利用ffmpeg和opencv进行视频的解码播放

引子

OpenCV中有自己的用于处理图片和视频的类VideoCapture，可以很方便的读入文件和显示。
现在视频数据流是ffmpeg解码h264文件得到的，由于要依赖该数据源进行相应的后续处理，所以需要将ffmpeg中得到的数据缓存转换成可以被OpenCV处理的Mat类对象。

ffmpeg介绍

FFmpeg是一个开源免费跨平台的视频和音频流方案，属于自由软件，采用LGPL或GPL许可证（依据你选择的组件）。它提供了录制、转换以及流化音视频的完整解决方案。它包含了非常先进的音频/视频编解码库libavcodec，为了保证高可移植性和编解码质量，libavcodec里很多codec都是从头开发的。
FFmpeg是一套可以用来记录、转换数字音频、视频，并能将其转化为流的开源计算机程序。它包括了目前领先的音/视频编码库libavcodec。 FFmpeg是在Linux下开发出来的，但它可以在包括Windows在内的大多数操作系统中编译。

FFmpeg的组成结构

FFmpeg主要由一下几个部分组成：

  • libavcodec：一个包含了所有FFmpeg音视频编解码器的库。 为了保证最优性能和高可复用性,大多数编解码器从头开发的。
  • libavformat：一个包含了所有的普通音视格式的解析器和 产生器的库。
  • 三个实例程序，这三个实例较为复杂，基本可以作为API使用手册：
    ffmpeg：命令行的视频格式转换程序。
    ffplay：视频播放程序。（需要SDL支持）
    ffserver：多媒体服务器

了解完组成结构后，你会发现，如果你在寻找一种视频格式转换的方式，那FFmpeg绝对是你的第一选择，libavcodec 则又是重 中之重。如果遇上API不会使用的情况，可以参考ffmpeg.c、ffplay.c、 ffserver.c、apiexample.c（解码）和output_example.c（编码）。

ffmpeg使用说明

ffmpeg库的接口都是c函数，其头文件也没有extern "C"的声明，所以在cpp文件里调用ffmpeg函数要注意了。
一般来说，一个用C写成的库如果想被C/C++同时可以使用，那在头文件应该加上

#ifdef __cplusplus
extern "C" {
#endif
#ifdef __cplusplus
} // endof extern "C"
#endif

如果在.cpp里调用av_register_all()在链接时将找到不符号，因为.cpp要求的符号名
和ffmpeg库提供的符号名不一致。
可以这么解决:

extern "C"
{
#include <libavutil/avutil.h>
#include <libavcodec/avcodec.h>
#include <libavformat/avformat.h>
}

使用ffmpeg SDK解码流数据过程

以H264视频流为例，讲解解码流数据的步骤。

准备变量

定义AVCodec，AVCodec *变量为解码器指针。
定义AVCodecContext，使用该变量可以将其定义为ffmpeg解码类的类成员。
定义AVFrame，AVFrame描述一个多媒体帧。解码后的数据将被放在其中。
定义AVFormatContext变量，AVFormatContext用于保存视频流的有效信息。

AVCodec *pCodec;
AVCodecContext * pCodecCtx;
AVFrame * pAvFrame;
AVFormatContext *pFormatCtx;

初始化解码器

第一件事情就是初始化libavformat/libavcodec：
ffmpeg注册复用器，编码器等的函数av_register_all()。

av_register_all();

这一步注册库中含有的所有可用的文件格式和编码器，这样当打开一个文件时，它们才能够自动选择相应的文件格式和编码器。要注意你只需调用一次 av_register_all()，所以，尽可能的在你的初始代码中使用它。这里注册了所有的文件格式和编解码器的库，所以它们将被自动的使用在被打开的合适格式的文件上。注意你只需要调用 av_register_all()一次，因此我们在主函数main()中来调用它。如果你喜欢，也可以只注册特定的格式和编解码器，但是通常你没有必要这样做。

打开视频文件，取出包含在文件中的流信息

// 打开视频文件
if(av_open_input_file(&pFormatCtx, filename, NULL, 0, NULL)!=0)
       handle_error(); // 不能打开此文件

这个函数读取文件的头部并且把信息保存到我们给的AVFormatContext结构体中。
最后三个参数描述了文件格式，缓冲区大小（size）和格式参数；我们通过简单地指明NULL或0告诉 libavformat 去自动探测文件格式并且使用默认的缓冲区大小。

