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Tunnelisation multimédia

Le tunnellisation multimédia permet de tunnelliser des données vidéo compressées via un décodeur vidéo matériel directement vers un écran, sans être traitées par le code de l'application ni par le code du framework Android. Le code spécifique à l'appareil sous la pile Android détermine les images vidéo à envoyer à l'écran et le moment où elles doivent être envoyées en comparant les codes temporels de présentation des images vidéo à l'un des types d'horloge interne suivants:

Pour la lecture vidéo à la demande sous Android 5 ou version ultérieure, une horloge AudioTrack synchronisée avec les codes temporels de la présentation audio transmis par l'application
Pour la lecture de diffusions en direct sous Android 11 ou version ultérieure, une horloge de référence de programme (PCR) ou une horloge de temps système (STC) pilotée par un tuner

Arrière-plan

La lecture vidéo classique sur Android informe l'application lorsqu'un frame vidéo compressé a été décodé. L'application libère ensuite l'image vidéo décodée sur l'écran pour être affichée à la même heure système que l'image audio correspondante, en récupérant des instances historiques AudioTimestamps pour calculer la durée correcte.

Étant donné que la lecture vidéo par tunnel contourne le code de l'application et réduit le nombre de processus agissant sur la vidéo, elle peut fournir un rendu vidéo plus efficace en fonction de l'implémentation de l'OEM. Il peut également fournir une cadence et une synchronisation vidéo plus précises avec l'horloge choisie (PRC, STC ou audio) en évitant les problèmes de synchronisation introduits par un décalage potentiel entre le timing des requêtes Android pour l'affichage de la vidéo et le timing des véritables synchronisations matérielles. Toutefois, le tunnelling peut également réduire la prise en charge des effets GPU tels que le flou ou les coins arrondis dans les fenêtres Picture-in-Picture (PiP), car les tampons contournent la pile graphique Android.

Le schéma suivant montre comment le tunnelisation simplifie le processus de lecture vidéo.

Comparaison des modes traditionnels et tunnel

Figure 1 : Comparaison des processus de lecture vidéo traditionnels et en tunnel

Pour les développeurs d'applications

Étant donné que la plupart des développeurs d'applications intègrent une bibliothèque pour l'implémentation de la lecture, dans la plupart des cas, l'implémentation ne nécessite que de reconfigurer cette bibliothèque pour la lecture en tunnel. Pour l'implémentation de bas niveau d'un lecteur vidéo par tunnel, suivez les instructions ci-dessous.

Pour lire des vidéos à la demande sous Android 5 ou version ultérieure:

Créez une instance SurfaceView.
Créez une instance audioSessionId.
Créez des instances AudioTrack et MediaCodec avec l'instance audioSessionId créée à l'étape 2.
Mettre en file d'attente des données audio dans AudioTrack avec le code temporel de présentation du premier frame audio dans les données audio.

Pour la lecture des diffusions en direct sous Android 11 ou version ultérieure:

Créez une instance SurfaceView.
Obtenez une instance avSyncHwId à partir de Tuner.
Créez des instances AudioTrack et MediaCodec avec l'instance avSyncHwId créée à l'étape 2.

Le flux d'appel d'API est illustré dans les extraits de code suivants :

aab.setContentType(AudioAttributes.CONTENT_TYPE_MOVIE);

// configure for audio clock sync
aab.setFlag(AudioAttributes.FLAG_HW_AV_SYNC);
// or, for tuner clock sync (Android 11 or higher)
new tunerConfig = TunerConfiguration(0, avSyncId);
aab.setTunerConfiguration(tunerConfig);

if (codecName == null) {
  return FAILURE;
}

// configure for audio clock sync
mf.setInteger(MediaFormat.KEY_AUDIO_SESSION_ID, audioSessionId);
// or, for tuner clock sync (Android 11 or higher)
mf.setInteger(MediaFormat.KEY_HARDWARE_AV_SYNC_ID, avSyncId);

Comportement de la lecture vidéo à la demande

Étant donné que la lecture vidéo à la demande par tunnel est implicitement liée à la lecture AudioTrack, le comportement de la lecture vidéo à la demande par tunnel peut dépendre du comportement de la lecture audio.

