C++中使用FFmpeg適配自定義編碼器的實(shí)現(xiàn)方法

更新時(shí)間：2023年04月19日 09:30:06 作者：卡咖喱

本文介紹了在C++中使用FFmpeg庫進(jìn)行自定義編碼器適配的實(shí)現(xiàn)方法。文章通過具體的代碼示例，介紹了FFmpeg的基本使用方法和自定義編碼器的實(shí)現(xiàn)過程，幫助讀者了解如何在C++中進(jìn)行音視頻編碼和解碼的開發(fā)工作，并能夠?qū)崿F(xiàn)自定義的編碼器適配

1 編碼流程

FFmpeg是一個(gè)開源的多媒體框架，底層可對接實(shí)現(xiàn)多種編解碼器，下面參考文件doc/examples/encode_video.c分析編碼一幀的流程

1.1 整體流程

統(tǒng)一的編碼流程如下圖所示

FFmpeg使用的是引用計(jì)數(shù)的思想，對于一塊buffer，剛申請時(shí)引用計(jì)數(shù)為1，每有一個(gè)模塊進(jìn)行使用，引用計(jì)數(shù)加1，使用完畢后引用計(jì)數(shù)減1，當(dāng)減為0時(shí)釋放buffer。

此流程中需要關(guān)注buffer的分配，對于編碼器來說，輸入buffer是yuv，也就是上圖中的frame，輸出buffer是碼流包，也就是上圖中的pkt，下面對這兩個(gè)buffer進(jìn)行分析

frame：這個(gè)結(jié)構(gòu)體是由av_frame_alloc分配的，但這里并沒有分配yuv的內(nèi)存，yuv內(nèi)存是av_frame_get_buffer分配的，可見這里輸入buffer完全是來自外部的，不需要編碼器來管理，編碼器只需要根據(jù)所給的yuv地址來進(jìn)行編碼就行了
pkt：這個(gè)結(jié)構(gòu)體是由av_packet_alloc分配的，也沒有分配碼流包的內(nèi)存，可見這里pkt僅僅是一個(gè)引用，pkt直接傳到了avcodec_receive_packet接口進(jìn)行編碼，完成之后將pkt中碼流的內(nèi)容寫到文件，最后調(diào)用av_packet_unref接口減引用計(jì)數(shù)，因此這里pkt是編碼器內(nèi)部分配的，分配完成之后會(huì)減pkt的引用計(jì)數(shù)加1，然后輸出到外部，外部使用完畢之后再減引用計(jì)數(shù)來釋放buffer

編碼一幀的相關(guān)代碼如下：

static void encode(AVCodecContext *enc_ctx, AVFrame *frame, AVPacket *pkt,
                   FILE *outfile)
{
    int ret;
    /* send the frame to the encoder */
    if (frame)
        printf("Send frame %3"PRId64"\n", frame->pts);
    ret = avcodec_send_frame(enc_ctx, frame);
    if (ret < 0) {
        fprintf(stderr, "Error sending a frame for encoding\n");
        exit(1);
    }
    while (ret >= 0) {
        ret = avcodec_receive_packet(enc_ctx, pkt);
        if (ret == AVERROR(EAGAIN) || ret == AVERROR_EOF)
            return;
        else if (ret < 0) {
            fprintf(stderr, "Error during encoding\n");
            exit(1);
        }
        printf("Write packet %3"PRId64" (size=%5d)\n", pkt->pts, pkt->size);
        fwrite(pkt->data, 1, pkt->size, outfile);
        av_packet_unref(pkt);
    }
}

其中avcodec_receive_packet返回EAGAIN表示送下一幀，返回EOF表示編碼器內(nèi)部已經(jīng)沒有碼流。

1.2 內(nèi)部流程

此處分析編碼一幀的內(nèi)部流程，首先看FFmpeg內(nèi)部編碼器的上下文，其中有三個(gè)重要結(jié)構(gòu)體

typedef struct AVCodecInternal {
	...
    /**
     * The input frame is stored here for encoders implementing the simple
     * encode API.
     *
     * Not allocated in other cases.
     */
    AVFrame *in_frame;
    /**
     * Temporary buffers for newly received or not yet output packets/frames.
     */
    AVPacket *buffer_pkt;
    AVFrame *buffer_frame;
    ...
} AVCodecInternal;

下面結(jié)合送幀和收流的接口進(jìn)行介紹

avcodec_send_frame: 送幀接口，將yuv的幀信息賦值到buffer_frame，然后觸發(fā)一幀編碼，將編碼出的碼流賦值到buffer_pkt
avcodec_receive_packet: 收流接口，檢查上下文中是否有已經(jīng)編碼好的碼流buffer_pkt，如果有則將其返回，如果沒有再觸發(fā)一幀編碼，將編碼好的碼流返回

