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ffmpeg architecture（中）
阅读原文时间：2023年07月09日阅读：1

ffmpeg architecture（中）

艰苦学习FFmpeg libav

您是否不奇怪有时会发出声音和视觉？

由于FFmpeg作为命令行工具非常有用，可以对媒体文件执行基本任务，因此如何在程序中使用它？

FFmpeg 由几个库组成，这些库可以集成到我们自己的程序中。通常，当您安装FFmpeg时，它将自动安装所有这些库。我将这些库的集合称为FFmpeg libav。

此标题是对Zed Shaw的系列“ Learn X the Hard Way”（特别是他的书“ Learn C the Hard Way” ）的致敬。

您好世界实际上不会"hello world"在终端中显示消息 相反，我们将打印出有关视频的信息，例如其格式（容器），时长，分辨率，音频通道之类的信息，最后，我们将解码一些帧并将其保存为图像文件。

FFmpeg libav体系结构

但是在开始编码之前，让我们学习FFmpeg libav架构如何工作以及其组件如何与其他组件通信。

这是解码视频的过程：

首先，您需要将媒体文件加载到名为AVFormatContext（视频容器也称为格式）的组件中。实际上，它并未完全加载整个文件：它通常仅读取标头。

加载容器的最小标头后，就可以访问其流（将其视为基本的音频和视频数据）。每个流都可以在名为的组件中使用AVStream。

流是连续数据流的奇特名称。

假设我们的视频有两个流：用AAC CODEC编码的音频和用H264（AVC）CODEC编码的视频。从每个流中，我们可以提取称为数据包的数据片段（切片），这些数据将加载到名为的组件中AVPacket。

该包内的数据仍然编码（压缩），并以数据包进行解码，我们需要将它们传递给特定的AVCodec。

在AVCodec将它们解码成AVFrame最后，该组件为我们提供了非压缩帧。注意，音频和视频流使用相同的术语/过程。

要求

由于有些人在编译或运行 我们将Docker用作开发/ 运行器环境的示例时遇到问题，因此，我们还将使用大型的兔子视频，因此，如果您在本地没有该视频，请运行命令make fetch_small_bunny_video。

第0章-代码演练

TLDR；给我看代码和执行。

$ make run_hello

我们将跳过一些细节，但是请放心：源代码可在github上找到。

我们将分配内存给AVFormatContext将保存有关格式（容器）信息的组件。

AVFormatContext * pFormatContext = avformat_alloc_context（）;

现在，我们将打开文件并读取其标头，并AVFormatContext使用有关该格式的最少信息填充（注意，通常不会打开编解码器）。用于执行此操作的函数是avformat_open_input。它需要一个AVFormatContext，一个filename和两个可选参数：（AVInputFormat如果通过NULL，则FFmpeg会猜测格式）和AVDictionary（这是解复用器的选项）。

avformat_open_input（＆pFormatContext，filename，NULL，NULL）;

我们可以打印格式名称和媒体持续时间：

printf（“格式％s，持续时间％lld us ”，pFormatContext-> iformat-> long_name，pFormatContext-> duration）；

要访问streams，我们需要从媒体读取数据。该功能可以avformat_find_stream_info做到这一点。现在，pFormatContext->nb_streams将保留流的数量，并且pFormatContext->streams[i]将为我们提供i流（an AVStream）。

avformat_find_stream_info（pFormatContext，   NULL）;

现在，我们将遍历所有流。

对于（int i = 0 ; i nb_streams; i ++）

{

 //

}

对于每个流，我们将保留AVCodecParameters，它描述了该流使用的编解码器的属性i。

AVCodecParameters * pLocalCodecParameters = pFormatContext-> streams [i]-> codecpar;

随着编解码器的属性，我们可以看一下正确的CODEC查询功能avcodec_find_decoder，并找到注册解码器编解码器ID并返回AVCodec，知道如何连接部件有限公司德和DEC ODE流。

AVCodec * pLocalCodec = avcodec_find_decoder（pLocalCodecParameters-> codec_id）;

