FFmpeg开发笔记（五）：ffmpeg解码的基本流程详解（ffmpeg3新解码api）

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前言

  ffmpeg涉及了很多，循序渐进，本篇描述基本的解码流程，主要ffmpeg解码流程在ffmpeg3及以后新增的2个api进行了补充，更为详细可以参考《FFmpeg开发笔记(四)：ffmpeg解码的基本流程详解》

 

Demo

  

 

ffmpeg解码流程

  ffmpeg的解码和编码都遵循其基本的执行流程。
  新api解码基本本流程如下：
  
  以下是老版本api解码流程：
  

步骤一：注册：

  使用ffmpeg对应的库，都需要进行注册，可以注册子项也可以注册全部。

步骤二：打开文件：

  打开文件，根据文件名信息获取对应的ffmpeg全局上下文。

步骤三：探测流信息：

  一定要探测流信息，拿到流编码的编码格式，不探测流信息则其流编码器拿到的编码类型可能为空，后续进行数据转换的时候就无法知晓原始格式，导致错误。

步骤四：查找对应的解码器

  依据流的格式查找解码器，软解码还是硬解码是在此处决定的，但是特别注意是否支持硬件，需要自己查找本地的硬件解码器对应的标识，并查询其是否支持。普遍操作是，枚举支持文件后缀解码的所有解码器进行查找，查找到了就是可以硬解了（此处，不做过多的讨论，对应硬解码后续会有文章进行进一步研究）。
  （注意：解码时查找解码器，编码时查找编码器，两者函数不同，不要弄错了，否则后续能打开但是数据是错的）

步骤五：打开解码器

  打开获取到的解码器。

步骤六：申请缩放数据格式转换结构体

  此处特别注意，基本上解码的数据都是yuv系列格式，但是我们显示的数据是rgb等相关颜色空间的数据，所以此处转换结构体就是进行转换前到转换后的描述，给后续转换函数提供转码依据，是很关键并且非常常用的结构体。

步骤七：申请缓存区

  申请一个缓存区outBuffer，fill到我们目标帧数据的data上，比如rgb数据，QAVFrame的data上存是有指定格式的数据，且存储有规则，而fill到outBuffer（自己申请的目标格式一帧缓存区），则是我们需要的数据格式存储顺序。
  举个例子，解码转换后的数据为rgb888，实际直接用data数据是错误的，但是用outBuffer就是对的，所以此处应该是ffmpeg的fill函数做了一些转换。
进入循环解码：

步骤八：分组数据包送往解码器（此处由一个步骤变为了步骤八和步骤九）

  拿取封装的一个packet，判断packet数据的类型进行送往解码器解码。

步骤九：从解码器缓存中获取解码后的数据

  一个包可能存在多组数据，老的api获取的是第一个，新的api分开后，可以循环获取，直至获取不到跳转“步骤十二”。

步骤十一：自行处理

  拿到了原始数据自行处理。
  不断循环，直到拿取pakcet函数成功，但是无法got一帧数据，则代表文件解码已经完成。
  帧率需要自己控制循环，此处只是循环拿取，可加延迟等。

步骤十二：释放QAVPacket

  此处要单独列出是因为，其实很多网上和开发者的代码：
  在进入循环解码前进行了av_new_packet，循环中未av_free_packet，造成内存溢出；
  在进入循环解码前进行了av_new_packet，循环中进行av_free_pakcet，那么一次new对应无数次free，在编码器上是不符合前后一一对应规范的。
  查看源代码，其实可以发现av_read_frame时，自动进行了av_new_packet()，那么其实对于packet，只需要进行一次av_packet_alloc()即可，解码完后av_free_packet。
  执行完后，返回执行“步骤八：获取一帧packet”，一次循环结束。

