 ：可以將圖片和視頻轉(zhuǎn)換成漫畫風(fēng)格的工具。采用的是神經(jīng)風(fēng)格遷移+生成對抗網(wǎng)絡(luò)（GAN）的組合，轉(zhuǎn)換速度快
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