// 取出流信息
if(av_find_stream_info(pFormatCtx)<0)
     handle_error(); // 不能够找到流信息

查找文件的流信息,avformat_open_input函数只是检测了文件的头部，接着要检查在文件中的流的信息。
这一步会用有效的信息把 AVFormatContext 的流域（streams field）填满。作为一个可调试的诊断，我们会将这些信息全盘输出到标准错误输出中，不过你在一个应用程序的产品中并不用这么做。

我们仅仅处理视频流，而不是音频流。为了让这件事情更容易理解，我们只简单使用我们发现的第一种视频流。

//遍历文件的各个流，找到第一个视频流，并记录该流的编码信息
videoindex = -1;
for(i=0; i<pFormatCtx->nb_streams; i++) 
{
    if(pFormatCtx->streams[i]->codec->codec_type==AVMEDIA_TYPE_VIDEO)
    {
        videoindex=i;
        break;
    }
}
if(videoindex==-1)
{
    printf("Didn't find a video stream.\n");
    return;
}
pCodecCtx=pFormatCtx->streams[videoindex]->codec;

我们已经得到了一个指向视频流的称之为上下文的指针。接下来，我们需要找到真正的编码器打开它。

寻找视频流的解码器

在库里面查找支持该格式的解码器

pCodec = avcodec_find_decoder(pCodecCtx->codec_id);
if(pCodec == NULL)
    handle_error(); // 找不到解码器

打开解码器

if(avcodec_open(pCodecCtx, pCodec)<0)
    handle_error();

给视频帧分配空间，以便存储解码后的图片数据

pAvFrame = avcodec_alloc_frame();

解码视频帧就像我前面提到过的，视频文件包含数个音频和视频流，并且他们各个独自被分开存储在固定大小的包里。我们要做的就是使用libavformat依次读取这些包，过滤掉所有那些视频流中我们不感兴趣的部分，并把它们交给libavcodec进行解码处理。

进行解码

通过该api读入一帧

result = av_read_frame(pFormatCtx, packet);

通过下面的api进行解码一帧数据，将有效的图像数据存储到pAvFrame成员变量中

ret = avcodec_decode_video2(pCodecCtx, pAvFrame, &got_picture, packet);

下面是ffmpeg解码的API：


将YUV420p颜色编码转换成BGR颜色编码

首先得到图片转换上下文img_convert_ctx,这里注意的是，opencv的RGB编码顺序为BGR，所以选用AV_PIX_FMT_BGR24的编码方式。

//根据编码信息设置渲染格式
            if(img_convert_ctx == NULL){
                img_convert_ctx = sws_getContext(pCodecCtx->width, pCodecCtx->height,
                    pCodecCtx->pix_fmt, pCodecCtx->width, pCodecCtx->height,
                    AV_PIX_FMT_BGR24, SWS_BICUBIC, NULL, NULL, NULL); 
            }

再得到为BGR格式帧分配内存

AVFrame *pFrameRGB = NULL;
uint8_t  *out_bufferRGB = NULL;
pFrameRGB = avcodec_alloc_frame();

//给pFrameRGB帧加上分配的内存;
int size = avpicture_get_size(AV_PIX_FMT_BGR24, pCodecCtx->width, pCodecCtx->height);
out_bufferRGB = new uint8_t[size];
avpicture_fill((AVPicture *)pFrameRGB, out_bufferRGB, AV_PIX_FMT_BGR24, pCodecCtx->width, pCodecCtx->height);

最后进行转换

sws_scale(img_convert_ctx, pFrame->data, pFrame->linesize, 0, pCodecCtx->height, pFrameRGB->data, pFrameRGB->linesize);

OpenCV Mat数据复制

cv::Mat对象中有data指针，指向内存中存放矩阵数据的一块内存 (uchar data)。*
所以，要将ffmpeg解码之后得到的RGB色彩的帧数据复制给该指针，这样就实现了ffmpeg解码数据到opencv中Mat格式的转换，进而就可以对Mat对象进行相应的处理。

代码示例

ffmpegDecode.h文件

#ifndef __FFMPEG_DECODE_H__
#define __FFMPEG_DECODE_H__

#include <opencv2/core/core.hpp>
extern "C"
{
#include "libavcodec/avcodec.h"
#include "libavformat/avformat.h"
//图像转换结构需要引入的头文件
#include "libswscale/swscale.h"
};