步骤十三：释放转换结构体

  全部解码完成后，安装申请顺序，进行对应资源的释放。

步骤十四：关闭解码/编码器

  关闭之前打开的解码/编码器。

步骤十五：关闭上下文

  关闭文件上下文后，要对之前申请的变量按照申请的顺序，依次释放。

 

ffmpeg解码相关变量

AVFormatContext

  AVFormatContext描述了一个媒体文件或媒体流的构成和基本信息，位于avformat.h文件中。

AVInputFormat

  AVInputFormat 是类似COM 接口的数据结构，表示输入文件容器格式，着重于功能函数，一种文件容器格式对应一个AVInputFormat 结构，在程序运行时有多个实例，位于avoformat.h文件中。

AVDictionary

  AVDictionary 是一个字典集合，键值对，用于配置相关信息。

AVCodecContext

  AVCodecContext是一个描述编解码器上下文的数据结构，包含了众多编解码器需要的参数信息，位于avcodec.h文件中。

AVPacket

  AVPacket是FFmpeg中很重要的一个数据结构，它保存了解复用（demuxer)之后，解码（decode）之前的数据（仍然是压缩后的数据）和关于这些数据的一些附加的信息，如显示时间戳（pts），解码时间戳（dts）,数据时长（duration），所在流媒体的索引（stream_index）等等。
  使用前，使用av_packet_alloc()分配，

AVCodec

  AVCodec是存储编解码器信息的结构体，位于avcodec.h文件中。

AVFrame

  AVFrame中存储的是经过解码后的原始数据。在解码中，AVFrame是解码器的输出；在编码中，AVFrame是编码器的输入。
  使用前，使用av_frame_alloc()进行分配。

struct SwsContext

  使用前，使用sws_getContext()进行获取，主要用于视频图像的转换。

 

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ffmpeg解码流程相关函数原型

av_register_all

void av_register_all(void);

  初始化libavformat并注册所有muxer、demuxer和协议。如果不调用此函数，则可以选择想要指定注册支持的哪种格式，通过av_register_input_format()、av_register_output_format()。

avformat_open_input

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

  打开输入流并读取标头。编解码器未打开。流必须使用avformat_close_input()关闭，返回0-成功，<0-失败错误码。

• 参数一：指向用户提供的AVFormatContext（由avformat_alloc_context分配）的指针。
• 参数二：要打开的流的url
• 参数三：fmt如果非空，则此参数强制使用特定的输入格式。否则将自动检测格式。
• 参数四：包含AVFormatContext和demuxer私有选项的字典。返回时，此参数将被销毁并替换为包含找不到的选项。都有效则返回为空。

avformat_find_stream_info

int avformat_find_stream_info(AVFormatContext *ic, AVDictionary **options);
读取检查媒体文件的数据包以获取具体的流信息，如媒体存入的编码格式。

• 参数一：媒体文件上下文。
• 参数二：字典，一些配置选项。

avcodec_find_decoder

AVCodec *avcodec_find_decoder(enum AVCodecID id);

  查找具有匹配编解码器ID的已注册解码器，解码时，已经获取到了，注册的解码器可以通过枚举查看，枚举太多，略。

avcodec_open2

int avcodec_open2(AVCodecContext *avctx,
                  const AVCodec *codec,
                  AVDictionary **options);

  初始化AVCodeContext以使用给定的AVCodec。

sws_getContext

struct SwsContext *sws_getContext(int srcW,
                                  int srcH,
                                  enum AVPixelFormat srcFormat,
                                  int dstW,
                                  int dstH,
                                  enum AVPixelFormat dstFormat,
                                  int flags, SwsFilter *srcFilter,
                                  SwsFilter *dstFilter,
                                  const double *param);

  分配并返回一个SwsContext。需要它来执行sws_scale()进行缩放/转换操作。

avpicture_get_size

int avpicture_get_size(enum AVPixelFormat pix_fmt, int width, int height);

  返回存储具有给定参数的图像的缓存区域大小。

• 参数一：图像的像素格式
• 参数二：图像的像素宽度
• 参数三：图像的像素高度

avpicture_fill

int avpicture_fill(AVPicture *picture,
              const uint8_t *ptr,
              enum AVPixelFormat pix_fmt,
              int width,
              int height);

