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FFmpeg框架解析及核心資料結構

阿新 • • 發佈：2019-01-02

ffmpeg關鍵資料結構及對應的協議層

功能 結構體
整個音視訊檔案的抽象(包含下面所有結構體) AVFormatContext
協議層 AVIOContext
封裝格式層 AVInputFormat/AVOutputFormat
解碼之前的資料 AVPacket
編碼層 AVStream[0]->AVCodecContext->AVCodec
AVStream[1]->AVCodecContext->AVCodec
解碼之後的資料 AVFrame

協議層（http,rtsp,rtmp,mms）

AVIOContext，URLProtocol，URLContext主要儲存視音訊使用的協議的型別以及狀態。
URLProtocol儲存輸入視音訊使用的封裝格式。
每種協議都對應一個URLProtocol結構。（注意：FFMPEG中檔案也被當做一種協議“file”）

封裝層（flv,avi,rmvb,mp4）

解封裝

結果: 產生壓縮的碼流資料(解碼前資料)——AVPacket
視訊的話，每個結構一般是存一幀；音訊可能有好幾幀

封裝

將h.264等裸流，封裝為檔案

主要結構體及初始化

AVFormatContext主要儲存視音訊封裝格式中包含的資訊(非常重要，包含封裝層、編碼層)

  1. AVFormatContext結構體簡介

    struct AVInputFormat * iformat：輸入資料的封裝格式

AVIOContext * pb：輸入資料的快取

unsigned int nb_streams：視音訊流的個數

AVStream ** streams：視音訊流

char filename[1024]：檔名

int64_t duration：時長（單位：微秒us，轉換為秒需要除以1000000）

int bit_rate：位元率（單位bps，轉換為kbps需要除以1000）

AVDictionary * metadata：元資料

  2. 建立 AVFormatContext的方法

    1. 方法一: 通過開啟檔案獲取 AVFormatContext(解封裝輸入檔案格式) （解封裝，自頂向下初始化）

      1. 第一步: FFMpeg進行其他操作一樣，首先需註冊FFMpeg元件

        av_register_all();

      2. 第二步: 開啟待處理音視訊檔案

        然而在此我們不使用開啟檔案的fopen函式，而是使用avformat_open_input函式。該函式不但會開啟輸入檔案，而且可以根據輸入檔案讀取相應的格式資訊。該函式的宣告如下：

        int avformat_open_input(AVFormatContext **ps, const char *url, AVInputFormat *fmt, AVDictionary **options);

        該函式的各個引數的作用為：

        ps：根據輸入檔案接收與格式相關的控制代碼資訊；可以指向NULL，那麼AVFormatContext型別的例項將由該函式進行分配。
        url：視訊url或者檔案路徑；
        fmt：強制輸入格式，可設定為NULL以自動檢測；
        options：儲存檔案格式無法識別的資訊；
        返回值：成功返回0，失敗則返回負的錯誤碼；

        該函式的呼叫方式為：

        if (avformat_open_input(&(va_ctx.fmt_ctx), files.src_filename, NULL, NULL) < 0)
        {
        fprintf(stderr, “Could not open source file %s\n”, files.src_filename);
        return -1;
        }

      3. 第三步: 獲取檔案中的流資訊

        該函式的宣告為：

        int avformat_find_stream_info(AVFormatContext *ic, AVDictionary **options);

        該函式的第一個引數即前面的檔案控制代碼，第二個引數也是用於儲存無法識別的資訊的AVDictionary的結構，通常可設為NULL。呼叫方式如：

        * retrieve stream information *
        if (avformat_find_stream_info(va_ctx.fmt_ctx, NULL) < 0)
        {
        fprintf(stderr, “Could not find stream information\n”);
        return -1;
        }

    2. 方法二: 手動創造 AVFormatContext(封裝輸出檔案格式)(封裝，自底向上初始化)

      1. 第一步: 根據輸出檔案的格式獲取AVFormatContext結構

        根據輸出檔案的格式獲取AVFormatContext結構，獲取AVFormatContext結構使用函式avformat_alloc_output_context2實現。該函式的宣告為：

        int avformat_alloc_output_context2(AVFormatContext **ctx, AVOutputFormat *oformat, const char *format_name, const char *filename);

        其中：

        ctx：輸出到AVFormatContext結構的指標，如果函式失敗則返回給該指標為NULL；
        oformat：指定輸出的AVOutputFormat型別，如果設為NULL則使用format_name和filename生成；
        format_name：輸出格式的名稱，如果設為NULL則使用filename預設格式；
        filename：目標檔名，如果不使用，可以設為NULL；

