如何使用libavcodec将.yuv图像序列编码为.h264的视频码流？

1.实现打开和关闭输入文件和输出文件的操作

//io_data.cpp
static FILE* input_file= nullptr;
static FILE* output_file= nullptr;
int32_t open_input_output_files(const char* input_name,const char* output_name){
    if(strlen(input_name)==0||strlen(output_name)==0){
        cout<<"Error:empty input or output file name."<<endl;
        return -1;
    }
    close_input_output_files();
    input_file=fopen(input_name,"rb");//rb：读取一个二进制文件，该文件必须存在
    if(input_file==nullptr){
        cerr<<"Error:failed to open input file."<<endl;
        return -1;
    }
    output_file=fopen(output_name,"wb");//wb:打开或新建一个二进制文件，只允许写
    if(output_file== nullptr){
        cout<<"Error:failed to open output file."<<endl;
        return -1;
    }
    return 0;
}
void close_input_output_files(){
    if(input_file!= nullptr){
        fclose(input_file);
        input_file= nullptr;
    }
    if(output_file!= nullptr){
        fclose(output_file);
        output_file= nullptr;
    }
}

2.视频编码器的初始化(在介绍这部分内容之前，先来了解一下几个非常重要的结构体：AVCodec,AVCodecContext,AVPacket以及AVFrame)

　　AVCodec:

　　AVCodec类型的结构包含了FFmpeg libavcodec对一个编码器底层实现的封装，其内部定义的部分结构如下：

typedef struct AVCodec{
          const char *name;//简要名称
          const char *longname;//完整名称
          enum AVMediaType type;//媒体类型
          enum AVCodecID id;
          enum AVPixelFormat *pix_fmts;//像素格式，一般为yuv420p
          const AVProfile *profiles;//编码档次
}

　　AVCodecContext:

　　在FFmpeg中，每一个编码器都对应一个上下文结构；在编码开始前，可以通过该结构配置相应的编码参数，比如：编码的profile，图像的宽和高，关键帧间距，码率和帧率等。对于其他编码器(如libx264)的私有参数，AVCodecContext结构可以使用成员priv_data保存编码器的配置信息。该结构的部分定义如下：

typedef struct AVCodecContext{
        void *priv_data;//私有参数
        int64_t bit_rate;//码率
        int width,height;
        enum AVPixelFormat pix_fmt;
        int max_b_frames;//最大的b帧数量
 }

　　AVFrame:

　　在FFmpeg中，未压缩的图像用AVFrame结构来表示。在AVFrame结构中，所包含的最重要的结构即图像数据的缓存区。待编码图像的像素数据保存在AVFrame结构的data指针所指向的内存区。在保存图像像素数据时，存储区的宽度有时会大于图像的宽度，这时可以在每一行像素的末尾填充字节。此时，存储区的宽度可以通过AVFrame的linesize获取。其内部定义的部分结构如下：

typedef struct AVFrame{
        #define AV_NUM_DATA_POINTERS 8
        uint8_t *data[AV_NUM_DATA_POINTERS];//图像数据缓存区
        int linesize[AV_NUM_DATA_POINTERS];//存储区的宽度
        int width,height;
        int format;
}

　　AVPacket:

　　AVPacket结构用于保存未解码的二进制码流的一个数据包，在该结构中，码流数据保存在data指针指向的内存区中，数据长度为size字节。在从编码器获取到输出的AVPacket结构后，可以通过data指针和size值读取编码后的码流。其内部定义的部分结构如下：

typedef struct AVPacket{
        int64_t pts;//显示时间戳
        int64_t dts;//解码时间戳
        uint8_t *data;//码流数据
        int size;
        int stream_index;//所从属的stream序号
 }

　　编码器初始化的代码如下：

//video_encoder_core.cpp
static const AVCodec* codec= nullptr;
static AVCodecContext* codec_ctx= nullptr;
static AVFrame* frame= nullptr;
static AVPacket* pkt= nullptr;
int32_t init_video_encoder(const char* codec_name){
    if(strlen(codec_name)==0){
        cerr<<"Error:empty codec name."<<endl;
        return -1;
    }
    //查找编码器
    codec=avcodec_find_encoder_by_name(codec_name);
    if(!codec){
        cerr<<"Error:could not find codec with codec name:"<<string(codec_name)<<endl;
        return -1;
    }
    //创建编码器上下文结构的实例
    codec_ctx= avcodec_alloc_context3(codec);
    if(!codec_ctx){
        cerr<<"Error:could not allocate video codec context."<<endl;
        return -1;
    }
    //配置编码参数
    codec_ctx->profile=FF_PROFILE_H264_HIGH;
    codec_ctx->bit_rate=2000000;
    codec_ctx->width=1920;
    codec_ctx->height=1080;
    codec_ctx->gop_size=10;//关键帧间距
    codec_ctx->time_base=(AVRational){1,25};//num:分子，den:分母
    codec_ctx->framerate=(AVRational){25,1};
    codec_ctx->max_b_frames=3;
    codec_ctx->pix_fmt=AV_PIX_FMT_YUV420P;
    if(codec->id==AV_CODEC_ID_H264){
        av_opt_set(codec_ctx->priv_data,"preset","slow",0);
        av_opt_set(codec_ctx->priv_data,"tune","zerolatency",0);
    }
    //使用指定的codec初始化编码器上下文结构，并分配内存
    int32_t result=avcodec_open2(codec_ctx,codec, nullptr);
    if(result<0){
        cerr<<"Error:could not open codec"<<endl;
        return -1;
    }
    pkt=av_packet_alloc();
    if(!pkt){
        cerr<<"Error:could not allocate AVPacket."<<endl;
        return -1;
    }
    frame=av_frame_alloc();
    if(!frame){
        cerr<<"Error:could not allocate AVFrame."<<endl;
        return -1;
    }
    frame->width=codec_ctx->width;
    frame->height=codec_ctx->height;
    frame->format=codec_ctx->pix_fmt;
    result= av_frame_get_buffer(frame,0);//给AVFrame结构中的音视频数据分配空间
    if(result<0){
        cerr<<"Error:could not get AVFrame buffer."<<endl;
        return -1;
    }
    return 0;
}