Sur la plupart des appareils, un frame vidéo n'est pas affiché par défaut tant que la lecture audio n'a pas commencé. Toutefois, l'application peut être amenée à afficher un frame vidéo avant de lancer la lecture audio, par exemple pour montrer à l'utilisateur la position actuelle de la vidéo lors d'une recherche.
- Pour signaler que la première image vidéo en file d'attente doit être affichée dès qu'elle a été décodée, définissez le paramètre PARAMETER_KEY_TUNNEL_PEEK sur 1. Lorsque les images vidéo compressées sont réorganisées dans la file d'attente (par exemple, en présence de images B), cela signifie que la première image vidéo affichée doit toujours être une image I.
- Si vous ne souhaitez pas que la première image vidéo en file d'attente soit affichée avant le début de la lecture audio, définissez ce paramètre sur 0.
- Si ce paramètre n'est pas défini, l'OEM détermine le comportement de l'appareil.
Lorsque des données audio ne sont pas fournies à AudioTrack et que les tampons sont vides (sous-utilisation audio), la lecture vidéo s'arrête jusqu'à ce que d'autres données audio soient écrites, car l'horloge audio n'avance plus.
Pendant la lecture, des discontinuités que l'application ne peut pas corriger peuvent apparaître dans les codes temporels de la présentation audio. Dans ce cas, l'OEM corrige les écarts négatifs en bloquant le frame vidéo actuel, et les écarts positifs en supprimant des frames vidéo ou en insérant des frames audio silencieux (selon l'implémentation de l'OEM). La position des trames AudioTimestamp n'augmente pas pour les trames audio silencieuses insérées.

Pour les fabricants d'appareils

Configuration

Les OEM doivent créer un décodeur vidéo distinct pour prendre en charge la lecture vidéo en tunnel. Ce décodeur doit indiquer qu'il est capable de lire en tunnel dans le fichier media_codecs.xml:

<Feature name="tunneled-playback" required="true"/>

Lorsqu'une instance MediaCodec en tunnel est configurée avec un ID de session audio, elle interroge AudioFlinger pour cet ID HW_AV_SYNC :

if (entry.getKey().equals(MediaFormat.KEY_AUDIO_SESSION_ID)) {
    int sessionId = 0;
    try {
        sessionId = (Integer)entry.getValue();
    }
    catch (Exception e) {
        throw new IllegalArgumentException("Wrong Session ID Parameter!");
    }
    keys[i] = "audio-hw-sync";
    values[i] = AudioSystem.getAudioHwSyncForSession(sessionId);
}

Au cours de cette requête, AudioFlinger récupère l'ID HW_AV_SYNC de l'appareil audio principal et l'associe en interne à l'ID de session audio:

audio_hw_device_t *dev = mPrimaryHardwareDev->hwDevice();
char *reply = dev->get_parameters(dev, AUDIO_PARAMETER_HW_AV_SYNC);
AudioParameter param = AudioParameter(String8(reply));
int hwAVSyncId;
param.getInt(String8(AUDIO_PARAMETER_HW_AV_SYNC), hwAVSyncId);

Si une instance AudioTrack a déjà été créée, l'ID HW_AV_SYNC est transmis au flux de sortie avec le même ID de session audio. Si elle n'a pas encore été créée, l'ID HW_AV_SYNC est transmis au flux de sortie lors de la création de AudioTrack. Cette opération est effectuée par le thread de lecture:

mOutput->stream->common.set_parameters(&mOutput->stream->common, AUDIO_PARAMETER_STREAM_HW_AV_SYNC, hwAVSyncId);

L'ID HW_AV_SYNC, qu'il corresponde à un flux de sortie audio ou à une configuration Tuner, est transmis au composant OMX ou Codec2 afin que le code OEM puisse associer le codec au flux de sortie audio ou au flux de tuner correspondant.