#pragma comment(lib, "avcodec.lib")
#pragma comment(lib, "avformat.lib  ")
#pragma comment(lib, "avutil.lib    ")
#pragma comment(lib, "avdevice.lib  ")
#pragma comment(lib, "avfilter.lib  ")
#pragma comment(lib, "postproc.lib  ")
#pragma comment(lib, "swresample.lib")
#pragma comment(lib, "swscale.lib   ")

class ffmpegDecode
{
public:
    ffmpegDecode(char * file = NULL);
    ~ffmpegDecode();

    cv::Mat getDecodedFrame();
    cv::Mat getLastFrame();
    int readOneFrame();
    int getFrameInterval();

private:
    AVFrame *pAvFrame;
    AVFormatContext *pFormatCtx;
    AVCodecContext  *pCodecCtx;
    AVCodec         *pCodec;

    int i; 
    int videoindex;
    
    char *filepath;
    int ret, got_picture;
    SwsContext *img_convert_ctx;
    int y_size;
    AVPacket *packet;

    cv::Mat *pCvMat;

    void init();
    void openDecode();
    void prepare();
    void get(AVCodecContext *pCodecCtx, SwsContext *img_convert_ctx,AVFrame *pFrame);
};

#endif

ffmpegDecode.cpp文件

#include "ffmpegDecode.h"

ffmpegDecode :: ~ffmpegDecode()
{
    pCvMat->release();
    //释放本次读取的帧内存
    av_free_packet(packet);
    avcodec_close(pCodecCtx);
    avformat_close_input(&pFormatCtx);
}

ffmpegDecode :: ffmpegDecode(char * file)
{
    pAvFrame = NULL/**pFrameRGB = NULL*/;
    pFormatCtx  = NULL;
    pCodecCtx   = NULL;
    pCodec      = NULL;

    pCvMat = new cv::Mat();
    i=0;
    videoindex=0;

    ret = 0;
    got_picture = 0;
    img_convert_ctx = NULL;
    y_size = 0;
    packet = NULL;

    if (NULL == file)
    {
        filepath =  "opencv.h264";
    }
    else
    {
        filepath = file;
    }

    init();
    openDecode();
    prepare();

    return;
}

void ffmpegDecode :: init()
{
    //ffmpeg注册复用器，编码器等的函数av_register_all()。
    //该函数在所有基于ffmpeg的应用程序中几乎都是第一个被调用的。只有调用了该函数，才能使用复用器，编码器等。
    //这里注册了所有的文件格式和编解码器的库，所以它们将被自动的使用在被打开的合适格式的文件上。注意你只需要调用 av_register_all()一次，因此我们在主函数main()中来调用它。如果你喜欢，也可以只注册特定的格式和编解码器，但是通常你没有必要这样做。
    av_register_all();

    //pFormatCtx = avformat_alloc_context();
    //打开视频文件,通过参数filepath来获得文件名。这个函数读取文件的头部并且把信息保存到我们给的AVFormatContext结构体中。
    //最后2个参数用来指定特殊的文件格式，缓冲大小和格式参数，但如果把它们设置为空NULL或者0，libavformat将自动检测这些参数。
    if(avformat_open_input(&pFormatCtx,filepath,NULL,NULL)!=0)
    {
        printf("无法打开文件\n");
        return;
    }

    //查找文件的流信息,avformat_open_input函数只是检测了文件的头部，接着要检查在文件中的流的信息
    if(av_find_stream_info(pFormatCtx)<0)
    {
        printf("Couldn't find stream information.\n");
        return;
    }
    return;
}

void ffmpegDecode :: openDecode()
{
    //遍历文件的各个流，找到第一个视频流，并记录该流的编码信息
    videoindex = -1;
    for(i=0; i<pFormatCtx->nb_streams; i++) 
    {
        if(pFormatCtx->streams[i]->codec->codec_type==AVMEDIA_TYPE_VIDEO)
        {
            videoindex=i;
            break;
        }
    }
    if(videoindex==-1)
    {
        printf("Didn't find a video stream.\n");
        return;
    }
    pCodecCtx=pFormatCtx->streams[videoindex]->codec;

    //在库里面查找支持该格式的解码器
    pCodec=avcodec_find_decoder(pCodecCtx->codec_id);
    if(pCodec==NULL)
    {
        printf("Codec not found.\n");
        return;
    }

