音视频入门之音频采集、编码、播放

作者：花海blog

今天我们学习音频的采集、编码、生成文件、转码等操作，我们生成三种格式的文件格式，pcm、wav、aac 三种格式，并且我们用 AudioStack 来播放音频，最后我们播放这个音频。

使用 AudioRecord 实现录音生成PCM 文件

AudioRecord 是 Android 系统提供的用于实现录音的功能类，要想了解这个类的具体的说明和用法，我们可以去看一下官方的文档：

AndioRecord类的主要功能是让各种 Java 应用能够管理音频资源，以便它们通过此类能够录制声音相关的硬件所收集的声音。此功能的实现就是通过”pulling”（读取）AudioRecord对象的声音数据来完成的。在录音过程中，应用所需要做的就是通过后面三个类方法中的一个去及时地获取AudioRecord对象的录音数据. AudioRecord类提供的三个获取声音数据的方法分别是read(byte[], int, int), read(short[], int, int), read(ByteBuffer, int). 无论选择使用那一个方法都必须事先设定方便用户的声音数据的存储格式。

开始录音的时候，AudioRecord需要初始化一个相关联的声音buffer, 这个buffer主要是用来保存新的声音数据。这个buffer的大小，我们可以在对象构造期间去指定。它表明一个AudioRecord对象还没有被读取（同步）声音数据前能录多长的音(即一次可以录制的声音容量)。声音数据从音频硬件中被读出，数据大小不超过整个录音数据的大小（可以分多次读出），即每次读取初始化buffer容量的数据。

1.1 首先要声明一些全局的变量和常量参数

主要是声明一些用到的参数，具体解释可以看注释。

//指定音频源 这个和MediaRecorder是相同的 MediaRecorder.AudioSource.MIC指的是麦克风
private static final int mAudioSource = MediaRecorder.AudioSource.MIC;
//指定采样率 （MediaRecoder 的采样率通常是8000Hz AAC的通常是44100Hz。 设置采样率为44100，目前为常用的采样率，官方文档表示这个值可以兼容所有的设置）
private static final int mSampleRateInHz = 44100;
//指定捕获音频的声道数目。在AudioFormat类中指定用于此的常量，单声道
private static final int mChannelConfig = AudioFormat.CHANNEL_CONFIGURATION_MONO;//指定音频量化位数 ,在AudioFormaat类中指定了以下各种可能的常量。通常我们选择ENCODING_PCM_16BIT和ENCODING_PCM_8BIT PCM代表的是脉冲编码调制，它实际上是原始音频样本。
//因此可以设置每个样本的分辨率为16位或者8位，16位将占用更多的空间和处理能力,表示的音频也更加接近真实。
private static final int mAudioFormat = AudioFormat.ENCODING_PCM_16BIT;
//指定缓冲区大小。调用AudioRecord类的getMinBufferSize方法可以获得。
private int mBufferSizeInBytes;
// 声明 AudioRecord 对象
private AudioRecord mAudioRecord = null;

1.2 获取buffer的大小并创建AudioRecord

//初始化数据，计算最小缓冲区
mBufferSizeInBytes = AudioRecord.getMinBufferSize(mSampleRateInHz, mChannelConfig, mAudioFormat);
//创建AudioRecorder对象mAudioRecord = new AudioRecord(mAudioSource, mSampleRateInHz, mChannelConfig,mAudioFormat, mBufferSizeInBytes);

1.3 创建一个子线程开启线程录音，并写入文件文件

 @Overridepublic void run() {//标记为开始采集状态isRecording = true;//创建文件createFile();try {//判断AudioRecord未初始化，停止录音的时候释放了，状态就为STATE_UNINITIALIZEDif (mAudioRecord.getState() == mAudioRecord.STATE_UNINITIALIZED) {initData();}//最小缓冲区byte[] buffer = new byte[mBufferSizeInBytes];//获取到文件的数据流mDataOutputStream = new DataOutputStream(new BufferedOutputStream(new FileOutputStream(mRecordingFile)));//开始录音mAudioRecord.startRecording();//getRecordingState获取当前AudioReroding是否正在采集数据的状态while (isRecording && mAudioRecord.getRecordingState() == AudioRecord.RECORDSTATE_RECORDING) {int bufferReadResult = mAudioRecord.read(buffer, 0, mBufferSizeInBytes);for (int i = 0; i < bufferReadResult; i++) {mDataOutputStream.write(buffer[i]);}}} catch (Exception e) {Log.e(TAG, "Recording Failed");} finally {// 停止录音stopRecord();IOUtil.close(mDataOutputStream);}}