      2. 第二步: 判斷 AVFormatContext中是否存在音訊流或者視訊流

        if (fmt->video_codec != AV_CODEC_ID_NONE)
        {
        add_stream(video_st, oc, &video_codec, fmt->video_codec);
        video_st->st->codec->width = io.frame_width;
        video_st->st->codec->height = io.frame_height;
        ret |= HAVE_VIDEO;
        ret |= ENCODE_VIDEO;
        }
        if (fmt->audio_codec != AV_CODEC_ID_NONE)
        {
        add_stream(audio_st, oc, &audio_codec, fmt->audio_codec);
        ret |= HAVE_AUDIO;
        ret |= ENCODE_AUDIO;
        }

      3. 第三步: 向AVFormatContext結構中所代表的媒體檔案中新增資料流

        新增流首先需要查詢流所包含的媒體的編碼器，這需要傳入codec_id後使用avcodec_find_encoder函式實現，將查詢到的編碼器儲存在AVCodec指標中。

        呼叫avformat_new_stream函式向AVFormatContext結構中所代表的媒體檔案中新增資料流。該函式的宣告如下：

        AVStream *avformat_new_stream(AVFormatContext *s, const AVCodec *c);

        其中各個引數的含義：

        s：AVFormatContext結構，表示要封裝生成的視訊檔案；
        c：上一步根據codec_id產生的編碼器指標；
        返回值：指向生成的stream物件的指標；如果失敗則返回NULL指標。

        此時，一個新的AVStream便已經加入到輸出檔案中。

AVStream是視訊檔案中某一音訊流或者視訊流的抽象。

儲存一個視訊/音訊流(一系列包的集合)的結構。
AVStream可以表示封裝格式中的音訊或者視訊資料。通過AVStream可以得到音訊流或者視訊流對應的AVCodecContext，儲存該視訊/音訊流使用解碼方式的相關資料。
主要有下面兩種獲取AVStream的方法:

  1. 方法一: 通過開啟檔案的 AVFormatContext,獲取音訊和視訊AVStream

    1. 第一步: 通過開啟檔案獲取 AVFormatContext(解封裝輸入檔案格式

    2. 第二步: 獲取檔案中的音訊和視訊AVStream

      獲取檔案中的流使用av_find_best_stream函式，其宣告如：

      int av_find_best_stream(AVFormatContext *ic,
      enum AVMediaType type,
      int wanted_stream_nb,
      int related_stream,
      AVCodec **decoder_ret,
      int flags);

      其中各個引數的意義：

      ic：視訊檔案控制代碼；
      type：表示資料的型別，常用的有AVMEDIA_TYPE_VIDEO表示視訊，AVMEDIA_TYPE_AUDIO表示音訊等；
      wanted_stream_nb：我們期望獲取到的資料流的數量，設定為-1使用自動獲取；
      related_stream：獲取相關的音視訊流，如果沒有則設為-1；
      decoder_ret：返回這一路資料流的解碼器；
      flags：未定義；
      返回值：函式執行成功返回 type流的序號 ，失敗則返回負的錯誤碼； (解封裝)

  2. 方法二: 手動構造 AVStream (封裝)

其他結構體

AVInputFormat儲存輸入視音訊使用的封裝格式，每種視音訊封裝格式都對應一個AVInputFormat 結構。

編碼或者解碼

主要結構體及初始化

編解碼器結構體 AVCodec

每個AVCodecContext中對應一個AVCodec，包含該視訊/音訊對應的解碼器。每種解碼器都對應一個AVCodec結構。

AVCodec儲存一個編解碼器的例項，實現時實際的編碼功能。通常我們在程式中定義一個指向AVCodec結構的指標指向該例項。

根據編解碼器ID，獲取編解碼器指標的方法有以下兩種:

  1. 第一步: 所有涉及到編解碼的的功能，都必須要註冊音視訊編解碼器之後才能使用。

    avcodec_register_all();

  2. 第二步: 通過編解碼器ID獲取編解碼器指標

    CODEC_ID通常指定了編解碼器的格式，在這裡我們使用當前應用最為廣泛的H.264格式為例。查詢codec呼叫的函式為avcodec_find_encoder，其宣告格式為：

    AVCodec *avcodec_find_encoder(enum AVCodecID id);

    該函式的輸入引數為一個AVCodecID的列舉型別，返回值為一個指向AVCodec結構的指標，用於接收找到的編解碼器例項。如果沒有找到，那麼該函式會返回一個空指標。呼叫方法如下：

    * find the mpeg1 video encoder *
    ctx.codec = avcodec_find_encoder(AV_CODEC_ID_H264); //根據CODEC_ID查詢編解碼器物件例項的指標
    if (!ctx.codec)
    {
    fprintf(stderr, “Codec not found\n”);
    return false;
    }

