使用 libmp3lame 实现高质量 MP3 编码

在 Windows 平台上，内置的 MP3 编码器（ACM Wrapper MFT）质量有限，很多开发者希望借助 libmp3lame 这一高质量开源 MP3 编码器实现更好的音频转换效果。本文介绍如何通过 vcpkg 安装支持 libmp3lame 的 FFmpeg、修改 CMake 构建脚本、调整 C/C++ 代码实现以及在 Java 端通过 JNI 调用转换功能。

1. 环境准备与安装

1.1 使用 vcpkg 安装 FFmpeg 与 libmp3lame

在安装 FFmpeg 时，可通过扩展选项让 vcpkg 同时安装并配置 libmp3lame。根据目标平台的不同，安装命令如下：

  • Windows 下（默认使用动态链接库配置 x64-windows）：
    vcpkg install ffmpeg[mp3lame]:x64-windows --recurse

安装完成后，vcpkg 会自动下载、编译并配置 libmp3lame 作为 FFmpeg 的依赖库，无需单独安装。

2. 修改 CMake 构建脚本

在项目的 CMakeLists.txt 中，需要添加对 mp3lame 的查找，并在链接目标时将其加入。完整示例如下：

cmake_minimum_required(VERSION 3.15)
project(native_media)

set(CMAKE_CXX_STANDARD 17)

# Find JNI
find_package(JNI REQUIRED)
include_directories(${JNI_INCLUDE_DIRS})

# 查找 FFmpeg 组件
find_path(AVCODEC_INCLUDE_DIR libavcodec/avcodec.h)
find_path(AVFORMAT_INCLUDE_DIR libavformat/avformat.h)
find_path(SWRESAMPLE_INCLUDE_DIR libswresample/swresample.h)
find_path(AVUTIL_INCLUDE_DIR libavutil/avutil.h)

find_library(AVCODEC_LIBRARY avcodec)
find_library(AVFORMAT_LIBRARY avformat)
find_library(SWRESAMPLE_LIBRARY swresample)
find_library(AVUTIL_LIBRARY avutil)

# 打印调试信息
message(STATUS "AVCODEC_INCLUDE_DIR: ${AVCODEC_INCLUDE_DIR}")
message(STATUS "AVCODEC_LIBRARY: ${AVCODEC_LIBRARY}")
message(STATUS "AVFORMAT_INCLUDE_DIR: ${AVFORMAT_INCLUDE_DIR}")
message(STATUS "AVFORMAT_LIBRARY: ${AVFORMAT_LIBRARY}")
message(STATUS "SWRESAMPLE_INCLUDE_DIR: ${SWRESAMPLE_INCLUDE_DIR}")
message(STATUS "SWRESAMPLE_LIBRARY: ${SWRESAMPLE_LIBRARY}")
message(STATUS "AVUTIL_INCLUDE_DIR: ${AVUTIL_INCLUDE_DIR}")
message(STATUS "AVUTIL_LIBRARY: ${AVUTIL_LIBRARY}")

# 查找 mp3lame 包
find_package(mp3lame CONFIG REQUIRED)

# 包含目录
include_directories(
        ${AVCODEC_INCLUDE_DIR}
        ${AVFORMAT_INCLUDE_DIR}
        ${SWRESAMPLE_INCLUDE_DIR}
        ${AVUTIL_INCLUDE_DIR}
        jni
)

# 添加源文件，生成共享库
add_library(native_media SHARED src/native_mp3.c src/native_mp4.c)

# 链接依赖库
target_link_libraries(native_media
        ${JNI_LIBRARIES}
        ${AVCODEC_LIBRARY}
        ${AVFORMAT_LIBRARY}
        ${SWRESAMPLE_LIBRARY}
        ${AVUTIL_LIBRARY}
        mp3lame::mp3lame
)

# 如果有测试程序，也链接 mp3lame
add_executable(mp4_test src/mp4_test.c src/native_mp4.c)
target_link_libraries(mp4_test
        ${AVCODEC_LIBRARY}
        ${AVFORMAT_LIBRARY}
        ${SWRESAMPLE_LIBRARY}
        ${AVUTIL_LIBRARY}
        mp3lame::mp3lame
)

