ffmpeg 架构分析

1. 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

存放内存操作等辅助性模块。

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。

 

2. 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：

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

    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。

    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;

   

    int priv_data_size;

   

    enum CodecID audio_codec;

    enum CodecID video_codec;

 

    int (*write_header)(struct AVFormatContext *);

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

    int (*write_trailer)(struct AVFormatContext *);

   

    int flags;

   

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

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

 

   

    const struct AVCodecTag **codec_tag;

   

    struct AVOutputFormat *next;

} AVOutputFormat;

由AVOutputFormat结构的定义可知，flv_muxer变量初始化的第一、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MIME 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时会用到。

AVInputFormat flv_demuxer = {

    "flv",

    "flv format",

    0,

    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。

3. 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[FIXME]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;

3.1 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,

void (* parse_arg_function)(const char *));

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。

3.2 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_function)(const char *));

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)

3.3 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。

4. 其他主要数据结构

4.1 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，这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。

4.2 AVCodecContext

保存AVCodec指针和与codec相关数据，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;   

    enum CodecID codec_id;       

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。

4.3 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;

    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;

4.4 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。

4.5 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。

 

 

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