編解碼器引數配置結構體 AVCodecContext

AVCodecContext表示AVCodec所需要的上下文資訊，儲存AVCodec所需要的一些引數。實現編碼功能時，通過AVCodecContext設定編碼器引數。

  1. 方法一: 解封裝解碼過程，通過AVStream獲取編解碼器上下文指標

    AVCodecContext *c;
    c = AVFormatContext->AVStream->codec;

  2. 方法二: 通過編解碼器AVCodec指標，獲取編解碼器上下文

    分配AVCodecContext例項需要我們前面查詢到的AVCodec作為引數，呼叫的是avcodec_alloc_context3函式。其宣告方式為：

    AVCodecContext *avcodec_alloc_context3(const AVCodec *codec);

    其特點同avcodec_find_encoder類似，返回一個指向AVCodecContext例項的指標。如果分配失敗，會返回一個空指標。呼叫方式為：

    ctx.c = avcodec_alloc_context3(ctx.codec); //分配AVCodecContext例項
    if (!ctx.c)
    {
    fprintf(stderr, “Could not allocate video codec context\n”);
    return false;
    }

編碼

成功將原始的YUV畫素值儲存到了AVframe結構中之後，便可以呼叫avcodec_encode_video2函式進行實際的編碼操作。該函式可謂是整個工程的核心所在，其宣告方式為：

int avcodec_encode_video2(AVCodecContext *avctx, AVPacket *avpkt, const AVFrame *frame, int *got_packet_ptr);

其引數和返回值的意義：

avctx: AVCodecContext結構，指定了編碼的一些引數；
avpkt: AVPacket物件的指標，用於儲存輸出碼流；
frame：AVframe結構，用於傳入原始的畫素資料；
got_packet_ptr：輸出引數，用於標識AVPacket中是否已經有了完整的一幀；
返回值：編碼是否成功。成功返回0，失敗則返回負的錯誤碼

通過輸出引數*got_packet_ptr，我們可以判斷是否應有一幀完整的碼流資料包輸出，如果是，那麼可以將AVpacket中的碼流資料輸出出來，其地址為AVPacket::data，大小為AVPacket::size。具體呼叫方式如下：

* encode the image *
ret = avcodec_encode_video2(ctx.c, &(ctx.pkt), ctx.frame, &got_output); //將AVFrame中的畫素資訊編碼為AVPacket中的碼流
if (ret < 0)
{
fprintf(stderr, “Error encoding frame\n”);
exit(1);
}

if (got_output)
{
//獲得一個完整的編碼幀
printf(“Write frame %3d (size=%5d)\n”, frameIdx, ctx.pkt.size);
fwrite(ctx.pkt.data, 1, ctx.pkt.size, io_param.pFout);
av_packet_unref(&(ctx.pkt));
}

解碼

在最終解析出一個完整的包之後，我們就可以呼叫解碼API進行實際的解碼過程了。解碼過程呼叫的函式為avcodec_decode_video2，該函式的宣告為：

int avcodec_decode_video2(AVCodecContext *avctx, AVFrame *picture,
int *got_picture_ptr,
const AVPacket *avpkt);

這個函式與前篇所遇到的編碼函式avcodec_encode_video2有些類似，只是引數的順序略有不同，解碼函式的輸入輸出引數與編碼函式相比交換了位置。該函式各個引數的意義：

AVCodecContext *avctx：編解碼器上下文物件，在開啟編解碼器時生成；
AVFrame *picture: 儲存解碼完成後的畫素資料；我們只需要分配物件的空間，畫素的空間codec會為我們分配好；
int *got_picture_ptr: 標識位，如果為1，那麼說明已經有一幀完整的畫素幀可以輸出了
const AVPacket *avpkt: 前面解析好的碼流包；

實際呼叫的方法為：

int ret = avcodec_decode_video2(ctx.pCodecContext, ctx.frame, &got_picture, &(ctx.pkt));
if (ret < 0)
{
printf(“Decode Error.\n”);
return ret;
}

if (got_picture)
{
//獲得一幀完整的影象，寫出到輸出檔案
write_out_yuv_frame(ctx, inputoutput);
printf(“Succeed to decode 1 frame!\n”);
}
結果: 產生解壓縮後的資料(解碼後資料)——AVFrame