现在我们可以打印有关编解码器的信息。

//特定视频和音频

如果（pLocalCodecParameters-> codec_type == AVMEDIA_TYPE_VIDEO）{

  printf的（ “视频编解码器：分辨率％d X ％d ”，pLocalCodecParameters->宽度，pLocalCodecParameters->高度）;

} 否则 如果（pLocalCodecParameters-> codec_type == AVMEDIA_TYPE_AUDIO）{

   printf的（“音频编解码器：％d通道，采样率％d ”，pLocalCodecParameters-> 通道，pLocalCodecParameters-> SAMPLE_RATE）;

}

// //常规

printf（ “ \ t编解码器％s ID ％d bit_rate ％lld ”，pLocalCodec-> long_name，pLocalCodec-> id，pCodecParameters-> bit_rate）;

使用编解码器，我们可以为分配内存，该内存AVCodecContext将保存我们的解码/编码过程的上下文，但是随后我们需要使用CODEC参数填充此编解码器上下文；我们这样做avcodec_parameters_to_context。

填充编解码器上下文后，我们需要打开编解码器。我们调用该函数avcodec_open2，然后就可以使用它了。

AVCodecContext * pCodecContext = avcodec_alloc_context3（pCodec）;

avcodec_parameters_to_context（pCodecContext，pCodecParameters）;

avcodec_open2（pCodecContext，pCodec，NULL）;

现在，我们打算从流中读取数据包，并将其解码为帧，但首先，我们需要为这两个组件的分配内存AVPacket和AVFrame。

AVPacket * pPacket = av_packet_alloc（）;

AVFrame * pFrame = av_frame_alloc（）;

让我们在函数av_read_frame有数据包时从流中提供数据包。

while（av_read_frame（pFormatContext，pPacket）> = 0）{

   // …

}

让我们使用函数通过编解码器上下文将原始数据包（压缩帧）发送到解码器avcodec_send_packet。

avcodec_send_packet（pCodecContext，pPacket）;

然后，我们使用function通过相同的编解码器上下文从解码器接收原始数据帧（未压缩的帧）avcodec_receive_frame。

avcodec_receive_frame（pCodecContext，pFrame）;

我们可以打印帧号，PTS，DTS，帧类型等。

printf（

     “帧％c（％d）点％d dts ％d key_frame ％d [coded_picture_number ％d，display_picture_number ％d ] ”，

     av_get_picture_type_char（pFrame-> pict_type），

    pCodecContext-> frame_number，

    pFrame-> pts，

    pFrame-> pkt_dts，

    pFrame-> key_frame，

    pFrame-> coded_picture_number，

    pFrame-> display_picture_number

）;

最后，我们可以将解码后的帧保存为简单的灰度图像。该过程非常简单，我们将使用pFrame->data索引与平面Y，Cb和Cr相关的位置，我们刚刚选择0（Y）保存灰度图像。

save_gray_frame（pFrame-> data [ 0 ]，pFrame-> linesize [ 0 ]，pFrame-> width，pFrame-> height，frame_filename）;

static  void  save_gray_frame（unsigned  char * buf，int wrap，int xsize，int ysize，char * filename）

{

    文件 * f;

    诠释 I;

    f = fopen（文件名，“ w ”）；

    //编写pgm文件格式所需的最小标头

    //便携式灰度图格式-> https://en.wikipedia.org/wiki/Netpbm_format#PGM_example

    fprintf（f，“ P5 \ n ％d  ％d \ n ％d \ n “，xsize，ysize，255）;

    //

    为（i = 0 ; i <ysize; i ++）

        逐行编写fwrite（buf + i * wrap， 1，xsize，f）;

    fclose（f）;