说明：

  • 使用 find_package(mp3lame CONFIG REQUIRED) 告诉 CMake 在 vcpkg 中查找 libmp3lame 包。
  • 在 target_link_libraries 中添加 mp3lame::mp3lame，确保编译出的库能够链接到 libmp3lame，从而在运行时使用高质量的 MP3 编码器。

3. 修改代码实现 libmp3lame 编码

在 C/C++ 代码中，需要做两处修改：

3.1 查找编码器

修改原来的查找代码，将查找默认 MP3 编码器的部分改为查找 libmp3lame 编码器：

// 原代码：查找默认 MP3 编码器
// encoder = avcodec_find_encoder(AV_CODEC_ID_MP3);

// 修改为：查找 libmp3lame 编码器
encoder = avcodec_find_encoder_by_name("libmp3lame");
if (!encoder) {
  snprintf(error_buffer, sizeof(error_buffer), "Error: Could not find libmp3lame encoder");
  goto cleanup;
}

3.2 设置采样格式

从错误日志中可见，错误信息提示“Specified sample format s16 is not supported by the libmp3lame encoder”，而 libmp3lame 支持的采样格式包括 s32p、fltp 和 s16p。因此需要将编码器上下文的采样格式改为其中之一，例如使用 AV_SAMPLE_FMT_S16P：

encoder_context->sample_fmt = AV_SAMPLE_FMT_S16P;

同时，确保在创建重采样上下文和分配输出帧时，其参数也使用相同的采样格式，从而保证整个音频转换流程的数据格式一致。

4. 部署与 DLL 文件加载

4.1 Windows 下 DLL 的加载

在 Java 端通过 JNI 调用本地库时，需要手动加载所有依赖的动态库。示例代码（LibraryUtils.java）如下：

package com.litongjava.media.utils;

import java.io.File;
import com.litongjava.media.core.Core;

public class LibraryUtils {

  public static void load() {
    String osName = System.getProperty("os.name").toLowerCase();
    String libFileName;
    if (osName.contains("win")) {
      libFileName = Core.WIN_NATIVE_LIBRARY_NAME;
    } else if (osName.contains("mac")) {
      libFileName = Core.MACOS_NATIVE_LIBRARY_NAME;
    } else if (osName.contains("nix") || osName.contains("nux") || osName.contains("aix")) {
      libFileName = Core.UNIX_NATIVE_LIBRARY_NAME;
    } else {
      throw new UnsupportedOperationException("Unsupported OS：" + osName);
    }

    File libDir = new File("lib");
    if (!libDir.exists()) {
      libDir.mkdirs();
    }

    File libFile = new File(libDir, libFileName);
    if (!libFile.exists()) {
      throw new RuntimeException("Not found library：" + libFile.getAbsolutePath());
    }
    // 加载顺序不可改变，先加载 FFmpeg 依赖的动态库，再加载主库
    System.load(new File("lib", "libmp3lame.DLL").getAbsolutePath());
    System.load(new File("lib", "avutil-59.dll").getAbsolutePath());
    System.load(new File("lib", "swresample-5.dll").getAbsolutePath());
    System.load(new File("lib", "avcodec-61.dll").getAbsolutePath());
    System.load(new File("lib", "avformat-61.dll").getAbsolutePath());

    System.load(libFile.getAbsolutePath());
  }
}

注意：

  • 如果在构建后发现没有生成或复制出 libmp3lame.DLL，请检查：
    1. vcpkg 安装时是否正确使用了动态库配置（Windows 下推荐使用 x64-windows ），并且安装日志中确认已包含 mp3lame 支持。
    2. 构建生成的 FFmpeg 依赖库中，libmp3lame 是否存在（名称可能因平台或配置有所不同，如 libmp3lame.DLL 或 libmp3lame.dll）。
  • 需要确保在部署时，将所有以下文件一并复制到 Java 工程的 lib 目录中：
    avcodec-61.dll
avformat-61.dll
avutil-59.dll
swresample-5.dll
libmp3lame.DLL
libnative_media.dll

