ffplay源码分析5-图像格式转换

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ffplay是FFmpeg工程自带的简单播放器，使用FFmpeg提供的解码器和SDL库进行视频播放。本文基于FFmpeg工程4.1版本进行分析，其中ffplay源码清单如下：

https://github.com/FFmpeg/FFmpeg/blob/n4.1/fftools/ffplay.c

在尝试分析源码前，可先阅读如下参考文章作为铺垫：

[1]. 雷霄骅，视音频编解码技术零基础学习方法

[2]. 视频编解码基础概念

[3]. 色彩空间与像素格式

[4]. 音频参数解析

[5]. FFmpeg基础概念

“ffplay源码分析”系列文章如下：

[1]. ffplay源码分析1-概述

[2]. ffplay源码分析2-数据结构

[3]. ffplay源码分析3-代码框架

[4]. ffplay源码分析4-音视频同步

[5]. ffplay源码分析5-图像格式转换

[6]. ffplay源码分析6-音频重采样

[7]. ffplay源码分析7-播放控制

5. 图像格式转换

FFmpeg解码得到的视频帧的格式未必能被SDL支持，在这种情况下，需要进行图像格式转换，即将视频帧图像格式转换为SDL支持的图像格式，否则是无法正常显示的。

图像格式转换是在视频播放线程(主线程中)中的upload_texture()函数中实现的。调用链如下：

main() -- >
event_loop -->
refresh_loop_wait_event() -->
video_refresh() -->
video_display() -->
video_image_display() -->
upload_texture()

upload_texture()

upload_texture()源码如下：

static int upload_texture(SDL_Texture **tex, AVFrame *frame, struct SwsContext **img_convert_ctx) {
    int ret = 0;
    Uint32 sdl_pix_fmt;
    SDL_BlendMode sdl_blendmode;
    // 根据frame中的图像格式(FFmpeg像素格式)，获取对应的SDL像素格式
    get_sdl_pix_fmt_and_blendmode(frame->format, &sdl_pix_fmt, &sdl_blendmode);
    // 参数tex实际是&is->vid_texture，此处根据得到的SDL像素格式，为&is->vid_texture
    if (realloc_texture(tex, sdl_pix_fmt == SDL_PIXELFORMAT_UNKNOWN ? SDL_PIXELFORMAT_ARGB8888 : sdl_pix_fmt, frame->width, frame->height, sdl_blendmode, 0) < 0)
        return -1;
    switch (sdl_pix_fmt) {
        // frame格式是SDL不支持的格式，则需要进行图像格式转换，转换为目标格式AV_PIX_FMT_BGRA，对应SDL_PIXELFORMAT_BGRA32
        case SDL_PIXELFORMAT_UNKNOWN:
            /* This should only happen if we are not using avfilter... */
            *img_convert_ctx = sws_getCachedContext(*img_convert_ctx,
                frame->width, frame->height, frame->format, frame->width, frame->height,
                AV_PIX_FMT_BGRA, sws_flags, NULL, NULL, NULL);
            if (*img_convert_ctx != NULL) {
                uint8_t *pixels[4];
                int pitch[4];
                if (!SDL_LockTexture(*tex, NULL, (void **)pixels, pitch)) {
                    sws_scale(*img_convert_ctx, (const uint8_t * const *)frame->data, frame->linesize,
                              0, frame->height, pixels, pitch);
                    SDL_UnlockTexture(*tex);
                }
            } else {
                av_log(NULL, AV_LOG_FATAL, "Cannot initialize the conversion context\n");
                ret = -1;
            }
            break;
        // frame格式对应SDL_PIXELFORMAT_IYUV，不用进行图像格式转换，调用SDL_UpdateYUVTexture()更新SDL texture
        case SDL_PIXELFORMAT_IYUV:
            if (frame->linesize[0] > 0 && frame->linesize[1] > 0 && frame->linesize[2] > 0) {
                ret = SDL_UpdateYUVTexture(*tex, NULL, frame->data[0], frame->linesize[0],
                                                       frame->data[1], frame->linesize[1],
                                                       frame->data[2], frame->linesize[2]);
            } else if (frame->linesize[0] < 0 && frame->linesize[1] < 0 && frame->linesize[2] < 0) {
                ret = SDL_UpdateYUVTexture(*tex, NULL, frame->data[0] + frame->linesize[0] * (frame->height                    - 1), -frame->linesize[0],
                                                       frame->data[1] + frame->linesize[1] * (AV_CEIL_RSHIFT(frame->height, 1) - 1), -frame->linesize[1],
                                                       frame->data[2] + frame->linesize[2] * (AV_CEIL_RSHIFT(frame->height, 1) - 1), -frame->linesize[2]);
            } else {
                av_log(NULL, AV_LOG_ERROR, "Mixed negative and positive linesizes are not supported.\n");
                return -1;
            }
            break;
        // frame格式对应其他SDL像素格式，不用进行图像格式转换，调用SDL_UpdateTexture()更新SDL texture
        default:
            if (frame->linesize[0] < 0) {
                ret = SDL_UpdateTexture(*tex, NULL, frame->data[0] + frame->linesize[0] * (frame->height - 1), -frame->linesize[0]);
            } else {
                ret = SDL_UpdateTexture(*tex, NULL, frame->data[0], frame->linesize[0]);
            }
            break;
    }
    return ret;
}

