【FFmpeg】FFmpeg 函数简介 ③ ( 编解码相关函数 | FFmpeg 源码地址 | FFmpeg 解码器相关 结构体 和 函数 )

FFmpeg 4.0 版本源码地址 : https://github.com/FFmpeg/FFmpeg/tree/release/4.0

一、FFmpeg 解码器简介

1、解码流程分析

音视频 解码 相关函数 , 对应下图 红色矩形框区域 中的操作 :

音视频 解码流程 如下图所示 :

• 首先 , 调用 avcodec_alloc_context3 函数 , 分配解码器上下文 AVCodecContext 结构体对象 ;
• 然后 , 调用 avcodec_parameters_to_context 函数 , 将 编解码器 信息拷贝到 AVCodecContext 结构体对象 中 ;
• 再后 , 调用 avcodec_find_decoder 函数 或者 avcodec_find_decoder_by_name 函数 , 查找相应的编解码器 ;
• 之后 , 调用 avcodec_open2 函数 , 打开编解码器 , 并与 AVCodecContext 结构体对象 进行关联 ;
• 最后 , 进行 逐包 循环解码 , 先调用 avcodec_send_packet 函数 , 向解码器发送数据包 , 然后调用 avcodec_receive_frame 函数 , 从解码器获取解码后的数据帧 ;

程序执行完毕后 , 调用 avcodec_free_context 函数 或者 avcodec_close 函数 , 释放编解码器占用的资源 , 上述函数中 avcodec_free_context 函数 包含 avcodec_close 函数 ;

2、FFmpeg 编解码器 本质

H.264 只是一个 编解码器 规范标准 , 不同的 厂家 会根据该 规范 开发 不同的编解码器 ,

下面的代码是 FFmpeg 中定义的 H.264 规范的 解码器 , 这是一个 AVCodec 类型的结构体对象 , 该结构体对象中 包含了与 H.264 编解码器 相关的所有必要数据和函数指针 , 用于初始化、解码、关闭等操作 ;

AVCodec ff_h264_decoder = {
    .name                  = "h264",  // 编解码器名称
    .long_name             = NULL_IF_CONFIG_SMALL("H.264 / AVC / MPEG-4 AVC / MPEG-4 part 10"),  // 编解码器的全名
    .type                  = AVMEDIA_TYPE_VIDEO,  // 媒体类型（视频）
    .id                    = AV_CODEC_ID_H264,  // 编解码器ID
    .priv_data_size        = sizeof(H264Context),  // 私有数据大小，H264上下文结构的大小
    .init                  = h264_decode_init,  // 初始化函数
    .close                 = h264_decode_end,  // 关闭函数
    .decode                = h264_decode_frame,  // 解码函数
    .capabilities          = /*AV_CODEC_CAP_DRAW_HORIZ_BAND |*/ AV_CODEC_CAP_DR1 |  // 编解码器能力
                             AV_CODEC_CAP_DELAY | 
                             AV_CODEC_CAP_SLICE_THREADS | 
                             AV_CODEC_CAP_FRAME_THREADS,
    .hw_configs            = (const AVCodecHWConfigInternal*[]) {  // 硬件加速配置
#if CONFIG_H264_DXVA2_HWACCEL
                               HWACCEL_DXVA2(h264),  // DXVA2 硬件加速
#endif
#if CONFIG_H264_D3D11VA_HWACCEL
                               HWACCEL_D3D11VA(h264),  // D3D11VA 硬件加速
#endif
#if CONFIG_H264_D3D11VA2_HWACCEL
                               HWACCEL_D3D11VA2(h264),  // D3D11VA2 硬件加速
#endif
#if CONFIG_H264_NVDEC_HWACCEL
                               HWACCEL_NVDEC(h264),  // NVDEC 硬件加速
#endif
#if CONFIG_H264_VAAPI_HWACCEL
                               HWACCEL_VAAPI(h264),  // VAAPI 硬件加速
#endif
#if CONFIG_H264_VDPAU_HWACCEL
                               HWACCEL_VDPAU(h264),  // VDPAU 硬件加速
#endif
#if CONFIG_H264_VIDEOTOOLBOX_HWACCEL
                               HWACCEL_VIDEOTOOLBOX(h264),  // VideoToolbox 硬件加速
#endif
                               NULL  // 结束标记
                           },
    .caps_internal         = FF_CODEC_CAP_INIT_THREADSAFE | FF_CODEC_CAP_EXPORTS_CROPPING,  // 内部能力标志
    .flush                 = flush_dpb,  // 刷新函数
    .init_thread_copy      = ONLY_IF_THREADS_ENABLED(decode_init_thread_copy),  // 线程复制初始化
    .update_thread_context = ONLY_IF_THREADS_ENABLED(ff_h264_update_thread_context),  // 更新线程上下文
    .profiles              = NULL_IF_CONFIG_SMALL(ff_h264_profiles),  // 配置文件
    .priv_class            = &h264_class,  // 私有类
};