}

成为播放器 -一个年轻的JS开发人员，编写新的MSE视频播放器。

在开始编写转码示例代码之前，我们先谈一下定时，或者视频播放器如何知道正确的时间播放帧。

在上一个示例中，我们保存了一些可以在此处看到的帧：

在设计视频播放器时，我们需要以给定的速度播放每一帧，否则，由于播放的速度太快或太慢，很难令人愉快地观看视频。

因此，我们需要引入一些逻辑来平稳地播放每个帧。为此，每个帧具有表示时间戳（PTS），其是在时基中分解的递增数字，该时基是可被帧速率（fps）整除的有理数（其中分母称为时间标度）。

当我们看一些示例时，更容易理解，让我们模拟一些场景。

对于fps=60/1，timebase=1/60000每个PTS都会增加，timescale / fps = 1000因此每个帧的PTS实时可能是（假设从0开始）：

  • frame=0, PTS = 0, PTS_TIME = 0
  • frame=1, PTS = 1000, PTS_TIME = PTS * timebase = 0.016
  • frame=2, PTS = 2000, PTS_TIME = PTS * timebase = 0.033

对于几乎相同的情况，但时基等于1/60。

  • frame=0, PTS = 0, PTS_TIME = 0
  • frame=1, PTS = 1, PTS_TIME = PTS * timebase = 0.016
  • frame=2, PTS = 2, PTS_TIME = PTS * timebase = 0.033
  • frame=3, PTS = 3, PTS_TIME = PTS * timebase = 0.050

对于fps=25/1和timebase=1/75每个PTS将增加timescale / fps = 3和PTS时间可能是：

  • frame=0, PTS = 0, PTS_TIME = 0
  • frame=1, PTS = 3, PTS_TIME = PTS * timebase = 0.04
  • frame=2, PTS = 6, PTS_TIME = PTS * timebase = 0.08
  • frame=3, PTS = 9, PTS_TIME = PTS * timebase = 0.12
  • …
  • frame=24, PTS = 72, PTS_TIME = PTS * timebase = 0.96
  • …
  • frame=4064, PTS = 12192, PTS_TIME = PTS * timebase = 162.56

现在，借助，pts_time我们可以找到一种方法来呈现与音频pts_time或系统时钟同步的同步。FFmpeg libav通过其API提供以下信息：

出于好奇，我们保存的帧以DTS顺序发送（帧：1、6、4、2、3、5），但以PTS顺序播放（帧：1、2、3、4、5）。另外，请注意，B帧与P帧或I帧相比价格便宜。

LOG: AVStream->r_frame_rate 60/1

LOG: AVStream->time_base 1/60000

...

LOG: Frame 1 (type=I, size=153797 bytes) pts 6000 key_frame 1 [DTS 0]

LOG: Frame 2 (type=B, size=8117 bytes) pts 7000 key_frame 0 [DTS 3]

LOG: Frame 3 (type=B, size=8226 bytes) pts 8000 key_frame 0 [DTS 4]

LOG: Frame 4 (type=B, size=17699 bytes) pts 9000 key_frame 0 [DTS 2]

LOG: Frame 5 (type=B, size=6253 bytes) pts 10000 key_frame 0 [DTS 5]

LOG: Frame 6 (type=P, size=34992 bytes) pts 11000 key_frame 0 [DTS 1]

重塑是将一种格式（容器）更改为另一种格式的行为，例如，我们可以使用FFmpeg 轻松地将MPEG-4视频更改为MPEG-TS：

ffmpeg input.mp4 -c复制output.ts

它将对mp4进行解复用，但不会对其进行解码或编码（-c copy），最后，会将其复用为mpegts文件。如果您不提供格式，-f则ffmpeg会尝试根据文件扩展名猜测它。

FFmpeg或libav的一般用法遵循模式/体系结构或工作流程：

  • 协议层 -接受input（file例如，但也可以是rtmp或HTTP输入）
  • 格式层 -它demuxes的内容，主要显示元数据及其流
  • 编解码器层 -decodes压缩流数据可选
  • 像素层 -也可以将其应用于filters原始帧（如调整大小）可选
  • 然后它做反向路径
  • 编解码器层 -它encodes（或re-encodes什至transcodes）原始帧是可选的
  • 格式层 -它muxes（或remuxes）原始流（压缩数据）
  • 协议层 -最终将多路复用的数据发送到output（另一个文件或网络远程服务器）