  根据指定的图像、提供的数组设置数据指针和线条大小参数。

• 参数一：输入AVFrame指针，强制转换为AVPciture即可。
• 参数二：映射到的缓存区，开发者自己申请的存放图像数据的缓存区。
• 参数三：图像数据的编码格式。
• 参数四：图像像素宽度。
• 参数五：图像像素高度。

av_read_frame

int av_read_frame(AVFormatContext *s, AVPacket *pkt);

  返回流的下一帧。此函数返回存储在文件中的内容，不对有效的帧进行验证。获取存储在文件中的帧中，并为每个调用返回一个。不会的省略有效帧之间的无效数据，以便给解码器最大可用于解码的信息。
  返回0是成功，小于0则是错误，大于0则是文件末尾，所以大于等于0是返回成功。

avcodec_decode_video2：老解码api

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

  将大小为avpkt->size from avpkt->data的视频帧解码为图片。一些解码器可以支持单个avpkg包中的多个帧，解码器将只解码第一帧。出错时返回负值，否则返回字节数，如果没有帧可以解压缩，则为0。

• 参数一：编解码器上下文。
• 参数二：将解码视频帧存储在AVFrame中。
• 参数三：输入缓冲区的AVPacket。
• 参数四：如果没有帧可以解压，那么得到的图片是0，否则，它是非零的。

avcodec_send_packet：ffmpeg3新增解码发送数据包给解码器

int avcodec_send_packet(AVCodecContext *avctx, const AVPacket *avpkt);

  将原始分组数据发送给解码器。
  在内部，此调用将复制相关的AVCodeContext字段，这些字段可以影响每个数据包的解码，并在实际解码数据包时应用这些字段。（例如AVCodeContext.skip_frame，这可能会指示解码器丢弃使用此函数发送的数据包所包含的帧。）
这个函数可以理解为ffmpeg为多线程准备的，将解码数据帧包送入编码器理解为一个线程，将从编码器获取解码后的数据理解为一个线程。

• 参数一：编解码器上下文
• 参数二：avpkt输入的AVPacket。通常，这将是一个单一的视频帧，或几个完整的音频帧。数据包的所有权归调用者所有，解码器不会写入数据包。解码器可以创建对分组数据的引用（如果分组没有被引用计数，则复制它）。与旧的API不同，数据包总是被完全消耗掉，如果它包含多个帧（例如某些音频编解码器），则需要在发送新数据包之前多次调用avcodec_receive_frame()。它可以是NULL（或者数据设置为NULL且大小设置为0的AVPacket）；在这种情况下，它被认为是一个刷新包，它发出流结束的信号。发送第一个刷新包将返回成功。后续的是不必要的，将返回AVERROR ou EOF。如果解码器仍有帧缓冲，它将在发送刷新包后返回它们。

avcodec_receive_frame：ffmpeg3新增解码从解码器获取解码后的帧

int avcodec_receive_frame(AVCodecContext *avctx, AVFrame *frame);

  从解码器返回解码输出数据。这个函数可以理解为ffmpeg为多线程准备的，将解码数据帧包送入编码器理解为一个线程，将从编码器获取解码后的数据理解为一个线程。

• 参数一：编解码器上下文
• 参数二：这将被设置为参考计数的视频或音频解码器分配的帧（取决于解码器类型）。请注意，函数在执行任何其他操作之前总是调用av_frame_unref（frame）。初始化libavformat并注册所有muxer、demuxer和协议。如果不调用此函数，则可以选择想要指定注册支持的哪种格式，av_register_input_format()、av_register_output_format()。

avcodec_decode_video2

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

  将大小为avpkt->size from avpkt->data的视频帧解码为图片。一些解码器可以支持单个avpkg包中的多个帧，解码器将只解码第一帧。出错时返回负值，否则返回字节数，如果没有帧可以解压缩，则为0。