frame中的像素格式是FFmpeg中定义的像素格式，FFmpeg中定义的很多像素格式和SDL中定义的很多像素格式其实是同一种格式，只名称不同而已。

根据frame中的像素格式与SDL支持的像素格式的匹配情况，upload_texture()处理三种类型，对应switch语句的三个分支：

1. 如果frame图像格式对应SDL_PIXELFORMAT_IYUV格式，不进行图像格式转换，使用SDL_UpdateYUVTexture()将图像数据更新到&is->vid_texture
2. 如果frame图像格式对应其他被SDL支持的格式(诸如AV_PIX_FMT_RGB32)，也不进行图像格式转换，使用SDL_UpdateTexture()将图像数据更新到&is->vid_texture
3. 如果frame图像格式不被SDL支持(即对应SDL_PIXELFORMAT_UNKNOWN)，则需要进行图像格式转换
4. 2)两种类型不进行图像格式转换。我们考虑第3)种情况。

5.1 根据映射表获取frame对应SDL中的像素格式

get_sdl_pix_fmt_and_blendmode()

这个函数的作用，获取输入参数format(FFmpeg像素格式)在SDL中的像素格式，取到的SDL像素格式存在输出参数sdl_pix_fmt中

static void get_sdl_pix_fmt_and_blendmode(int format, Uint32 *sdl_pix_fmt, SDL_BlendMode *sdl_blendmode)
{
    int i;
    *sdl_blendmode = SDL_BLENDMODE_NONE;
    *sdl_pix_fmt = SDL_PIXELFORMAT_UNKNOWN;
    if (format == AV_PIX_FMT_RGB32   ||
        format == AV_PIX_FMT_RGB32_1 ||
        format == AV_PIX_FMT_BGR32   ||
        format == AV_PIX_FMT_BGR32_1)
        *sdl_blendmode = SDL_BLENDMODE_BLEND;
    for (i = 0; i < FF_ARRAY_ELEMS(sdl_texture_format_map) - 1; i++) {
        if (format == sdl_texture_format_map[i].format) {
            *sdl_pix_fmt = sdl_texture_format_map[i].texture_fmt;
            return;
        }
    }
}

在ffplay.c中定义了一个表sdl_texture_format_map[]，其中定义了FFmpeg中一些像素格式与SDL像素格式的映射关系，如下：

static const struct TextureFormatEntry {
    enum AVPixelFormat format;
    int texture_fmt;
} sdl_texture_format_map[] = {
    { AV_PIX_FMT_RGB8,           SDL_PIXELFORMAT_RGB332 },
    { AV_PIX_FMT_RGB444,         SDL_PIXELFORMAT_RGB444 },
    { AV_PIX_FMT_RGB555,         SDL_PIXELFORMAT_RGB555 },
    { AV_PIX_FMT_BGR555,         SDL_PIXELFORMAT_BGR555 },
    { AV_PIX_FMT_RGB565,         SDL_PIXELFORMAT_RGB565 },
    { AV_PIX_FMT_BGR565,         SDL_PIXELFORMAT_BGR565 },
    { AV_PIX_FMT_RGB24,          SDL_PIXELFORMAT_RGB24 },
    { AV_PIX_FMT_BGR24,          SDL_PIXELFORMAT_BGR24 },
    { AV_PIX_FMT_0RGB32,         SDL_PIXELFORMAT_RGB888 },
    { AV_PIX_FMT_0BGR32,         SDL_PIXELFORMAT_BGR888 },
    { AV_PIX_FMT_NE(RGB0, 0BGR), SDL_PIXELFORMAT_RGBX8888 },
    { AV_PIX_FMT_NE(BGR0, 0RGB), SDL_PIXELFORMAT_BGRX8888 },
    { AV_PIX_FMT_RGB32,          SDL_PIXELFORMAT_ARGB8888 },
    { AV_PIX_FMT_RGB32_1,        SDL_PIXELFORMAT_RGBA8888 },
    { AV_PIX_FMT_BGR32,          SDL_PIXELFORMAT_ABGR8888 },
    { AV_PIX_FMT_BGR32_1,        SDL_PIXELFORMAT_BGRA8888 },
    { AV_PIX_FMT_YUV420P,        SDL_PIXELFORMAT_IYUV },
    { AV_PIX_FMT_YUYV422,        SDL_PIXELFORMAT_YUY2 },
    { AV_PIX_FMT_UYVY422,        SDL_PIXELFORMAT_UYVY },
    { AV_PIX_FMT_NONE,           SDL_PIXELFORMAT_UNKNOWN },
};