3.编码循环体
　　在编码循环体中，至少需要实现以下三个功能：
　　　　(1)从视频源中循环获取输入图像
　　　　(2)将当前帧传入编码器进行编码，获取输出的码流包
　　　　(3)输出码流包中的压缩码流到输出文件
　　读取图像数据和写出码流数据：

//io_data.cpp
int32_t read_yuv_to_frame(AVFrame* frame){
    int32_t frame_width=frame->width;
    int32_t frame_height=frame->height;
    int32_t luma_stride=frame->linesize[0];
    int32_t chroma_stride=frame->linesize[1];
    int32_t frame_size=frame_width*frame_height*3/2;
    int32_t read_size=0;
    if(frame_width==luma_stride){
        //如果width等于stride，则说明frame中不存在padding字节，可整体读取
        read_size+=fread(frame->data[0],1,frame_width*frame_height,input_file);
        read_size+=fread(frame->data[1],1,frame_width*frame_height/4,input_file);
        read_size+=fread(frame->data[2],1,frame_width*frame_height/4,input_file);
    }
    else{
        //如果width不等于stride，则说明frame中存在padding字节
        //对三个分量应该逐行读取
        for(size_t i=0;i<frame_height;i++){
            read_size+=fread(frame->data[0]+i*luma_stride,1,frame_width,input_file);
        }
        for(size_t uv=1;uv<=2;uv++){
            for(size_t i=0;i<frame_height/2;i++){
                read_size+=fread(frame->data[uv]+i*chroma_stride,1,frame_width/2,input_file);
            }
        }
    }
    if(read_size!=frame_size){
        cerr<<"Error:Read data error,frame_size:"<<frame_size<<",read_size:"<<read_size<<endl;
        return -1;
    }
    return 0;
}
void write_pkt_to_file(AVPacket* pkt){
    fwrite(pkt->data,1,pkt->size,output_file);
}

　　编码一帧图像数据：

//video_encoder_core.cpp
static int32_t encode_frame(bool flushing){
    int32_t result=0;
    if(!flushing){
        cout<<"Send frame to encoder with pts:"<<frame->pts<<endl;
    }
    result=avcodec_send_frame(codec_ctx,flushing? nullptr:frame);
    if(result<0){
        cerr<<"Error:avcodec_send_frame failed."<<endl;
        return result;
    }
    while(result>=0){
        result= avcodec_receive_packet(codec_ctx,pkt);
        if(result==AVERROR(EAGAIN)||result==AVERROR_EOF){//尚未完成对新一帧的编码，要传入后续帧或编码器已完全输出内部缓存的码流
            return 1;
        }
        else if(result<0){
            cerr<<"Error:avcodec_receive_packet failed."<<endl;
            return result;
        }
        if(flushing){
            cout<<"Flushing:";
        }
        cout<<"Got encoded package with dts:"<<pkt->dts<<",pts:"<<pkt->pts<<", "<<endl;
        write_pkt_to_file(pkt);
    }
    return 0;
}

　　编码循环体的整体实现：

//video_encoder_core.cpp
int32_t encoding(int32_t frame_cnt){
    int result=0;
    for(size_t i=0;i<frame_cnt;i++){
        result= av_frame_make_writable(frame);//确保AVFrame是可写的
        if(result<0){
            cerr<<"Error:could not av_frame_make_writable."<<endl;
            return result;
        }
        result= read_yuv_to_frame(frame);
        if(result<0){
            cerr<<"Error:read_yuv_to_frame failed."<<endl;
            return result;
        }
        frame->pts=i;
        result= encode_frame(false);
        if(result<0){
            cerr<<"Error:encode_frame failed."<<endl;
            return result;
        }
    }
    result= encode_frame(true);
    if(result<0){
        cerr<<"Error:flushing failed."<<endl;
        return result;
    }
    return 0;
}

　　关闭编码器：　　

//video_encoder_core.cpp
void destroy_video_encoder(){
    avcodec_free_context(&codec_ctx);
    av_frame_free(&frame);
    av_packet_free(&pkt);
}

　　最终main函数的实现如下：

int main(){
    const char* input_file_name= "../input.yuv";
    const char* output_file_name= "../output.h264";
    const char* codec_name= "libx264";
    int32_t result= open_input_output_files(input_file_name,output_file_name);
    if(result<0){
        return result;
    }
    result=init_video_encoder(codec_name);
    if(result<0){
        return result;
    }
    result=encoding(250);
    if(result<0){
        return result;
    }
    destroy_video_encoder();
    close_input_output_files();
    return 0;
}

　　执行完成后会生成码流文件output.h264，使用ffplay可以播放该文件，查看编码结果。