1.4 权限和采集小结

注意：权限需求：WRITE_EXTERNAL_STORAGE、RECORD_AUDIO 到现在基本的录音的流程就介绍完了，但是这时候问题来了：

1.我按照流程，把音频数据都输出到文件里面了，停止录音后，打开此文件，发现不能播放，到底是为什么呢？

答：按照流程走完了，数据是进去了，但是现在的文件里面的内容仅仅是最原始的音频数据，术语称为raw（中文解释是“原材料”或“未经处理的东西”），这时候，你让播放器去打开，它既不知道保存的格式是什么，又不知道如何进行解码操作。当然播放不了。

2.那如何才能在播放器中播放我录制的内容呢？

答：在文件的数据开头加入AAC HEAD 或者 AAC 数据即可，也就是文件头。只有加上文件头部的数据，播放器才能正确的知道里面的内容到底是什么，进而能够正常的解析并播放里面的内容。

PCM 、WAV、AAC 的文件头介绍

我这里简单的介绍一下这三种的格式的基本介绍，具体我添加了具体的访问链接，具体点击详情查看，我这里点到为止。

PCM: PCM（Pulse Code Modulation----脉码调制录音)。所谓PCM录音就是将声音等模拟信号变成符号化的脉冲列，再予以记录。PCM信号是由[1]、[0]等符号构成的数字信号，而未经过任何编码和压缩处理。与模拟信号比，它不易受传送系统的杂波及失真的影响。动态范围宽，可得到音质相当好的影响效果。

WAV : wav是一种无损的音频文件格式，WAV符合 PIFF(Resource Interchange File Format)规范。所有的WAV都有一个文件头，这个文件头音频流的编码参数。WAV对音频流的编码没有硬性规定，除了PCM之外，还有几乎所有支持ACM规范的编码都可以为WAV的音频流进行编码。简单来说：WAV 是一种无损的音频文件格式，PCM是没有压缩的编码方式

AAC : AAC（Advanced Audio Coding），中文称为“高级音频编码”，出现于1997年，基于 MPEG-2的音频编码技术。由Fraunhofer IIS、杜比实验室、AT&T、Sony（索尼）等公司共同开发，目的是取代MP3格式。2000年，MPEG-4标准出现后，AAC 重新集成了其特性，加入了SBR技术和PS技术，为了区别于传统的 MPEG-2 AAC 又称为 MPEG-4 AAC。他是一种专为声音数据设计的文件压缩格式，与Mp3类似。利用AAC格式，可使声音文件明显减小，而不会让人感觉声音质量有所降低。

PCM 转化为 WAV

在文件的数据开头加入WAVE HEAD 或者 AAC 数据即可，也就是文件头。只有加上文件头部的数据，播放器才能正确的知道里面的内容到底是什么，进而能够正常的解析并播放里面的内容。具体的头文件的描述，在Play a WAV file on an AudioTrack里面可以进行了解。