可見send和receive接口均可觸發(fā)一幀編碼，此處觸發(fā)一幀編碼分為兩個(gè)流程，receive流程和simple流程，代碼片段如下：

static int encode_receive_packet_internal(AVCodecContext *avctx, AVPacket *avpkt)
{
	...
	if (ffcodec(avctx->codec)->cb_type == FF_CODEC_CB_TYPE_RECEIVE_PACKET) {
        ret = ffcodec(avctx->codec)->cb.receive_packet(avctx, avpkt);
        if (ret < 0)
            av_packet_unref(avpkt);
        else
            // Encoders must always return ref-counted buffers.
            // Side-data only packets have no data and can be not ref-counted.
            av_assert0(!avpkt->data || avpkt->buf);
    } else
        ret = encode_simple_receive_packet(avctx, avpkt);
    ...
}

如果是receive流程，則直接調(diào)用receive_packet接口的回調(diào)，該接口中注冊定制編碼器的接口，完成一幀編碼。如果是simple流程，則調(diào)用的是encode_simple_receive_packet，這是FFmpeg封裝的一個(gè)簡易流程，其中調(diào)用的是encode接口，代碼片段如下，詳細(xì)分析可參考文章：

static int encode_simple_internal(AVCodecContext *avctx, AVPacket *avpkt)
{
    AVFrame          *frame = avci->in_frame;
    const FFCodec *const codec = ffcodec(avctx->codec);
    int got_packet;
	...
	/* 拷貝buffer_frame到in_frame */
	...
    if (CONFIG_FRAME_THREAD_ENCODER && avci->frame_thread_encoder) {
        /* This will unref frame. */
        ret = ff_thread_video_encode_frame(avctx, avpkt, frame, &got_packet);
    } else {
        ret = ff_encode_encode_cb(avctx, avpkt, frame, &got_packet);
#if FF_API_THREAD_SAFE_CALLBACKS
        if (frame) {
            av_frame_unref(frame);
        }
#endif
    }
    ...
    return ret;
}

simple流程中會(huì)把buffer_frame的引用拷貝到in_frame，然后將in_frame送幀編碼，意味著其內(nèi)部只能緩存一幀，不支持多幀緩存。并且simple流程中，調(diào)用send之后，如果調(diào)用receive成功獲取到一包碼流，下一次調(diào)用receive將會(huì)返回EAGAIN，且不會(huì)調(diào)用encode接口，因此對于不支持多幀緩存的編碼器而言，如果send一幀后，需要receive兩包碼流，那么獲取到一包碼流之后receive接口會(huì)返回EAGAIN，循環(huán)退出進(jìn)行下一次send，此時(shí)上一幀未編碼的yuv會(huì)被覆蓋
receive流程中沒有該限制，直接調(diào)用了receive_packet接口，因此如果需要在ffmpeg適配層做多幀緩存，可以使用receive的流程。另外receive流程沒有上述限制，在成功收到一幀碼流之后，仍然會(huì)調(diào)用receive，比較靈活，可以做一些定制化的操作

2 適配接口

適配接口參考ffmpeg/libavcodec/nvenc_h264.c，這是英偉達(dá)的硬件編碼器接口，自定義一個(gè)編碼器只需實(shí)現(xiàn)以下結(jié)構(gòu)體

const FFCodec ff_h264_nvenc_encoder = {
    .p.name         = "h264_nvenc",
    .p.long_name    = NULL_IF_CONFIG_SMALL("NVIDIA NVENC H.264 encoder"),
    .p.type         = AVMEDIA_TYPE_VIDEO,
    .p.id           = AV_CODEC_ID_H264,
    .init           = ff_nvenc_encode_init,
    FF_CODEC_RECEIVE_PACKET_CB(ff_nvenc_receive_packet),
    .close          = ff_nvenc_encode_close,
    .flush          = ff_nvenc_encode_flush,
    .priv_data_size = sizeof(NvencContext),
    .p.priv_class   = &h264_nvenc_class,
    .defaults       = defaults,
    .p.capabilities = AV_CODEC_CAP_DELAY | AV_CODEC_CAP_HARDWARE |
                      AV_CODEC_CAP_ENCODER_FLUSH | AV_CODEC_CAP_DR1,
    .caps_internal  = FF_CODEC_CAP_INIT_CLEANUP,
    .p.pix_fmts     = ff_nvenc_pix_fmts,
    .p.wrapper_name = "nvenc",
    .hw_configs     = ff_nvenc_hw_configs,
};