源码地址 : https://github.com/FFmpeg/FFmpeg/blob/release/4.0/libavcodec/h264dec.c Line1047 ~ 1089

FFmpeg 4.0 版本源码地址 : https://github.com/FFmpeg/FFmpeg/tree/release/4.0

3、FFmpeg 编解码器 ID 和 名称

下面分析 编解码器的 名称 和 编码器 ID 字段 ;

avcodec_find_decoder 函数 是 根据 编解码器ID 查找 FFmpeg 中的编解码器的 ;

avcodec_find_decoder_by_name 函数 是根据 编解码器名称 查找 FFmpeg 中的编解码器的 ;

.name = "h264", // 编解码器名称 就是为该编解码器定义的名称 , 可以直接在 FFmpeg 命令中通过该 名称 " h264 " 调用该 编解码器 ;

.id = AV_CODEC_ID_H264, // 编解码器ID 是 编解码器的 ID , 这是一个 枚举 , 定义在 libavcodec/avcodec.h 代码中 , AV_CODEC_ID_H264 是 FFmpeg 对 H.264 编码的 内部表示 , 只要是 H.264 规范的编解码器 , 不管是哪家厂商开发 H.264 的编解码器 , id 字段的值必须是 AV_CODEC_ID_H264 ;

/**
 * 标识比特流的语法和语义。
 * 原则大致是：
 * 具有相同ID的两个解码器可以解码相同的流。
 * 具有相同ID的两个编码器可以编码兼容的流。
 * 由于实现细节，可能会略有偏差。
 *
 * 如果你向此列表添加一个编解码器ID，请遵循以下原则：
 * 1. 现有编解码器ID的值不发生变化（这会破坏ABI的兼容性），
 * 2. 新增的ID尽可能靠近相似的编解码器。
 *
 * 在添加新的编解码器ID后，不要忘记在编解码器描述符列表中添加条目，
 * 并增加 libavcodec 的次版本号。
 */
enum AVCodecID {
    AV_CODEC_ID_NONE,    // 无编解码器ID

    /* 视频编解码器 */
    AV_CODEC_ID_H264,    // H.264视频编解码器
}

源码地址 : https://github.com/FFmpeg/FFmpeg/blob/release/4.0/libavcodec/avcodec.h Line 245

二、FFmpeg 解码器相关 结构体 / 函数

1、AVFormatContext 结构体

音视频 解码 靠 " 解码器 " 进行 ;

与 解封装 类似 , 解封装器 工作 需要使用 AVFormatContext 格式上下文结构体 , 解封装相关信息都封装在该结构体中 ;

解码器 对音视频数据进行解码 , 也有一个 解码器上下文结构体 AVCodecContext ;

最新版本的 FFmpeg 使用 avcodec_alloc_context3 函数 , 分配 编解码器上下文 AVCodecContext 结构体 ;

• avcodec_alloc_context 和 avcodec_alloc_context2 是 早期版本 FFmpeg 中分配编解码器上下文结构体 的函数 , 现在已经弃用 , 如果在代码中遇到这两个函数需要注意 ;

AVCodecContext 用于存储 解码 或 编码 过程中使用的编解码器上下文信息 , 包含了大量的字段和配置信息 , 允许用户控制解码和编码的行为 ;