• 参数一：编解码器上下文。
• 参数二：将解码视频帧存储在AVFrame中。
• 参数三：输入缓冲区的AVPacket。
• 参数四：如果没有帧可以解压，那么得到的图片是0，否则，它是非零的。

sws_scale

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[]);

  在srcSlice中缩放图像切片并将结果缩放在dst中切片图像。切片是连续的序列图像中的行。

• 参数一：以前用创建的缩放上下文*sws_getContext()。
• 参数二：包含指向源片段，就是AVFrame的data。
• 参数三：包含每个平面的跨步的数组，其实就是AVFrame的linesize。
• 参数四：切片在源图像中的位置，从开始计数0对应切片第一行的图像，所以直接填0即可。
• 参数五：源切片的像素高度。
• 参数六：目标数据地址映像，是目标AVFrame的data。
• 参数七：目标每个平面的跨步的数组，就是linesize。

av_free_packet

void av_free_packet(AVPacket *pkt);

  释放一个包。

avcodec_close

int avcodec_close(AVCodecContext *avctx);

  关闭给定的avcodeContext并释放与之关联的所有数据（但不是AVCodecContext本身）。

avformat_close_input

void avformat_close_input(AVFormatContext **s);

  关闭打开的输入AVFormatContext。释放它和它的所有内容并将*s设置为空。

 

Demo源码

void FFmpegManager::testDecodeNewApi()
{
    int frameIndex = 0;
//    QString fileName = "test/1.avi";
    QString fileName = "test/1.mp4";

    // ffmpeg相关变量预先定义与分配
    AVFormatContext *pAVFormatContext = 0;          // ffmpeg的全局上下文，所有ffmpeg操作都需要
//    AVInputFormat *pAVInputFormat = 0;              // ffmpeg的输入格式结构体
    AVDictionary *pAVDictionary = 0;                // ffmpeg的字典option，各种参数给格式编解码配置参数的
    AVCodecContext *pAVCodecContext = 0;            // ffmpeg编码上下文
    AVCodec *pAVCodec = 0;                          // ffmpeg编码器
    AVPacket *pAVPacket = 0;                        // ffmpag单帧数据包
    AVFrame *pAVFrame = 0;                          // ffmpeg单帧缓存
    AVFrame *pAVFrameRGB32 = 0;                     // ffmpeg单帧缓存转换颜色空间后的缓存
    struct SwsContext *pSwsContext = 0;             // ffmpag编码数据格式转换

    int ret = 0;                                    // 函数执行结果
    int videoIndex = -1;                            // 音频流所在的序号
    int gotPicture = 0;                             // 解码时数据是否解码成功
    int numBytes = 0;                               // 解码后的数据长度
    uchar *outBuffer = 0;                           // 解码后的数据存放缓存区

    pAVFormatContext = avformat_alloc_context();    // 分配
    pAVPacket = av_packet_alloc();                  // 分配
    pAVFrame = av_frame_alloc();                    // 分配
    pAVFrameRGB32 = av_frame_alloc();               // 分配
    if(!pAVFormatContext || !pAVPacket || !pAVFrame || !pAVFrameRGB32)
    {
        LOG << "Failed to alloc";
        goto END;
    }
    // 步骤一：注册所有容器和编解码器（也可以只注册一类，如注册容器、注册编码器等）
    av_register_all();

    // 步骤二：打开文件(ffmpeg成功则返回0)
    LOG << "文件:" << fileName << "，是否存在：" << QFile::exists(fileName);
//    ret = avformat_open_input(&pAVFormatContext, fileName.toUtf8().data(), pAVInputFormat, 0);
    ret = avformat_open_input(&pAVFormatContext, fileName.toUtf8().data(), 0, 0);
    if(ret)
    {
        LOG << "Failed";
        goto END;
    }
    // 步骤三：探测流媒体信息
    // Assertion desc failed at libswscale/swscale_internal.h:668
    // 入坑：因为pix_fmt为空，需要对编码器上下文进一步探测
    ret = avformat_find_stream_info(pAVFormatContext, 0);
    if(ret < 0)
    {
        LOG << "Failed to avformat_find_stream_info(pAVCodecContext, 0)";
        goto END;
    }
    // 打印文件信息
    LOG << "视频文件包含流信息的数量:" << pAVFormatContext->nb_streams;
    // 在Qt中av_dump_format不会进行命令行输出
//    av_dump_format(pAVFormatContext, 1, fileName.toUtf8().data(), 0);

