FFmpeg原理详解-优快云博客

简介

FFmpeg是一个集录制、转换、音/视频编码解码功能为一体的完整的开源解决方案。FFmpeg的开发是基于Linux操作系统，但是可以在大多数操作系统中编译和使用。FFmpeg支持MPEG、DivX、MPEG4、AC3、DV、FLV等40多种编码，AVI、MPEG、OGG、Matroska、ASF等90多种解码.

TCPMP, VLC, MPlayer等开源播放器都用到了FFmpeg。

FFmpeg主目录下主要有libavcodec、libavformat和libavutil等子目录。其中libavcodec用于存放各个encode/decode模块，libavformat用于存放muxer/demuxer模块，libavutil用于存放内存操作等常用模块。

以flash movie的flv文件格式为例， muxer/demuxer的flvenc.c和flvdec.c文件在libavformat目录下，encode/decode的mpegvideo.c和h263de.c在libavcodec目录下。

muxer/demuxer与encoder/decoder定义与初始化

muxer/demuxer和encoder/decoder在FFmpeg中的实现代码里，有许多相同的地方，而二者最大的差别是muxer和demuxer分别是不同的结构AVOutputFormat与AVInputFormat，而encoder和decoder都是用的AVCodec结构。

muxer/demuxer和encoder/decoder在FFmpeg中相同的地方有：

l 二者都是在main()开始的av_register_all()函数内初始化的。

l 二者都是以链表的形式保存在全局变量中的。

muxer/demuxer是分别保存在全局变量AVOutputFormat *first_oformat与AVInputFormat *first_iformat中的。

encoder/decoder都是保存在全局变量AVCodec *first_avcodec中的。

l 二者都用函数指针的方式作为开放的公共接口。

demuxer开放的接口有：

int (*read_probe)(AVProbeData *);

int(*read_header)(struct AVFormatContext *, AVFormatParameters *ap);

int (*read_packet)(struct AVFormatContext *, AVPacket *pkt);

int (*read_close)(struct AVFormatContext *);

int (*read_seek)(struct AVFormatContext *, int stream_index, int64_t timestamp, int flags);

muxer开放的接口有：

int (*write_header)(struct AVFormatContext *);

int (*write_packet)(struct AVFormatContext *, AVPacket *pkt);

int (*write_trailer)(struct AVFormatContext *);

encoder/decoder的接口都是一样的，只不过二者分别只实现encoder和decoder函数：

int (*init)(AVCodecContext *);

int (*encode)(AVCodecContext *, uint8_t *buf, int buf_size, void *data);

int (*close)(AVCodecContext *);

int (*decode)(AVCodecContext *, void *outdata, int *outdata_size, uint8_t *buf, int buf_size);

仍以flv文件为例来说明muxer/demuxer的初始化。

在libavformat/allformats.c文件的av_register_all(void)函数中，通过执行

REGISTER_MUXDEMUX(FLV, flv);

将支持flv 格式的flv_muxer与flv_demuxer变量分别注册到全局变量first_oformat与first_iformat链表的最后位置。

其中flv_muxer在libavformat/flvenc.c中定义如下：

AVOutputFormat flv_muxer = {

"flv",

"flv format",

"video/x-flv",

"flv",

sizeof(FLVContext),

#ifdef CONFIG_LIBMP3LAME

CODEC_ID_MP3,

#else // CONFIG_LIBMP3LAME

CODEC_ID_NONE,

CODEC_ID_FLV1,

flv_write_header,

flv_write_packet,

flv_write_trailer,

.codec_tag= (const AVCodecTag*[]){flv_video_codec_ids, flv_audio_codec_ids, 0},

}

AVOutputFormat结构的定义如下：

typedef struct AVOutputFormat {

const char *name;

const char *long_name;

const char *mime_type;

const char *extensions; /**< comma separated filename extensions */

/** size of private data so that it can be allocated in the wrapper */

int priv_data_size;

/* output support */

enum CodecID audio_codec; /**< default audio codec */

enum CodecID video_codec; /**< default video codec */

int (*write_header)(struct AVFormatContext *);

int (*write_packet)(struct AVFormatContext *, AVPacket *pkt);

int (*write_trailer)(struct AVFormatContext *);

/** can use flags: AVFMT_NOFILE, AVFMT_NEEDNUMBER, AVFMT_GLOBALHEADER */

int flags;