此图受到雷小华和Slhck的作品的强烈启发。

现在，让我们使用libav编写示例，以提供与中相同的效果ffmpeg input.mp4 -c copy output.ts。

我们将从一个输入（input_format_context）读取并将其更改为另一个输出（output_format_context）。

AVFormatContext * input_format_context = NULL ;

AVFormatContext * output_format_context = NULL ;

我们开始进行通常的分配内存并打开输入格式。对于这种特定情况，我们将打开一个输入文件并为输出文件分配内存。

if（（ret = avformat_open_input（＆input_format_context，in_filename，NULL，NULL））< 0）{

   fprintf（stderr，“无法打开输入文件' ％s ' ”，in_filename）;

 转到结尾

}

if（（ret = avformat_find_stream_info（input_format_context，NULL））< 0）{

   fprintf（stderr，“无法检索输入流信息”）;

 转到结尾

}

avformat_alloc_output_context2（＆output_format_context，NULL，NULL，out_filename）;

if（！output_format_context）{

   fprintf（stderr，“无法创建输出上下文\ n ”）;

  ret = AVERROR_UNKNOWN;

 转到结尾

}

我们将只重新混合流的视频，音频和字幕类型，因此我们将要使用的流保留到索引数组中。

number_of_streams = input_format_context-> nb_streams;

stream_list = av_mallocz_array（stream_numbers，sizeof（* streams_list））;

分配完所需的内存后，我们将遍历所有流，并需要使用avformat_new_stream函数为每个流在输出格式上下文中创建新的输出流。请注意，我们标记的不是视频，音频或字幕的所有流，因此我们可以在以后跳过它们。

对于（i = 0 ; i nb_streams; i ++）{

  AVStream * out_stream;

  AVStream * in_stream = input_format_context-> 流 [i];

  AVCodecParameters * in_codecpar = in_stream-> codecpar ;

 如果（in_codecpar-> codec_type！= AVMEDIA_TYPE_AUDIO &&

      in_codecpar-> codec_type！= AVMEDIA_TYPE_VIDEO &&

      in_codecpar-> codec_type！= AVMEDIA_TYPE_SUBTITLE）{

    stream_list [i] = -1 ;

    继续 ;

  }

  stream_list [i] = stream_index ++;

  out_stream = avformat_new_stream（output_format_context，NULL）;

 if（！out_stream）{

     fprintf（stderr，“无法分配输出流\ n ”）;

    ret = AVERROR_UNKNOWN;

    转到结尾

  }

  ret = avcodec_parameters_copy（out_stream-> codecpar，in_codecpar）;

 if（ret < 0）{

     fprintf（stderr，“复制编解码器参数失败\ n ”）;

    转到结尾

  }

}

现在我们可以创建输出文件了。

如果（！（output_format_context-> oformat-> flags和AVFMT_NOFILE））{

  ret = avio_open（＆output_format_context-> pb，out_filename，AVIO_FLAG_WRITE）;

 if（ret < 0）{

     fprintf（stderr，“无法打开输出文件' ％s ' ”，out_filename）;

    转到结尾

  }

}

ret = avformat_write_header（output_format_context，NULL）;

if（ret < 0）{

   fprintf（stderr，“打开输出文件时发生错误\ n ”）;

 转到结尾

}

之后，我们可以逐个数据包地将流从输入复制到输出流。我们将在它有数据包（av_read_frame）时循环播放，对于每个数据包，我们需要重新计算PTS和DTS以最终将其（av_interleaved_write_frame）写入输出格式上下文。

而（1）{

  AVStream * in_stream，* out_stream;

  ret = av_read_frame（input_format_context，＆packet）;

 如果（ret < 0）

     中断 ;

  in_stream = input_format_context-> 流 [数据包。stream_index ];