可以看到，除了最后一项，其他格式的图像送给SDL是可以直接显示的，不必进行图像转换。

关于这些像素格式的含义，可参考“色彩空间与像素格式”

5.2 重新分配vid_texture

realloc_texture()

根据新得到的SDL像素格式，为&is->vid_texture重新分配空间，如下所示，先SDL_DestroyTexture()销毁，再SDL_CreateTexture()创建

static int realloc_texture(SDL_Texture **texture, Uint32 new_format, int new_width, int new_height, SDL_BlendMode blendmode, int init_texture)
{
    Uint32 format;
    int access, w, h;
    if (!*texture || SDL_QueryTexture(*texture, &format, &access, &w, &h) < 0 || new_width != w || new_height != h || new_format != format) {
        void *pixels;
        int pitch;
        if (*texture)
            SDL_DestroyTexture(*texture);
        if (!(*texture = SDL_CreateTexture(renderer, new_format, SDL_TEXTUREACCESS_STREAMING, new_width, new_height)))
            return -1;
        if (SDL_SetTextureBlendMode(*texture, blendmode) < 0)
            return -1;
        if (init_texture) {
            if (SDL_LockTexture(*texture, NULL, &pixels, &pitch) < 0)
                return -1;
            memset(pixels, 0, pitch * new_height);
            SDL_UnlockTexture(*texture);
        }
        av_log(NULL, AV_LOG_VERBOSE, "Created %dx%d texture with %s.\n", new_width, new_height, SDL_GetPixelFormatName(new_format));
    }
    return 0;
}

5.3 复用或新分配一个SwsContext

sws_getCachedContext()

*img_convert_ctx = sws_getCachedContext(*img_convert_ctx,
    frame->width, frame->height, frame->format, frame->width, frame->height,
    AV_PIX_FMT_BGRA, sws_flags, NULL, NULL, NULL);

检查输入参数，第一个输入参数*img_convert_ctx对应形参struct SwsContext *context。

如果context是NULL，调用sws_getContext()重新获取一个context。

如果context不是NULL，检查其他项输入参数是否和context中存储的各参数一样，若不一样，则先释放context再按照新的输入参数重新分配一个context。若一样，直接使用现有的context。

5.4 图像格式转换

if (*img_convert_ctx != NULL) {
    uint8_t *pixels[4];
    int pitch[4];
    if (!SDL_LockTexture(*tex, NULL, (void **)pixels, pitch)) {
        sws_scale(*img_convert_ctx, (const uint8_t * const *)frame->data, frame->linesize,
                  0, frame->height, pixels, pitch);
        SDL_UnlockTexture(*tex);
    }
}

上述代码有三个步骤：

1. SDL_LockTexture()锁定texture中的一个rect(此处是锁定整个texture)，锁定区具有只写属性，用于更新图像数据。pixels指向锁定区。
2. sws_scale()进行图像格式转换，转换后的数据写入pixels指定的区域。pixels包含4个指针，指向一组图像plane。
3. SDL_UnlockTexture()将锁定的区域解锁，将改变的数据更新到视频缓冲区中。
   
   上述三步完成后，texture中已包含经过格式转换后新的图像数据。
   
   补充一下细节，sws_scale()函数原型如下：

/**
 * Scale the image slice in srcSlice and put the resulting scaled
 * slice in the image in dst. A slice is a sequence of consecutive
 * rows in an image.
 *
 * Slices have to be provided in sequential order, either in
 * top-bottom or bottom-top order. If slices are provided in
 * non-sequential order the behavior of the function is undefined.
 *
 * @param c         the scaling context previously created with
 *                  sws_getContext()
 * @param srcSlice  the array containing the pointers to the planes of
 *                  the source slice
 * @param srcStride the array containing the strides for each plane of
 *                  the source image
 * @param srcSliceY the position in the source image of the slice to
 *                  process, that is the number (counted starting from
 *                  zero) in the image of the first row of the slice
 * @param srcSliceH the height of the source slice, that is the number
 *                  of rows in the slice
 * @param dst       the array containing the pointers to the planes of
 *                  the destination image
 * @param dstStride the array containing the strides for each plane of
 *                  the destination image
 * @return          the height of the output slice
 */
int sws_scale(struct SwsContext *c, const uint8_t *const srcSlice[],
              const int srcStride[], int srcSliceY, int srcSliceH,
              uint8_t *const dst[], const int dstStride[]);

5.5 图像显示

texture对应一帧待显示的图像数据，得到texture后，执行如下步骤即可显示：

SDL_RenderClear();                  // 使用特定颜色清空当前渲染目标
SDL_RenderCopy();                   // 使用部分图像数据(texture)更新当前渲染目标
SDL_RenderPresent(sdl_renderer);    // 执行渲染，更新屏幕显示

图像显示的流程细节可参考如下文章：

“FFmpeg简易播放器的实现-视频播放”