下面的代码中 列举了 一些重要的 AVCodecContext 结构体字段 ;

typedef struct AVCodecContext {
    const AVClass *av_class;            // 指向AVClass的指针，用于支持FFmpeg的日志和调试功能

    int log_level_offset;                // 日志级别偏移量

    enum AVMediaType codec_type;         // 媒体类型，例如视频、音频、字幕等

    const struct AVCodec *codec;         // 指向编码器或解码器的指针

    int codec_id;                        // 编解码器ID，指定要使用的编解码器类型（例如AV_CODEC_ID_H264）

    void *priv_data;                     // 指向私有数据的指针，用于存储编解码器特定的配置信息

    int bit_rate;                        // 目标码率（以比特/秒为单位）

    int width, height;                   // 视频宽度和高度

    int gop_size;                        // 视频的GOP（Group of Pictures）大小，设置I帧之间的间隔

    int max_b_frames;                    // 最大B帧数，B帧是一种双向预测的帧

    enum AVPixelFormat pix_fmt;          // 视频的像素格式（例如YUV420P）

    int sample_rate;                     // 音频采样率（以赫兹为单位）

    int channels;                        // 音频通道数

    enum AVSampleFormat sample_fmt;      // 音频采样格式（例如AV_SAMPLE_FMT_FLTP表示浮点格式）

    int64_t channel_layout;              // 音频通道布局（例如立体声、5.1声道）

    int frame_size;                      // 每个音频帧的采样数

    int profile;                         // 编解码器的配置文件，例如H.264的Baseline、Main或High Profile

    int level;                           // 编解码器的级别，例如H.264中的Level 4.0

    int thread_count;                    // 线程数量，用于并行编码或解码

    int flags;                           // 编解码器的通用标志，用于设置不同的编码/解码选项

    int flags2;                          // 额外的标志选项

    AVRational time_base;                // 基准时间，用于表示帧的时间戳

    AVRational framerate;                // 视频帧率（以帧/秒表示）

    int64_t bit_rate_tolerance;          // 比特率容忍度，用于VBR（可变比特率）编码

    int rc_buffer_size;                  // 码率控制缓冲区大小

    int rc_max_rate;                     // 最大比特率

    int rc_min_rate;                     // 最小比特率

    float qcompress;                     // 帧间压缩，用于调整比特率的波动

    float qblur;                         // 帧间模糊，用于平滑比特率变化

    int qmin;                            // 最小量化参数，用于控制编码质量

    int qmax;                            // 最大量化参数

    int64_t channel_layout;              // 音频通道布局（例如立体声、5.1声道）

    // 省略许多其他字段
} AVCodecContext;

2、avcodec_find_decoder 函数 - 根据 ID 查找 解码器

avcodec_find_decoder 函数 用于 根据 解码器 ID 查找 指定解码器 , 函数原型如下 :

const AVCodec *avcodec_find_decoder(enum AVCodecID id);

• enum AVCodecID id 参数 : 指定要查找的 解码器的 ID , 这是一个枚举类型 , 用于标识各种支持的编解码器 , 如 : AV_CODEC_ID_H264 ;
• AVCodec * 返回值 :
  • 如果 找到 对应的解码器 , 返回指向 AVCodec 结构体的指针 ;
  • 如果 没有找到 对应的解码器 , 返回 NULL ;

代码示例 : 下面的代码是查找 H.264 解码器 的代码 ;

// 查找 H.264 解码器
const AVCodec *codec = avcodec_find_decoder(AV_CODEC_ID_H264);
if (!codec) {
    fprintf(stderr, "查找解码器失败\n");
    return -1;
}

3、avcodec_find_decoder_by_name 函数 - 根据 名称 查找 解码器

avcodec_find_decoder_by_name 函数 用于通过 解码器名称 查找 解码器 , 函数原型如下 :

const AVCodec *avcodec_find_decoder_by_name(const char *name);