Lors de la configuration du composant, le composant OMX ou Codec2 doit renvoyer un handle de bande latérale pouvant être utilisé pour associer le codec à une couche HWC (Hardware Composer). Lorsque l'application associe une surface à MediaCodec, cette poignée de bande latérale est transmise à HWC via SurfaceFlinger, qui configure la couche en tant que couche sideband.

err = native_window_set_sideband_stream(nativeWindow.get(), sidebandHandle);
if (err != OK) {
  ALOGE("native_window_set_sideband_stream(%p) failed! (err %d).", sidebandHandle, err);
  return err;
}

Le HWC est chargé de recevoir de nouveaux tampons d'image à partir de la sortie du codec au moment opportun, soit synchronisé avec le flux de sortie audio associé, soit avec l'horloge de référence du programme du tuner, de composer les tampons avec le contenu actuel des autres calques et d'afficher l'image obtenue. Cela se produit indépendamment du cycle de préparation et de configuration normal. Les appels de préparation et de définition ne se produisent que lorsque d'autres calques changent ou lorsque les propriétés de la couche de bande latérale (telles que la position ou la taille) changent.

OMX

Un composant décodeur en tunnel doit prendre en charge les éléments suivants :

Définir le paramètre étendu OMX.google.android.index.configureVideoTunnelMode, qui utilise la structure ConfigureVideoTunnelModeParams pour transmettre l'ID HW_AV_SYNC associé à l'appareil de sortie audio.
Configuration du paramètre OMX_IndexConfigAndroidTunnelPeek qui indique au codec d'effectuer ou non le rendu de la première image vidéo décodée, que la lecture audio ait commencé ou non.
Envoi de l'événement OMX_EventOnFirstTunnelFrameReady lorsque la première image vidéo acheminée par tunnel a été décodée et est prête à être affichée.

L'implémentation d'AOSP configure le mode tunnel dans ACodec via OMXNodeInstance, comme indiqué dans l'extrait de code suivant:

OMX_INDEXTYPE index;
OMX_STRING name = const_cast<OMX_STRING>(
        "OMX.google.android.index.configureVideoTunnelMode");

OMX_ERRORTYPE err = OMX_GetExtensionIndex(mHandle, name, &index);

ConfigureVideoTunnelModeParams tunnelParams;
InitOMXParams(&tunnelParams);
tunnelParams.nPortIndex = portIndex;
tunnelParams.bTunneled = tunneled;
tunnelParams.nAudioHwSync = audioHwSync;
err = OMX_SetParameter(mHandle, index, &tunnelParams);
err = OMX_GetParameter(mHandle, index, &tunnelParams);
sidebandHandle = (native_handle_t*)tunnelParams.pSidebandWindow;

Si le composant est compatible avec cette configuration, il doit attribuer un handle de bande latérale à ce codec et le transmettre via le membre pSidebandWindow afin que le matériel puisse identifier le codec associé. Si le composant n'est pas compatible avec cette configuration, il doit définir bTunneled sur OMX_FALSE.

Codec2

Sous Android 11 ou version ultérieure, Codec2 est compatible avec la lecture en tunnel. Le composant décodeur doit prendre en charge les éléments suivants:

Configuration de C2PortTunneledModeTuning, qui configure le mode tunnel et transmet le HW_AV_SYNC récupéré à partir de l'appareil de sortie audio ou de la configuration du tuner.
Interrogation de C2_PARAMKEY_OUTPUT_TUNNEL_HANDLE pour allouer et récupérer le handle de bande latérale pour le HWC.
Gestion de C2_PARAMKEY_TUNNEL_HOLD_RENDER lorsqu'il est associé à un C2Work, ce qui indique au codec de décoder et de signaler la fin du travail, mais pas de restituer le tampon de sortie tant que 1) le codec n'est pas invité à le restituer plus tard ou 2) la lecture audio ne commence pas.
Gestion de C2_PARAMKEY_TUNNEL_START_RENDER, qui indique au codec de rendre immédiatement le frame marqué avec C2_PARAMKEY_TUNNEL_HOLD_RENDER, même si la lecture audio n'a pas commencé.
Laissez debug.stagefright.ccodec_delayed_params non configuré (recommandé). Si vous la configurez, définissez-la sur false.