public class WAVUtil {/*** PCM文件转WAV文件** @param inPcmFilePath  输入PCM文件路径* @param outWavFilePath 输出WAV文件路径* @param sampleRate     采样率，例如44100* @param channels       声道数 单声道：1或双声道：2* @param bitNum         采样位数，8或16*/    
public static void convertPcm2Wav(String inPcmFilePath, String outWavFilePath, int sampleRate,int channels, int bitNum) {FileInputStream in = null;FileOutputStream out = null;byte[] data = new byte[1024];try {//采样字节byte率long byteRate = sampleRate * channels * bitNum / 8;in = new FileInputStream(inPcmFilePath);out = new FileOutputStream(outWavFilePath);//PCM文件大小long totalAudioLen = in.getChannel().size();//总大小，由于不包括RIFF和WAV，所以是44 - 8 = 36，在加上PCM文件大小long totalDataLen = totalAudioLen + 36;writeWaveFileHeader(out, totalAudioLen, totalDataLen, sampleRate, channels, byteRate);int length = 0;while ((length = in.read(data)) > 0) {out.write(data, 0, length);}} catch (Exception e) {e.printStackTrace();} finally {IOUtil.close(in,out);}}/*** 输出WAV文件** @param out           WAV输出文件流* @param totalAudioLen 整个音频PCM数据大小* @param totalDataLen  整个数据大小* @param sampleRate    采样率* @param channels      声道数* @param byteRate      采样字节byte率* @throws IOException*/private static void writeWaveFileHeader(FileOutputStream out, long totalAudioLen,long totalDataLen, int sampleRate, int channels, long byteRate) throws IOException {byte[] header = new byte[44];header[0] = 'R'; // RIFFheader[1] = 'I';header[2] = 'F';header[3] = 'F';header[4] = (byte) (totalDataLen & 0xff);//数据大小header[5] = (byte) ((totalDataLen >> 8) & 0xff);header[6] = (byte) ((totalDataLen >> 16) & 0xff);header[7] = (byte) ((totalDataLen >> 24) & 0xff);header[8] = 'W';//WAVEheader[9] = 'A';header[10] = 'V';header[11] = 'E';//FMT Chunkheader[12] = 'f'; // 'fmt 'header[13] = 'm';header[14] = 't';header[15] = ' ';//过渡字节//数据大小header[16] = 16;// 4 bytes: size of 'fmt ' chunkheader[17] = 0;header[18] = 0;header[19] = 0;//编码方式 10H为PCM编码格式header[20] = 1; // format = 1header[21] = 0;//通道数header[22] = (byte) channels;header[23] = 0;//采样率，每个通道的播放速度header[24] = (byte) (sampleRate & 0xff);header[25] = (byte) ((sampleRate >> 8) & 0xff);header[26] = (byte) ((sampleRate >> 16) & 0xff);header[27] = (byte) ((sampleRate >> 24) & 0xff);//音频数据传送速率,采样率*通道数*采样深度/8header[28] = (byte) (byteRate & 0xff);header[29] = (byte) ((byteRate >> 8) & 0xff);header[30] = (byte) ((byteRate >> 16) & 0xff);header[31] = (byte) ((byteRate >> 24) & 0xff);// 确定系统一次要处理多少个这样字节的数据，确定缓冲区，通道数*采样位数header[32] = (byte) (channels * 16 / 8);header[33] = 0;//每个样本的数据位数header[34] = 16;header[35] = 0;//Data chunkheader[36] = 'd';//dataheader[37] = 'a';header[38] = 't';header[39] = 'a';header[40] = (byte) (totalAudioLen & 0xff);header[41] = (byte) ((totalAudioLen >> 8) & 0xff);header[42] = (byte) ((totalAudioLen >> 16) & 0xff);header[43] = (byte) ((totalAudioLen >> 24) & 0xff);out.write(header, 0, 44);}
}

看到下图我们生成了相对的 wav 文件，我们用用本机自带播放器打开此时就能正常播放，但是我们发现他的大小比较大，我们看到就是几分钟就这么大，我们平时用的是 mp3 、aac 格式的，我们如何办到的呢，这里我们继续看一下 mp3 格式如何能生成。