• const char *name 参数 : 解码器名称 , H.264 解码器名称是 h264 ;
• AVCodec * 返回值 :
  • 如果 找到 对应的解码器 , 返回指向 AVCodec 结构体的指针 ;
  • 如果 没有找到 对应的解码器 , 返回 NULL ;

代码示例 : 下面的代码是根据 h264 名称查找解码器 ;

// 查找名为 "h264" 的解码器
const AVCodec *codec = avcodec_find_decoder_by_name("h264");
if (!codec) {
    fprintf(stderr, "查找解码器失败\n");
    return -1;
}

4、avcodec_alloc_context3 函数 - 初始化编解码上下文结构体

avcodec_alloc_context3 函数 用于分配并初始化一个 AVCodecContext 结构体 , 该结构体用于存储编解码器的上下文信息 , 函数原型如下 :

AVCodecContext *avcodec_alloc_context3(const AVCodec *codec);

• const AVCodec *codec 参数 : 指向 AVCodec 结构体的指针 , 该参数用于指定要使用的编解码器 , 如果为 NULL，会创建一个空的上下文，可以稍后再设置编码器 ;
• AVCodecContext * 类型返回值 : 如果初始化成功 , 则返回 编解码上下文结构体指针 , 如果初始化失败 , 返回 NULL ;

代码示例 : 下面的代码中 , 首先查找 h264 编解码器 , 然后为该编解码器分配上下文对象 ;

// 查找名为 "h264" 的解码器
const AVCodec *codec = avcodec_find_decoder_by_name("h264");
if (!codec) {
    fprintf(stderr, "查找解码器失败\n");
    return -1;
}

// 分配编解码器上下文
AVCodecContext *codec_ctx = avcodec_alloc_context3(codec);
if (!codec_ctx) {
    fprintf(stderr, "分配编解码器上下文失败\n");
    return -1;
}

5、avcodec_parameters_to_context 函数 - 拷贝 编解码上下文结构体 数据

avcodec_parameters_to_context 函数 用于将 AVCodecParameters 中的参数拷贝到 AVCodecContext 中 , 函数原型如下 :

int avcodec_parameters_to_context(AVCodecContext *codec_ctx, const AVCodecParameters *par);

• AVCodecContext *codec_ctx 参数 : 指向 拷贝目的地 的 编解码器上下文 结构体 的 指针 , 这是 被拷贝的数据赋值的对象 ;
• const AVCodecParameters *par 参数 : 要 拷贝 的 编解码器参数 的 源结构体 , 数据从该结构体拷贝出来的 , 是数据源 ;
• int 返回值 :
  • 拷贝成功 , 返回 0 ;
  • 拷贝失败 , 返回负值 错误码 ;

代码示例 :

// 初始化 编解码器 上下文
AVCodecContext *codec_ctx = avcodec_alloc_context3(codec);
// 从 媒体流 中获取 编解码器参数 , 一般是被解码的音视频流
AVCodecParameters *par = stream->codecpar;

// 将参数从 par 复制到 codec_ctx
if (avcodec_parameters_to_context(codec_ctx, par) < 0) {
    fprintf(stderr, "拷贝参数失败\n");
    return -1;
}

6、avcodec_open2 函数 - 打开编解码器

avcodec_open2 函数 用于打开指定的 编解码器 , 并与 AVCodecContext 关联 , 函数原型如下 :

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

• AVCodecContext *codec_ctx 参数 : 指向 AVCodecContext 结构体的指针 , 用于存储编解码器的上下文信息 ;
• const AVCodec *codec 参数 : 指向 AVCodec 结构体的指针 , 这是要打开的编解码器 ;
• AVDictionary **options 参数 : 指向 AVDictionary 的指针 , 这是用于传递编解码器的附加选项 , 一般都设置为 NULL ;
• int 返回值 :
  • 打开成功 , 返回 0 ;
  • 打开失败 , 返回负值 错误码 ;

代码示例 :

// 查找名为 "h264" 的解码器
const AVCodec *codec = avcodec_find_decoder_by_name("h264");
if (!codec) {
    fprintf(stderr, "查找解码器失败\n");
    return -1;
}