Remarque : Ne définissez pas debug.stagefright.ccodec_delayed_params sur true, car cela entraîne un retard dans l'envoi de C2_PARAMKEY_TUNNEL_START_RENDER au codec.

L'implémentation AOSP configure le mode tunnel dans CCodec via C2PortTunnelModeTuning, comme indiqué dans l'extrait de code suivant :

if (msg->findInt32("audio-hw-sync", &tunneledPlayback->m.syncId[0])) {
    tunneledPlayback->m.syncType =
            C2PortTunneledModeTuning::Struct::sync_type_t::AUDIO_HW_SYNC;
} else if (msg->findInt32("hw-av-sync-id", &tunneledPlayback->m.syncId[0])) {
    tunneledPlayback->m.syncType =
            C2PortTunneledModeTuning::Struct::sync_type_t::HW_AV_SYNC;
} else {
    tunneledPlayback->m.syncType =
            C2PortTunneledModeTuning::Struct::sync_type_t::REALTIME;
    tunneledPlayback->setFlexCount(0);
}
c2_status_t c2err = comp->config({ tunneledPlayback.get() }, C2_MAY_BLOCK,
        failures);
std::vector<std::unique_ptr<C2Param>> params;
c2err = comp->query({}, {C2PortTunnelHandleTuning::output::PARAM_TYPE},
        C2_DONT_BLOCK, &params);
if (c2err == C2_OK && params.size() == 1u) {
    C2PortTunnelHandleTuning::output *videoTunnelSideband =
            C2PortTunnelHandleTuning::output::From(params[0].get());
    return OK;
}

Si le composant est compatible avec cette configuration, il doit attribuer un handle de bande latérale à ce codec et le transmettre via C2PortTunnelHandlingTuning afin que le matériel puisse identifier le codec associé.

Audio HAL

Pour la lecture vidéo à la demande, le HAL audio reçoit les codes temporels de présentation audio en ligne avec les données audio au format big-endian dans un en-tête situé au début de chaque bloc de données audio que l'application écrit :

struct TunnelModeSyncHeader {
  // The 32-bit data to identify the sync header (0x55550002)
  int32 syncWord;
  // The size of the audio data following the sync header before the next sync
  // header might be found.
  int32 sizeInBytes;
  // The presentation timestamp of the first audio sample following the sync
  // header.
  int64 presentationTimestamp;
  // The number of bytes to skip after the beginning of the sync header to find the
  // first audio sample (20 bytes for compressed audio, or larger for PCM, aligned
  // to the channel count and sample size).
  int32 offset;
}

Pour que le HWC affiche les images vidéo en synchronisation avec les images audio correspondantes, le HAL audio doit analyser l'en-tête de synchronisation et utiliser le code temporel de présentation pour resynchroniser l'horloge de lecture avec le rendu audio. Pour se resynchroniser lorsque l'audio compressé est lu, le HAL audio peut avoir besoin d'analyser les métadonnées dans les données audio compressées pour déterminer sa durée de lecture.

Suspendre l'assistance

Android 5 ou version antérieure n'est pas compatible avec la suspension. Vous ne pouvez mettre en pause la lecture en tunnel que par manque de ressources A/V, mais si la mémoire tampon interne pour la vidéo est importante (par exemple, une seconde de données dans le composant OMX), la mise en pause semble ne pas répondre.