PCM 转化为 AAC 文件格式

生成 aac 文件播放

public class AACUtil {.../*** 初始化AAC编码器*/    private void initAACMediaEncode() {try {//参数对应-> mime type、采样率、声道数MediaFormat encodeFormat = MediaFormat.createAudioFormat(MediaFormat.MIMETYPE_AUDIO_AAC, 16000, 1);encodeFormat.setInteger(MediaFormat.KEY_BIT_RATE, 64000);//比特率encodeFormat.setInteger(MediaFormat.KEY_CHANNEL_COUNT, 1);encodeFormat.setInteger(MediaFormat.KEY_CHANNEL_MASK, AudioFormat.CHANNEL_IN_MONO);encodeFormat.setInteger(MediaFormat.KEY_AAC_PROFILE, MediaCodecInfo.CodecProfileLevel.AACObjectLC);encodeFormat.setInteger(MediaFormat.KEY_MAX_INPUT_SIZE, 1024);//作用于inputBuffer的大小mediaEncode = MediaCodec.createEncoderByType(encodeType);mediaEncode.configure(encodeFormat, null, null, MediaCodec.CONFIGURE_FLAG_ENCODE);} catch (IOException e) {e.printStackTrace();}if (mediaEncode == null) {LogUtil.e("create mediaEncode failed");return;}mediaEncode.start();encodeInputBuffers = mediaEncode.getInputBuffers();encodeOutputBuffers = mediaEncode.getOutputBuffers();encodeBufferInfo = new MediaCodec.BufferInfo();}private boolean codeOver = false;/*** 开始转码* 音频数据{@link #srcPath}先解码成PCM  PCM数据在编码成MediaFormat.MIMETYPE_AUDIO_AAC音频格式* mp3->PCM->aac*/    public void startAsync() {LogUtil.w("start");new Thread(new DecodeRunnable()).start();}/*** 解码{@link #srcPath}音频文件 得到PCM数据块** @return 是否解码完所有数据*/private void srcAudioFormatToPCM() {File file = new File(srcPath);// 指定要读取的文件FileInputStream fio = null;try {fio = new FileInputStream(file);byte[] bb = new byte[1024];while (!codeOver) {if (fio.read(bb) != -1) {LogUtil.e("============   putPCMData ============" + bb.length);dstAudioFormatFromPCM(bb);} else {codeOver = true;}}fio.close();} catch (Exception e) {e.printStackTrace();}}private byte[] chunkAudio = new byte[0];/*** 编码PCM数据 得到AAC格式的音频文件*/    private void dstAudioFormatFromPCM(byte[] pcmData) {int inputIndex;ByteBuffer inputBuffer;int outputIndex;ByteBuffer outputBuffer;int outBitSize;int outPacketSize;byte[] PCMAudio;PCMAudio = pcmData;encodeInputBuffers = mediaEncode.getInputBuffers();encodeOutputBuffers = mediaEncode.getOutputBuffers();encodeBufferInfo = new MediaCodec.BufferInfo();inputIndex = mediaEncode.dequeueInputBuffer(0);inputBuffer = encodeInputBuffers[inputIndex];inputBuffer.clear();inputBuffer.limit(PCMAudio.length);inputBuffer.put(PCMAudio);//PCM数据填充给inputBuffermediaEncode.queueInputBuffer(inputIndex, 0, PCMAudio.length, 0, 0);//通知编码器 编码outputIndex = mediaEncode.dequeueOutputBuffer(encodeBufferInfo, 0);while (outputIndex > 0) {outBitSize = encodeBufferInfo.size;outPacketSize = outBitSize + 7;//7为ADT头部的大小outputBuffer = encodeOutputBuffers[outputIndex];//拿到输出BufferoutputBuffer.position(encodeBufferInfo.offset);outputBuffer.limit(encodeBufferInfo.offset + outBitSize);chunkAudio = new byte[outPacketSize];addADTStoPacket(chunkAudio, outPacketSize);//添加ADTSoutputBuffer.get(chunkAudio, 7, outBitSize);//将编码得到的AAC数据 取出到byte[]中try {//录制aac音频文件，保存在手机内存中bos.write(chunkAudio, 0, chunkAudio.length);bos.flush();} catch (FileNotFoundException e) {e.printStackTrace();} catch (IOException e) {e.printStackTrace();}            outputBuffer.position(encodeBufferInfo.offset);mediaEncode.releaseOutputBuffer(outputIndex, false);outputIndex = mediaEncode.dequeueOutputBuffer(encodeBufferInfo, 0);}}/*** 添加ADTS头** @param packet* @param packetLen*/    
private void addADTStoPacket(byte[] packet, int packetLen) {int profile = 2; // AAC LCint freqIdx = 8; // 16KHzint chanCfg = 1; // CPE// fill in ADTS datapacket[0] = (byte) 0xFF;packet[1] = (byte) 0xF1;packet[2] = (byte) (((profile - 1) << 6) + (freqIdx << 2) + (chanCfg >> 2));packet[3] = (byte) (((chanCfg & 3) << 6) + (packetLen >> 11));packet[4] = (byte) ((packetLen & 0x7FF) >> 3);packet[5] = (byte) (((packetLen & 7) << 5) + 0x1F);packet[6] = (byte) 0xFC;}/*** 释放资源*/    
public void release() {...}/*** 解码线程*/    
private class DecodeRunnable implements Runnable {@Overridepublic void run() {srcAudioFormatToPCM();}}
}