// 分配编解码器上下文
AVCodecContext *codec_ctx = avcodec_alloc_context3(codec);
if (!codec_ctx) {
    fprintf(stderr, "分配编解码器上下文失败\n");
    return -1;
}

// 打开解码器
if (avcodec_open2(codec_ctx, codec, NULL) < 0) {
    fprintf(stderr, "打开解码器失败\n");
    return -1;
}

7、avcodec_send_packet 函数 和 avcodec_receive_frame 函数 - 解码组合函数

avcodec_send_packet 函数 用于将 压缩数据包 发送到解码器 , 压缩数据包就是未解码的音视频帧 , 不能用于播放 , 函数原型如下 :

int avcodec_send_packet(AVCodecContext *codec_ctx, const AVPacket *pkt);

• AVCodecContext *codec_ctx 参数 : 指向 编解码器 上下文 结构体的指针 ;
• const AVPacket *pkt 参数 : 指向 AVPacket 结构体的指针 , 其中包含编码数据的包 , 如果设置为 NULL , 表示解码器接收的输入数据已经结束 ;
• int 类型 返回值 :
  • 发送成功 返回 0 ;
  • 发送失败 返回 负值错误码 ;

avcodec_receive_frame 函数 用于从 解码器 获取 解码后的 音视频帧 , 该 音视频帧 可直接用于播放 , 函数原型如下 :

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

• AVCodecContext *codec_ctx 参数 : 指向 编解码器 上下文 结构体的指针 ;
• AVFrame *frame 参数 : 接收到的 解码后的 音视频帧 数据 ;
• int 类型 返回值 :
  • 接收成功 返回 0 ;
  • 接收失败 返回 负值错误码 ;

代码示例 :

// 初始化解码器上下文 codec_ctx，并确保其已成功打开

AVPacket pkt;  // 定义一个 AVPacket 结构，用于存储压缩数据包
AVFrame *frame = av_frame_alloc();  // 分配一个 AVFrame 结构，用于存储解码后的帧
int ret;  // 定义返回值变量，用于存储函数返回的状态

// 向解码器发送压缩包
ret = avcodec_send_packet(codec_ctx, &pkt);  // 将压缩数据包发送给解码器
if (ret < 0) {  // 如果发送数据包失败
    fprintf(stderr, "Error sending packet to decoder\n");  // 输出错误信息
}

// 从解码器接收解码后的帧
while (ret >= 0) {
    ret = avcodec_receive_frame(codec_ctx, frame);  // 从解码器接收解码后的帧
    if (ret == AVERROR(EAGAIN) || ret == AVERROR_EOF) {  // 如果没有更多帧可以接收或已到文件末尾
        break;  // 退出循环
    } else if (ret < 0) {  // 如果接收解码帧过程中出错
        fprintf(stderr, "Error during decoding\n");  // 输出错误信息
        break;  // 退出循环
    }

    // 使用解码后的 frame（例如渲染或进行其他处理）
    av_frame_unref(frame);  // 清除帧数据，准备接收下一帧
}

av_frame_free(&frame);  // 释放 frame 结构，避免内存泄漏

8、avcodec_free_context 函数 和 avcodec_close 函数 - 释放编解码器上下文结构体

avcodec_free_context 函数 用于释放 AVCodecContext 结构体并清除其中的所有资源 , 函数原型如下 :

void avcodec_free_context(AVCodecContext **codec_ctx);

• AVCodecContext **codec_ctx 参数 : 指向 AVCodecContext 指针的 指针 , 这是要释放的编解码器上下文 , 该函数会将 *codec_ctx 置为 NULL ;

avcodec_free_context 函数 会自动调用 avcodec_close 函数 ;

avcodec_close 函数 用于关闭一个打开的 AVCodecContext 结构体 , 释放与其关联的编解码器资源 , 函数原型如下 :

int avcodec_close(AVCodecContext *codec_ctx);

• AVCodecContext **codec_ctx 参数 : 指向 AVCodecContext 指针的 指针 , 这是要释放的编解码器上下文 , 该函数会将 *codec_ctx 置为 NULL ;