編碼和解碼的資料輸入和輸出

編碼的輸入，解碼的輸出。AVFrame結構體

  1. AVFrame結構體

    即非壓縮資料，例如對視訊來說是YUV，RGB，對音訊來說是PCM
    FFMPEG結構體分析：AVFrame - 雷霄驊(leixiaohua1020)的專欄 - 部落格頻道 - CSDN.NET
    uint8_t *data[AV_NUM_DATA_POINTERS]：解碼後原始資料（對視訊來說是YUV，RGB，對音訊來說是PCM）
    對於packed格式的資料（例如RGB24），會存到data[0]裡面。
    對於planar格式的資料（例如YUV420P），則會分開成data[0]，data[1]，data[2]…（YUV420P中data[0]存Y，data[1]存U，data[2]存V）

    int linesize[AV_NUM_DATA_POINTERS]：data中“一行”資料的大小。注意：未必等於影象的寬，一般大於影象的寬。

    int width, height：視訊幀寬和高（1920x1080,1280x720…）

    int nb_samples：音訊的一個AVFrame中可能包含多個音訊幀，在此標記包含了幾個

    int format：解碼後原始資料型別（YUV420，YUV422，RGB24…）

    int key_frame：是否是關鍵幀

    enum AVPictureType pict_type：幀型別（I,B,P…）

    AVRational sample_aspect_ratio：寬高比（16:9，4:3…）

    int64_t pts：顯示時間戳

    int coded_picture_number：編碼幀序號

    int display_picture_number：顯示幀序號

    int8_t *qscale_table：QP表

    uint8_t *mbskip_table：跳過巨集塊表

    int16_t (*motion_val[2])[2]：運動矢量表

    uint32_t *mb_type：巨集塊型別表

    short *dct_coeff：DCT係數，這個沒有提取過

    int8_t *ref_index[2]：運動估計參考幀列表（貌似H.264這種比較新的標準才會涉及到多參考幀）

    int interlaced_frame：是否是隔行掃描

    uint8_t motion_subsample_log2：一個巨集塊中的運動向量取樣個數，取log的

    其他的變數不再一一列舉，原始碼中都有詳細的說明。在這裡重點分析一下幾個需要一定的理解的變數：

  2. 方法一: 配置編碼的輸入資料

    1. 第一步: 分配AVFrame物件。

      分配物件空間類似於new操作符一樣，只是需要呼叫函式av_frame_alloc。如果失敗，那麼函式返回一個空指標。

      ctx.frame = av_frame_alloc(); //分配AVFrame物件
      if (!ctx.frame)
      {
      fprintf(stderr, “Could not allocate video frame\n”);
      return false;
      }

    2. 第二步: AVFrame物件分配成功後，需要設定影象的解析度和畫素格式等

      ctx.frame->format = ctx.c->pix_fmt;
      ctx.frame->width = ctx.c->width;
      ctx.frame->height = ctx.c->height;

    3. 第三步: 分配實際的畫素資料的儲存空間。

      分配畫素的儲存空間需要呼叫av_image_alloc函式，其宣告方式為：

      int av_image_alloc(uint8_t *pointers[4], int linesizes[4], int w, int h, enum AVPixelFormat pix_fmt, int align);

      該函式的四個引數分別表示AVFrame結構中的快取指標、各個顏色分量的寬度、影象解析度（寬、高）、畫素格式和記憶體對其的大小。該函式會返回分配的記憶體的大小，如果失敗則返回一個負值。具體呼叫方式如：

      ret = av_image_alloc(ctx.frame->data, ctx.frame->linesize, ctx.c->width, ctx.c->height, ctx.c->pix_fmt, 32);
      if (ret < 0)
      {
      fprintf(stderr, “Could not allocate raw picture buffer\n”);
      return false;
      }

      需要注意的是，linesize中的值通常指的是stride而不是width，也就是說，畫素儲存區可能是帶有一定寬度的無效邊區的，在讀取資料時需注意。

  3. 方法二: 為frame分配空間

    static AVFrame *alloc_picture(enum AVPixelFormat pix_fmt, int width, int height)
    {
    AVFrame *picture;
    int ret;

    picture = av_frame_alloc();
    if (!picture)
    {
    return NULL;
    }

    picture->format = pix_fmt;
    picture->width = width;
    picture->height = height;

    * allocate the buffers for the frame data *
    ret = av_frame_get_buffer(picture, 32);
    if (ret < 0)
    {
    fprintf(stderr, “Could not allocate frame data.\n”);
    exit(1);
    } 

    return picture;

    }

編碼的輸出，解碼的輸入。AVPacket結構體

各層結構體初始化步驟

解封裝->解碼(自頂向下初始化)

AVFormatContext->AVStream->AVCodecContext->AVCodec

封裝(自底向上初始化)

AVCodec->AVStream->AVFormatContext
->AVCodecContext

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