AudioStack 播放

AudioTrack 类可以完成Android平台上音频数据的输出任务。AudioTrack有两种数据加载模式（MODE_STREAM和MODE_STATIC），对应的是数据加载模式和音频流类型，对应着两种完全不同的使用场景。

MODE_STREAM：在这种模式下，通过write一次次把音频数据写到AudioTrack中。这和平时通过write系统调用往文件中写数据类似，但这种工作方式每次都需要把数据从用户提供的Buffer中拷贝到AudioTrack内部的Buffer中，这在一定程度上会使引入延时。为解决这一问题，AudioTrack就引入了第二种模式。

MODE_STATIC：这种模式下，在play之前只需要把所有数据通过一次write调用传递到AudioTrack中的内部缓冲区，后续就不必再传递数据了。这种模式适用于像铃声这种内存占用量较小，延时要求较高的文件。但它也有一个缺点，就是一次write的数据不能太多，否则系统无法分配足够的内存来存储全部数据。

播放声音可以用MediaPlayer和AudioTrack，两者都提供了Java API供应用开发者使用。虽然都可以播放声音，但两者还是有很大的区别的，其中最大的区别是MediaPlayer可以播放多种格式的声音文件，例如MP3，AAC，WAV，OGG，MIDI等。MediaPlayer会在framework层创建对应的音频解码器。而AudioTrack只能播放已经解码的PCM流，如果对比支持的文件格式的话则是AudioTrack只支持wav格式的音频文件，因为wav格式的音频文件大部分都是PCM流。AudioTrack不创建解码器，所以只能播放不需要解码的wav文件。

3.1 音频流的类型

在AudioTrack构造函数中，会接触到AudioManager.STREAM_MUSIC这个参数。它的含义与Android系统对音频流的管理和分类有关。

Android将系统的声音分为好几种流类型，下面是几个常见的：
STREAM_ALARM：警告声STREAM_MUSIC：音乐声，例如music等STREAM_RING：铃声STREAM_SYSTEM：系统声音，例如低电提示音，锁屏音等STREAM_VOCIE_CALL：通话声

注意：上面这些类型的划分和音频数据本身并没有关系。例如MUSIC和RING类型都可以是某首MP3歌曲。另外，声音流类型的选择没有固定的标准，例如，铃声预览中的铃声可以设置为MUSIC类型。音频流类型的划分和Audio系统对音频的管理策略有关。

3.2 Buffer分配和Frame的概念

在计算Buffer分配的大小的时候，我们经常用到的一个方法就是：getMinBufferSize。这个函数决定了应用层分配多大的数据Buffer。

AudioTrack.getMinBufferSize(8000,//每秒8K个采样点AudioFormat.CHANNEL_CONFIGURATION_STEREO,//双声道AudioFormat.ENCODING_PCM_16BIT);

从AudioTrack.getMinBufferSize开始追溯代码，可以发现在底层的代码中有一个很重要的概念：Frame（帧）。Frame是一个单位，用来描述数据量的多少。1单位的Frame等于1个采样点的字节数×声道数（比如PCM16，双声道的1个Frame等于2×2=4字节）。1个采样点只针对一个声道，而实际上可能会有一或多个声道。由于不能用一个独立的单位来表示全部声道一次采样的数据量，也就引出了Frame的概念。Frame的大小，就是一个采样点的字节数×声道数。另外，在目前的声卡驱动程序中，其内部缓冲区也是采用Frame作为单位来分配和管理的。

getMinBufSize会综合考虑硬件的情况（诸如是否支持采样率，硬件本身的延迟情况等）后，得出一个最小缓冲区的大小。一般我们分配的缓冲大小会是它的整数倍。

3.3 构建过程

每一个音频流对应着一个AudioTrack类的一个实例，每个AudioTrack会在创建时注册到 AudioFlinger中，由AudioFlinger把所有的AudioTrack进行混合（Mixer），然后输送到AudioHardware中进行播放，目前Android同时最多可以创建32个音频流，也就是说，Mixer最多会同时处理32个AudioTrack的数据流。