這里面最重要三個(gè)接口是init、close和receive，還有一個(gè)比較重要的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)是option，此處寫明了編碼器支持的具體配置

static const AVOption options[] = {
#ifdef NVENC_HAVE_NEW_PRESETS
    { "preset",       "Set the encoding preset",            OFFSET(preset),       AV_OPT_TYPE_INT,   { .i64 = PRESET_P4 },     PRESET_DEFAULT, PRESET_P7,          VE, "preset" },
#else
    { "preset",       "Set the encoding preset",            OFFSET(preset),       AV_OPT_TYPE_INT,   { .i64 = PRESET_MEDIUM }, PRESET_DEFAULT, PRESET_LOSSLESS_HP, VE, "preset" },
#endif
    { "default",      "",                                   0,                    AV_OPT_TYPE_CONST, { .i64 = PRESET_DEFAULT },             0, 0, VE, "preset" },
    { "slow",         "hq 2 passes",                        0,                    AV_OPT_TYPE_CONST, { .i64 = PRESET_SLOW },                0, 0, VE, "preset" },
    { "medium",       "hq 1 pass",                          0,                    AV_OPT_TYPE_CONST, { .i64 = PRESET_MEDIUM },              0, 0, VE, "preset" },
...
};
static const AVClass h264_nvenc_class = {
    .class_name = "h264_nvenc",
    .item_name = av_default_item_name,
    .option = options,
    .version = LIBAVUTIL_VERSION_INT,
};

2.1 init、close

init是初始化編碼器的接口，在avcodec_open2中調(diào)用，定義接口如下，此接口一般是根據(jù)用戶的option配置，來對編碼器進(jìn)行相應(yīng)的初始化

int (*init)(struct AVCodecContext *)

close是關(guān)閉編碼器的接口，在avcodec_free_context中調(diào)用，定義接口如下，該接口完成編碼器內(nèi)部的一些資源釋放操作

int (*close)(struct AVCodecContext *)

2.2 option

每個(gè)編碼器有一個(gè)自定義的上下文，其作用是在編碼器初始化之前對上下文進(jìn)行配置，編碼器初始化的時(shí)候就可以按照用戶的配置來初始化，以nvenc為例該上下文的定義為

ypedef struct NvencContext
{
    ...
    // 隊(duì)列相關(guān)的定義
    ...
    // 編碼相關(guān)的配置信息
    int preset;
    int profile;
    int level;
    int tier;
    int rc;
    int cbr;
	...
} NvencContext;

該上下文在avcodec內(nèi)部使用，對外不可見，因此需要option的方式開放對外配置的接口，使用一個(gè)AVOption來描述一個(gè)編碼器的配置

typedef struct AVOption {
    const char *name;
    /**
     * short English help text
     * @todo What about other languages?
     */
    const char *help;
    /**
     * The offset relative to the context structure where the option
     * value is stored. It should be 0 for named constants.
     */
    int offset;
    enum AVOptionType type;
    /**
     * the default value for scalar options
     */
    union {
        int64_t i64;
        double dbl;
        const char *str;
        /* TODO those are unused now */
        AVRational q;
    } default_val;
    double min;                 ///< minimum valid value for the option
    double max;                 ///< maximum valid value for the option
    int flags;
    const char *unit;
} AVOption;

其中關(guān)鍵的是offset和type成員，offset描述了這個(gè)option在上下文中的偏移量，type描述了成員占據(jù)的長度，有這兩個(gè)信息就可以在不對外暴露內(nèi)部上下文的情況下，修改其中的值，用戶配置option的示例如下

av_opt_set(c->priv_data, "preset", "slow", 0);

2.3 receive

nvenc在avcodec層實(shí)現(xiàn)了多幀緩存，因此他實(shí)現(xiàn)的是receive接口，代碼片段如下，需要注意這里輸入輸出都存在拷貝

int ff_nvenc_receive_packet(AVCodecContext *avctx, AVPacket *pkt)
{
    NvencSurface *tmp_out_surf;
    int res, res2;
    NvencContext *ctx = avctx->priv_data;
    AVFrame *frame = ctx->frame;		// 這個(gè)是init中申請的
    if (!frame->buf[0]) {
    	// 將buffer_frame引用拷貝到frame中
        res = ff_encode_get_frame(avctx, frame);	
        if (res < 0 && res != AVERROR_EOF)
            return res;
    }
	// 編碼一幀，推測是阻塞的，nv相關(guān)的函數(shù)沒有找到介紹，其中存在拷貝
    res = nvenc_send_frame(avctx, frame);		
    if (res < 0) {
        if (res != AVERROR(EAGAIN))
            return res;
    } else
        av_frame_unref(frame);
    if (output_ready(avctx, avctx->internal->draining)) {
    	// 從ready隊(duì)列中取編碼好的surface
        av_fifo_read(ctx->output_surface_ready_queue, &tmp_out_surf, 1);
        res = nvenc_push_context(avctx);
        if (res < 0)
            return res;
		// 拷貝到pkt中
        res = process_output_surface(avctx, pkt, tmp_out_surf);
        res2 = nvenc_pop_context(avctx);
        if (res2 < 0)
            return res2;
        if (res)
            return res;
		// surface再放回unused隊(duì)列
        av_fifo_write(ctx->unused_surface_queue, &tmp_out_surf, 1);
    } else if (avctx->internal->draining) {
        return AVERROR_EOF;
    } else {
        return AVERROR(EAGAIN);
    }
    return 0;
}