    // 步骤三：提取流信息,提取视频信息
    for(int index = 0; index < pAVFormatContext->nb_streams; index++)
    {
        pAVCodecContext = pAVFormatContext->streams[index]->codec;
        switch (pAVCodecContext->codec_type)
        {
        case AVMEDIA_TYPE_UNKNOWN:
            LOG << "流序号:" << index << "类型为:" << "AVMEDIA_TYPE_UNKNOWN";
            break;
        case AVMEDIA_TYPE_VIDEO:
            LOG << "流序号:" << index << "类型为:" << "AVMEDIA_TYPE_VIDEO";
            videoIndex = index;
            LOG;
            break;
        case AVMEDIA_TYPE_AUDIO:
            LOG << "流序号:" << index << "类型为:" << "AVMEDIA_TYPE_AUDIO";
            break;
        case AVMEDIA_TYPE_DATA:
            LOG << "流序号:" << index << "类型为:" << "AVMEDIA_TYPE_DATA";
            break;
        case AVMEDIA_TYPE_SUBTITLE:
            LOG << "流序号:" << index << "类型为:" << "AVMEDIA_TYPE_SUBTITLE";
            break;
        case AVMEDIA_TYPE_ATTACHMENT:
            LOG << "流序号:" << index << "类型为:" << "AVMEDIA_TYPE_ATTACHMENT";
            break;
        case AVMEDIA_TYPE_NB:
            LOG << "流序号:" << index << "类型为:" << "AVMEDIA_TYPE_NB";
            break;
        default:
            break;
        }
        // 已经找打视频品流
        if(videoIndex != -1)
        {
            break;
        }
    }

    if(videoIndex == -1 || !pAVCodecContext)
    {
        LOG << "Failed to find video stream";
        goto END;
    }
    // 步骤四：对找到的视频流寻解码器
    pAVCodec = avcodec_find_decoder(pAVCodecContext->codec_id);
    if(!pAVCodec)
    {
        LOG << "Fialed to avcodec_find_decoder(pAVCodecContext->codec_id):"
            << pAVCodecContext->codec_id;
        goto END;
    }

    // 步骤五：打开解码器
    ret = avcodec_open2(pAVCodecContext, pAVCodec, NULL);
    if(ret)
    {
        LOG << "Failed to avcodec_open2(pAVCodecContext, pAVCodec, pAVDictionary)";
        goto END;
    }
    LOG << pAVCodecContext->width << "x" << pAVCodecContext->height;
    // 步骤六：对拿到的原始数据格式进行缩放转换为指定的格式高宽大小
    // Assertion desc failed at libswscale/swscale_internal.h:668
    // 入坑：因为pix_fmt为空，需要对编码器上下文进一步探测
    pSwsContext = sws_getContext(pAVCodecContext->width,
                                 pAVCodecContext->height,
                                 pAVCodecContext->pix_fmt,
                                 pAVCodecContext->width,
                                 pAVCodecContext->height,
                                 AV_PIX_FMT_RGBA,
                                 SWS_FAST_BILINEAR,
                                 0,
                                 0,
                                 0);
    numBytes = avpicture_get_size(AV_PIX_FMT_RGBA,
                                  pAVCodecContext->width,
                                  pAVCodecContext->height);
    outBuffer = (uchar *)av_malloc(numBytes);
    // pAVFrame32的data指针指向了outBuffer
    avpicture_fill((AVPicture *)pAVFrameRGB32,
                   outBuffer,
                   AV_PIX_FMT_RGBA,
                   pAVCodecContext->width,
                   pAVCodecContext->height);
    // 此处无需分配
    // av_read_frame时他会分配，av_new_packet多此一举，正好解释了一次new和多次free的问题
//    av_new_packet(pAVPacket, pAVCodecContext->width * pAVCodecContext->height);
    // 步骤七：读取一帧数据的数据包
    while(av_read_frame(pAVFormatContext, pAVPacket) >= 0)
    {
        if(pAVPacket->stream_index == videoIndex)
        {
#if 0
            // 步骤八：对读取的数据包进行解码
            ret = avcodec_decode_video2(pAVCodecContext, pAVFrame, &gotPicture, pAVPacket);
            if(ret < 0)
            {
                LOG << "Failed to avcodec_decode_video2(pAVFormatContext, pAVFrame, &gotPicture, pAVPacket)";
                break;
            }