5. 常见问题及解决方案

问题 1：

错误日志：

[libmp3lame @ ...] Specified sample format s16 is not supported by the libmp3lame encoder
[libmp3lame @ ...] Supported sample formats:
   s32p
   fltp
   s16p
Conversion failed: Error: Could not open encoder: Error: Could not open encoder:

原因与解决方案：

  • 原因： 代码中设置的编码器采样格式为 AV_SAMPLE_FMT_S16（非平面格式），而 libmp3lame 仅支持平面格式，如 s16p、s32p 或 fltp。
  • 解决方案： 将编码器上下文的采样格式修改为 AV_SAMPLE_FMT_S16P。同时确保重采样上下文和输出帧配置一致。

问题 2：

错误日志：

Conversion failed: Error: Could not find libmp3lame encoder

原因与解决方案：

  • 原因： 可能是 FFmpeg 编译时未启用 libmp3lame 支持，或者动态库加载、链接配置存在问题。
  • 解决方案：
    1. 检查 vcpkg 安装命令是否正确，例如使用：
      vcpkg install ffmpeg[mp3lame]:x64-windows --recurse
    2. 确认编译日志中显示 libmp3lame 已启用，并通过命令行运行 ffmpeg -codecs 检查是否支持 "libmp3lame" 编码器。
    3. 检查 CMakeLists.txt 中是否已正确引入 mp3lame::mp3lame 以及在代码中调用 avcodec_find_encoder_by_name("libmp3lame")。

问题 3：

问题描述：
代码修改并构建后，未生成或复制出 libmp3lame.DLL，导致在运行时无法加载该库。

解决方案：

  • 检查 vcpkg 配置是否正确使用了动态库模式（Windows 下使用 x64-windows 而非 x64-windows-dynamic）。
  • 检查 vcpkg 安装目录，确认 libmp3lame 库是否存在，并核对文件名（大小写、前后缀）与代码中加载的一致。
  • 如果确实没有生成 libmp3lame.DLL，可能是因为 FFmpeg 版本内已将 mp3lame 静态编译进库中，或者库名称不同，此时需要调整 Java 中的 System.load 语句，或者采用 System.loadLibrary 方式加载系统路径中的动态库。

6. 部署与运行注意事项

  • 动态库加载顺序：
    Windows 下需要手动加载所有依赖库（avutil、swresample、avcodec、avformat、libmp3lame 等）后，再加载主 JNI 库。确保各 DLL 文件均在工程指定目录中，并且文件名与代码中调用一致。

  • 跨平台差异：
    在 Linux 系统下，动态库文件为 .so，加载方式与 Windows 不同。如果使用系统默认库目录并配置了 LD_LIBRARY_PATH，则可以通过 System.loadLibrary 加载主库，而无需显式加载所有依赖库。

  • 版本一致性：
    保证 FFmpeg、libmp3lame 以及项目构建时所用的各库版本、编译配置（动态或静态链接）一致，避免由于混用导致运行时找不到编码器或其它问题。

7. 总结

通过本文档，我们详细介绍了如何在 JNI 环境下使用 libmp3lame 进行 MP4 转 MP3 的音频转换，包括以下关键点：

  • 环境配置： 通过 vcpkg 安装支持 libmp3lame 的 FFmpeg，确保使用正确的动态库配置。
  • CMake 配置： 在 CMakeLists.txt 中添加对 mp3lame 的查找，并在链接时加入 mp3lame 库。
  • 代码修改： 修改查找编码器部分为 avcodec_find_encoder_by_name("libmp3lame")，并将编码器上下文的采样格式设置为 FFmpeg 支持的平面格式（如 AV_SAMPLE_FMT_S16P）。
  • 部署注意： 确保所有依赖库（包括 libmp3lame）在运行时能够正确加载，避免因 DLL 文件缺失或名称不匹配而导致转换失败。
  • 常见问题： 针对错误信息（如采样格式不匹配和找不到编码器）给出详细的分析和解决方案。

按照以上步骤检查配置与代码修改后，即可解决“Conversion failed: Error: Could not find libmp3lame encoder”以及相关的采样格式问题，从而实现高质量的 MP3 转换。

希望这份文档能帮助你快速定位问题，并顺利完成项目构建与部署。