/** currently only used to set pixel format if not YUV420P */

int (*set_parameters)(struct AVFormatContext *, AVFormatParameters *);

int (*interleave_packet)(struct AVFormatContext *, AVPacket *out, AVPacket *in, int flush);

/**

* list of supported codec_id-codec_tag pairs, ordered by "better choice first"

* the arrays are all CODEC_ID_NONE terminated

const struct AVCodecTag **codec_tag;

/* private fields */

struct AVOutputFormat *next;

} AVOutputFormat;

由AVOutputFormat结构的定义可知，flv_muxer变量初始化的第一、第二个成员分别为该muxer的名称与长名称，第三、第四个成员为所对应MIMIE Type和后缀名，第五个成员是所对应的私有结构的大小，第六、第七个成员为所对应的音频编码和视频编码类型ID，接下来就是三个重要的接口函数，该muxer的功能也就是通过调用这三个接口实现的。

flv_demuxer在libavformat/flvdec.c中定义如下, 与flv_muxer类似，在这儿主要也是设置了5个接口函数，其中flv_probe接口用途是测试传入的数据段是否是符合当前文件格式，这个接口在匹配当前demuxer的时候会用到。

AVInputFormat flv_demuxer = {

"flv",

"flv format",

flv_probe,

flv_read_header,

flv_read_packet,

flv_read_close,

flv_read_seek,

.extensions = "flv",

.value = CODEC_ID_FLV1,

};

在上述av_register_all(void)函数中通过执行libavcodec/allcodecs.c文件里的avcodec_register_all(void)函数来初始化全部的encoder/decoder。

因为不是每种编码方式都支持encode和decode，所以有以下三种注册方式：

#define REGISTER_ENCODER(X,x) /

if(ENABLE_##X##_ENCODER) register_avcodec(&x##_encoder)

#define REGISTER_DECODER(X,x) /

if(ENABLE_##X##_DECODER) register_avcodec(&x##_decoder)

#define REGISTER_ENCDEC(X,x)

REGISTER_ENCODER(X,x); REGISTER_DECODER(X,x)

如支持flv的flv_encoder和flv_decoder变量就分别是在libavcodec/mpegvideo.c和libavcodec/h263de.c中创建的。

当前muxer/demuxer的匹配

在FFmpeg的文件转换过程中，首先要做的就是根据传入文件和传出文件的后缀名匹配合适的demuxer和muxer。

匹配上的demuxer和muxer都保存在如下所示，定义在ffmpeg.c里的全局变量file_iformat和file_oformat中：

static AVInputFormat *file_iformat;

static AVOutputFormat *file_oformat;

1. demuxer匹配

在libavformat/utils.c中的static AVInputFormat *av_probe_input_format2(AVProbeData *pd, int is_opened, int *score_max)函数用途是根据传入的probe data数据，依次调用每个demuxer的read_probe接口，来进行该demuxer是否和传入的文件内容匹配的判断。其调用顺序如下：

void parse_options(int argc, char **argv, const OptionDef *options)

static void opt_input_file(const char *filename)

int av_open_input_file(…… )

AVInputFormat *av_probe_input_format(AVProbeData *pd, int is_opened)

static AVInputFormat *av_probe_input_format2(……)

opt_input_file函数是在保存在const OptionDef options[]数组中，用于void parse_options(int argc, char **argv, const OptionDef *options)中解析argv里的“-i” 参数，也就是输入文件名时调用的。

2. muxer匹配

与demuxer的匹配不同，muxer的匹配是调用guess_format函数，根据main( ) 函数的argv里的输出文件后缀名来进行的。

void parse_options(int argc, char **argv, const OptionDef *options)

void parse_arg_file(const char *filename)

static void opt_output_file(const char *filename)

AVOutputFormat *guess_format(const char *short_name, const char *filename,

const char *mime_type)

当前encoder/decoder的匹配

在main( )函数中除了解析传入参数并初始化demuxer与muxer的parse_options( )函数以外，其他的功能都是在av_encode( )函数里完成的。

在libavcodec/utils.c中有如下二个函数。

AVCodec *avcodec_find_encoder(enum CodecID id)

AVCodec *avcodec_find_decoder(enum CodecID id)