            // 等于0代表拿到了解码的帧数据
            if(!gotPicture)
            {
                LOG << "no data";
                break;
            }else{
                sws_scale(pSwsContext,
                          (const uint8_t * const *)pAVFrame->data,
                          pAVFrame->linesize,
                          0,
                          pAVCodecContext->height,
                          pAVFrameRGB32->data,
                          pAVFrameRGB32->linesize);
                QImage imageTemp((uchar *)outBuffer,
                                 pAVCodecContext->width,
                                 pAVCodecContext->height,
                                 QImage::Format_RGBA8888);
                QImage image = imageTemp.copy();
                LOG << image.save(QString("%1.jpg").arg(frameIndex++));
            }
            av_free_packet(pAVPacket);
#else
            // 步骤八：发送数据给编码器
            ret = avcodec_send_packet(pAVCodecContext, pAVPacket);
            if(ret)
            {
                LOG << "Failed to avcodec_send_packet(pAVCodecContext, pAVPacket) ,ret =" << ret;
                break;
            }
            // 步骤九：循环冲编码器获取解码后的数据
            while(!avcodec_receive_frame(pAVCodecContext, pAVFrame))
            {
                sws_scale(pSwsContext,
                          (const uint8_t * const *)pAVFrame->data,
                          pAVFrame->linesize,
                          0,
                          pAVCodecContext->height,
                          pAVFrameRGB32->data,
                          pAVFrameRGB32->linesize);
                QImage imageTemp((uchar *)outBuffer,
                                 pAVCodecContext->width,
                                 pAVCodecContext->height,
                                 QImage::Format_RGBA8888);
                QImage image = imageTemp.copy();
                LOG << image.save(QString("%1.jpg").arg(frameIndex++));
            }
            av_free_packet(pAVPacket);
#endif
        }
        QThread::msleep(1);
    }
END:
    LOG << "释放回收资源";
    if(outBuffer)
    {
        av_free(outBuffer);
        outBuffer = 0;
    }
    if(pSwsContext)
    {
        sws_freeContext(pSwsContext);
        pSwsContext = 0;
        LOG << "sws_freeContext(pSwsContext)";
    }
    if(pAVFrameRGB32)
    {
        av_frame_free(&pAVFrameRGB32);
        pAVFrame = 0;
        LOG << "av_frame_free(pAVFrameRGB888)";
    }
    if(pAVFrame)
    {
        av_frame_free(&pAVFrame);
        pAVFrame = 0;
        LOG << "av_frame_free(pAVFrame)";
    }
    if(pAVPacket)
    {
        av_free_packet(pAVPacket);
        pAVPacket = 0;
        LOG << "av_free_packet(pAVPacket)";
    }
    if(pAVCodecContext)
    {
        avcodec_close(pAVCodecContext);
        pAVCodecContext = 0;
        LOG << "avcodec_close(pAVCodecContext);";
    }
    if(pAVFormatContext)
    {
        avformat_close_input(&pAVFormatContext);
        avformat_free_context(pAVFormatContext);
        pAVFormatContext = 0;
        LOG << "avformat_free_context(pAVFormatContext)";
    }
}

 

工程模板v1.1.1

  对应工程模板v1.1.1：新增ffmpeg3的api解码demo。

 

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