 如果（分组。stream_index > = number_of_streams || streams_list [数据包。stream_index ] < 0）{

     av_packet_unref（包）;

    继续 ;

  }

  包。stream_index = stream_list [数据包。stream_index ];

  out_stream = output_format_context-> 流 [数据包。stream_index ];

 / *复制数据包* /

  数据包。pts = av_rescale_q_rnd（数据包pts，in_stream-> time_base，out_stream-> time_base，AV_ROUND_NEAR_INF | AV_ROUND_PASS_MINMAX）；

  包。dts = av_rescale_q_rnd（数据包dts，in_stream-> time_base，out_stream-> time_base，AV_ROUND_NEAR_INF | AV_ROUND_PASS_MINMAX）；

  包。持续时间 = av_rescale_q（数据包duration，in_stream-> time_base，out_stream-> time_base）;

 // https://ffmpeg.org/doxygen/trunk/structAVPacket.html#ab5793d8195cf4789dfb3913b7a693903

  数据包。pos = -1 ;

 // https://ffmpeg.org/doxygen/trunk/group__lavf__encoding.html#ga37352ed2c63493c38219d935e71db6c1

  ret = av_interleaved_write_frame（output_format_context，＆packet）;

 if（ret < 0）{

     fprintf（stderr， “错误合并数据包\ n ”）;

    休息 ;

  }

 av_packet_unref（＆packet）;

}

最后，我们需要使用av_write_trailer函数将流预告片写入输出媒体文件。

av_write_trailer（output_format_context）;

现在我们准备对其进行测试，并且第一个测试将是从MP4到MPEG-TS视频文件的格式（视频容器）转换。我们基本上是ffmpeg input.mp4 -c copy output.ts使用libav 制作命令行。

使run_remuxing_ts

工作正常！！！可以通过以下方法进行检查ffprobe：

ffprobe -i remuxed_small_bunny_1080p_60fps.ts

从'remuxed_small_bunny_1080p_60fps.ts'

输入＃ 0，mpegts：

  持续时间：00：00：10.03，开始：0.000000，比特率：2751 kb / s

  程序1

    元数据：

      service_name     ：服务 01

      service_provider：FFmpeg

    流＃ 0：0 [0x100]：视频：h264（高）（[27] [0] [0] [0] / 0x001B），yuv420p（逐行），1920x1080 [SAR 1：1 DAR 16：9]，60 fps，60 tbr，90k tbn，120 tbc

    流＃ 0：1 [0x101]：音频：ac3（[129] [0] [0] [0] / 0x0081），48000 Hz，5.1（侧面），fltp，320 kb /秒

总结一下我们在图中所做的事情，我们可以回顾一下关于libav如何工作的最初想法，但表明我们跳过了编解码器部分。

在结束本章之前，我想展示重混合过程的重要部分，您可以将选项传递给多路复用器。假设我们要为此提供MPEG-DASH格式，我们需要使用分段的mp4（有时称为fmp4）代替MPEG-TS或纯MPEG-4。

使用命令行，我们可以轻松地做到这一点。

ffmpeg -i non_fragmented.mp4 -movflags frag_keyframe+empty_moov+default_base_moof fragmented.mp4

由于命令行是libav版本，因此几乎同样容易，我们只需要在复制数据包之前在写入输出标头时传递选项即可。

AVDictionary * opts = NULL ;

av_dict_set（＆opts，“ movflags ”，“ frag_keyframe + empty_moov + default_base_moof ”，0）;

ret = avformat_write_header（output_format_context，＆opts）;

现在，我们可以生成此分段的mp4文件：

制作run_remuxing_fragmented_mp4

但是要确保我没有对你说谎。您可以使用令人惊叹的site / tool gpac / mp4box.js或网站http://mp4parser.com/来查看差异，首先加载“常用” mp4。

如您所见，它只有一个mdat原子/盒子，这是视频和音频帧所在的位置。现在加载零碎的mp4，以查看它如何散布mdat盒子。

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