3.4 Show Me The Code

public class AudioTrackManager {...//音频流类型private static final int mStreamType = AudioManager.STREAM_MUSIC;//指定采样率 （MediaRecoder 的采样率通常是8000Hz AAC的通常是44100Hz。 设置采样率为44100，目前为常用的采样率，官方文档表示这个值可以兼容所有的设置）private static final int mSampleRateInHz = 44100;//指定捕获音频的声道数目。在AudioFormat类中指定用于此的常量private static final int mChannelConfig = AudioFormat.CHANNEL_CONFIGURATION_MONO; //单声道//指定音频量化位数 ,在AudioFormaat类中指定了以下各种可能的常量。通常我们选择ENCODING_PCM_16BIT和ENCODING_PCM_8BIT PCM代表的是脉冲编码调制，它实际上是原始音频样本。//因此可以设置每个样本的分辨率为16位或者8位，16位将占用更多的空间和处理能力,表示的音频也更加接近真实。private static final int mAudioFormat = AudioFormat.ENCODING_PCM_16BIT;//指定缓冲区大小。调用AudioRecord类的getMinBufferSize方法可以获得。private int mMinBufferSize;//STREAM的意思是由用户在应用程序通过write方式把数据一次一次得写到audiotrack中。这个和我们在socket中发送数据一样，// 应用层从某个地方获取数据，例如通过编解码得到PCM数据，然后write到audiotrack。private static int mMode = AudioTrack.MODE_STREAM;private void initData() {//根据采样率，采样精度，单双声道来得到frame的大小。mMinBufferSize = AudioTrack.getMinBufferSize(mSampleRateInHz, mChannelConfig, mAudioFormat);//计算最小缓冲区//注意，按照数字音频的知识，这个算出来的是一秒钟buffer的大小。//创建AudioTrackmAudioTrack = new AudioTrack(mStreamType, mSampleRateInHz, mChannelConfig,mAudioFormat, mMinBufferSize, mMode);}/*** 启动播放线程*/private void startThread() {destroyThread();isStart = true;if (mRecordThread == null) {mRecordThread = new Thread(recordRunnable);mRecordThread.start();}}/*** 播放线程*/private Runnable recordRunnable = new Runnable() {@Overridepublic void run() {try {//设置线程的优先级android.os.Process.setThreadPriority(android.os.Process.THREAD_PRIORITY_URGENT_AUDIO);byte[] tempBuffer = new byte[mMinBufferSize];int readCount = 0;while (mDis.available() > 0) {readCount = mDis.read(tempBuffer);if (readCount == AudioTrack.ERROR_INVALID_OPERATION || readCount == AudioTrack.ERROR_BAD_VALUE) {continue;}//一边播放一边写入语音数据if (readCount != 0 && readCount != -1) {//判断AudioTrack未初始化，停止播放的时候释放了，状态就为STATE_UNINITIALIZEDif (mAudioTrack.getState() == mAudioTrack.STATE_UNINITIALIZED) {initData();}mAudioTrack.play();mAudioTrack.write(tempBuffer, 0, readCount);                    }}//播放完就停止播放stopPlay();} catch (Exception e) {e.printStackTrace();}}};/*** 启动播放** @param path*/    
public void startPlay(String path) {try {setPath(path);startThread();} catch (Exception e) {e.printStackTrace();}}/*** 停止播放*/    
public void stopPlay() {try {destroyThread();//销毁线程if (mAudioTrack != null) {if (mAudioTrack.getState() == AudioRecord.STATE_INITIALIZED) {//初始化成功mAudioTrack.stop();//停止播放}if (mAudioTrack != null) {mAudioTrack.release();//释放audioTrack资源}}if (mDis != null) {mDis.close();//关闭数据输入流}} catch (Exception e) {e.printStackTrace();}}
}

目前市场上对于音视频人才的需求，市场招聘音视频岗位薪资亦是水涨船高，但音视频开发这块目前的确没有比较系统的教程或者书籍，网上的博客文章也都是比较零散的。只能通过一点点的学习和积累把这块的知识串联积累起来。

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音视频初级入门主要是接触Android多媒体展示相关的API，通过单独的列举和使用这些API，对Android音视频处理有一个基本的轮廓，虽然知识点相对来说是比较散的，但是点成线、线成面，基本的基础掌握了，通过学习Android音视频核心的API将音视频的流程串联起来，这样对于音视频的了解和控制就不仅仅局限于最外层的API了，而是能够通过相对底层的方式来加深对Android 音视频开发的认知。