他们的功能就是根据传入的CodecID，找到匹配的encoder和decoder。

在av_encode( )函数的开头，首先初始化各个AVInputStream和AVOutputStream，然后分别调用上述二个函数，并将匹配上的encoder与decoder分别保存在AVInputStream->AVStream *st->AVCodecContext *codec->struct AVCodec *codec与AVOutputStream->AVStream *st->AVCodecContext *codec->struct AVCodec *codec变量中。

其他主要数据结构

1. AVFormatContext

AVFormatContext是FFMpeg格式转换过程中实现输入和输出功能、保存相关数据的主要结构。每一个输入和输出文件，都在如下定义的指针数组全局变量中有对应的实体。

static AVFormatContext *output_files[MAX_FILES];

static AVFormatContext *input_files[MAX_FILES];

对于输入和输出，因为共用的是同一个结构体，所以需要分别对该结构中如下定义的iformat或oformat成员赋值。

struct AVInputFormat *iformat;

struct AVOutputFormat *oformat;

对一个AVFormatContext来说，二个成员不能同时有值，即一个AVFormatContext不能同时含有demuxer和muxer。

在main( )函数开头的parse_options( )函数中找到了匹配的muxer和demuxer之后，根据传入的argv参数，初始化每个输入和输出的AVFormatContext结构，并保存在相应的output_files和input_files指针数组中。

在av_encode( )函数中，output_files和input_files是作为函数参数传入后，在其他地方就没有用到了。

2. AVCodecContext

保存AVCodec指针和与codec相关的数据，如video的width、height，audio的sample rate等。AVCodecContext中的codec_type，codec_id二个变量对于encoder/decoder的匹配来说，最为重要。

enum CodecType codec_type; /* see CODEC_TYPE_xxx */

enum CodecID codec_id; /* see CODEC_ID_xxx */

如上所示，codec_type保存的是CODEC_TYPE_VIDEO，CODEC_TYPE_AUDIO等媒体类型，

codec_id保存的是CODEC_ID_FLV1，CODEC_ID_VP6F等编码方式。

以支持flv格式为例，在前述的av_open_input_file(…… ) 函数中，匹配到正确的AVInputFormat demuxer后，通过av_open_input_stream( )函数中调用AVInputFormat的read_header接口来执行flvdec.c中的flv_read_header( )函数。在flv_read_header( )函数内，根据文件头中的数据，创建相应的视频或音频AVStream，并设置AVStream中AVCodecContext的正确的codec_type值。codec_id值是在解码过程中flv_read_packet( )函数执行时根据每一个packet头中的数据来设置的。

3. AVStream

AVStream结构保存与数据流相关的编解码器，数据段等信息。比较重要的有如下二个成员：

AVCodecContext *codec; /**< codec context */

void *priv_data;

其中codec指针保存的就是上节所述的encoder或decoder结构。priv_data指针保存的是和具体编解码流相关的数据，如下代码所示，在ASF的解码过程中，priv_data保存的就是ASFStream结构的数据。

AVStream *st;

ASFStream *asf_st;

… …

st->priv_data = asf_st;

4. AVInputStream/ AVOutputStream

根据输入和输出流的不同，前述的AVStream结构都是封装在AVInputStream和 AVOutputStream结构中，在av_encode( )函数中使用。

AVInputStream中还保存的有与时间有关的信息。

AVOutputStream中还保存有与音视频同步等相关的信息。

5. AVPacket

AVPacket结构定义如下，其是用于保存读取的packet数据。

typedef struct AVPacket {

int64_t pts; ///< presentation time stamp in time_base units

int64_t dts; ///< decompression time stamp in time_base units

uint8_t *data;

int size;

int stream_index;

int flags;

int duration; ///< presentation duration in time_base units (0 if not available)

void (*destruct)(struct AVPacket *);

void *priv;

int64_t pos; ///< byte position in stream, -1 if unknown

} AVPacket;

在av_encode( )函数中，调用AVInputFormat的(*read_packet)(struct AVFormatContext *, AVPacket *pkt);接口，读取输入文件的一帧数据保存在当前输入AVFormatContext的AVPacket成员中。

av_encode函数主要流程

av_encode( )函数是FFMpeg中最重要的函数，编解码和输出等大部分功能都在此函数内完成，因此有必要详细描述一下这个函数的主要流程。

1. input streams initializing

2. output streams initializing

3. encoders and decoders initializing

4. set meta data information from input file if required.

5. write output files header

6. loop of handling each frame

a. read frame from input file:

b. decode frame data

c. encode new frame data

d. write new frame to output file