    //打开解码器
    if(avcodec_open2(pCodecCtx, pCodec,NULL) < 0)
    {
        printf("Could not open codec.\n");
        return;
    }
}

void ffmpegDecode :: prepare()
{
    //分配一个帧指针，指向解码后的原始帧
    pAvFrame=avcodec_alloc_frame();
    y_size = pCodecCtx->width * pCodecCtx->height;
    //分配帧内存
    packet=(AVPacket *)av_malloc(sizeof(AVPacket));
    av_new_packet(packet, y_size);

    //输出一下信息-----------------------------
    printf("文件信息-----------------------------------------\n");
    av_dump_format(pFormatCtx,0,filepath,0);
    //av_dump_format只是个调试函数，输出文件的音、视频流的基本信息了，帧率、分辨率、音频采样等等
    printf("-------------------------------------------------\n");
}

int ffmpegDecode :: readOneFrame()
{
    int result = 0;
    result = av_read_frame(pFormatCtx, packet);
    return result;
}

cv::Mat ffmpegDecode :: getDecodedFrame()
{
    if(packet->stream_index==videoindex)
    {
        //解码一个帧
        ret = avcodec_decode_video2(pCodecCtx, pAvFrame, &got_picture, packet);
        if(ret < 0)
        {
            printf("解码错误\n");
            return cv::Mat();
        }
        if(got_picture)
        {
            //根据编码信息设置渲染格式
            if(img_convert_ctx == NULL){
                img_convert_ctx = sws_getContext(pCodecCtx->width, pCodecCtx->height,
                    pCodecCtx->pix_fmt, pCodecCtx->width, pCodecCtx->height,
                    AV_PIX_FMT_BGR24, SWS_BICUBIC, NULL, NULL, NULL); 
            }   
            //----------------------opencv
            if (pCvMat->empty())
            {
                pCvMat->create(cv::Size(pCodecCtx->width, pCodecCtx->height),CV_8UC3);
            }

            if(img_convert_ctx != NULL)  
            {  
                get(pCodecCtx, img_convert_ctx, pAvFrame);
            }
        }
    }
    av_free_packet(packet);

    return *pCvMat;
}

cv::Mat ffmpegDecode :: getLastFrame()
{
    ret = avcodec_decode_video2(pCodecCtx, pAvFrame, &got_picture, packet);
    if(got_picture) 
    {  
        //根据编码信息设置渲染格式
        img_convert_ctx = sws_getContext(pCodecCtx->width, pCodecCtx->height, pCodecCtx->pix_fmt, pCodecCtx->width, pCodecCtx->height, PIX_FMT_RGB24, SWS_BICUBIC, NULL, NULL, NULL); 

        if(img_convert_ctx != NULL)  
        {  
            get(pCodecCtx, img_convert_ctx,pAvFrame);
        }  
    } 
    return *pCvMat;
}

void ffmpegDecode :: get(AVCodecContext * pCodecCtx, SwsContext * img_convert_ctx, AVFrame * pFrame)
{
    if (pCvMat->empty())
    {
        pCvMat->create(cv::Size(pCodecCtx->width, pCodecCtx->height),CV_8UC3);
    }

    AVFrame *pFrameRGB = NULL;
    uint8_t  *out_bufferRGB = NULL;
    pFrameRGB = avcodec_alloc_frame();

    //给pFrameRGB帧加上分配的内存;
    int size = avpicture_get_size(AV_PIX_FMT_BGR24, pCodecCtx->width, pCodecCtx->height);
    out_bufferRGB = new uint8_t[size];
    avpicture_fill((AVPicture *)pFrameRGB, out_bufferRGB, AV_PIX_FMT_BGR24, pCodecCtx->width, pCodecCtx->height);

    //YUV to RGB
    sws_scale(img_convert_ctx, pFrame->data, pFrame->linesize, 0, pCodecCtx->height, pFrameRGB->data, pFrameRGB->linesize);
    
    memcpy(pCvMat->data,out_bufferRGB,size);

    delete[] out_bufferRGB;
    av_free(pFrameRGB);
}

转载请注明作者Jason Ding及其出处
Github主页(http://jasonding1354.github.io/)
CSDN博客(http://blog.csdn.net/jasonding1354)
简书主页(http://www.jianshu.com/users/2bd9b48f6ea8/latest_articles)

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