Sous Android 5.1 ou version ultérieure, AudioFlinger prend en charge la mise en pause et la reprise pour les sorties audio directes (en tunnel). Si le HAL implémente la pause et la reprise, le suivi de la pause et de la reprise est transmis au HAL.

La séquence d'appels de mise en pause, de vidage et de reprise est respectée en exécutant les appels HAL dans le thread de lecture (comme pour le transfert).

Suggestions d'implémentation

Audio HAL

Pour Android 11, l'ID de synchronisation matériel de PCR ou STC peut être utilisé pour la synchronisation A/V. Par conséquent, le flux vidéo uniquement est accepté.

Pour Android 10 ou version antérieure, les appareils compatibles avec la lecture vidéo en tunnel doivent comporter au moins un profil de flux de sortie audio avec les indicateurs FLAG_HW_AV_SYNC et AUDIO_OUTPUT_FLAG_DIRECT dans son fichier audio_policy.conf. Ces indicateurs permettent de définir l'horloge système à partir de l'horloge audio.

OMX

Les fabricants d'appareils doivent disposer d'un composant OMX distinct pour la lecture vidéo en tunnel (les fabricants peuvent disposer de composants OMX supplémentaires pour d'autres types de lecture audio et vidéo, comme la lecture sécurisée). Le composant en tunnel doit:

Spécifiez 0 buffers (nBufferCountMin, nBufferCountActual) sur son port de sortie.
Implémentez l'extension OMX.google.android.index.prepareForAdaptivePlayback setParameter.

Spécifiez ses capacités dans le fichier media_codecs.xml et déclarez la fonctionnalité de lecture par tunnel. Il doit également clarifier les limites de taille, d'alignement ou de débit du frame. Voici un exemple :

<MediaCodec name="OMX.OEM_NAME.VIDEO.DECODER.AVC.tunneled"
type="video/avc" >
    <Feature name="adaptive-playback" />
    <Feature name="tunneled-playback" required=”true” />
    <Limit name="size" min="32x32" max="3840x2160" />
    <Limit name="alignment" value="2x2" />
    <Limit name="bitrate" range="1-20000000" />
        ...
</MediaCodec>

Si le même composant OMX est utilisé pour prendre en charge le décodage en tunnel et hors tunnel, la fonctionnalité de lecture en tunnel doit être définie comme non requise. Les décodeurs tunnelisés et non tunnelisés présentent alors les mêmes limites de capacité. Voici un exemple:

<MediaCodec name="OMX._OEM\_NAME_.VIDEO.DECODER.AVC" type="video/avc" >
    <Feature name="adaptive-playback" />
    <Feature name="tunneled-playback" />
    <Limit name="size" min="32x32" max="3840x2160" />
    <Limit name="alignment" value="2x2" />
    <Limit name="bitrate" range="1-20000000" />
        ...
</MediaCodec>

Hardware Composer (HWC)

Lorsqu'une couche en tunnel (une couche avec HWC_SIDEBAND compositionType) est affichée, le sidebandStream de la couche correspond au conteneur de bande latérale alloué par le composant vidéo OMX.

Le HWC synchronise les images vidéo décodées (à partir du composant OMX en tunnel) avec la piste audio associée (avec l'ID audio-hw-sync). Lorsqu'une nouvelle image vidéo devient active, le HWC la compose avec le contenu actuel de toutes les couches reçues lors du dernier appel de préparation ou de définition, puis affiche l'image obtenue. Les appels de préparation ou de définition ne se produisent que lorsque d'autres calques changent ou lorsque les propriétés de la couche de bande latérale (telles que la position ou la taille) changent.

La figure suivante représente le HWC travaillant avec le synchroniseur matériel (ou noyau ou pilote) pour combiner les images vidéo (7b) avec la dernière composition (7a) à afficher au bon moment, en fonction de l'audio (7c).

HWC combinant des trames vidéo en fonction de l'audio

Figure 2. Synchronisateur matériel (ou noyau ou pilote) HWC