2.4 encode

nvenc沒有實(shí)現(xiàn)encode接口，這里參考libavcodec/libx264.c的實(shí)現(xiàn)，libx264的流程比較繁瑣，總結(jié)為流程圖如下，x264_encoder_encode為非阻塞接口，內(nèi)部存在yuv的拷貝，調(diào)用后不一定會(huì)獲取到一幀編碼好的碼流，但獲取到之后，同樣需要拷貝到輸出pkt中

2.5 零拷貝的設(shè)計(jì)

通過以上分析，發(fā)現(xiàn)兩種編碼器的實(shí)現(xiàn)都存在拷貝，下面分析零拷貝實(shí)現(xiàn)的可能性

首先是輸入零拷貝，輸入yuv是外部申請的，編碼器只是使用，對于一個(gè)阻塞的編碼器（即送幀后需要阻塞等待該幀編碼完成），這個(gè)設(shè)計(jì)是相對簡單的，只需要將frame的地址告訴編碼器即可，從編碼開始到結(jié)束只有一個(gè)yuv buffer，編碼完成后意味這一幀也消耗完了；如果是非阻塞的編碼器涉及多個(gè)buffer緩存在編碼器中，該設(shè)計(jì)過于復(fù)雜此處不討論

然后是輸出零拷貝，輸出的碼流buffer是編碼器自己申請的，要實(shí)現(xiàn)零拷貝，上層使用完畢之后就需要將該buffer還給編碼器，參考FFmpeg的example是有這個(gè)動(dòng)作的，即調(diào)用unref減引用計(jì)數(shù)

void av_packet_unref(AVPacket *pkt)

AVPacket中實(shí)際的碼流buffer在buf成員中

typedef struct AVPacket {
    /**
     * A reference to the reference-counted buffer where the packet data is
     * stored.
     * May be NULL, then the packet data is not reference-counted.
     */
    AVBufferRef *buf;
    ...
} AVPacket;

該接口將buf的引用計(jì)數(shù)減到零之后，會(huì)進(jìn)行釋放操作，對于AVBufferRef而言，釋放操作是可以定制的，只需要將free賦值即可

struct AVBuffer {
    ...
    void (*free)(void *opaque, uint8_t *data);
	...
};

FFmpeg有相關(guān)接口可以生成一個(gè)定制的AVBufferRef

AVBufferRef *av_buffer_create(uint8_t *data, size_t size,
                              void (*free)(void *opaque, uint8_t *data),
                              void *opaque, int flags)

這里data是已經(jīng)分配好的buffer的地址，size是已經(jīng)分配的buffer的大小，free是對應(yīng)的釋放函數(shù)

因此，輸出buffer零拷貝可以這樣實(shí)現(xiàn)，通過相關(guān)編碼器接口獲取到一包碼流之后，通過av_buffer_create來生成AVBufferRef，傳入的是這包碼流的地址和大小，注冊free函數(shù)為還碼流buffer給編碼器的函數(shù)，將生成的AVBufferRef賦值到AVPacket中返回給上層，上層使用完畢后，調(diào)用av_packet_unref即可向編碼器還碼流。

到此這篇關(guān)于C++中使用FFmpeg適配自定義編碼器的實(shí)現(xiàn)方法的文章就介紹到這了,更多相關(guān)C++ FFmpeg適配編碼器內(nèi)容請搜索腳本之家以前的文章或繼續(xù)瀏覽下面的相關(guān)文章希望大家以后多多支持腳本之家！

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目錄

1 編碼流程

1.1 整體流程

1.2 內(nèi)部流程

2 適配接口

2.1 init、close

2.2 option

2.3 receive

2.4 encode

2.5 零拷貝的設(shè)計(jì)

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1.2 內(nèi)部流程

2 適配接口

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2.4 encode

2.5 零拷貝的設(shè)計(jì)

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